Радиационный пирометр Советский патент 1992 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения температуры объектов по излучению в инфракрасной области спектра и может быть использовано, например, для исследования природных ресурсов Земли.

Известен модулятор лучистого потока, схема которого может быть использована при построении радиационных пирометров с одним опорным излучателем, содержащий объектив, два приемника излучения и растр, расположенный между ними под углом к оптической оси и имеющий ось вращения. Параллельно поверхности растра в нем установлены по крайней мере один дополнительный растр и два зеркала по обе стороны относительно первого растра, В данном модуляторе ось вращения основного модулирующего растра расположена под углом к оптической оси, а дополнительный растр установлен стационарно.

Данный модулятор является двухпози- ционным, т.е. одна позиция - пропускание потока излучения от объектов на приемник

излучения, другая позиция - перекрытие потока излучения от объектов.

Если перед вращающимся растром установить опорный излучатель, направление излучения которого перпендикулярно к оптической оси объектива, то излучение от опорного излучателя будет поступать на приемники излучения в противофазе с излучением от объектов. В этом случае возможно построение радиационного пирометра (радиометра) с одним опорным излучателем.

Поскольку входной поток излучения на основном вращающемся растре расщепляется на две составляющие (прошедшую и отраженную), которые в дальнейшем, проходя различные оптические пути, снова собираются на приемниках излучения, это накладывает повышенные требования к жесткости конструкции модулятора, поскольку для сохранения точности измерения радиационного потока излучения требуется сохранение первоначальной юстировки оптических элементов модулятора при всех условиях эксплуатации. В противном случае

(Л

С

2

Ю 4

Ю

даже тепловые деформации конструкции вызовут разъюстировку оптических элементов, которые повлекут за собой двоение изображения объекта в плоскости приемников излучения, что ухудшает точность измерения радиационного потока излучения,

Кроме того, в таких модуляторах не устранена мультипликативная составляющая погрешность измерения, обусловленная нестабильностью коэффициентов отражений оптических элементов, чувствительности приемника излучения, коэффициента передачи усилительно-преобразовательного тракта.

Известны также радиационные пирометры, в которых указанный недостаток устранен за счет введения второго опорного излучателя с температурой, отличающейся от температуры первого опорного излучателя. Для радиационного пирометра с двумя опорными излучателями необходимо создание трехпозиционного модулятора, т.е. первая позиция - пропускание потока излучения от первого опорного излучателя, вторая позиция - пропускание потока излучения от второго опорного излучателя, третья позиция - пропускание измеряемого потока излучения от объектов,

Применение известного быстродействующего модулятора лучистого потока в предлагаемом радиационном пирометре с двумя опорными излучателями без значительной доработки конструкции невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является радиационный пирометр, содержащий объектив, модулятор, два опорных излучателя, блок синхронизации, усилительно-преобразовательную схему с регулируемым коэффициентом передачи и регистратор. Тепловой поток модулируется механическим модулятором. Модулятор данного пирометра имеет две зеркальные плоские ламели, которые установлены наклонно к оси вращения модулятора, и вращаются конусообразно вокруг оси модулятора, которая расположена параллельно оптической оси пирометра, и поочередно отражают излучение от двух опорных излучателей на приемник излучения, причем каждая ламель отражает излучение от собственного (сопряженного с ней) опорного излучателя, Создаваемые на выходе приемника электрические сигналы двух различных амплитуд, соответствующие двум температурам опорных излучателей, далее используются для калибровки пирометра.

Недостатки указанного пирометра - увеличенные габаритные размеры опорных

излучателей и как следствие, увеличенное энергопотребление

Так как зеркальные ламели модулятора расположены не перпендикулярно к оси

вращения модулятора, а под некоторым углом к ней, то они работают в сканирующем режиме, т.е. изображение чувствительной площадки приемника излучения в плоскости выходного отверстия опорного излучателя перемещается во время вращения модулятора. Известно, что для обеспечения точности измерений пирометра требуется возможно более точное запоминание или измерение амплитуды сигналов от опорных

излучателей с учетом присутствия в сигналах напряжения шумов. Для усреднения напряжения шумов требуется создание плоской части электрического калибровочного сигнала (полки), которая создается в

данном пирометре за счет увеличенного размера выходного отверстия опорного излучателя и работы модулятора и режиме сканирования.

Если в данном пирометре размер выходного отверстия опорного излучателя сде- лать равным размеру изображения чувствительной площадки приемника излучения в плоскости выходного отверстия опорного излучателя, то электрический калибровочный сигнал будет иметь колоколо- образную форму, т.е. обеспечивающая точность измерений плоская часть его (полка) будет отсутствовать,

В результате габаритные размеры опорных излучателей увеличиваются следовательно

увеличивается

и

энергопотребление.

Кроме того известный пирометр имеет повышенное энергопотребление электродвигателя модулятора, а следовательно, увеличенные габаритные размеры. Повышенное энергопотребление возникает в результате большого аэродинамического сопротивления ламелей модулятора, так как

они расположены под углом к оси вращения модулятора (эффект вентилятора или самолетного пропеллера).

Цель изобретения - уменьшение энергопотребления и габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в радиационном пирометре, содержащем два опорных излучателя с различной температурой и оптически сопряженные модулятор, имеющий две зеркальные ламели, каждая

из которых оптически связана с соответствующим опорным излучателем, объектив и приемник излучения, выход которого через последовательно соединенные схему автоматической коррекции коэффициента усиления и усилительно-преобразовательную

схему соединен с регистратором, при этом модулятор кинематически связан с электродвигателем и снабжен датчиком углового положения, соединенным с синхронизирующим входом схемы автоматической коррекции коэффициента усиления, ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены на расстоянии одна от другой вдоль оси вращения модулятора и перпендикулярно к ней, при этом ось вращения модулятора расположена под углом к оптической оси пирометра.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого радиационного пирометра.

Радиационный пирометр содержит последовательно установленные вдоль оптической оси объектив 1 и приемник 2 излучения, первый 3 и второй 4 опорные излучатели с различной температурой, схему 5 автоматической коррекции, состоящую из схемы 6 выборки сигналов от опорных излучателей и усилителя 7 с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом схемы 5 автоматической коррекции, включенной между выходом приемника 2 излучения и входом усилительно-преобразовательной схемы 8, выход которой соединен с блоком 9 регистрации, второй вход которого подключен к одному из выходов схемы б выборки, подключенной другим выходом к второму входу усилителя 7, а одним из входов - к выходу усилителя 7, а также модулятор 10, установленный с возможностью вращения и имеющий две зеркальные ламели, представляющие собой сектор 101 большого радиуса и сектор 1011 малого радиуса, плоскости которых установлены перпендикулярно к оси вращения модулятора 10 на расстоянии одна от другой вдоль этой оси, которая расположена под углом к оптической оси пирометра, при этом опорный излучатель 3 может быть сопряжен с приемником 2 излучения только через зеркальную ламель 101, а опорный излучатель 4 - через зеркальную ламель 101 . Модулятор 10 снабжен датчиком 11 углового положения, соединенным с вторым входом блока 6 выборки, и кинематически связан с электродвигателем 12. Исследуемый объект 13 расположен в поле зрения пирометра.

Пирометр работает следующим образом.

Излучение от объекта 13 измерения модулируется зеркальным модулятором 10 и через объектив 1 поступает на приемник 2 излучения, с выхода которого электрический сигнал поступает через схему 5 автоматической коррекции коэффициента усиления и усилительно-преобразовательную схему 8, где сигнал усиливается и детектируется, на регистрирующий прибор 9. Когда излучение от объекта 13 измерения перекрывается модулятором 10, его зеркальные секторы 101 и 1011 поочередно отражают излучение от опорных излучателей 3 и 4 на приемник 2 излучения. От датчика 11 угло0 вого положения секторов модулятора на схему 6 выборки сигналов от опорных излучателей поступают сигналы, показывающие от какого опорного излучателя в данный момент времени поступает излучение на при5 емник 2. Схема 6 выборки выделяет и запоминает сигналы, пропорциональные излучениям опорных излучателей 3 и 4, и вычитает один сигнал от другого. Эта разность сигналов является управляющим сиг0 налом для управляемого усилителя 7 с регулируемым коэффициентом усиления. Усилитель 7 изменяет коэффициент усиления так, что в течение всего времени работы радиометра разность сигналов от опорных

5 излучателей 3 и 4 остается величиной постоянной, что является необходимым условием для исключения мультипликативной составляющей погрешности измерения.

Кроме того, схема 6 выборки выдает сиг0 нал, пропорциональный излучению одного из опорных излучателей, обычно с более низкой температурой излучения, на второй вход регистрирующего прибора 9, что устраняет аддитивную погрешность измерения,

5 обусловленную изменением температуры окружающей среды.

Модулятор 10 работает следующим образом. При вращении модулятора 10 сектор 1011 меньшего радиуса отражает тепловое

0 излучение от опорного излучателя 4 (например, с меньшей температурой излучения) на приемник 2 излучения в течение времени ц, за которое формируется калибровочный сигнал с меньшей амплитудой UL В это вре5 мя сектор 101 большего радиуса выведен из поля зрения приемника 2 излучения и тепловое излучение от опорного излучателя 3 с большей температурой на приемник 2 излучения не поступает. Затем в поле зрения

0 приемника 2 излучения вводится второй сектор 101 большего диаметра, а сектор 10 выводится, при этом в течение времени ta формируется калибровочный сигнал с большей амплитудой U2. После выведения секто5 pa 101 из поля зрения приемника производится измерение температуры объекта в течение времени t3, когда оба сектора выведены из поля зрения.

В предлагаемом радиационном пирометре энергопотребление и габаритные

размеры уменьшены за счет конструкции модулятора 10 и его расположения относительно оптической оси пирометра.

Так как зеркальные плоскости секторов 101 и 1011 модулятора 10 перпендикулярны к оси вращения модулятора 10, то модулятор 10 не производит сканирования, а постоянно во время движения секторов поочередно смотрит на опорный излучатель 3 сектором 10 и на излучатель 4 сектором 10 , При этом возникает возможность вписать размер изображения чувствительного элемента приемника излучения в плоскости выходного отверстия опорного излучателя в размер выходного отверстия опорного излучателя, что дает возможность уменьшить габаритные размеры опорных излучателей 3 и 4. При тех же, что и в изве- стном пирометре, плотностях потоков излучения от излучателей 3 и 4 уменьшение габаритных размеров выходных отверстий излучателей 3 и 4 ведет к уменьшению габаритных размеров самих излучателей. Необходимая плоская часть на выходных электрических калибровочных сигналах создается за счет времени калибровки, т.е. за счет ширины секторов 101 и 10 модулятора 10.

Так как зеркальные плоскости секторов 10 и10и модулятора 10 перпендикулярны к оси вращения модулятора 10, то аэродинамическое сопротивление модулятора 10 минимально (исчезает эффект вентилятора), что дает возможность применить электродвигатель 12 модулятора 10 с меньшим

0

5

0

5

0

5

электропотреблением, а следовательно, с меньшими габаритными размерами.

Кроме того, упрощается юстировка модулятора 10, так как выставление плоскостей модулятора 10, перпендикулярных к оси вращения, технологически более просто.

Формула изобретения Радиационный пирометр, содержащий два опорных излучателя с различной температурой и оптически сопряженные модулятор, имеющий две зеркальные ламели, каждая из которых оптически связана с соответствующим опорным излучателем, объектив и приемник излучения, выход которого через последовательно соединенные схему автоматической коррекции коэффициентаусиленияиусилительно-преобразовательную схему соединен с регистратором, при этом модулятор кинематически связан с электродвигателем и снабжен датчиком углового положения, соединенным с синхронизирующим входом схемы автоматической коррекции коэффициента усиления, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергопотребления и габаритных размеров, ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены на расстоянии одна от другой вдоль оси вращения модулятора и перпендикулярно к ней, при этом ось вращения модулятора расположена под углом к оптической оси пирометра.

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения температуры объектов по излучению в инфракрасной области спектра и может быть использовано для исследования природных ресурсов Земли. Сущность изобретения заключается в том, что в пирометре с двумя опорными излучателями зеркальные ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены перпендикулярно к оси вращения модулятора на расстоянии одна от другой вдоль оси, расположенной под углом к оптической оси пирометра. 1 ил.