УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к яркостной пирометрии, и может быть использовано для прецизионных измерений температуры нагретых тел и сред.

Известно устройство для измерения яркостной температуры объекта, основанное на методе исчезающей нити, в котором сравниваются яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, а температура объекта определяется по величине тока накала после уравнивания яркостей нити сравнения и объекта (Линевег Ф. Измерение температур в технике. - М.: Металлургия, 1980, с. 384).

Известно также устройство для измерения яркостной температуры объекта, содержащее многоэлементный фотоприемник и пирометр с исчезающей нитью (патент РФ №2247338, МПК G01J 5/00, опубл. 27.02.2005).

Общим недостатком перечисленных выше устройств является то, что, так как сравнение яркостей нити и объекта осуществляется визуально оператором, выполняющим измерения, поэтому имеет место влияние субъективного фактора, зависящего от навыка оператора и светочувствительности рецепторов его глаза. Из-за этого результаты измерений, выполненные разными операторами, различаются - это снижает воспроизводимость результатов измерений и не позволяет измерить температуру объекта с высокой точностью.

Известно также устройство, основанное на пирометрическом способе определения термодинамической температуры металлов, содержащее три лазера и несколько фотоприемников (патент РФ №2381463, МПК G01J 5/00, опубл. 10.02.2010).

Недостатки указанного устройства заключаются в невысокой точности получаемых результатов, которая обусловлена тем, что для реализации способа требуется измерение спектральной чувствительности трех фотоприемников, из чего следует 3-х кратное увеличение неопределенности измерений в сравнении с одиночным фотоприемником. Кроме того использование способа для измерения температуры слабоотражающих объектов, например, таких как модели абсолютно черного тела, у которых коэффициент отражения лазерного излучения недостаточен для надежной и точной регистрации отраженного сигнала, - приводит к дополнительному повышению погрешности измерений.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство, содержащее калиброванные по спектру источник излучения и квантовый трап-детектор (заявка на изобретение №2018127133 от 23.07.2018, решение о выдаче патента от 19.06.2019, МПК G01K 15/00, G01N 21/41, G01J 5/00).

Главный недостаток устройства заключается в том, что оно рассчитано для измерений только температуры моделей абсолютно черного тела, поэтому при его использовании для измерений температуры реальных объектов достоверность измерений снижается и вносится дополнительная, различная в зависимости от типа и вида объекта, неопределенность в измеряемые значения температуры.

Технический результат от применения устройства - повышение точности измерения яркостной температуры.

Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения яркостной температуры содержит опорный источник излучения, две оптические диафрагмы, оптическую фокусирующую систему, полосовой оптический фильтр с заданной спектральной полосой, фотодиодный приемник с известной спектральной чувствительностью по мощности и фемтоамперметр, при этом опорный источник излучения образован установленными друг за другом лазерным излучателем и интегрирующей сферой, первая диафрагма установлена вплотную к выходному порту интегрирующей сферы, вторая диафрагма установлена вплотную к входному порту фотодиодного приемника, полосовой оптический фильтр установлен вблизи или вплотную ко второй диафрагме со стороны первой диафрагмы, оптическая фокусирующая система выполнена и расположена таким образом, чтобы она обеспечивала поочередное фокусирование излучения от выходного порта интегрирующей сферы и от исследуемого объекта на фотодиодный приемник.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, в которой: 1 - измеряемый объект; 2 - лазерный излучатель; 3 - интегрирующая сфера; 4, 5 - первая и вторая оптические диафрагмы; 6 - оптическая фокусирующая система, 7 - полосовой оптический фильтр; 8 - фотодиодный приемник; 9 - фемтоамперметр; положение А - режим регистрации прямого излучения от интегрирующей сферы 3, положение В - режим поочередной регистрации сфокусированного излучения от интегрирующей сферы 3 и от объекта 1. Выход лазерного излучателя 2 направлен на входной порт интегрирующей сферы 3. Интегрирующая сфера 3, первая диафрагма 4, полосовой оптический фильтр 7, вторая диафрагма 5 и фотодиодный приемник 8 установлены последовательно друг за другом вдоль одной оси и на заданном расстоянии друг от друга. Первая оптическая диафрагма 4 установлена вплотную на выходном порте интегрирующей сферы 3, вторая оптическая диафрагма 5 установлена вплотную к входному порту фотодиодного приемника 8, полосовой оптический фильтр 7 установлен вблизи или вплотную ко второй диафрагме 5. Оптическая фокусирующая система 6 расположена таким образом, чтобы она обеспечивала поочередное фокусирование излучения от выходного порта интегрирующей сферы 3 и от исследуемого объекта 1. Фемтоамперметр 9 подключен к фотодиодному приемнику 8 и измеряет его фототок.

Устройство работает следующим образом.

Интегрирующая сфера 3, первая диафрагма 4, полосовой оптический фильтр 7, вторая диафрагма 5 и фотодиодный приемник 8 устанавливаются вдоль одной оптической оси - в положение А. С помощью органа регулировки лазера 2 произвольно задается мощность лазерного излучателя 2, например, 50% от его максимальной мощности. Излучение от лазера 2 через интегрирующую сферу 3, диафрагму 4, полосовой оптический фильтр 7 и вторую диафрагму 5 поступает в фотодиодный приемник 8, которым генерируется фототок I₁ от прямого излучения интегрирующей сферы 3. Значение фототока I₁ измеряется при помощи фемтоамперметра 9.

Затем полосовой оптический фильтр 7, вторая диафрагма 5 и фотодиодный приемник 8 перемещаются в фокус оптической фокусирующей системы 6. При неизменной мощности лазерного излучателя с помощью оптической фокусирующей системы 6 излучение из выходного порта интегрирующей сферы 3 фокусируется на фотодиодный приемник 8, который генерирует фототок I₂ от сфокусированного излучения интегрирующей сферы 3. Значение фототока I₂ измеряется при помощи фемтоамперметра 9. Находится отношение измеренных фототоков токов k=I₁/I₂.

Далее, с помощью оптической фокусирующей системы 6 на фотодиодный приемник 8 фокусируется излучение от объекта 1 и регистрируется сгенерированный этим излучением фототок I₃. По полученным значениям отношения фототоков k и фототока I₃ осуществляется расчет яркостной температуры объекта. Расчет выполняется по соотношению:

где

С₁=3,74177118⋅10^-16 - первый коэффициент в законе Планка, [Вт^⋅м²];

С₂=1,4387752 (25)⋅10^-2 - второй коэффициент в законе Планка, [м^⋅К];

λ₀ - центральная длина волны полосового оптического фильтра 7, [м];

Δλ - эффективная ширина полосы полосового оптического фильтра 7 в рабочем спектральном диапазоне фотодиода, м;

S_λ0 - спектральная чувствительность фотодиода 8 на центральной длине волны λ₀, [А/Вт];

F - геометрический фактор, [м];

Т - яркостная температура, [К].

При этом геометрический фактор F предварительно рассчитывают по соотношению:

r₁ - радиус апертуры первой диафрагмы 4, [м],

r₂ - радиус апертуры второй диафрагмы 5, [м],

d - расстояние между диафрагмами 4 и 5, [м].

Конкретное устройство реализовано из следующих составных частей: лазерный излучатель 2 - сплошной лазер типа «Supercontinuum SuperK EVO-04», работающий совместно с акусто-оптическим фильтром «SuperK VARIA»; интегрирующая сфера 3 - модель ISP-75; диафрагмы 4, 5 - диафрагмы с одинаковым диаметром апертуры 4 мм; оптическая фокусирующая система 6 - зеркального типа; полосовой оптический фильтр 7 - модель FBH650-10 с центральной длиной волны λ₀=648 нм и эффективной шириной полосы Δλ=15,721 нм; фотодиодный приемник 8 - трехэлементный трап-детектор типа HH03-S1337; фемтоамперметр 9 - модель В2983А Keysight Technologies. С помощью данного устройства были измерены яркостные температуры нескольких объектов. Установлено, что максимальная расширенная неопределенность измерения (с коэффициентом охвата k₁=2) для температуры 3200°С не превышает u_k1=2=2 K.

Таким образом, в отличие от аналогов и прототипа заявленное устройство обеспечивает измерение яркостной температуры с более высокой точностью.