ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПИРОМЕТР

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к средствам бесконтактного измерения температуры нагретых тел, и может быть использовано, например, в металлургической промышленности, а также в других отраслях промышленности для измерения температуры расплава различных материалов.

Известен пирометр, который имеет два канала измерения в двух поддиапазонах спектра излучения, Авт. Свид. SU № 1800295. Известный пирометр содержит объектив, светоделительное устройство в виде полупрозрачного зеркала, делящее поток излучения на две составляющие, в каждой из которых установлен фотоприемник излучения. Эти приемники преобразуют два различных по спектральному составу световых потока в электрические сигналы. Специальный измеритель производит вычисление отношения величины этих сигналов.

Известный пирометр не обеспечивает достаточной точности измерения температуры.

Известен двухканальный пирометр, патент RU 2095765.

В этом пирометре смещена оптическая ось пирометра, проходящая через объектив и полевую диафрагму, к оптической оси проектирующей линзы. С одной стороны линзы имеется отражающая поверхность, а с другой стороны - приемная площадка, воспринимающая отраженное излучение. Таким образом, осуществляется деление потока на два луча, образующих два канала измерения.

Известный пирометр не обеспечивает достаточной точности измерения.

Известен «Двухканальный пирометр спектрального отношения», патент RU 2290614, содержащий два фотоприемника, установленные соосно оптической оси объектива. Изображение контролируемого объекта фокусируется одновременно на два фотоприемника. Предприятие «ТЕХНО-АС» выпускает пирометр С-3000, в котором используется указанное изобретение. Для измерения температуры пирометр по патенту RU 2290614 использует два поддиапазона спектра излучения объекта.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет удвоения поддиапазонов спектра излучения объекта.

Отличие заявляемого двухканального пирометра от известных из уровня техники состоит в том, что для измерения температуры используются не менее двух последовательных циклов операций. В одном из циклов нагревают фотоприемник, что приводит к смещению спектральной характеристики.

С этой целью пирометр снабжен генератором импульсов, подключенным к выводам каждого фотоприемника. Температура фотоприемника измеряется известными средствами.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого двухканального пирометра.

Объектив 1 строит изображение объекта на фотоприемниках 3, 4. Перед фотоприемником 3 установлен светофильтр 2. Фотоприемник 3 выполнен в виде светофильтра. Светофильтр 2, фотоприемники 3, 4 расположены на одной оси. Сигнал с фотоприемников поступает соответственно на усилители 5, 6, подключенные к входу микропроцессора 7. К выводам каждого фотоприемника подключен генератор импульсов, который используется для нагревания фотоприемников.

Измерение температуры объекта включает не менее двух циклов, в каждом из которых фиксируется температура обоих фотоприемников и выходной сигнал пирометра. Расчет истинной температуры осуществляется путем решения системы уравнений:

E₁=Мε(λ₁)f(Т,λ₁)+М[1-ε(λ₁)]f(Т₁,λ₁),

Е₂=Мε(λ₂)f(Т,λ₂)+М[1-ε(λ₂)]f(T₁,λ₂),

E₁ ^x=Мε(λ₃)f(T,λ₃)+М[1-ε(λ₃)]f(T₂,λ₃),

Е₂ ^x=Mε(λ₄)f(T,λ₄)+М[1-ε(λ₄)]f(T₂,λ₄),

ε(λ)=a+вλ+сλ²,

где

E₁, Е₂ - выходные сигналы обоих фотоприемников при их температуре, равной Т1;

Е₁ ^Х, Е₂ ^X - выходные сигналы обоих фотоприемников после их нагрева до температуры Т2.

ε(λ) - функция коэффициента теплового излучения.

λ - длина волны излучения.

T₁, Т₂ - измеренная температура фотоприемников.

М - характеристика, зависящая от оптической схемы и иных параметров конкретного пирометра.

f(T,λ) - спектральная плотность светимости.

Спектральная плотность светимости может быть представлена формулой Вина:

,

где

С₁, С₂ - постоянные коэффициенты.

λ - длина волны излучения измеряемого объекта.

Т - термодинамическая температура.

Если имеются значения температуры Т₁, Т₂ фотоприемника, значения длин волн λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ для каждого поддиапазона, а также вид зависимости ε(λ), то получаем систему 5-ти уравнений с 5 неизвестными, с помощью решения которых находится искомая температура Т.

Промышленностью производятся сдвоенные фотоприемники, содержащие два фотодиода, расположенные соосно друг другу. Такой фотоприемник имеет верхний и нижний фотодиоды, рассоложенные на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Верхний фотодиод выполнен в виде светофильтра таким образом, что свет проходит через него и попадает в нижний фотодиод. Размеры фотодиодов - до 3 мм. Таким образом, один объектив фокусирует изображение контролируемого объекта одновременно на два фотодиода. Спектральная характеристика каждого фотодиода содержит явно выраженный максимум излучения строго определенной длины волны λ. Выделение максимального значения излучения осуществляется фильтром. Таким образом, значение длин волн λ₁, λ₂ известны из паспортных данных каждого фотодиода. Известно, что параметры кремниевых и германиевых фотодиодов заметно зависят от температуры окружающей среды. С повышением ее на каждые 10° темновой ток германиевых приборов увеличивается в 2 раза, а кремниевых - в 2,5 раза. При этом максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям. В паспорте фотодиода содержится спектральная характеристика для нормальной температуры Т₁. Такую характеристику можно получить и для другой выбранной температуры. Принципиального отличия нет. Значения длин волн λ₂, λ₄ получают на основании спектральных характеристик фотодиодов при нормальной температуре T₁ и при температуре нагрева Т₂.

Для нагревания фотодиодов служит генератор 8. Поскольку фотодиоды изготавливаются из полупроводниковых материалов, то при пропускании через них тока, они нагреваются. Температура фотодиода зависит от величины тока и времени нагрева. При проектировании пирометра устанавливают время, при котором температура достигнет требуемого значения. При этом температуру измеряют известными средствами, например, с помощью термопары.

Таким образом, при одинаковой силе тока температура однозначно определяется временем нагрева. При настройке пирометра устанавливаются два уровня нагрева Т₁ и Т₂, значения которых зашиваются в программу расчетов микропроцессора 7.

Таким образом, при практическом использовании заявленного двухканального пирометра нет необходимости фиксирования температуры фотоприемников, так как ее задание осуществляется автоматически с помощью микропроцессора в зависимости от времени нагрева.

Предлагаемый двухканальный пирометр позволяет использовать для измерения температуры универсальный метод двойного спектрального отношения, применение которого исключает влияние различного вида функций ε(λ) на результаты определения температуры объекта.

Предложенная аппроксимация применима для фиксированного значения ε, для линейной зависимости, а также для кривой второго порядка.

Таким образом, предлагаемый двухканальный пирометр обеспечивает существенное повышение точности измерения температуры объекта за счет более оптимальной аппроксимации зависимости ε(λ) и последующего исключения ее из расчетов.