ПИРОМЕТР ИСТИННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к пирометрии и может быть использовано для дистанционного измерения истинной температуры различных объектов с неизвестным коэффициентом излучения в научных исследованиях, строительстве, пищевой промышленности и т.д.

Известно устройство для пирометрических измерений [1], позволяющее определить истинную температуру объекта с неизвестным заранее коэффициентом излучения. Оно состоит из блока изменения температуры контролируемого объекта, яркостного и радиационного пирометров с усилителями, вычислительного блока и регистратора, с которого можно считывать значение коэффициента излучения и истинной температуры.

Недостатком этого устройства является необходимость изменения температуры объекта в процессе измерения его истинной температуры.

Также известно устройство [2] , состоящее из двух пирометров, с общим объективом и приемником излучения. Первый пирометр отношения, который содержит логометрическое и регистрирующие устройства, определяющие цветовую температуру. Второй пирометр суммарной или частичной радиации, который содержит усилительно-преобразовательное устройство, вырабатывающее некоторую величину, пропорциональную интенсивности одного из лучистых потоков, воспринимаемых приемником излучения, и устройство, преобразующее эту величину в значение радиационной температуры. Затем логическое устройство сравнивает эти температуры и в зависимости от их разности вводит заранее вычисленные поправки к показаниям регистрирующего устройства.

Недостатком этого устройства является достаточно сложная и громоздкая схема измерения истинной температуры объекта.

В качестве прототипа выбран пирометр истинной температуры (ПИТ) [3], работающий в трех спектральных диапазонах, основанный на принципе измерения логарифма спектрального отношения, состоящий из объектива, диска обтюратора, фотоэлемента, усилителя, логарифмирующего каскада, ограничителя, двух магнитоэлектрических приборов, работающих синхронно с диском обтюратора и измеряющих результирующую постоянную составляющую импульсов с длительностью, пропорциональной логарифмам соответствующих спектральных яркостей. В диск обтюратора вставлены четыре спектральных фильтра, подобранные таким образом, что суммарная частотная характеристика каждого из них совместно с фотоэлементом соответственно имеет значения эффективных длин волн Спектральные фильтры, имеющие значение , одинаковые, но спектральный фильтр, со значением эффективной длины волн имеет неселективно поглощающую сетку, уменьшающую проходящий световой поток в η раз. Фильтры подбирают таким образом, чтобы эффективные длины волн λ₁, λ₂ и λ₃ были связаны соотношением:

В процессе измерения на выходе ограничителя одновременно (за один оборот обтюратора) измеряется:
а) первым прибором - логарифм спектрального отношения:

где θ₁ - величина, пропорциональная обратному значению цветовой температуры;
ξ - коэффициент, определяющийся положением шунтов магнитоэлектрических приборов;
L(λ₁) и L(λ₂) - спектральные яркости;
б) вторым прибором измеряется разность логарифмов двух спектральных отношений:
Δ = θ₁-θ₂, (3)
где

Следовательно,

При градуировке пирометра по абсолютно черному телу (АЧТ) устанавливают величины η и ξ (т. е. коэффициент поглощения в светофильтре с неселективно поглощающей сеткой и величину шунта магнитоэлектрических приборов) такими, чтобы θ₁ = θ₂.
Недостатком такого ПИТ является то, что в результате измерений один магнитоэлектрический прибор указывает значение цветовой температуры, а другой - величину поправки к ней на истинную температуру, а также имеющимися допущениями об уменьшении коэффициента излучения с ростом длины волны и среднеарифметическом его значении на "средней" длине волны λ₂.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение измерения истинной температуры объектов с неизвестными коэффициентами излучения и уменьшение погрешности измерения истинной температуры вследствие вариации коэффициентов излучения объектов.

Поставленная цель достигается тем, что ПИТ содержит объектив, диск обтюратора, который включает N спектральных фильтров, приемник излучения, усилитель, устройство управления и вычисления, согласно изобретению, в него введен электронный коммутатор между приемником излучения и усилителем, причем усилитель выполнен в виде блока усиления с N каналами усиления, имеющими разные коэффициенты усиления, а спектральные фильтры диска обтюратора подбираются таким образом, что левая длина волны начала каждого последующего спектрального фильтра, начиная со второго, совпадает с правой длиной волны конца предыдущего, а спектральный диапазон одного из фильтров охватывает спектральные диапазоны всех остальных фильтров, обтюратор также снабжается датчиком синхронизации, подключенным к устройству управления и вычисления.

На чертеже изображена структурная схема ПИТ, где:
1 - объектив;
2 - обтюратор;
3 - датчик синхронизации;
4 - приемник излучения;
5 - электронный коммутатор;
6 - блок усиления;
7 - устройство управления и вычисления;
8 - АЧТ;
9 - устройство управления работой АЧТ.

Принцип работы ПИТ заключается в следующем: принимаемое излучение от объекта собирается объективом 1, проходит диск обтюратора 2, который, вращаясь, поочередно разделяет принимаемое излучение на N спектральных диапазона, с помощью N спектральных фильтров. Затем излучение также поочередно попадает на приемник излучения 4, где происходит преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал U(λ_i) соответственно. После чего, с помощью электронного коммутатора 5, эти сигналы каждого спектрального диапазона распределяются по соответствующим каналам блока усиления 6, где они усиливаются. В блоке усиления применены каналы, имеющие разные коэффициенты усиления, что обеспечивает полное использование динамического диапазона каждого канала усиления, так как величина потока излучения в каждом i-м спектральном диапазоне разная. Далее усиленные сигналы U(λ_i) каждого i-гo спектрального диапазона поступают на устройство управления и вычисления 7, оно обеспечивает работу электронного коммутатора по включению соответствующего канала усиления в зависимости от установленного в текущий момент времени определенного спектрального фильтра. Это реализуется с помощью датчика синхронизации 3, которым снабжен диск обтюратора, т.е. при смене спектрального фильтра с датчика поступает сигнал в устройство управления, оно в свою очередь подает сигнал на электронный коммутатор, который включает требуемый канал усиления.

В устройстве управления и вычисления истинная температура объекта с неизвестным коэффициентом излучения определяется путем решения следующего уравнения (N=3) [4]:

Данное уравнение решается относительно неизвестной X, после чего истинная температура определяется:
T=1/X, (7)
где Х - решение уравнения (6).

Рассмотрим обозначение коэффициентов формулы (6):
где





С₂ - вторая постоянная в формуле Планка;
Δλ₁, Δλ₂, Δλ₃ - ширина полосы длин волн выбранных спектральных фильтров;
λ₁, λ₂, λ_3/ - эффективные длины волн соответственных спектральных фильтров;

К₁, К₂, К₃ - постоянные пирометра, при введении 1-го, 2-го и 3-го спектрального фильтра соответственно;
А - площадь входного зрачка объектива;
- телесный угол поля зрения объектива;
S(λ_i) - абсолютная спектральная чувствительность приемника оптического излучения на соответствующей эффективной длине волны;
- спектральный коэффициент пропускания соответственно объектива, слоя атмосферы и спектральных фильтров на соответствующей эффективной длине волны, i=1, 2, 3;

где U(λ₁), U(λ₂), U(λ₃) - электрический сигнал, снимаемый с приемника излучения при введении соответствующего спектрального фильтра.

Как видно из формул (8)-(10), в целом они составляют систему N=3 уравнений с N=3+1 неизвестными величинами, к которым относятся T, ε(λ₁), ε(λ₂) и ε(λ₃). Для решения этой системы выбираем во всем спектральном интервале чувствительности ПИТ три спектральных фильтра, причем длина волны начала каждого последующего спектрального фильтра, начиная со второго, совпадает с длиной волны конца предыдущего, а спектральный диапазон одного из фильтров является суммой спектральных диапазонов всех остальных фильтров.

В итоге, коэффициент излучения ε(λ₃) выражается формулой:

где ε(λ₁), ε(λ₂), ε(λ₃) - коэффициенты излучения объекта на соответствующих эффективных длинах волн.

Подставим теперь выражение (11) в (10), и на основании уравнений (8) и (9) получаем систему N=3 уравнений с N=3 неизвестными величинами, которая математически решается строго.

В качестве примера практической реализации ПИТ ниже рассмотрен ПИТ, использующий N= 3 спектральных фильтра, состоящий из зеркально-линзового объектива, диска обтюратора, в который вставлены три спектральных фильтра, подобранных согласно изобретению, пироприемника МГ-32, электронного коммутатора, собранного на базе интегральной микросхемы (ИМС), трехканального блока усиления, представляющего собой три операционных усилителя с разными коэффициентами усиления, АЦП, собранного также на базе ИМС. В качестве датчика синхронизации применена оптопара (светодиод-фотодиод), светодиод и фотодиод расположены с разных сторон диска обтюратора, ближе к краю диска, перпендикулярно плоскости вращения. В диске имеются отверстия, расположенные на границах между спектральными фильтрами, через которые проходит излучение светодиода на фотодиод, т.е. при смене спектрального фильтра поступает сигнал с оптопары на устройство управления, которое в свою очередь подает сигнал на электронный коммутатор, включающий требуемый канал блока усиления.

Далее двоичный код из АЦП вводится через двунаправленный порт LPT в компьютер, который используется в качестве устройства управления и вычисления, где определяется величина истинной температуры объекта с неизвестным коэффициентом излучения, согласно изобретению, и ее значение выводится на дисплей.

Для проверки работоспособности и аттестации ПИТ, в схему введено АЧТ 8 и блок управления его работой 9. Работа ПИТ при наблюдении АЧТ соответствует работе ПИТ по излучению реального объекта с неизвестным коэффициентом излучения.

Источники информации
1. Новиков И. И. , Глазман Е.Д., Дубсон Л.И. Устройство для пирометрических измерений. Патент СССР 1345776, Бюл. 48. Опубликовано 20.03.85.

2. Свет Д.Я. Устройство для измерения истинной температуры нечерных тел. Патент СССР 561876. Бюл. 22. Опубликовано 15.07.77.

3. Свет Д.Я. Цветовой пирометр истинной температуры. Патент СССР 476464. Бюл. 25. Опубликовано 05.07.75.

4. Теория способа измерения истинных температур объектов / С.А. Воронин, В.М. Тымкул // Современные проблемы геодезии и оптики: Тез. докл. 51-й научно-техн. конф. преподавателей СГГА, посвященной памяти В.В. Бузука. - Новосибирск, 2001.-с.171.