Пирометр

 

ПИРОМЕТР, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и синхронный детектор/ согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляю1ций вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнего соединен с регистрирующим устройством , отличающееся тем, что, с целью повышения.точности изме-, рения и уменьшения энергопотребления, в устройство введены преобразователь сигнала постоянного тока, соответствующего температуре окруюащей среды. в переменный, первый резистивный делитель, сумматор переменных сигналов , второй резистивный делитель, вьиитающее устройство переменных сигналов , третий резистивный делитель, коммутатор, механический пружинный привод и тахогенератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигналнс выход преобразователя соединен с первым резистивным делителем, выход этого делителя соединен с одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом основного термодатчика , а выход этого сумматора ( соединен с первым входом вычитающего «Л устройства, второй вход которого соединен с выходом второго резистивного с делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сиг-, нала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивньм делителем , выход которого соединен с усилителем , управляющие входы второго и третьего резистивных делителей соединены с коммутатором, а обтюратор киел нематически соединен с механическим пружинным приводом и ротором тахоге41 нератора. № со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ц5д) G 01.У 5/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3529674/18-25 (22 ) 28. 12. 82 (46) 30.07. 84. Бюл. Р 28 (72 ) В. П. Федотов, В. И. Борисенко и Н.A.Öûãàíoâ (53) 536.521(088. 8) (56 ) 1. Cyclops-31. Проеспект фирмы

Land Pyrometers Ltd Англия, 1979.

2. Pradhan M.М. Gard R.К., Rhide Ч.G. Temperaturmessung mit

Infrarotdetektoren Elektronik-Applikation, 1 .14. Р 2, 1982, s. 31 (прототип ) . (54 ) (57 ) ПИРОМЕТР, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и синхронный детектор, согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнего соединен с регистрирующим устройством, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности измерения и уменьшения энергопотребления, в устройство введены преобразователь сигнала постоянного тока, соответствующего температуре окруюащей среды, „„SU„„1105763 А в переменный, первый резистивный делитель, сумматор переменных сигналов, второй резистивный делитель, вычитающее устройство переменных сигналов, третий резистивный делитель, коммутатор, механический пружинный привод и тахогенератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигнала, выход преобразователя соединен с первым резистивным делителем, выход этого делителя соединен с одним из входов сумматора, второй вход которо"

ro соединен с выходом основного термодатчика, а выход этого сумматора . Q

О соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго резистивного делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сиг-, нала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивным делителем,выход которого соединен с усилителем, управляющие входы второго и Isaac третьего резистивных делителей соеди- аз иены с коммутатором, а обтюратор кинематически соединен с механическим 1„Я пружинным приводом и ротором тахогенератора.

С5

1105763

Изобретение относится к радиационной пирометрии и может быть использовано для бесконтактного дистанционного контроля температуры объектов в широком диапазоне температур.

В медицинской практике, в сельском хозяйстве, в частности, животноводстве, в ряде условий для технических измерений температуры особую важность имеют устройства, позволяющие оперативно измерять температуру объекта без непосредственного с ним соприкосновения.

Основной сложностью при разработке такого типа приборов является удовлетворение ряда трудно совместимых требований, в частности высокая точность должна сочетаться с высокой оперативностью в работе, удобством в использовании, высоким энергетическим ресурсом при автономном питании,20 а также повышенными требованиями к окружающей среде.

Известен, например, электронный дистанционный инфракрасный термометр

"Cyclops" фирмы Land (Англия), имею- 25 щий пироэлектрический чувствительный элемент .с инфракрасным фильтром и обладающий портативностью, оперативностью в работе и необходимой эргоно.микой для современного промышленного 30 применения (1J.

Недостаток этого пирометра заключается в том, что он не обеспечивает достаточной точности измерений.

Наиболее близким по технической З5 сущности к изобретению является пирс. метр, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и син- 0 хронный детектор, согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход *оследнего соединен с регистрирующим устройством (2 .

Работа пирометра заключается в попеременном преобразовании тепловых излучений от объекта (через оптичес- >0 кую систему 1) и поверхности обтюратора, принимаемого за излучение окружающей среды, в разностный электрический сигнал с помощью радиационного (,пироэлектрического )датчика, усиле- 55 ние этого сигнала с помощью избирательного усилителя и детектирования его с помощью синхронного детектора, на вход которого подается управляющий сигнал от формирователя опорного 69 сигнала, состоящего из светового излучателя, фотоприемника и усилителя, имеющего частоту, синхронную с частотой сигнала, снимаемого с радиациОнного датчика. Одновременно с поI мощью другого (контактного 1 теплового датчика формируется сигнал постоянного тока, пропорциональный температуре корпуса прибора, которая принимается за температуру окружающей среды, затем этот сигнал складывается на сумматоре с сигналом, полученным после синхронного детектирования с коэффициентом преобразования, учитывающим нелинейную зависимость аналогового сигнала от температуры объекта. Поскольку известно, что выходной сигнал с датчика линейно пропорционаен мощности излучения объекта, точее разности мощностей излучения от объекта и окружающей среды, а мощность излучения пропорциональна. температуре объекта в четвертой степени, то усиленный сигнал U с пироэлектрического датчика после детектирования соответствует выражению

Ц=Ка Ат-LT где „, Az — коэффициенты преобразования теплового пироэлектрического датчика при приеме излучения от объекта и поверхности обтюратора (окружающей среды ), обусловленной геометрией излучения и приема энергии;

К - коэффициент усиления усилительно-преобразовательного тракта;

6 — постоянная Больцмана;

Т - температура объекта, К;

Тэк — температура внешней среды, К.

Далее, как видно из формулы, для получения выходного аналогбвого сигнала, соответствующего только температуре объекта, сигнал суммируют с аналоговым сигналом 0 „, полученным с преобразователя внешней температуры ок-. ружающей среды, предварительно преобразовав его с помощью преобразователя к виду

"вн к тон где к коэффициент пропорциональности.

При суммировании необходимо очевидно обеспечить равенство коэффициентов при аргументах К1=кь А2, что может быть выполнено с помощью дополнительного усилителя. Таким образом на выходе измерительной схемы получают аналоговый сигнал в виде:

Ь= г о где К вЂ” коз ффицйейт пропорциональности.

В отличие от рассмотренного. аналога данный пирометр характеризуется простотой, сравнительно малым -энергопотреблением, незначительными аппара-, турными затратами, а также использованием элементов широкого применения.

Кроме того, схема предусматривает автоматический учет температуры внеш1105763 ней среды, что обеспечивает более высокую точность и удобство в работе устройства.

Недостатками указанного устройст- . ва являются сравнительно высокие требования к усилительно-преобразователь-5 ным блокам для получения прецизионной точности измерений. Кроме того, поскольку выходной аналоговый сигнал в рассматриваемом способе пропорционален мощности излучения, а не температуре объекта, с целью дальнейшего получения информации о температуре требуется дополнительное преобра.зование выходного сигнала пропорционально корню четвертой степени.

Цель изобретения — повышение точности измерения и уменьшение энергопотребления.

Поставленная цель достигается тем, что в пирометр, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и допол1 нительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, "оединенные усилитель и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детектора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнего соединен с Регистрирующим устройством, введены преобразователь сигнала постоянного тока, соответствующего температуре окружающей среды, в переменный, первый резистивный делитель, сумматор переменных сигналов, второй резистивный делитель, вычитающее уст"35 ройство переменных сигналов, третий резистивный делитель, коммутатор, механический пружинный привод и тахогенератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен 4О с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигнала, выход преобразователя соединен с первымреэистивным делителем, выход этого делителя соединен с 45 одним из входов сумматора, второй вход которого соединен с выходом основного термодатчика, а выход этого сумматора соединен с первым входом вычитающего устройства, втоРой вход которого соединен с выходом второго резистивного делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сигнала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивным делителем, выход которого соединен с усилителем, управляющие входы второго и третьего резистивных делителей соединены с коммататором, а обтюратор кикематически соединен с механическим пружинным приводом и ро-60 тором тахогенератора.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит оптическую систему 1, основной термодатчик 2, в частном случае пироэлектрический датчик, обтюратор 3, источник светового потока 4, формирователь опорного сигнала 5, состоящий иэ фотоприемника 6 видимого излучения и усилителя-формирователя 7, термодатчик .температуры окружающей среды 8, преобразователь 9 сигнала постоянного тока, снимаемого с этого термодатчика, в сигнал переменного тока, сумматор 10, вычитающее устройство 11, резистивиые делители 12, 13 и 14, коммутатор 15, избирательный усилитель 16, синхронный детектор 17, согласующий каскад 18 с регистрирующим устройством 19, двигатель 20 с тахогенератором 21. . Работу устройства можно обосновать следующим образ ом.

На вход основного термодатчика, в частном случае пироэлектрического, при вращении обтюратора поступают попеременно ИК-излучения от объекта и поверхности обтюратора, обусловленные их температурой нагрева. При этом температура нагрева обтюратора определяется температурой окружающей среды .

Выходной сигнал этого термодатчика имеет следующую зависимость от температуры

0 =S (А Т -А T )м пцр, где Тп — температура поверхности объекта;

Т8„ — внешняя температура окружаю" щей среды;

5 — крутизна преобразователя

А датчика;

А,и A„ коэффициенты преобразования лучистых потоков, связанных с геометрией приема излучений; я п — знак, опрецеляющий периодичность сигнала; а — частота прерывания; время.

Аппроксимируют амплитудные характеристики этого термодатчика линейными участками с равными интервалами температур от объекта и окружающей среды. В соответствии с линейной аппроксимацией выражение для выходного сигнала термодатчика может быть представлено в виде и и

",==, — Ф ы (т,йт (1,5 lj K,.ó (т Ei s, }))

xsignw t где 4; — крутизна преобразования на

i-том линейном участке амплитудной характеристики основного термо атчика в зависимости от температуры объекта; т,. — крутизна преобразования на

j-том линейном участке амп110376 3

Il ЕЬ.у (Т +ЛТ 1 5 ))Б фпlUt, где т - крутизна преобразования на ! (-том участке амплитудной характеристики этого термодатчика в соответствии с температурой окружающей сре- 0 дые погрешность аппроксимации.

Выбирают линейные участки на амплитудных характеристиках обоих датчиков в соответствии с температурой окружающей среды в момент измерений и производят фазное суммирование сигналов в термодатчиков. После суммирования получат измерительный сигнал, соответствующий виду

I

91р (. ) 4

55 или без учета погрешностей аппроксимации, поскольку теоретически ее можно сделать как угодно малой, получим

U = N Q (Т +йТ )Stgn<4, 60

Весь диапазон измеряемой температуры разбивают на поддиапазоны в соответствии с линейными участками амплитудной характеристики основного термо- 65 литудной характеристики основного термодатчика в зависимости от температуры вн ешней среды; а и Ь. — весовые коэффициенты (О

i j или 1); 5

Т . иТ вЂ” начальные значения абсолюто вн ной температуры объекта и внешней среды в начальных точках "-го и j-го линейных участков соответственно; )()

n — число линейных участков; аТ ийТ „- линейные интервалы температур на каждом участке;

5, и6 „. — погрешность аппроксимации на линейных участках: 15 и ) — номера выбираемых линейных участков на амплитудных характеристиках основного термодатчика в зависимости от температуры объекта и окружающей среды в момент измерения. преобразуют с помощью контактного дополнительного термодатчика температуру внешней окружающей среды в электрический сигнал переменного тока, синхронный по частоте с сигналом основного термодатчика.В общемслучае нелинейную амплитудную характеристику этого преобразователя можно .также аппроксимировать кусочно-линейной зависимостью,ЗО . которую можно записать в виде датчика. И для каждого поддиапаэона устанавливают соответствующий множительный коэффициент. Формируют для каждого поддиапаэона опорные компенсирующие сигналы той же частоты, но противоположной фазы, и по величине соответствующие началу подциапазонов.

При этом опорные компенсационные сигналы можно записать в виде

0 = Q . Ы г { ц + n) где О .=с Т . — амплитудное значение

lA ) ) 0 опорного сигнала, соответствующее началу -го поддиапазона

Выбирают поддиапазон измеряемой температуры и производят суммирование (фаз ное вычитание ) измерительного и соответствующего выбранному поддиапа" зону опорного сигнала. После суммирования, последующего усиления и детектирования п6лучают аналоговый сигнал, пропорциональный температуре объекта, который можно считать по шкале регистрирующего устройства с учетом множителя М, соответствующего выбранному поддиапазону (М=1, ...,и) ()вых о с). где к — коэффициент преобразования измерительного тракта.

С целью согласования выходного аналогового сигнала со шкалой считывающего прибора одновременно с фазным вычитанием производят корректировку крутизны линейных участков, например, путем изменения коэффициента передачи измерительного сигнала.

Таким образом, повышение точности может быть достигнуто за счет того, что измерительный сигнал формируется на входе измерительного тракта и ведется обработка переменного сигнала, получаемого с основного термодатчика (разбивка на поддиапазоны, суммирование, вычитание и т.д ) и тем самым не требуется дополнительного усилительного тракта для формирования аналогового сигнала, соответствующего внешней температуре окружающей среды, и не требуется последующей обработки аналогового выходного сигнала, соотетствующего измеряемой температуре, оскольку в пределах каждого из поддиапаэонов обеспечивается линейная зависимость электрического сигнала от измеряемой температуры.

Работа устройства заключается в следующем.

С помощью оптической системы 1 фокусируется ИК-излучение от объекта на приемную площадку основного термодатчика (например, пироэлектрического) 2. С целью преобразования постоянного действующего теплового потока в переменный используется обтюратор

3, кинематически связанный с механическим приводом (пружи ным двигателем ) 20. С помощью фотоприемника б видимого излучения, например фоторе1105763

35

45

60 зистора, установленного таким образом по отношению к обтюратору, что видимый лучевой поток света, поступающий на него, прерывается синхронно (как и поток ИК-излучения), и усилителя-формирователя 7 формируется опорный сигнал, синхронный по частоте с информационным сигналом, снимаемым с основного термодатчика 2.

С целью получения переменного сигнала, синхронного по частоте с сигна-10 лом основного термодатчика от контактного термодатчика температуры окружающей среды 8, например терморезистора, используется преобраз ователь 9, на вход которого поступает сигнал с этого датчика, а управление производится от формирователя опорного.сигнала 5. Сигнал с преобразователя 9 подают на первый делитель 12, который предназначен для формирования сигнала, соответствующего температуре окружающей среды в момент измерения, равного по величине амплитудному значению основного датчика, имеющего зависимость от этой же температуры (соответствующей излучению поверхности обтюратора ). С делителя

12 и датчика 2 сигналы подают на сумматор 10, который производит фазное суммирование этих сигналов, после чего с выхода сумматора снимают изме-З0 рительный сигнал, зависящий только от температуры объекта.

Практически выравнивание передаточных характеристик датчиков в зависимости от температуры окружюащей среды осуществляется следующим образом.

Исключается сигнал с основного датчика, например, путем подсоединения выхода этого датчика к корпусу и тем самым на выходе регистрирующего устройства производится индикация температуры внешней среды. Если измерительный прибор зашкаливает или не соответствует установленным пределам калибровки, тогда выставляется делитель 12 до тех пор, пока показания на шкале не установятся в заданные пределы. Иа второй делитель 13 поступает сигнал с усилителя-формирователя 7.

С помощью делителя 13 производится формирование дополнительных опорных сигналов, которые соответствуют началам измерительных поддиапазонов.

С целью выбора необходимого измерительного поддиал аз она с помощью э того делителя 13 сигналы подаются, например, с помощью коммутатора 15 последовательно на вход вычитающего устройства 11,на второй вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 10. При этом операция фаз ого вычитания измерительного сигнала с опорными сигналами производится до тех пор, пока выходной сигнал не соответствует установленным пределам шкалы регистрирующего устройства.

Одновременно с переключением опорных сигналов ичи поддиапазонов с помощью коммутатора 15 производится коррекция выбранного поддиапазона с помощью третьего делителя 14.

Далее измерительный сигнал поступает на усилитель 16, который, как правило, выполняется избирательным с целью повышения помехоустойчивости измерительной схемы. Сигнал с выхода усилителя 15 поступает на сигнальный вход синхронного детектора 17, на управляющий вход которого поступает сигнал с формирователя опорного напряжения 5.

Далее аналоговый сигнал с синхронного детектора 17 поступает на вход согласующего каскада 18, выход которого соединен с аналоговым регистрирующим устройством 19, например малогабаритным микроамперметром или вольтметром.

С целью обеспечения полного автономного питания измерительной схемы для получения необходимой ЭДС используют тахогенератор 21, который кинематически связан с обтюратором 3 и механическим двигателем 20 с пружинным заводом.

Предлагаемое устройство с точки зрения точностных характеристик, энергопотребления и удобства использования выгодно отличается от прототипа. Поскольку сигналы с датчиков поступают на один измерительный тракт, то тем самым уменьшаются требования к усилительно-преобразовательным блокам и соответственно гарантируется более высокая точность при измерениях. Кроме того, в схеме устройства используется меньшее число активных узлов, требующих существенного энергопотребления (не требуется активного усилительного тракта для сигнала с датчика внешней температуры ).

В схеме производится решение необходимых алгоритмов в процессе измерений с малыми сигналами на уровне первичного преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и, тем самым, требуется меньше энергопотребления при формировании опорных сигналов и сигнала, соответствующего температуре окружающей среды.

Поскольку регистрирующее устройство работает на одном пределе шкалы, которая имеет линейную зависимость от измеряемой температуры, уменьшаются аппаратурные затраты при преобразовании аналогового сигнала с помощью АЦП в цифровой отсчет.

-- 1105763

Составитель Л.Латыев

Редактор М.Келемеш Техред С.Мигунова Корректор E.Сирохман

Заказ 5587/32 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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