Устройство для определения яркостной температуры поверхности нагретого тела Советский патент 1992 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к бесконтактному изменению температуры нагретой поверхности, и может быть использовано в металлургии, энергетике и химической технологии.

Целью изобретения является повышение точности.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства; на фиг-.2 - плоскости обтюраторов.

Устройство для определения яркосгной температуры поверхности нагретого тела включает расположенные на одной и той же оптической сои . пстз-и:... 1 излучения, линзу 2 источника излучения и поворотное зеркало 3 и расположенный на оптическом пучке излучения, испускаемого нагретой поверхностью 4 через среду 5, диск-обтюратор 6. участки которого, непрозрачные для излучения, выполнены зеркальными, линзу 7 и монохроматор 8 с фотоэлектрическим приемником 9 излучения. Зеркальные поверхности диска-обтюратора 6 обращены к монолрс:-.г-юр, 0.

Образцовый источник 1 излучении и поворотное зеркало 3 расположены по разные стороны от среды 5, причем между образцовым источником 1 излучения и средой 5 ус- .пен второй диск-обтюратор 10.

О N4

JV

СО

ел

аналогичный первому ,::ску-обтюратору 6, так что его зеркальные поверхности обращены к образцовому источнику 1 излучения и фотоэлектрическому приемнику 11 излучения с линзой 12, расположенными на оптической оси, пересекающей оптическую ось образцового источника 1 излучения в плоскости зеркальной поверхности обтюратора 10. Плоскости дисков-обтюраторов 6 и 10 наклонены к оптическим осям так, что перпендикуляр, восстановленный из точки пересечения оптических осей на зеркальных поверхностях, является биссектрисой меньшего угла между оптическими осями. Оба обтюратора 6 и 10 содержат одинаковое и кратное трем число секторов, которые чередуются в последовательности два непрозрачных - один прозрачный, а угол поворота передней по направлению вращения обтюраторов кромки прозрачного сектора одного обтюретора относительно вертикальной оси совпадает с углом поворота р задней кромки прозрачного сектора другого обтюратора относительно той же оси. Устройство содержит также блок синхронизации вращения обтюраторов (не показан).

Устройство работает следующим образом.

Изображение чагретой поверхности 4, полученное с помощью линзы 7, совмещают с плоскостью входной щели монохроматора 8, что обеспечивает наилучшее пространственное разрешение при измерении температуры. Изображение тела накала образцового источника 1 излучения, полученное с помощью линзы 2, совмещают с плоскостью, отстоящей от линзы 7 на такое же расстояние, на которое удалена от линзы 7 нагретая поверхность 4. Расстояние измеряют вдоль оптической оси от образцового источника излучения, т.е.

У1 + Y2 + Уз Yn.

В первой фазе вращения обтюраторов 6 и 10 через прозрачный сектор обтюратора 6 и линзу 7 в монохроматор 8 попадает поток излучения от нагретой поверхности 4, ослабленный средой 5, и излучение самой среды

ч% + cp Gnlnexp(-r0) + Gcplcp,(1) где n. Icp - интенсивности излучения нагретой поверхности и среды;

Т0 - оптическая плотность среды;

Gn, Gcp - геометрические факторы для поверхности и среды; Ф- мОтс из/гучени.

Во второй фазе непрозрачный сектор обтюратора 6 перекрывает излучение от поверхности 4. Если угол между вертикальной

осью и задней кромкой прозрачного сектора обтюратора 6 равен углу между вертикалью и передней кромкой прозрачного сектора обтюратора 10, то излучение от образцового

источника 1 проходит через прозрачный сектор обтюратора 10, линзу 2, среду 5, отражаясь от поворотного зеркала 3 и зеркальной поверхности обтюратора б, попадает через линзу 7 на входную щель

0 монохроматора 8. В этом случае поток излучения, попадающий в монохроматор 8, равен

Фэ + ср ехр (-Г0 ) + Gcp2lcp.(2)

где U. Icp - интенсивности излучения образ 5 цового источника 1 излучения и среды 5;

Gs, GCp2 - геометрические факторы образцового источника 1 излучения и среды 5.

Оптический путь, вдоль которого распространяется излучение от образцового

0 источника 1 излучения, проходит близко от оптического пути, вдоль которого распространяется излучение от нагретой поверхнб- сти 4, поэтому оптическая плотность среды Г0 и интенсивность Ср в формулах (1) и (2)

5 одинаковы. Геометрические факторы для излучения среды, распространяющегося вдоль этих направлений, могут быть разными.

В треть-ей фазе вращения обтюраторов

0 б и 10 непрозрачные сектора перекрывают излучение как от нагретой поверхности 4, так и от источника 1, и в монохроматор 8, отражаясь от поворотного зеркала 3 и зеркальной поверхности обтюратора б, через

5 линзу 7 попадает поток излучения от среды

Мер.(3)

Если угол между вертикальной осью и передней кромкой прозрачного сектора обтюратора б равен углу между-вертикалью и 0 задней кромкой прозрачного сектора обтюратора 10, то во второй фазе в монохроматор 8 попадает поток , а в третьей фазе - Ф + ср . Так как диски-обтюраторы б и 10 разбиты на сектора одинаково и система синхронизации их вращения обеспечивает вращение обоих обтюраторов 6 и 10 с одинаковой угловой скоростью, то на входную щель монохрсматора 8 последовательно подаются потоки ч% + Ср ; С1 + ср ; ч%р.

Когда обтюратор 10 перекрывает оптическую ось, то излучение образцового источника 1 излучения, отражаясь от зеркальной поверхности, обтюратора 10, попадает в приемник L 1 излучения, с помощью которо5

0

5

го контролируют постоянство интенсивности излучения образцового источника 1 излучения..

1707485

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к бесконтактному - измерению температуры нагретой поверхности, и может быть использовано в металлургии, энергетике, химической технологии, Целью изобретения является повышение точности. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит расположенные на одной оптической оси образцовый источник излучения, линзу источника излучения и поворотное зеркало и расположенные на оптическом пути излучения, испускаемого нагретой поверхностью через среду, первый диск-обтюратор с зер-- кальт ми поверхностями, обращенными к монохро птору, линзу и монохроматор и второй диск-обтюратор, аналогичный первому, расположенный между источником излучения и средой, причем его зеркальные поверхности обращены к источнику излучения. Оба диска-обтюрпторэ имеют одинпко- -вое кратное трем число секторов - два непрозрачных, один прозрачный и устройство для синхронизации их вращения заданным образом. 2 мл. (Я с

Перед измерениями, когда отсутствует среда 5, измеряют поток излучения образцового источника 1 излучения

ЧЪ - Сэ1э.(4)

Зависимость интенсивности излучения образцового источника 1 излучения Ь от яр- костной температуры его тела накала 3 Оэ (Тэ)) определена, т.е. образцовый источник 1 излучения предварительно откалибро- ван.

По измеренным потокам излучения Фп +ср : Фэ 4-ср ; Фср и известному при условии

Gn GCp - GCp2 G3(5) определяют яркостную температуру нагретой поверхности, отделенной от линзы 7 поглощающей и излучающей средой

Я , fy+cp- tPl

In

4ь +

ср

СР - IV

1сР/|-1 .

Требование (5) накладывали ограничения на геометрические размеры устройства.

Излучение от рабочей поверхности тела накала образцового источника 1 излучения должно заполнить входную щель монохро- матора 8. Это достигается, если изображение рабочей поверхности тела нзкала образцового источника 1 излучения больше размера входной щели монохроматорэ 8:

Эи Эщ,

Ьи Дч flu пщ.

где ащ и Ьщ - ширина и высота щели моно- хроматора У:

/Зи - коэффициенты линейного увеличения линз образцового источника 1 из-, лучения и монохроматора 8;

Зи и Ьи - ширина и высота рабочей площадки тела накала образцового источника 1 излучения.

Учитывая,что

Уи и п fn

г-- Рм 1м

получим

fM . a

Yn - fM Эщ

Л

(7)

а - Y6 и

аи -г--

и

(7 а.)

а

щ

к - Уб - fиfM

Пи - --t--тт--г

ТиYn - Тм

где и n-fM-- фокусные расстояния соответственно линз 2 и 7;

YH - рассто чис от линзы 2 до изображения тела накала образцового источники 1 излучения.

Размеры входной щели монохроматора 8 выбираются так, чтобы обеспечить требуемое разрешение при измерении температуры погрстсй поверхности л аи и

Ьи заданы типом используемого образцового источника 1 излучения. Расстояние от линзы 7 до нагретой поверхности 4 определяется тем, что плоскости входной щели и нагретой поверхности 4 являются оптически сопряженными. Так как фокусные расстояния линз 2 и 7 заданы, то из (7а) получим ограничение на Уи:

(

0

Y

Ч- Ч Ј

. Vn-M

(8)

15

Оправа линзы 7 должна быть эппертур- ной для обоих оптических путей. Это выполняется при условии

(6)

Чис

О)

20

25

30

35

40

45

50

55

где ащ, Ьщ диаметры оправ линз 2 и 7.

Полученные формулы легко преобразовались к более удобному виду

«К .

biu. v i- fn ,

,( nu

{

м

Yn

.

Л

Ynh +

Вм м-гаи;СУп-(цд).1 uf«-hw (Vn-IMl

V

p| омЈм-Ьц1 п-п).1

где Yn - расстояние между линзами 2 и 7.

Устройство позволяет с лысокой точностью определять яркостную температуру нагретой поверхности 4, даже если эта поверхность отделена от приемного устройства поглощающей, рассеивающей и излучающей средой.

Формула изобретен и я Устройство для определения яркостной температуры поверхности нагретого тела, содержащее оптически связанные образцовый источник излучения, линзы,поворотное зеркало, диск-обтюратор, участки поверхности которого, непрозрачные для излучения, выполнены зеркальными, и монохроматор с фотоэлектрическим приемником излучения, причем зеркальные поверхности диска - oGi юрг П р.ч oOpuuiCi: -. к монохроматору, и т л и ч о о щ е с с - .с;.1.. что, с целью повышения точности, образцовый источник излучения и поворсинос зеркало расположены по разные стороны от среды, причем между образцовым источником излучения и спелой дополнительно установлен агорой диск-обтюратор, аналогичный первому, так что его зеркальные поверхности обращены к образцовому источнику излучения и фотоэлектрическому приемнику излучения, оптическая ось которого пере- секает оптическую ось образцового источника излучения в плоскости зеркальной поверхности второго обтюратора, а плоскости обтюраторов расположены по отношению к оптическим осям так, что пер- пендикуляр к зеркальной поверхности обтюратора, восстановленный из точки пересечения оптических осей, является биссектрисой меньшего угла между оптическими осями, кроме того, оба обтюратора содержат одинаковое и кратное трем число секторов, которые чередуются в последовательности два непрозрачных - один прозрачный, а угол поворота передней по направлению вращения обтюратора кромки прозрачного сектора одного обтюратора относительно вертикальной оси совпадает с углом поворота задней кромки прозрачного сектора другого обтюратора относительно той же оси, кроме того, устройство содержит блок синхронизации вращения обтюраторов, при этом расстояние от линзы, расположенной около монохроматора, до линзы, расположенной около образцового источника излучения вдоль оптического пути, должно удсзлотворять условиям

v

Фёт-И -.

м,

г Pu{H-2ou(Vn-{J

Н DM{«-2outYn-tiO (

YJu

0 Лм-1Ь|«И

.

-Ul-l

где ащ, Ьщ- ширина и высота щели монохроматора соответственно;

аи, hM - ширина и высота рабочей площадки тела накала образцового источника излучения соответственно;

fa. TM - фокусные расстояния линз, расположенных соответственно около образцового источника излучения и около монохроматора;

Yn - расстояние между линзами вдоль оптической оси;

Yn - расстояние между Л11нзой и нагретой поверхностью;

DM, DM - диаметры линз, расположенных около образцового источника излучения и монохроматора соответственно.

8

фие.1.Фие.1