Способ бесконтактного определения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пирометрии излучения, и может быть использовано для осуществления контроля и регулирования температуры заготовок в черной и цветной металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен способ бесконтактного измерения температуры, основанный на определении плотности потока излучения с помощью энергетических пирометров. По выходному сигналу пирометра, пропорциональному плотности потока излучения контролируемого объекта, определя ют условную температуру. Связь между действительной и условной температурой при аппроксимации закона Планка приближением Вина имеет вид

Т Ту - С2

Ine,

(D

где Т - действительная температура объекта измерения;

Ту - условная температура объекта измерения;

Ла - эффективная длина волны пирометра;

Ј - излучательная способность объекта измерения;

Са - вторая постоянная Планка.

V8 VI О xi

Ч

Ю

При использовании степенной зависимости - связь между действительной и условной температурой имеет вид

Ту Т Ve,(2)

где

n- °2

Для нахождения действительной температуры по измеренной условной необходимо определить излучательную способность объекта измерения. Этот фактор не учитывается, что приводит к значительным методическим погрешностям. Разность между условной и действительной температурами может достигать, в зависимости от значения Ј , десятков и сотен градусов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения температуры объекта, основанный на установлении интервала измеряемых температур и определении условной температуры с помощью радиационного пирометра, введении коррекции в показания пирометра в одной из точек шкалы.

Выходной сигнал пирометра пропорционален условной температуре объекта. Отсутствие линейной связи между сигналами пирометра и условной температурой исключает возможность корректировки всех точек шкалы.

Недостаткам данного способа измерения температуры является значительная по- грешность измерения температуры, обусловленная изменением излучательной способности от температуры объекта измерения. Описанный выше способ позволяет корректировать показания пирометра только в какой-либо одной точке шкалы прибора по определенному заранее значению излучательной способности объекта измерения и может быть применен только при измерении и регистрации стационарных температур исследуемых объектов. Если при измерении меняющихся температур (динамический режим) корректирование выполнено по одной точке шкалы, то по мере отклонения показаний прибора от этой точки возникает вся увеличивающаяся погрешность определения действительных температур.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры в динамическом режиме.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе бесконтактного измерения температуры пределы измерения температуры пирометром устанавливают соответствующими пределам изменения температуры объекта при линейной зависимости его излучательной способности от температуры; измеряют сигналы пирометра, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения температуры, определяют значения излучательной способности

объекта измерения в нижней и верхней точках изменения температуры по измеренным условным и действительным температурам, вычисляют коэффициент излучательной способности по формуле

ЕВ-ЕН(3)

АБ

UTB-U

TH

где Јв, Јн - значения излучательной спо- собности, соответствующие верхнему и нижнему пределам изменения температуры объекта измерения,

UT8 , UTH -сигналы пирометра, соответствующие верхнему и нижнему пределам измерения температуры.

Измеряют сигнал пирометра, соответствующий условной температуре и определяют температуру объекта измерения по величине сигнала, вычисленного по форму

ле

2Ui

- АЈ UTH +1 (Ен АЈ UTH)2 + 4 АЈ U)

(4)

где итд - значение сигнала пирометра, соответствующее действительной температуре объекта измерения;

Ui - значение сигнала пирометра, соответствующее условной температуре объекта измерения,

Сопоставительный анализ заявляемого

решения с прототипом показывает, что данный способ отличается от известного тем, что пределы измерения температуры пирометром устанавливают соответствующими пределам изменения температуры объекта

при линейной зависимости его излучательной способности от температуры, измеряют сигналы пирометра, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения температуры, определяют значения

излучательной способности объекта измерения в нижней и верхней точках изменения температуры по измеренным условным и действительным температурам, вычисляют коэффициент изменения излучательной способности по формуле (3) и определяют

температуру объекта измерения по величине сигнала, вычисленного по формуле (4).

Значение излучательной способности определяют из соотношения

Ui

тд|

(5)

где DI - сигнал пирометра, соответствующий условной температуре при действительной температуре объекта Тдс

1Лд| - сигнал пирометра, соответствующий действительной температуре объекта

ТД1.

При ТД Тн

Эксперименты и анализ литературных данных показывают, что зависимость иэлу- чательной способности различных объектов измерения от температуры (или от сигнала пирометра, соответствующего действительной температуре) может быть аппроксимирована линейной зависимостью в заданном диапазоне изменения температур объекта. В этом случае можно записать

Ј а U +Ь

(9)

или для температур, соответствующих нижнему и верхнему пределам изменения 15 температуры объекта измерения

Использование: измерительная техника, в частности пирометрия излучения. Сущность изобретения: устанавливают пределы измерения температуры пирометра, соответствующие пределам изменения температуры объекта, измеряют сигналы пирометра, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения температуры, определяют значение излучательной способности объекта измерения, соответствующие нижнему и верхнему пределам изменения его температуры и спектральному диапазону используемого пирометра, вычисляют коэффициент изменения излучательной способности по формуле, измеряют сигнал пирометра, соответствующий условной температуре, и определяют температуру объекта измерения по величине сигнала.

Јтн -у

Ui

TH

(6)

20

где TH - температура, соответствующая нижнему пределу изменения температуры объекта измерения.Решая систему (10) относительно а и Ь,

А значение излучательной способности, получим: соответствующее верхнему пределу изме- „с

нения температуры объекта, определяется как

- л - Јв Јн

Ј 11 - 11

итн итн

Јтв

Ж U

тв

(7)

Действительные температуры, соответствующие нижнему и верхнему пределам изменения температуры объекта измерения определяются, например, по показаниям контактного термометра.

Коэффициент изменения излучательной способности АЈ определяет крутизну нарастания Ј в заданном диапазоне температур и спектральном диапазоне используемого пирометра. Таким образом, в характеристике Ag учтена зависимость излучательной способности от температуры и длины волны излучения, т.е. Ј(А, Т).

Чем выше значение Ае , тем больше может быть погрешность измерения при введении коррекции в одной точке шкалы (прототип).

Если диапазон измерения температуры таков, что Јв Јн , т.е. излучательная способность объекта не зависит от температуры в заданном диапазоне ее измерения и спектральном диапазоне используемого пирометра, то АЕ 0 и формула (4) трансформируется в формулу

35

40

e ЈH+AЈ(U-UTH)

или для каждого значения i

а ен+Ае() .

(12) (13)

Проведя преобразования, получим Ј - (Јн - Ае ит„) Јi - Ае Ui 0 (14)

Решением уравнения (14), учитывая, что Ј 0 , является следующее выражение

45

Јн Ае UTH т| (Јн -AgUiH j , л , i С, +AЈU|

50 Учитывая (5), запишем и -U)

итА--ЈГ(15)

(16)

II -U|

55 Подставляя (15) в (16), получим выражение (4) для определения величины сигнала, соответствующего действительной темпе- (8)ратуре объекта измерения;

EH а итн + b ; Јв a UTB + b .

(10)

Решая систему (10) относительно а и

- л - Јв Јн

Ј 11 - 11

итн итн

Ь Ен-АЈ11т„. Подставляя (11) и (9). получим

e ЈH+AЈ(U-UTH)

или для каждого значения i

а ен+Ае() .

(11)

(12) (13)

Проведя преобразования, получим Ј - (Јн - Ае ит„) Јi - Ае Ui 0 (14)

Решением уравнения (14), учитывая, что Ј 0 , является следующее выражение

45

Јн Ае UTH т| (Јн -AgUiH j , л , i С, +AЈU|

Учитывая (5), запишем и -U)

итА--ЈГ(15)

(16)

у 2 Ui

ТД Јн - АЈ UTH + f (Сн АЈ UTH) + 4 Ag Ui

(4)

При Ag 0, т.е. при ei ен ЕВ формула (4) превращается в выражение (16}

Ui

тд

«

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна. Заявленные отличительные признаки как в отдельности, так и их совокупность не были обнаружены в данной и смежных областях науки и техники. Это позволит сделать вывод о его соответствии критерию существенные отличия.

Формула изобретения

Способ бесконтактного определения температуры, заключающийся в установлении пределов измерения температуры пирометром, измерении сигнала пирометра, соответствующего условной температуре, и определении излучательной способности объекта измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в динамическом режи0

5

ме, пределы измерения температуры пирометром устанавливают соответствующими пределами изменения температуры объекта при линейной зависимости его излучательной способности от температуры, измеряют сигналы пирометра, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения температуры, определяют значения излучательной способности объекта измерения в нижней и верхней точках изменения температуры по измеренным условным и действительным температурам, вычисляют коэффициент изменения излучательной способности по формуле

д - Је Јн U TB UTH

где SB , Јн - значения излучательной спо- собности, соответствующие верхнему и нижнему пределам изменения температуры, обьекта измерения; UTB . UTH - значения сигналов пирометра, соответствующие верхнему и нижнему пределам изменения температуры обьекта измерения, и определяют температуру объекта измерения по сигналу, вычисленному по формуле

T. 2Ul..

я ен -AgUTH +-|(ен - AeUTH) + 4