Пирометр спектрального отношения Советский патент 1993 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к технике измерений температуры по излучению и может быть использовано в промышленности и научных исследованиях для измерения темпе- ратуры, изменяющейся в широких пределах.

Величиной, зависящей от температуры объекта и непосредственно измеряемой пирометром излучения, является электрический сигнал приемника излучения, возникающий при попадании на его светочувствительную поверхность светового потока в более или менее широкой области спектра (для пирометров суммарного и частичного излучения) либо отношение сигналов, пропорциональных световым потокам различного спектрального состава (для пирометров спектрального отношения). При переходе от одного измеряемого поддиапазона к другому (от более низких температур к более высоким) в оптической системе пирометра применяются элементы, ограничивающие величину светового потока (диафрагмы, поглотители и т.д.).

Известны пирометры излучения 1, в том числе пирометры спектрального отно- . шения, в которых для регулировки светового потока используются установленные непосредственно за объективом диафрагмы с калиброванными или регулируемыми отверстиями.

При переходе к следующему поддиапа- зону изменения (более высокотемператур00 О

О

|Ю 45 (Л

ному) диаметр калиброванного отверстия уменьшается.

Недостатком подобного решения применительно к пирометрам спектрального отношения является влияние хроматических аберраций в выходном зрачке оптической системы, включающей объектив и апертурную диафрагму (в плоскости апертурной диафрагмы). В результате этого явления распределение спектрального состава излучения в плоскости апертурной диафрагмы меняется, обогащаясь, например, более коротковолновыми лучами в направлении от оптической оси к периферии, что приводит к увеличению погрешности. Известен также пирометр спектрального отношения 2, который можно считать прото- типом -предлагаемого устройства, содержащий объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство, приемники излучения, измеритель отношения сигналов, индикатор результата измерения. В этом пирометре для обеспечения необходимого исходного значения светового потока, обеспечивающего линейный режим работы приемников излучения в данном поддиапазоне измерения, непосредственно после объектива устанавливается материальная апертурная диафрагма с калиброванным отверстием. Центр отверстия находится на оптической оси объектива. При переходе к следующему поддиапазону измерения (более высокие температуры) диаметр отверстия также соответственно уменьшается (см. фиг.5, поз.17 и 18). Этот пирометр обладает тем же недостатком, т.к. уменьшение диаметра апертурной диафрагмы при переходе к более высокому температурному поддиапазону. измерения приводит, вследствие хроматизма оптической системы, к изменению спектрального состава излучения, попадающего на. фотоприемники, к относительному увеличению эффективных длин волн пирометра и, в сочетании с более высокими температурами, к ослаблению зависимости спектрального отношения от температуры (R(T) JT) и, в конечном счете, к увеличению погрешностей, связанных с воздействием влияющих факторов (изменение уровня яркости, окружающей температуры и т.д.).

Особенно существенно этот недостаток проявляется в пирометрах с широкими под- диапазонами измерения, т.к. с одной сторо- ны, возрастает динамический диапазон изменения сигналов и увеличивается отклонение световой характеристики от линейной зависимости, с другой - увеличивается

значение d2R/dT - вторая производная спектрального отношения от температуры. Эта последняя особенность иллюстрируется данными, приведенными в таблице, где

указаны значения изменения спектрального отношения в начале и конце двух подди- апазонов измерения (на 100°,С). Т.е. произошло изменение чувствительности спектрального отношения от температуры более чем в 2 раза.

Цель изобретения - повышение точности измерений температуры с расширением диапазона ее измерений.

Поставленная цель достигается тем, что

в пирометре, содержащем оптически связанные объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем отношения сигналов, входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на

максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь SEJ отверстий диафрагмы предыдущего под- диапазона выбирается из условия Sj1 SmaxTk( Дя Ддоп),

а суммарная площадь S52 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона - из соотношения

-G(TH2 -ТН1) 1-е ЯТ„1ТН2, (1)

где SmaxTk - максимальная суммарная площадь отверстий диафрагмы, при которой обеспечивается необходимая линейность сигналов, соответствующих конечному значению температуры первого поддиапазона

измерения (т.е. при котором погрешность от двухкратного изменения уровня яркости А я не превышает допустимого значения Ддоп);

А - эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;

ТН1 - начальное значение температуры предыдущего поддиапазона измерения;

ТН2 - начальное значение температуры последующего поддиапазона изменения;

Ј2 - пирометрическая константа.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2

- виды диафрагмы для I и II поддиапаэонов измерения; на фиг. 3 - относительное (приведенное к 1) спектральное распределение получения на входе оптической системы и в плоскости апертурной диафрагмы; на фиг.4

- разновидность предлагаемой апертурной

диафрагмы; на фиг. 5 - виды апертурной диафрагмы пирометра-прототипа для двух смежных поддиапазонов измерений,

Предлагаемый пирометр (фиг.1) содержит объектив 1,.апертурную диафрагму 2, полевую диафрагму 3. светоделительное устройство 4, приемники излучения 5 и 6, измеритель 7 отношения сигналов, индикатор 8 результата измерений.

Апертурная диафрагма (фиг.2) содержит ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от оптической оси отверстий, общая площадь которых для предыдущего и последующего поддиапазонов определяется в соответствии с формулами, приведенными выше. Для поддиапазонов с относительно низкой начальной температурой (ТН 1000°С) отверстия диафрагмы выполняются в виде усеченных секторов (фиг.4).

В любом варианте отверстия удалены от центра на максимально возможное расстояние, но не выходят за расчетный диаметр апертурной диафрагмы оптической системы.

Предлагаемый пирометр работает следующим образом.

Излучение от объекта измерения, собранное объективом 1, проходит через апертурную диафрагму 2, которая компен- , сирует влияние хроматических аберраций, и фокусируется в плоскости полевой диафрагмы 3.

Излучение передается через светоделительное устройство 4 на приемники излучения 5 и 6, которые преобразуют два различных по спектральному составу световых потока в электрические сигналы. Измеритель отношения 7 производит измерение отношения этих сигналов, несущих информацию о цветовой температуре объекта, значение которой отображается на индикаторе результата измерения 8. На входе оптической системы спектральный состав воспринимаемого от объекта излучения зависит от температуры и излучательной способности объекта и одинаков, независимо от удаления от оптической оси (равномерная засветка объектива). После объектива в плоскости апертурной диафрагмы из-за хроматических аберраций происходит перераспределение лучей различных длин волн, в результате чего спектральный состав излучения изменяется по сравнению с исходным (фиг.З поясняет это явление). По оси абсцисс отложено относительное расстояние в плоскости, перпендикулярной оптической оси по направлению отоптической оси к периферии. По оси ординат - относительное (приведенное на входе системы к

единице) значение спектрального отношения. Линия 11, параллельная оси абсцисс, отображает значение спектрального отношения на входе системы, линия 12 - в пло- 5 скости апертурной диафрагмы. Как видно из фиг.З, спектральный состав излучения вбли зи оптической оси (область по стрелкам 13) обеднен коротковолновой составляющей, что и приводило в прототипе к увеличению

0 погрешности (увеличению эффективных длин волн).

В предлагаемом устройстве применены апертурные диафрагмы, изображенные на фиг. 2,4; Для первого поддиэпазона измере5 ния использована диафрагма вида 9, а при переходе к более высокотемпературному поддиапазону - диафрагма вида 10. На - фиг.З спектральный состав излучения, про0 ходящий через эти диафрагмы, характеризуется стрелками 14 и 15 соответственно. Как видно из рисунка, при переходе от первого поддиапазона ко второму суммарное спектральное распределение изменяется в поль5 зу более коротковолнового излучения, благодаря чему и исключаются описанные выше дополнительные погрешности. Меньший диаметр отверстий диафрагмы 10, по сравнению с диафрагмой 9, обеспечивает

0 уменьшение светового потока при переходе на более высокотемпературный второй под- диапазон измерения. Соотношение суммарных площадей отверстий в апертурных диафрагмах, обеспечивающий одинаковый

5 уровень излучения на предыдущем и последующем поддиапазонах, определяется по формуле (1).

Предложенное изобретение реализовано в пирометре спектрального отношения Спектропир 12. В пирометре использован

0 четырехлинзовый объектив, проектирующий изображение объекта в п-лоскости поле- вой диафрагмы. Светоделение осуществляется с помощью установленного под углом к оптической оси светофильтра, а

5 в качестве приемников используются фотодиоды ФД24К (коротковолновый интервал спектра) и ФД10Г (длинноволновый интервал). В качестве измерителя отношения сигналов используется аналого-цифровой

0 преобразователь фототоков приемников излучения по методу двойного интегрирования, собранный на микросхемах типа К561ИЕ80, К561ЛА7, К561ТМ2, К561ТМЗ, К544УД1А.

5

Индикатор результата измерения co- брак на четырех цифровых индикаторах типа АОС324.

В качестве апертурной диафрагмы для поддиапазона 900-2200°С применена диафрагма вида, представленного на фиг.4, с параметрами:

удаленность отверстий от центра (по осевой линии) 10мм количество отверстий4 Ширина (в радиальном направлении) 4 мм Для поддиапазона 1200-3000°С применена диафрагма 10 вида, представленного на фиг.2, с параметрами: удаленность отверстий от центра 10мм количество отверстий 10 диаметр отверстий 2 мм Формула изобретения Пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные объектив, апертурную и полевую диафрагмы, све- тоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем отношения сигналов, входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь S-2.1 отверстий диафрагмы предыдущего поддиапазона вы- бирается из условия

максТк( ),

а суммарная площадь S&..2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона - из соотношения-G(TH2 -тН1)

Sf. .i -e /Ггйтнз где ЗмаксТк - наибольшая площадь отверстий диафрагмы, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерений уровня яркости Дя меньше допустимого значения погрешности Ддоп во всем диапазоне измерения;

Я - эффективная длина §олны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;

ТН1 - начальное значение температуры предыдущего диапазона измерения;

ТН2 - начальное значение температуры последующего поддиапазона измерения; С2 - пирометрическая константа.

Использование: для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах. Сущность: апертурная диафрагма выполнена в виде диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь S 1 отверстий диафрагмы предыдущего диапазона выбирается ИЗ УСЛОВИЯ Sz 1 SmaxTk( Дя Дцоп), а суммарная площадь S 2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона из соотно- -Сг(тн2 THi) Ш6НИЯ -6 ЯТН1 ТН21 Где SmaxTk - наибольшая площадь отверстий, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерения уровня яркости Дя меньше допустимого значения погрешности Адоп во всем диапазоне; Я- эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра; ТН1 - начальное значение температуры предыдущего диапазона измерения; ТН2 - начальное значение температуры последующего поддиапазона измерения; Сз - пирометрическая константа. 5 ил,

TV i

S6ЈG08l

Фиг. S