Фотоэлектрический пирометр Советский патент 1980 года по МПК G01J5/28 

(54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР

1

Изобретение относится к области оптической пирометрии и может быть использовано, например, в металлургической промышленности при изготовлении катанки, горячем волочении, термообработке проволоки и т. д.

Известны конструкции фотоэлектрических пирометров для измерения температуры как неподвижных, так и движущихся непрерывных тел, содержащие оптическую систему, с помощью которой поток лучистой энергии направляется на фоточувствительный элемент, модулятор светового потока, лампу сравнения, систему визирования и электронные усилители, работающие в режиме прямого усиления или в режиме сравнения с оптической обратной связью 1.

В таких пирометрах, например в ФЭЦ-4 на фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, проектируется весь световой потребитель, изменение температуры малых объектов приводит к необходимости применять телеобъекты с малым углом зрения, при этом при изменении диаметра проволоки необходимо лишь обеспечить ее неподвижность в поперечном направлении (что в производственных условиях невозможно), либо изменять расстояние между ней и объективом. При этом измеряемый объект должен находиться на оптической оси. При поперечных колебаниях протягиваемых тел типа проволоки их 5 изображение, передаваемое оптической системой на фотоприемник, уходит частично или полностью за пределы светочувствительного слоя, что искажает показания и делает измерение невозможным.

Наиболее близким к предлагаемому яв0 ляется пирометр, состоящий из оптико-механической системы, включающий корпус, объектив, конденсатор, полевую диафрагму, модулятор с щелевым сканирующим обтюратором (вращающийся барабан), видоискатель, и электронной системы обработки информации, включающей фотоэлектрический преобразователь, предварительный усилитель, излучающий элемент оптической обратной связи, запоминающие устройства, устройство сравнения и устройство само20 контроля 2.

Конструкция этого пирометра обеспечивает ему лучшие свойства по сравнению с другими известными и обеспечивает измерение температуры колеблющейся проволоки

без необходимости изменять расстояние до объекта при нзненеиии его поперечного размера.

Недостатками этого ycTpoiicTBa являются петемюлогичпость конструкции зращающегчкя барабана и трудность есо балансировки, так как npis наличии одной щели он /ю.ч.жен иметь (из условия приемлемого быстродействия) частоту врапдения 3000 об/мии ;|ли имет|. Ю- 20 ндентичиых щелей при мены::ей скорости, что также трудоемко при нзготов.Кмии; б);:ы:ая масса и cTOHMOCTij барабана с кпивсдоч; изображение светящейея и;ели ирн ночс-рсчных колебания.х измеряемой нрово.хжи также перемещается по светочувствительной поверхности ф1отоэлемента, что требует применения последнего с достаточно больнюй поверхностью и вызывает iiorpeniiiocTb измерения из-за неоднородности чувствительного слоя.

Кроме того, при сканировании П1елью изображения от объектов р,1злич п 1х иоперечных размеров гри одинаковой температуре получаются импульсы раз„ ичпой д.ли тельпоети, в резу.ьтате чего опи не могут быть с высокой точностью измерены, так как запоминающий конденсатор от д.тин-юго импульса заряжается более плотно, чем от короткого.

Указа1П1ые недостатки этого прибора вызваны несоверн1енством его оптико-механической части и схемы обработки информации.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры протяженных тел малого размера, колеблющихся в нонеречном направлении, и упрощение конструкции пирометра.

Указанная цель достигается тем. что в предлагаемом устройстве фотоэлектрический преобразователь установлен в фокальной плоскости конденсатора, свизированного на квадратное окно неподвижной полевой диафрагмы, а электронная система обработки информации снабжена устройствами для формирования нормированных по длительности «вырезок ii3 середин импульсов, вырабатываемых с|х)тоэлектрически i преобразователем ир: облу1-:ении его световыми импульсами из измеряемого объекта к излучающего элемента оптической обратной связи, и подачи их на входы соответствующих запоминающих устройств.

На фиг. 1 приведена конструктив1 ая схема предлагаемого ф ггоэлектрического нирометра; на фиг. 2 -- eix) функциональная блок-схема; на фиг. 3 -- временные диаграммы )В.

В отверстии передней стенки корпуса закреплена обой.ма 6, в которой по резьбе перемещается тубус с объективом 7, угол зрения которого рассчитан на осмотр участка поверхности, описываемой колеблющимся протяженным объектом измерения (проволокой). Внутри обоймы 6 на цилиндрическом станке закреплена полевая диафрагма 8 с таким расчетом, что объектив нод.ходит вплотную к диафраг.ме при визировании на бесконечность, Диаметр описанной окружности квадратного окна диафрагмы не превышает расчетного диаметра светового пучка в плоскости диафрагмы при визировании объектива на минимально удаленный объект.

Указанные параметры Д;г афрагмы и ее расположе1 ие обеспечивают постоянст;:.о показаний пирометра при изменении расстояния до объекта и быстрый срыв показаний при выходе объекта измерения из по.ля зрения объектива (без постепенного уменьшения показаний от номинала до ) ч1Ч).чредотврап1ает выдачу искаженнных аоказнний пирометра.

Позади объектива па днище корпуса устгновле.ч модулятор 9, представляющий собой э.дектромеханический вибратор со сканирующим щелевым обтюратором 10. При этом обтюратор уста -1овлен в плоскости резкого изображения объекта измерения, а илель параллельна оси протяженного объекта.

Ножка обтюратора предназначена для открыв;П;ия своими краями светового потока от излучаюп1е)-о э.лемента оптической обратной связи 1i и образует таким образом световые и.миульсы, которые волоконным световодом 12 |1ереда отся через светофильтр

14па поверхпость фотоэлектрического преобразователя 13.

Кондепсатор 15 и фотоприемник 13 установлены таким образом, что конденсатор

15свизирован на неподвижную полевую диафрагму 8, а фоточувствительный слой фотоириемника 13 находится в плоскости резкого и неподвижного изображения окна этой диафрагмы, что исключает перемещение изображения по светочувствительному СЛС1Ю и позво.ляет эф|Ьективнс использовать всю его поверхность.

Диафрагма 16 предназначена татько для ограничения плотности светового потока.

Для поиска объекта измерения применен зеркально-линзовый перископ 17, тубус которого с нагла;,ником выходит сквозь заднюю стенку 18 и чожет поворачиваться вокруг своей оси с фиксацией в двух положепиях «изме)ение «наводка (на рис I показано в положении «наводка).

При повороте тубуса на «наводку зеркальная часть вводится задним концом обоймы 6 объектива и заслонкой 10 модулятора, что позволяет наблюдать объект измерепия непосредственно через объектив. Позицией 20 обозначен излучающий диод или иной импульсный источник излучения, направленный на светочувствительную поверхность фотоэлектрического преобразователя. Здесь же в свободных от оптико-механических частей объемах размещены электронные устройства для обработки информации (на рис. 1 не показаны), а все вместе закрыто декоративной крышкой-экраном 19 из достаточно тепло- и электропроводного материала. Такая компановка значительно упрощает монтаж, наладку и текущее обслуживание прибора. Электрическая схема обработки информации помимо обычных фотоэлектрического преобразователя, предварительного усилителя, излучающего элемента обратной оптической связи, устройства сравнения, выходного масштабного усилителя и устройства самоконтроля содержит (рис. 2) устройство для формирования нормализованных по длительности «вырезок из середины импульсов, вырабатываемых фотоэлектрическим преобразователе.м при облучении его световыми импульсами от измеряемого объекта и излучающего элемента обратной оптической связи и подачи их на входы соответствующих запоминающих устройств. Функциональная блок-схема фотоэлектрического пирометра (рис. 2) содержит измеряемый объект 21, излучающий элемент ,„„, , обратнои оптической связи 11, обтюратор модулятора 10, фотоэлектрический преобразователь 13, предварительный усилитель 22, устройство для формирования «вырезок из середин импульсов 23, автоматические запоминающие устройства сигналов объекта 24 (А34об) и сигналов источника обратной оптической связи 25 (А34о. с), устройство сравнения 26, выходной масштабный усилитель 27, вторичный регистрирующий (показывающий) прибор 28, переключатель режима работы 29 со схемы сравнения на фотометрическую (прямс го усиления), устройство самоконтроля 30 и устройства электронного визирования 31. Фотоэлектрический пирометр работает следующим образом. Световые потоки от объекта 21 и от излучающего элемента 11 обратной оптической связи, преобразованные обтюратором модулятора 10 в последовательность световых импульсов различной длительности, поступают на фотоэлектрический преобразователь 13, где преобразуются в электрические импульсы, поступающие затем в предварительный усилитель 22. Усиленные импульсы (рис. 3, а) подаются в устройство 23 для формирования «вырезок (рис 3, б) из импульсов. При этом «вырезка делается всегда из середины импульса, а длительность ее постоянна. «Вырезки импульсов подаются на входы автоматических запоминающих устройств сигналов от объекта 24 (АЗУ об) и от источника обратной оптической связи 25(АЗУ о.с), которые «запоминают их амплитуды и хранят до прихода следующих «вырезок (рис. 3, в и 3 г соответственно). Сигналы с АЗУ (рис. 3 г и 3 в) подаются на прямой и инвертирующий входы устройства сравнения 26, где выделяется и усиливается разность сигналов, которая подается на излучающий элемент обратной оптической связи 11, который преобразует ее в световой исток. Сигналы с устройства сравнения 26 выходным масщтабным усилителем 27 нормализуются по уровням в соответствии с требованиями Государственной системы приборов и подаются на выход, к которому присоединен вторичный (регистрирующий, показывающий) прибор, например, электронный потенциометр 28. Предлагаемый пирометр может быть использован и как быстродействующий датчик температуры в системах автоматического регулирования, для чего в нем предусмотрен переключатель режима работы 29 со схемы сравнения на схему прямого усиления сигнала от измеряе.мого объекта (фотометрического) . Для точной наводки на резкость предусмотрено устройство электронного визирования 31 с выходом на показывающий прибор, позволяющий фиксировать относительное изменение длительности измеряемого импульса при наведении объектива на резJ JQ -JJСуть визирования состоит в следующем. При точной наводке на резкость измеряе.мый импульс от объекта имеет минимальную длительность. При «расфокусировке края изображения становятся размытыми, длительность и.мпульса увеличивается, фронты его становятся более пологими, а .амплитуда начинает уменьшаться. Устройство электронного визирования определяет длительность из.меряемого импульса. При наводке на резкость перемещением тубуса объектива добиваются минимальной длительности импульса. Для проверки работоспособности всех узлов пирометра предусмотрено устройство самоконтроля 30, которое вырабатывает прямоугольные импульсы тока с помощью импульсного источника оптического излучения, например излучающего диода, имитирует поступление на фотоприемник световых импульсов от измеряемого объекта при закрытом объективе и нажатой кнопке включения этого устройства. Кроме того, это устройство весьма обегчает наладку пирометра при его изгоовлении. Формула изобретения Фотоэлектрический пирометр для измеения температуры протяженных тел маых поперечных размеров, состоящий из птико-механической системы, включающий орпус, объектив, конденсатор, полевую иафрагму, модулятор с щелевым сканирующим обтюратором, видоискатель, и электронной системы обработки информации, включающей фотоэлектрический преобразователь, предварительный усилитель, излучающий элемент оптической обратной связи, запоминающие устройства, устройство сравнения и устройство самоконтроля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры колеблющихся в поперечном направлении протяженных тел и упрощения оптикомеханической системы, фотоэлектрический преобразователь установлен в фокальной плоскости конденсатора, свизированного па квадратное окно неподвижной полевой диафрагмы, а электронная система обработки информации снабжена

устройствами для формирования нормированных по длительности «вырезок из середин импульсов, вырабатываемых фотоэлектрическим преобразователем при облучении его световыми импульсами от измеряемого объекта и излучающего элемента оптической обратной связи, и подачи их на входы соответствующих запоминающих устройств.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 1855513, кл. G 01 J 5/28, 1966, (прототип).

Q I I / I / L

Фиг.б