Фотоэлектрический компенсирующий пирометр Советский патент 1993 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к оптической пирометрии и может быть использовано в пирометрах для измерения температуры различных тел в процессе технологического производства, для измерения параметров лазерного и других излучений, а также в исследовательской практике при проведении темлераратурных исследований повышенной точности.

Известны конструкции фотоэлектрических пирометров, например ППТ-121, ПЧД- 141, содержащие корпус, объектив, апертурную и полевую диафрагмы, коллектив (конденсатор), диафрагму фотоприемника, термоэлектрический термостат, фотоприемник, в качестве которого используется термобатарея спаев термопар или фотодиод, электронную систему измерения, построенную по принципу прямого усиления сигнала фотоприемника с дальнейшим его измерением.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пирометр, содержащий температурный датчик с раздельными первой и второй поверхностями (термобатарея), чувствительным к температуре, для выработки разностного сигнала, первую линзу и диафрагму, фокусирующую термоизлучение от объектива на первую поверхность, вторую линзу и вторую диафрагму, фокусирующую излучение от эталонного (те.плового) источника на вторую поверхность-датчика. Изменяя температуру эталонного источника при помощи дифференциального усилителя, добиваются равенства нулю разностного сигнала отдатчика. О температуре объекта судят по мощности, выделяемой в цепи нагревательного

XI

00

х| hO

Os

XI

СО

элементГЭталонного источника сравнения, или по непосредственному измерению температуры эталонного источника.

Основными причинами появления погрешности в данном приборе являются из- менение чувствительности датчика к излучению в инфракрасной области при изменении температуры корпуса прибора, так датчик не тёрмостатирован, а также зависимость тока, протекающего в цепи на- грева эталбШрго источника, не только от температуры объекта измерения, но и от температуры окружающей среды, Температурная компенсация, предусмотренная в данном приборе, устраняет плавание нуля прибора при изменении температуры корпуса и не устраняет главной причины возникновения погрешности, суть которой в том, что при изменении температуры датчика, при неизменной температуре объекта, изменяется разность энергии излучений объекта и датчика, воздействующей на датчик, что приводит к изменению условий передачи энергий между объектом измерения и датчиком, приводящих к изменению показа- ний прибора. Дляустранения этого недостатка необходима температурная стабилизация как датчика разностного сигнала, так и эталонного источника излучения.

Цель изобретения - расширение темпе- ратурного диапазона и повышение точности измерения температуры.

Цель достигается тем, что в предлагаемом пирометре используется комбинированный термоэлектронный преобразователь, одна рабочая поверхность которого установлена на термостат и подключена вместе с неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая определенной частью рабочих элементов, выполняющих функции фотоприемника, подключена к инвертирующему входу усилителя, оставшейся же частью рабочий элементов, выполняющих функцию компенсатора, вместе с блоком измерения - к выходу дифференциального усилителя. Таким образом, в фотоприемник и комггенсатор являются частями одной и той же рабочей поверхности преобразова- Yerta и выполнены в виде единого конструктивного модуля, помещенного в термостат.

Блок-схема, поясняющая принцип действия компенсирующего пирометра, приве- дена на фиг. 1, где 1 - оптическая система, проектирующая излучение U от исследуемого объекта на комбинированный термоэлек- тронный преобразователь (ТЭП), 2 - комбинированный ТЭП, имеющий две рабочие поверхности, выполняющий две функции: фотоприемника 3, преобразующего разность температур первой и второй рабочих поверхностей ТЭП в пропорциональный электрический сигнал, и компенсатора 4, изменяющего температуру первой рабочей поверхности ТЭП, на которой расположены и фотоприёмник 4 и компенсатор 4 таким образом, чтобы разность температур между первой поверхностью и второй, установленной на термостат, оставалась постоянной, 5 - усилитель разностного сигнала, получаемого от фотоприемника 3, служит для питания компенсатора 4 током, пропорциональным величине сигнала с фотоприемника 3, 6 - блок индикации, преобразующий выходной ток дифференциального усилителя, пропорциональный температуре объекта, в цифровой код с визуализацией его на индикаторе, а также обеспечивающий возможность подключения аналогового измерительного прибора.

Блоки 8-11 представляют собой систему автоматического регулирования температуры как термостата 7, так и температуры установленной на нем второй рабочей поверхности комбинированного ТЭП.

Датчик 8 температуры вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению температуры термостата 7 от величины, заданной задатчиком 11 температуры. Усилитель 9 усиливает разностный сигнал датчика 8 температуры, а подключенный к выходу усилителя 9 компенсатор 10 восстанавливает требуемую температуру термостата 7.

Функциональная схема пирометра приведена на фиг. 2. Излучение от объекта 13 направляется объективом 2 через отверстие апертурной диафрагмы 3 на плоскость полевой диафрагмы 5. Часть энергии излучения, ограниченной полевой диафрагмой 5, направляется линзой 4 через отверстием диафрагмы фотоприемника 6 на первую плоскость а комбинированного ТЭП 7 и изменяет ее температуру. Вторая плоскость б комбинированного ТЭП 7 (в дальнейшем измерительный ТЭП) термостатирована другим ТЭП 8, который совместно с датчиком температуры термостата 10 и усилителей 9, поддерживает температуру термостата 14 и второй плоскости б измерительного ТЭП 7 постоянной.

Для создания оптимальных условий измерения положительных или отрицательных температур объекта температура термостатирования может быть задана как выше, так и ниже 0°С, а ТЭП 8 может быть как одноступенчатый, так и многоступенчатый в зависимости оттребований к пирометру и условий, эксплуатации, при этом отдельные ступени термостатирующих ТЭП могут иметь свою систему управления со

Своим датчиком температуры и усилителем. В качестве ТЭП термостата в данном приборе используется твердотельуый электронный микроохладитель ТЭМО, выпускаемый отечественной промышленностью.

Измерительный ТЭП 7 выполнен на базе твердотельного электронного микроохладителя ТЭМО, в котором часть рабочих полупроводниковых термоэлементов, например 2/3, используется в качестве фотоприемника и включена во входную цепь дифференциального усилителя 11, оставшаяся часть термоэлементов выполняет функцию компенсатора излучения от объекта и подключена к выходу этого же усилителя.

Изменяя ток через термоэлементы, служащие в качестве компенсатора излучения, дифференциальным усилителем 11 добиваются равенства нулю разностного сигнала от части термоэлементов, служащих в качестве нуль-индикатора, при этом температура плоскости а измерительного ТЭП 7 принимает значение температуры плоскости б и температуру термостатирования. О температуре объекта судят по току в выходной цепи дифференциального усилителя 11 фотоприемника, измеряемому блоком измерения.

Такая конструкция измерительного ТЭП объединяет в одном модуле фотоприемник и компенсатор излучения от объекта, реализуя компенсационный метод измерения температуры, и позволяет решить вопрос одновременной термостабилизации фотоприемника и эталонного источника излучения. Кроме того, компенсатор непосредственно воздействует на фотоприемник, что значительно повышает его эффективность вследствие отсутствия потерь энергии и передаче, что повышает точность измерения и расширяет пределы измеряемых температур.

Другая модификация этого пирометра использует комбинированный измерительный ТЭП для измерения температуры в двух поддиапазонах, При измерении температуры объекта с малой энергией излучения в качестве фотоприемника задействована большая часть, например 2/3 всего количества термоэлементов, а оставшаяся часть используется в качестве компенсирующих термоэлементов, включенных на выходе дифференциального усилителя. Для измерения высоких температур или лазерного излучения с большой энергией излучения прибор снабжен переключателем, который меняется местами подключение к усилителю частей измерительного ТЭП. Меньшую часть, например 1/3, переключает на вход усилителя в качестве фотоприемника, а

большую часть - к выходу усилителя, что позволяет увеличить мощность компенсатора и расширяет пределы измеряемых температур (фиг. 3).

5Третий вариант пирометра использует все термоэлементы ТЭП одновременно в качестве фотоприемника и в качестве компенсирующих термоэлементов.

В соответствии с эффектами Зеебека и

0 Пельтье ток, проходящий по термоэлементам в направлении разностной термоЭДС, вызванной нагревом одной из плоскостей а ТЭП получением от объекта, охлаждает ее и по достижении определенного значения

5 температура обеих плоскостей а и б сравняется, а разностная термоЭДС при этом равна нулю. Для осуществления такого режима работы ТЭП подключен к инвертирующему входу дифференциального усили0 теля, а отрицательная обратная связь

образована нагрузочным резистором R0c,

включенным между выходом усилителя и

его инвертирующим входом, при этом блок

. 12 измерения подключен к выходу диффе5 ренциального усилителя фотоприемника- компенсатора. Таким образом ТЭП работает в режиме фотоприемника с самокомпенсацией (фиг. 4).

Предлагаемый пирометр и его мод ифи0 кации позволяют увеличить точность измерения и значительно расширить диапазон измеряемых температур в широком спектре излучения.

Термостатирование второй плоскости

5 измерительных ТЭП позволяет значительно повысить точность измерения температуры, В результате применения в качестве компенсирующего, устройства ТЭП, нагревающего или охлаждающего плоскость, на

0 которой происходит компенсация излучения, предлагаемые модификации пирометра могут измерять температуру объектов как выше, так и ниже 0°С.

Формула изобретения

51. Фотоэлектрический компенсирующий пирометр, содержащий оптическую систему, комбинированный термоэлектронный преобразователь с двумя рабочими поверхностями для выработки разностного

0 сигнала, пропорционального, разности температур указанных поверхностей, дифференциальный усилитель, термостат, блок измерения, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапа5 зона и повышения точности измерений,- одна рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостат и подключена с неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая - частью рабочих элементов,

выполняющих функцию фотоприемника, подключена к инвертирующему входу усилителя, оставшейся же частью, выполняющей функцию компенсатора, с блоком измерения подключена к выходу дифференциального усилителя, а фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модуля и помещены в термостат.

2. Пирометр по п. 1,отличающийся тем, что, с целью расширения предела измерения, рабочие элементы комбинированного термоэлектронного преобоазователя

2

объединены установленным между ним и дифференциальным усилителем-переключателем в отдельные группы с изменяемым соотношением элементов, общие выводы которых подключены к переключателю.

3. Пирометр по пп. 1и 2, отличающий с я тем, что, с целью измерения температур выше и ниже 0°С, одна рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостате с изменяемой температурой термостати рова ния.

Использование: область пирометрии различных тел, измерения параметров лазерного и.других излучений. Сущность: рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостат и подключена к неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая-фотоприемником подключена к инвертирующему входу усилителя, а компенсатором к выходу дифференциального усилителя, при этом фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модуля и помещены в термостат, Кроме того, рабочие элементы могут быть объединены в группы с изменяемым соотношением, а температура термостата может изменяться. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг.1

Пирометр фотоэлектрический компенсирующий