Датчик полихроматического пирометра

 

Изобретение относится к оптическим средствам измерения температуры, а также к датчикам многоволновых, в частности четырехволновых, пирометров излучения. Целью изобретения является повышение точности измерений температуры за счет исключения влияния поляризации излучения при одновременном увеличении количества спектральных составляющих. Сущность изобретения заключается в том, что в датчике полихроматического пирометра светоделительное зеркало выполнено в виде перфорированной до сквозных отверстий кристаллической кремниевой структуры, на которую напылено покрытие с высоким коэффициентом отражения, а приемники излучения расположены тандемом, причем первый может представлять из себя фотодиод на мембране, пропускающий изллучение с λ> 0,85 мкм, второй - кремниевый фотодиод, пропускающий излучение с λ > 1,1 мкм, а третий приемник может иметь чувствительность к излучениям с l > 1,2 мкм. Использование датчика в пирометре позволяет уменьшить погрешность измерения, определяемую эквивалентной длиной волны, в четыре раза. Кроме того, малые размеры датчика дают возможность существенно уменьшить светопотери и удешевить оптическую систему пирометра. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оптическим средствам измерения температуры, а точнее к датчикам многоволновых, в частности четырехволновых, пирометров излучения. Цель изобретения повышение точности измерений температуры за счет исключения влияния поляризации излучения при одновременном увеличении количества спектральных составляющих. На чертеже изображена принципиальная схема датчика. Датчик состоит из последовательно расположенных концентрирующей оптики 1, перфорированного и установленного под углом к оптической оси светоделительного зеркала 2, тандема, например, из трех приемников 3, 4, 5 излучения. Причем приемник 3 может быть выполнен в виде кремниевого фотодиода на мембране, пропускающей излучение с длинами волн λ > 0,85 мкм, приемник 4 виде кремниевого фотодиода, пропускающего излучение с длинами волн λ> 1,1 мкм, приемник 5 воспринимает излучение с длинами волн λ> 1,2 мкм. Кроме того, в направлении отражения светоделительного зеркала 2 дополнительно установлен приемник 6 излучения. Приемник 6 излучения может быть снабжен светофильтром 7. Светоделительное зеркало 2 имеет покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения (алюминий), и выполнено в виде перфорированной до сквозных отверстий кристаллической кремниевой структуры путем травления в узлах кристаллизации. Датчик работает следующим образом. Поток излучения через концентрирующую оптику 1 падает на светоделительное зеркало 2. Часть потока проходит через отверстия в зеркале 2 и попадает на приемник 3 тандема, создает на нем сигнал, часть излучения с λ > 0,85 мкм проходит через мембрану фотодиода приемника 3, падает на приемник 4, создает на нем сигнал, а излучение с λ > 1,1 мкм проходит через приемник 4, падая на приемник 5, создавая третий сигнал. Одновременно отраженное от металлизованной поверхности зеркала 2 излучение падает на приемник 6, пройдя через светофильтр 7, если он имеется, создавая на приемнике 6 четвертый сигнал. Далее все четыре сигнала усиливаются и обрабатываются по известным алгоритмам для получения значений температур. При необходимости дальнейшего увеличения числа спектральных составляющих в качестве четвертого приемника излучения может быть использован второй тандем. Примером конкретного выполнения такой системы является автоматической пирометр истинной температуры для чугуна и стали, выполненный на основе четырехволнового датчика. В датчике использовано светоделительное зеркало с покрытием из алюминия. В измеряемом диапазоне температур, например 1300-1800^оС, у тандема значения длин волн будут следующие: λ₁ 0,8 мкм, λ₂1,1 мкм и λ_э 1,4 мкм. Выбираем λ₄ 0,5 мкм, тогда эквивалентная длина волны λ_э четырехволнового пирометра будет равна 1,7 мкм. Для трехволнового пирометра, с тем же тандемом эквивалентная длина волны λ_э'≥ 7 мкм. Т.е. погрешность пирометра с данным датчиком, определяемая длиной волны λ_э, будет более чем в четыре раза меньше, чем у известных трехволновых пирометров. Кроме того, датчик занимает объем 15-20 см³. Это позволяет существенно повысить эффективность пирометра за счет уменьшения светопотерь и в десятки раз удешевить оптическую систему пирометра, являющуюся его наиболее дорогой частью.

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ПОЛИХРОМАТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА, включающий приемники излучения, расположенные тандемом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры за счет исключения влияния поляризации при одновременном увеличении количества спектральных составляющих, в него дополнительно введено установленное под углом к оптической оси тандема светоделительное зеркало и по крайней мере один приемник излучения, расположенный в направлении отражения этим зеркалом излучения, причем светоделительное зеркало представляет собой перфорированную до сквозных отверстий кристаллическую кремниевую структуру с покрытием из материала с высоким коэффициентом отражения. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что приемники излучения, расположенные тандемом, включают три приемника, при этом первый приемник выполнен в виде фотодиода на мембране, пропускающей излучение с длиной волны λ > 0,85 мкм, второй приемник представляет кремниевый фотодиод, пропускающий излучение с длиной волны λ > 1,2 мкм, третий приемник имеет чувствительность к излучению длинами волн λ > 1,2 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1