Радиометр Советский патент 1992 года по МПК G01J5/14 

го термоэлемента 2 с входа согласующего устройства 4 на его выход на входе усилителя 24 остается заряд конденсатора 25, а на выходе - напряжение, равное выходному напряжению усилителя 24 в момент отключения его выхода от радиационного термоэлемента 2. Ток, возникающий в спаях последнего под воздействием выходного напряжения усилителя 24, создает встречный тепловой поток за счет эффекта Пельтье, тем самым охлаждая спаи радиационного термоэлемента 2, нагретые измеряемым потоком оптического излучения, и компенсируя этот поток. В случае больших потоков оптического излучения переключение радиационного термоэлемента 2 происходит многократно. При этом о величине потока оптического излучения судят по количеству полных циклов компенсации в интервале времени между последовательными измерениями потока, задаваемом генератором 21, и по амплитуде напряжения радиационного термоэлемента 2 в момент регистрации потока оптического излучения. Все это позволяет повысить быстродействие измерений при сохранении точности. 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения лучистой энергии и может быть ис3 пользовано в радиометрах и пирометрах на основе термоэлектрических приемников излучения. Цель изобретения - повышение быстродействия. Суть изобретения заключается в поочередном подключении выхода радиационного термоэлемента 2 к входу и выходу согласующего устройства 4 через коммутатор 3. Так как частота импульсов генератора 21 стабильна во времени, то величина амплитуды сигнала на выходе согласующего устройства 4 в моменты времени, когда к его выходу подключен радиационный термоэлемент 2, в одинаковые фазы работы генератора 21 однозначно связана с величиной воздействующего на приемную площадку радиационного термоэлемента 2 потока оптического излучения. В момент переключения коммутатором 3 радиационноё О Ь.

Изобретение относится к технике измерения лучистой энергии и может быть использовано в радиометрах и пирометрах на основе термоэлектрических приемников излучения (радиационных термоэлементов).

Известен абсолютный радиометр, содержащий расположенные в корпусе апер- турную диафрагму, приемную коническую полость, у вершины которой с наружной ее стороны расположен отражающий экран, между последним и приемной конической полостью размещена обмотка электрического замещения, при этом у основания приемной полости с наружной ее стороны расположен термочувствительный элемент, коаксиалыно приемной конической полости установлен массивный конический теплоот- вод, с наружной его стороны размещены термочувствительный элемент и регулятор температуры, между массивным теплоотво- дом и приемной конической полостью коак- сиально им установлен дополнительный конический экран, внутренняя поверхность которого, обращенная к приемной конической полости, имеет тепловой контакт с тер- мочувствительным элементом приемной конической полости, а на наружной стороне экрана расположены дополнительные регулятор температуры в виде электрической обмотки и термочувствительный элемент в виде термобатареи, последняя имеет тепловой контакт с соответствующей поверхностью массивного конического теплоотвода, при этом приемная коническая полость и дополнительный конический экран связаны с массивным коническим теплоотводом с помощью теплостоков в виде медных колец.

Недостатком радиометра является низкое быстродействие, определяемое стоком тепла от приемной полости и экрана к теп- лоотводу, не позволяющее использовать

его для исследования нестационарных процессов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является инфракрасный термоэлектрический радиометр, содержащий оптическую систему, состоящую из диафрагмы, объектива, затвора, радиационный термоэлемент, согласующее устройство и регистратор.

Недостатком радиометра является

низкое быстродействие, обусловленное инерционностью радиационного термоэлемента.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в радиометр, содержащий оптически связанные оптическую систему и радиационный термоэлемент, согласующее устройство и

регистратор, дополнительно.введены коммутатор, устройство управления, счетчик, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый формирователь и выходной регистр, при этом выход радиационного термоэлемента подключен к первому информационному входу коммутатора, выход которого соединен с входом согласующего устройства, подключенного выходом к входам АЦП, устройства управления и второму информационному входу коммутатора, первый и второй управляющие входы которого соединены с вторым и первым выходами устройства управления соответственно, третий выход которого подключен к управляющему входу АЦП, управляющий выход которого соединен через первый формиро-. ватель с установочным входом счетчика, счетный вход которого подключен к первому выходу устройства управления, при этом выходы счетчика и АЦП подключены к первому и второму информационным входам выходного регистра, соединенного управляющим

входом с управляющим выходом АЦП, а выход - с входом регистратора.

Введеные в радиометр элементы и блоки в совокупности и во взаимосвязи с элементами известного радиометра образуют новую совокупность признаков, обеспечивающую выполнение устройством новой функции: автоматическую компенсацию воздействующего на радиационный термоэлемент лучистого потока путем создания встречного теплового потока, возникающего вследствие эффекта Пельтье при периодическом подключении радиационного термоэлемента в моменты достижения сигналом термоэлемента строго заданного уровня к источнику стабильного напряжения, а в моменты измерения лучистого потока - к выходу согласующего устройства, при этом о величине воздействующего на термоэлемент лучистого потока судят по количеству полных циклов компенсации в интервале между двумя последовательными измерениями лучистого потока и амплитуде напряжения на выходе термоэлемента в момент регистрации величины лучистого потока, что повышает быстродействие при сохранении точности и динамического диапазона регистрируемых лучистых потоков, присущих радиометрам с термоэлектрическими приемниками излучения.

На чертеже изображена блок-схема радиометра.

Радиометр содержит оптическую систему 1, радиационный термоэлемент 2, коммутатор 3, согласующее устройство 4, устройство 5 управления, АЦП 6, счетчик 7, первый формирователь 8, выходной регистр 9 и регистратор 10. Коммутатор 3 выполнен в виде первого 11, второго 12 и третьего 13 аналоговых ключей, логического элемента 2ИЛИ-НЕ14, первого потенциометра 15 и первого источника 16 опорного напряжения. Устройство 5 управления выполнено в виде компаратора 17, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 формирователей, генератора 21, второго потенциометра 22 и второго источника 23 опорного напряжения. Согласующее устройство 4 выполнено в виде усилителя 24 и конденсатора 25.

Радиометр работает следующим образом..

Оптическое излучение поступает через оптическую систему 1 на приемную площадку радиационного термоэлемента 2. Сигнал радиационного термоэлемента 2 через третий ключ 13, находящийся в открытом состр- янии (при отсутствии на входах логического элемента 2ИЛИ-НЕ 14 уровней логической единицы), и согласующее устройство 4 поступает на неинвертирующий вход компаратора 17. При нарастании сигнала радиационного термоэлемента 2 выходной сигнал согласующего устройства 4 увеличивается пропорционально, так как емкость конденсатора 25, включенного параллельно входу усилителя 24, не сказывается ввиду малого сопротивления радиационного термоэлемента 2 и проходного сопротивления ключа 13, шунтирующего емкость конденсатора

ключа 13, коммутируют выход радиационного термоэлемента 2 поочередно на вход и на выход согласующего устройства 4. В период подключения радиационного термоэлемента 2 к входу согласующего устройства 4 на

выходе последнего возникает сигнал, амплитуда которого пропорциональна воздействующему на приемную площадку радиационного термоэлемента 2 оптическому излучению.л

(1-е K0(1-e )В,

где Do - амплитуда сигнала на выходе тер- л моэлемента 2 при условии теплового равновесия между падающим на его приемную площадку лучистым потоком и отводимым

от нее тепловым потоком;

Д: - интервал времени с момента подключения радиационного термоэлемента 2 на вход согласующего устройства 4;

т- постоянная времени радиационного термоэлемента 2;

Ко - коэффициент передачи согласующего устройства 4;

К- коэффициент преобразования радиационного термоэлемента 2 потока оптического излучения В в напряжение.

Так как частота импульсов генератора 21 стабильна во времени, то величина амплитуды сигнала U на выходе согласующего устройства 4 в моменты времени, когда к его

входу подключен радиационный термоэлемент 2, в одинаковые фазы работы генератора 21 однозначно связана с величиной воздействующего на приемную площадку радиационного термоэлемента 2 потока оптического излучения. В момент переключения коммутатором 3 радиационного термоэлемента 2 с входа согласующего устройства 4 на его выход на входе усилителя 24 остается заряд конденсатора 25, а на

выходе - напряжение, равное выходному напряжению усилителя 24 в момент отключения его входа коммутатором 3 от радиационного термоэлемента 2. Ток, возникший в спаях радиационного термоэлемента 2 под

воздействием выходного напряжения усилителя 24, создает встречный тепловой поток за счет эффекта Пельтье, тем самым охлаждая спаи радиационного термоэлемента 2 и компенсируя тем самым поток оптического излучения. Сигнал с выхода усилителя 24 поступает на информационный вход АЦП 6 и по команде с выхода формирователя 20, запускаемого импульсами генератора 21, преобразуется в цифровой код. Этот код поступает на первый вход входного регистра 9 и по команде с управляющего выхода АЦП 6 запоминается в нем. Радиометр работает по описанному алгоритму в случае, если величина сигнала с выхода усилителя 24 не превышает уровня, задаваемого порогом срабатывания компаратора 17, т.е. когда амплитуда сигнала на выходе радиационного термоэлемента 2 находится внутри оптимального динамического диапазона входных сигналов усилительно-регистрирующего тракта, включающего согласующее устройство 4, АЦП 6 и выходной регистр 9, соответствующего максимальной точности измерений. При достижении сигналом с выхода усилителя 24 верхней границы срабатывания компаратора 17 (сигнал радиационного термоэлемента 2 достиг и начинает превышать верхнюю границу оптимального диапазона входных сигналов усилительно-регистрирующего тракта) выход компаратора 17 переходит в состояние логической единицы и второй формирователь 18 по переднему фронту процесса этого перехода вырабатывает импульс нормированной длительности и амплитуды. Порог срабатывания компаратора 17 задаётся вторым потенциометром 22 и вторым источником 23 опорного напряжения равным верхней границе оптимального диапазона усилительно-регистрирующего тракта. По команде второго формирователя 18, поступающей на управляющий вход второго аналогового ключа 12, последний производит подключение выхода первого источника 16 опорного напряжения через первый потенциометр 15 к выходу радиационного термоэлемента 2, одновременно этот же импульс второго формирователя 18 через логический элемент 2ИЛИ-НЕ14 отключает вход согласующего устройства 4 от радиационного термоэлемента 2. Напряжение поступает на радиационный термоэлемент 2 в течение времени действия импульса второго формирователя 18, и ток, протекающий под действием этого напряжения, создает тепловой поток, направленный навстречу воздействующему потоку излучения (т.е. охлаждающий поток) и компенсирующий его. По окончании действия импульса второго формирователя 18 вход усилителя 24 соединяется третьим аналоговым ключом 13 с радиационным термоэлементом 2, при этом выход

второго аналогового ключа 12 отключается от радиационного термоэлемента 2. В случае больших по величине потоков оптического излучения переключение радиационного термоэлемента 2 с входа согласующего

устройства 4 на выход первого источника 16 опорного напряжения и обратно происходит многократно до тех пор, пока импульс с выхода генератора 21 через третий формирователь 19 не подключит выход согласующего устройства 4 к радиационному термоэлементу 2, отключив его через логический элемент 2ИЛИ-НЕ 14 с помощью третьего ключа 13 от входа согласующего устройства 4. При этом встречный тепловой

поток, возникающий в спаях радиационного термоэлемента 2 под действием тока, протекающего при подаче на радиационный термоэлемент2 выходного напряжения усилителя 24, пропорционального сигналу радиационного термоэлемента 2 в момент переключения радиационного термоэлемента 2 на выход усилителя 24, компенсирует поток оптического излучения, поступающего на приемную площадку радиационного термоэлемента 2, а величина сигнала усилителя 24, как и ранее (когда сигнал с выхода радиационного термоэлемента 2 лежит в пределах динамического диапазона входных сигналов усилительно-регистрирующего тракта), через АЦП 6 записывается в выходной регистр 9. Одновременно с этим на второй вход выходного регистра 9 считывается Цифровой код счетчика 7, индицирующий количество переключений радиационного термоэлемента 2 с выхода усилителя 24 на его вход, т.е. полное число циклов полной компенсации поступающего на приемную площадку радиационного термоэлемента 2 оптического

излучения за время одного подключения выхода термоэлемента 2 к входу усилителя 24. По окончании записи выходных кодов счетчик 7 обнуляется по команде первого формирователя 8, вырабатываемой по

переднему фронту импульса, поступающего на его вход с управляющего выхода АЦП 6 и задержанного первым формирователем 8 на время, необходимое для записи цифровых кодов с информационного выхода АЦП

6 и выхода счетчика 7 в выходной регистр 9. С выхода регистра 9 цифровой код, пропорциональный измеренному тепловому потоку, поступает на вход регистратора 10. Выбирая частоту генератора 21 таким

образом, что At « т , где At - время подключения выхода радиационного термоэлемента 2 к входу усилителя 24; т- постоянная времени радиационного термоэлемента 2, можно существенно (до 10 раз) увеличить быстродействие радиометра. Предельный выигрыш быстродействия ограничен увеличением соотношения сигнал/шум при уменьшении At. На практике при использовании в качестве радиационного термоэлемента 2 приемника типа ПП1 выигрыш в быстродействии по сравнению с прототипом достигается до 10 раз без существенного изменения соотношения сигнал/шум при одинаковом динамическом диапазоне изменения регистрируемых потоков оптического излучения. При этом уменьшение амплитуды полезного сигнала компенсируется уменьшением собственных тепловых шумов радиационного термоэлемента 2 благодаря принудительному охлаждению термоспаев его приемной площадки путем пропускания через термоспай тока, создающего охлаждающий тепловой поток вследствие эффекта Пельтье, что и обеспечивает практическую неизменность соотношения сигнал/шум радиометра.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить повышение быстродействия измерений без снижения точности измерений.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Радиометр, содержащий оптически связанные оптическую систему и радиацион0

5

0

5

0

ный термоэлемент, согласующее устройство и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены коммутатор, устройство управления, счетчик, аналого- цифровой преобразователь, первый формирователь и выходной регистр, при этом выход радиационного термоэлемента подключен к первому информационному входу коммутатора, выход которого соединен с входом согласующего устройства, подключенного выходом к входам аналого- цифрового преобразователя, устройства управления и второму информационному входу коммутатора, первый и второй управляющие входы которого соединены с вторым и первым выходами устройства управления соответственно, третий выход которого подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий выход которого соединен через первый формирователь с установочным входом счетчика, счетный вход которого подключен к первому выходу устройства управления, при этом выходы счетчика и аналого-цифрового преобразователя подключены к первому и второму информационным входам выходного регистра, соединенного управляющим входом с управляющим выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходом с входом регистратора.