Оптико-электронное устройство для измерения температуры

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее размещенные последовательно и оптически связанные источник света, поляризатор, двулучепреломляющий термочувствительный элемент, анализатор , два фотоприемника, а также дифференциальный усилитель, к одному входу которого подключен выход фотоприемника , установленного по ходу одного из двух лучей анализатора со взаимно ортогональной поляризацией, и регистратор, подключенный к выходу дифференциального усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены генератор пилообразного напряжения , компаратор, ключевая схема и .интегратор, при этом выходы генератора пилообразного напряжения и дифференциального усилителя подключены ко входам компаратора, информационный вход ключевой схемы соединен с выходом второго фотоприемника, установленного по ходу другоголуча анализатора ,управляющий входс выходом компаратора, а ее выход через интег- f/J ратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя.

СО)ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (П) 3(5)) G 01 К 11/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ь))А:" "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3527421/18-10 (22) 24. 12. 82 (46 ) 15. 07. 84. Бюл. М 26 (72 ) A. A. Визнер (71) Институт электроники AH Белорус. ской ССР (53) 536.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 807079, кл. G 01 К 11/12, 1979..

2. Патент США )) 4111050, кл. 0 01 К 11/14, опублик. 1979 (прототип). (54 ) (57 ) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержашее размещенные последовательно и оптически связанные истбчник света, поляризатор, двулучепреломляющий термочувствительный элемент, анализатор, два фотоприемника, а также дифференциальный усилитель, к одному входу которого подключен выход фото приемника, установленного по ходу одного из двух лучей анализатора со взаимно ортогональной поляризацией, и регистратор, подключенный к выходу дифференциального усилителя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измере ния, в него введены генератор пилообразного напряжения, компаратор, ключевая схема и.интегратор, при этом выходы генератора пилообразного напряжения и дифференциального усилителя подключены ко входам компаратора, информационный вход ключевой схемы соединен с выходом второго фотоприемника, установленного по ходу другоголуча анализа тора, управляющий вход — с выходом компаратора, а ее выход через интегратор подключен ко второму входу дифференциального усилителя.

1103092

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке измерителей температуры с полной гальванической развязкой объекта измерения и регистратора.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее источник света, поляризационно-оптический датчик температуры, состоящий из двулучепреломляющего кристалла, размещенного между поляризатором и анализатором, 10 фотоприемник, установленный эа ана-лизатором, и регистратор, подключенный к выходу фотоприемника. Такое устройство обеспечивает полную электрическую развязку объекта измерения 15 и регистратора, что является его большим преимуществом. особенно при измерении температуры объектов, находящихся под высоким электрическим потенциалом (11 .

Однако это устройство не позволяет достичь требуемой точности измерения, если уровень светового потока на входе датчика изменяется.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является оптико-электронное устройство для измерения температуры, содержащее размещенные последовательно и оптически связанные источник света, поляризатор, двулучепреломляющий термочувствительный элемент, анализатор, два фотоприемника, а также дифференциальный усилитель, к одному входу которого подключен выход фотоприемника, установленного по ходу одного из двух лучей анализатора со взаимно ортогональной поляризацией, и регистратор, подключенный к выходу дифференциального усилителя (2) .

В данном устройстве о температуре объекта судят по разности сигналов на выходах фотоприемников, один из которых связан с источником света непосредственно, а второй — через термочувствительный элемент. Этим 45 обеспечивается независимость начальных показаний регистратора от уровня оптического сигнала на выходе источника света. Однако при этом происходит неконтролируемое изменение чув- 5Q ствительности устройства, величина которой пропорциональна интенсивности источника света, что и приводит в конечном итоге к снижению точности, измерения. 55

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронное устройство для измерения температуры, содержащее60 размещенные последовательно и оптически связанные источник света, поляризатор, двулучепреломляющий термочувствительный элемент, анализатор, два фотоприемника, а также дифферен- g5 циальный усилитель, к одному входу которого подключен выход фотоприемника, установленного по ходу одного из двух лучей анализатора .со взаимно ортогональной поляризацией, и регистратор, подключенный к выходу дифференциального усилителя, введены генератор пилообразного напряжения, .компаратор, ключевая схема и интегратор, при этом выходы генератора пилообразного напряжения и дифференциального усилителя подключены ко входам компаратора, информационный вход ключевой схемы соединен с выходом второго фотоприемника, установленного по ходу другого луча анализатора, управляющий вход — с выходом компаратора, а ее выход через интегратор подключен ко второму входу дифференцйально1 го. усилителя.

Уровень сигнала, подаваемого на второй вход дифференциального усилителя с выхода второго фотоприемника регулируется при помощи последоэателЬно соединенных ключевой схемы и интегратора. При этом ключевая схема управляется сигналом компаратора, на один из входов которого подано выходное напряжение дифференциального усилителя, на другой - генератора пилообразного напряжения. Это позволяет скорректировать уровень сигнала на втором входе дифференциального усилителя таким образом, что в его выходйом сигнале отсутствует составляющая, пропорциональная синфазному изменению оптического сигнала на входе фотоприемников. Поскольку синфазное изменение сигнала фотоприемников вызывается неконтролируемыми изменениями интенсивности источника света, такая коррекция приводит к повышению точности измерения.

На чертеже приведена схема устройства.

Устройство содержит оптически связанные между собой источник света 1, например оптический квантовый генератор, поляризатор 2 (призма Глана),. двулучепреломляющий термочувствитель. ный элемент 3, в качестве которого может быть использован, например, кристалл танталата лития, анализатор 4 (призма Воластона, два фотоприемника 5 и 6, дифференциальный усилитель 7, регистратор 8, генератор пилообразного напряжения 9, компаратор 10, ключевую схему 11 и интегратор 12.

ФотОприемники 5 и б установлены за анализатором 4 по ходу двух его лучей со взаимно ортогональной поляризацией, разнесенных на угол около

15" (обыкновенный и необыкновенный лучи . Выход первого фотоприемника 5 соединен с одним из входов дифференциального усилителя 7, выход второго

1103092 г дЧ <Рг 0ДЧ.Sz 1 со& дГ(8) т ц„ п

2д (3 (nе "а1 2 И дГ=

>ао . 2 д6= — ka9

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4

Фотоприемника 6 связан с другим входом дифференциального усипителя / через последовательно соединенные ключевую схему 11 и интегратор 12.

Выход дифференциального усилителя 7 соединен с входом регистратора 8 и одним из входов компаратора 10.. Дру. гой вход компаратора 10 соединен с генератором пилообразного напряжения 9, а его выход — с управляющим входом ключевой схемы 11. 10

Устройство работает следующим образом.

Изменение температуры кристалла термочувствительного элемента 3 приводит к изменению величины его двулу- 15 чепреломления, которое выражается в относительном фазовом набеге двух составляющих монохроматического излучения источника света 1, одна иэ которых имеет поляризацию, совпа- 70 дающую с поляризацией входного излучения, другая — ортогональную поляризацию (обыкновенная и необыкновенная составляющие). Эта относительная фазовая задержка с Помощью скрещенных поляризатора.2 и анализатора 4 преобразуется в изменение амплитуды оптических сигналов на выходе анализатора 4. Величина разности фаз двух лучей дГ зависит от геометрическойдли- 30 ны кристалла вдоль направлейия распространения оптического излучения, его длины волны 3, коэффициентов преломпения кристалла для обыкновенного и необыкновенного лучей

Па и пе, а также от изменения тем35 пературы д 8

40 где — температурный коэффициент двулучепреломления кристалла (для танталата лития =10 град ) .

Сигналы Uq, и U q> на выходе Фотоприемников 5 и 6 определяются квадратом 45 амплитуды соответствующих оптических сигналов на их входе, их чувствительностью (крутиз ной преобразования )

5, и 52, т.е.

0 = 6 In э п дГ Ц г 52 In сая ДГг 2 50 где 1 — интенсивность света на входе термочувствительного элемента 3.

Сигнал первого фотоприемника 5 подается на один из входов дифферен- 55 циального усилителя 7 непосредственно, сигнал второго фотоприемника б подается на другой вход усилителя / через последовательно соединенные ключевую схему 11 и интегратор 12. 60

На одном из двух входов компаратора 10 действует пилообразное напряжеВНИИПИ Заказ 4943/30 ние генератора 9 с амплитудой U u периодом повторения Т, на другомвыходное напряжение U усилителя 7.

В моменты времени, когда мгновенное значение пилообразного напряжения меньше выходного напряжения дифферен. циального усилителя 7 0 „, напряжение на выходе компаратора 10 равно нулю, в остальные моменты времени на выходе компаратора 10 сохраняется постоянный уровень U own . Таким образом, на выходе комгаратора 10 формируется последовательность импульсов с длительностью . = 0 „ T/Un и пери-! л одом Т . Выходной сигнал компаратора 10 управляет работой ключевой схемы 11, включенной на выходе второго фотоприемника 6, преобразуя его аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы напряжения длительностью периодом Т и амплитудой Uq„, которые поступают на интегратор 12. В процес се интегрирования (усреднения по ериоду T) на выходе интегратора 12 формируется напряжение

Дифференциальный усилитель 7 выделяет разностный сигнал с выходов первого фотоприемника 5 и интегратора 12 где Ж вЂ” коэффициент усиления дифференциального усилителя 7.

Если oc ° U@z»Un„wzo достигается соответствующим выбором величины (, то сигнал на выходе дифференциального усилителя 7 удовлетворяет соотношению

Ц,Р,Цл Ь„0„1. (2дг(91 Un 6,.,п2дг(91 т

У Оуг аг 1а Саа д Г(81 гг.c0% д Г (8) не зависит от интенсивности источника света, а определяется только значением измеряемой температуры.

Необходимая величина коэффициента. усиления Ы дифференциального усилителя 7 определяется исходя из заданной точности измерения о при известной амплитуде пилообразного напряжения и минимальном уровне сигнала на выходе второго фотоприемника 6 0 м г:

Ф и.

6. =

Так, например, при (p

U ю п =-10 мВ U 1 В для достиже92 ния точности 1Ъ (g =0,01) требуется а =104, что вполне достижимо для современных операционных усилителей.

Тираж 823 Подписное