Пирометр частичного излучения со смещающимся спектральным диапазоном Советский патент 1991 года по МПК G01J5/16 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактным измерениям температуры по тепловому излучению объектов, и может быть использовано в фотометрах, радиометрах и других приборах, осуществляющих преобразование интенсивности излучения в пропорциональный электрический сигнал.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений температур и уменьшение нелинейности выходного сигнала пирометра от измеряемой температуры,

На чертеже приведена функциональная схема трехканального пирометра.

Пирометр содержит оптическую систему 1, визирную систему 2, первый 3, второй 4 и третий 5 спектроделители, модуляторов, первую 7, вторую 8 и третью 9 полевые диафрагмы, первый 10, второй 11 и третий 12 приемники излучения, первый 13, второй 14 и третий 15 измерительные преобразователи, первый 16 и второй 17 суммирующие усилители, первый 18 и второй 19 ослабители сигнала, первый 20 и второй 21 источники опорного напряжения, сумматор 22 и регистратор 23.

Оптическая система 1, первый 3, второй 4 и третий 5 спектроделители и первый 10, второй 11 и третий 12 приемники излучения подбираются таким образом, чтобы была обеспечена работоспособность пирометра при фиксированных спектральных интервалах в широком диапазоне измеряемых температур. Например, оптическая система 1 и первый спектроделитель 3 могут быть выполнены на основе кварцево-флюоритового материала со спектром пропускания 0,6 - 3,8 мкм; второй спектроделитель 4 третий приемник излучения 12 - кремниевые, что обеспечивает фиксированный рабочий спектральный диапазон 0,6 - 1,2 мкм; третий спектроделитель 5 и второй приемник 11 излучения - германиевые, что обеспечивает фиксированный рабочий спектральный диапазон 1,2 - 1,8 мкм; первый приемник 10 излучения - пирометрический, обеспечивающий при выбранной совокупности оптической системы 1, первого 3, второго 4 и третьего.5 спектроделителей фиксированный рабочий спектральный диапазон 1,8 - 3,8 мкм.

Пирометр работает следующим образом.

Поток излучения концентрируется оптической системой 1 и поступает на первый спектроделитель 3. Часть видимого излучения отражается от него на визирную систему 2, с помощью которой оператор (не показан) наводит пирометр на исследуемый объект (не показан). Излучение, прошедшее через первый спектроделитель 3, поступает на второй спектроделитель 4, который отражает излучение, лежащее, например, в спек- тральном диапазоне 0,6 - 1,2 мкм, и пропускает не третий спектроделитель 5 излучение, лежащее в спектральном диапазоне 1,2 - 3,8 мкм. Третий спектроделитель 5 отражает излучение, лежащее, например, в спектральном диапазоне 1,2 - 1,8 мкм, и пропускает излучение, лежащее в спектральном диапазоне 1,8 - 3,8 мкм. Излучение, прошедшее через третий спектроделитель 5, модулируется при помощи модулятора б, ограничивается первой

полевой диафрагмой 7 и поступает на первый приемник 10 излучения, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход первого измерительного преобразователя 13, например, последовательно соединенных усилителя переменного тока и синхронного детектора (не показаны), при этом управление синхронным детектором осуществляется сигналом, частота которого

совпадает с частотой вращения модулятора 6. С выхода первого измерительного преобразователя 13 электрический сигнал поступает на первый вход первого суммирующего усилителя 16. На начальном участке диапа5 зона измерений, когда излучение от исследуемого объекта имеет небольшую величину и лежит в спектральном диапазоне 1.8 - 3.8 мкм, на входы второго 11 и третьего 12 приемников излучения оно практически не по0 ступает, при этом величины электрических сигналов на втором входе первого суммирующего усилителя 16 и на втором и третьем входах сумматора 22 близки к нулю, а на первый вход сумматора 22 через первый

5 суммирующий усилитель 16 поступает электрический сигнал, пропорциональный излучению, поступившему на вход первого приемника 10 излучения. Таким образом, на регистраторе 23 будет фиксироваться тем0 пература, соответствующая началу диапазона измерений.

При увеличении температуры исследуемого объекта излучение, лежащее в спектральном диапазоне 1.2 - 1,8 мкм,

5 отраженное от третьего спектроделителя 5 и ограниченное второй полевой диафрагмой 8, поступает на вход второго приемника 11 излучения, с выхода которого электрический сигнал через второй измерительный

0 преобразователь 14, например преобразователь типа ток-напряжение, поступает на первые входы второго суммирующего усилителя 17 и первого ослабителя 18 сигнала, в котором он сравнивается с выходным

5 напряжением первого источника 20 опорного напряжения. При превышении напряжения на выходе второго измерительного преобразователя 14 выходного напряжения первого источника 20 опорного напряжения

0 на выходе первого ослабителя 18 сигнала появляется электрический сигнал, который поступает на второй вход первого суммирующего усилителя 16, в котором он суммируется в противофазе с выходным

5 электрическим сигналом первого измерительного преобразователя 13, при этом величина электрического сигнала на выходе первого суммирующего усилителя 16 ограничивается, уменьшая его вклад в величину выходного сигнала пирометра.

Так как на среднем участке диапазона измерений, когда излучение от исследуемого обьекта, лежащее в спектральном диапазоне 5: 1,2 мкм, на вход третьего приемника 12 излучения практически не по- ступает, величины электрических сигналов на втором входе второго суммирующего усилителя 17 и на третьем входе сумматора 22 близки к нулю. При этом на первый и второй входы сумматора 22 поступают элек- трические сигналы с выходов первого 16 и второго 17 суммирующих усилителей, а регистратор 23 будет фиксировать температуру, соответствующую среднему диапазону измерений.

При дальнейшем увеличении температуры исследуемого обьекта излучение, ле жащее в спектральном диапазоне 0,6 - 1,2 мкм, отраженное от второго спектроделите- ля 4 и ограниченное третьей полевей диаф- рагмой 9, поступает на вход третьего приемника 12 излучения с выхода которого электрический сигнал через третий измерительный преобразователь 15, например преобразователь типа ток-напряжение, по- ступает на третий вход сумматора 22 и на первый вход второго ослабителя 19 си: нала, в котором он сравнивается с выходным напряжением второго источника 21 оперного напряжения. При превышении напряжения на выходе второго измерительного преобразователя 15 выходного напряжения второго источника 21 опорного напряжения на выходе второго ослабителя 19 сиг нала появляется электрический сигнал, который по- ступает на второй вход второго суммирующего усилителя 17, в котором он суммируется в противофазе с выходным электрическим сигналом второго измерительного преобразователя 14, при этом ве- личина электрического сигнала на выходе второго суммирующего усилителя 17 ограничивается, уменьшая его вклад в величину выходного сигнала пирометра.

При этом на первый, второй и третий входы сумматора 22 поступают электрические сигналы с выходов первого 16 и второго 17 суммирующих усилителей и третьего измерительного преобразователя 14, а регистратор 23 будет фиксировать температу- ру, соответствующую верхнему диапазону измерений.

Таким образом, использование в пирометре линейных участкое первого 10, второго 11 и третьего 12 приемников излучения, а также подбор коэффициентов преобразования первого 13. второго 14 и третьего 15 измерительных преобразователей К1 К2 КЗ соответственно, позволяют обеспечить кусочно-нелинейную аппроксимацию выходного сигнала пирометра от температуры с числом участков аппроксимации, равным трем. Это приводит к уменьшению нелинейности выходного сигнала пирометра от измеряемой температуры. Кроме того, использование различных участков спектрального диапазона излучения позволяет расширить диапазон измеряемых температур исследуемого обьекта. а смещение рабо- чего спектрального диапазоне при возрастании температуры исследуемого обьекта в сторону более коротких длин волн позволяет уменьшить методическую составляющую погрешности пирометра, возникающую вследствие изменения излу- чательной способности исследуемого объекта, что приводит к повышению точности измерений.

Формула изобретения

Пирометр частичного излучения со смещающимся спектральным диапазоном, содержащий оптически сопряженные оп ическую систему, первый спектродели- тель, устройство визирования, модулятор, первую полевую диафрагму и первый приемник излучения, выход которого соединен с входом первого измерительного преобразователя, а такж€ регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений температур и уменьшения нелинейности выходного сигнала пирометра от измеряемой температуры, в него дополнительно введены не менее одного спектроде- лителя, не менее одной полевой диафрагмы, не менее одного приемника излучения, не менее одного измерительного преобразователя, не менее одного источника опорного напряжения, не менее одного ослабителя сигналов, не менее одного суммирующего усилителя и выходной сумматор, соединенный с регистратором, при этом, 1-й спектроделитель, где 1-2,3п, I- -зя полевая

диафрагма, приемник излучения оптически сопряжены с оптической системой, аы- ход 1-го приемника излучения через 1-й измерительный преобразователь соединен с первым входом 1-го ослабителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом 1-го источника опорного напряжения, э выход - с первым входом 1-го суммирующего усилителя второй вход которого соединен с выходом (I - 1)-го измерительного преобразователя, причем выход 1-го суммирующего усилителя соединен с (I - 1)-м входом выходного сумматора, а выход n-го измерительного преобразователя соединен с n-м входом выходного сумматора.

23

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактным измерениям температуры по тепловому излучению объектов, и может быть использовано в фотометрах, радиометрах и других приборах, осуществляющих преобразование интенсивности излучения в пропорциональный электрический сигнал. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений температур и уменьшение нелинейности выходного сигнала пирометра от измеряемой температуры. Принцип работы пирометра заключается в организации рабочих спектральных диапазонов с помощью спектроделителей и приемников излучения, а также уменьшении вклада в выходной сигнал пирометра приемников излучения, величина электрических сигналов которых выходит за его линейный участок. Это позволяет обеспечить кусочно-нелинейную аппроксимацию выходного сигнала пирометра от температуры с числом участков аппроксимации, равным N, что приводит к уменьшению нелинейности выходного сигнала пирометра от измеряемой температуры. Кроме того, использование различных участков спектрального диапазона излучения позволяет расширить диапазон измеряемых температур исследуемых объектов, а смещение рабочего спектрального диапазона при возрастании температуры исследуемых объектов в сторону более коротких длин волн позволяет уменьшить методическую составляющую погрешности пирометра, возникающую вследствие изменения излучательной способности исследуемых объектов, что, в свою очередь, приводит к повышению точности измерений. 1 ил.