Фотоэлектрический компенсирующий пирометр

 

Использование: область пирометрии различных тел, измерения параметров лазерного и.других излучений. Сущность: рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостат и подключена к неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая-фотоприемником подключена к инвертирующему входу усилителя, а компенсатором к выходу дифференциального усилителя, при этом фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модуля и помещены в термостат, Кроме того, рабочие элементы могут быть объединены в группы с изменяемым соотношением , а температура термостата может изменяться. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s 6 01 J 5/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4905161/25 (22) 25.01.91 (46) 07.01.93, Бюл. М 1 (71) Кременчугский филиал Харьковского политехнического института (72) П.Ф.Ткачук, В.В.Дроздовский, В.А.Мосьпан и В.Е.Маслов (73) Кременчугский филиал Харьковского политехнического института (56) Заявка Великобритании f4 1325438, кл. G 01 J 5!16, 1976. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОМПЕНСИРУЮЩИЙ ПИРОМЕТР (57) Использование: область пирометрии различных тел, измерения параметров лаИзобретение относится к оптической пирометрии и может быть использовано в пирометрах для измерения температуры различных тел в процессе технологического производства, для измерения параметров лазерного и других излучений, а также в исследовательской практике при проведении темпераратурных исследований повышенной точности.

Известны конструкции фотоэлектриче- . ских пирометров, например ППТ-121, ПЧД141, содержащие корпус, объектив, апертурную и полевую диафрагмы, коллектив(конденсатор), диафрагму фотоприемника, термоэлектрический термостат, фотоприемник, в качестве которого используется термобатарея спаев термопар или фотодиод, электронную систему измерения, построенную по принципу прямого усиле- .

„, Ы Ä 1787267 АЗ зерного и других излучений. Сущность: рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостат и подключена к неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая-фотоприемником подключена к инвертирующему входу усилителя, а компенсатором к выходу дифференциального усилителя, при этом фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модуля и помещены в термостат, Кроме того, рабочие элементы могут быть объединены в группы с изменяемым соотношением, а температура термостата может изменяться. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. ния сигнала фотоприемника с дальнейшим ъ его измерением. 4

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пирометр, содержащий температурный датчик с раздельными первой и второй поверхностями (термобатарея), чувствительным к темпера- С" туре, для выработки разностного сигнала, 4 первую линзу и диафрагму, фокусирующую термоизлучение от объектива на первую поверхность, вторую линзу и вторую диафрагму, фокусирующую излучение от эталонного (теплового) источника на вторую поверхность датчика. Изменяя температуру эталонного источника при помощи дифференциального усилителя, добиваются равенства нулю разностного сигнала от датчика. О температуре объекта судят по мощности, выделяемой в цепи нагревательного

1787267 элемента эталонйого источника сравнения, или по непосредственному измерению температуры эталонного источника.

Основными причинами появления погрешности в данном приборе являются изменение чувствительности датчика к излучению в инфракрасной области при изменении температуры корпуса прибора, так как датчйк не термостатирован, а также зависимость тока, протекающего в цепи нагрева эталойного источника, не только от температуры объекта измерения, но и от температуры окружающей среды. Температурная компенсация, предусмотренная в данном приборе, устраняет "плавание нуля" прибора при изменении температуры корпуса и не устраняет главной причины возникновения погрешности, суть которой в том, что при изменении температуры датчика, при неизменной температуре объекта, изменяется разность энергии излучений объекта и датчика, воздействующей на датчик, что приводит к изменению условий передачи энергий между объектом измерения и датчиком, приводящих к изменению показаний прибора. Дляустранения этого недостатка необходима температурная стабилизация как датчика разностного сигнала, так и эталонного источника излучения.

Цель изобретения — расширение температурного диапазона и повышение точности измерения температуры, Цель достигается тем, что в предлагаеМоМ пирометре используется комбинированный термоэлектронный преобразователь, одна рабочая поверхность которого установлена на термостат и подключена вместе с неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая определенной частью рабочих элементов, выполняющих функции фотоприемника, подключена к инвертирующему входу усилителя, оставшейся же частью рабочих элементов, выполняющих функцию компенсатора, вместе с блоком измерения — к выходу дифференциального усилителя. Таким образом, в фотоприемник и компенсатор являются частями одной и той же рабочей поверхности преобразователя и ьь полнены в виде единого конструктивного модуля, помещенного в термастат, Блок-схема, поясняющая принцип действия компенсирующего пирометра. приведена на фиг. 1, где 1 — оптическая система. проектирующая излучение U от исследуемого объекта на комбинированный термоэлектрон ный преобразователь (ТЭП), 2— комбинированный ТЭП, имеющий две рабочие поверхности, выполняющий две функции: фотоприемника 3, преобразующего разность температур первой и второй рабо20

55 бора

Блоки 8 — 11 представляют собой систему автоматического регулирования температуры как термостата 7, так и температуры установленной на нем второй рабочей поверхности комбинированного ТЭП.

Датчик 8 температуры вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению температуры термостата 7 от величины, заданной задатчиком 11 температуры. Усилитель 9 усиливает разностный сигнал датчика

8 температуры, а подключенный к выходу усилителя 9 компенсатор 10 восстанавливает требуемую температуру термостата 7.

Функциональная схема пирометра приведена на фиг, 2. Излучение от объекта 13 направляется объективом 2 через отверстие апертурной диафрагмы 3 на плоскость полевой диафрагмы 5. Часть энергии излучения, ограниченной полевой диафрагмой 5, направляется линзой 4 через отверстием диафрагмы фотоприемника 6 на первую плоскость "а" комбинированного ТЭП 7 и изменяет ее температуру. Вторая плоскость

"б" комбинированного ТЭП 7 (в дальнейшем измерительный ТЭП) термостатирована другим ТЭП 8, который совместно с датчиком температуры термостата 10 и усилителей 9, поддерживает температуру термостата 14 и второй плоскости "б" измерительного ТЭП 7 постоянной.

Для создания оптимальных условий измерения положительных или отрицательных температур объекта температура термостатирования может быть задана как выше, так и ниже 0 С, а ТЭП S может быть как одноступенчатый, так и многоступенчатый в зависимости от требований к пирометру и условий эксплуатации, прй этом. отдельные ступени термостатирующих ТЭП могут иметь свою систему управления со чих поверхностей ТЭП в пропорциональный электрический сигнал, и компенсатора 4, изменяющего температуру первой рабочей поверхности ТЭП, на которой расположены и фотоприемник 4 и компенсатор 4.таким образом, чтобы разность температур между первой поверхностью и второй, установленной на термастат, оставалась постоянной, 5 — усилитель разностного

10 сигнала, получаемого от фотоприемника

3, служит для питания компенсатора 4 током, пропорциональным величине сигнала с фотоприемника 3, 6 — блок индикации, преобразующий выходной ток дифференциального усилителя, пропорциональный температуре объекта, в цифровой код с визуализацией его на индикаторе, а также обеспечивающий возможность подключения аналогового измерительного при.1787267 своим датчиком температуры и усилителем.

В качестве ТЭП термостата в данном приборе используется твердотельчый электронный микроохладитель ТЭМО, выпускаемый отечественной промышленностью, Измерительный ТЭП 7 выполнен на базе твердотельного электронного микроохладителя ТЭМО, в котором часть рабочих полупроводниковых термаэлементов, например 2/3, используется в качестве фотоприемника и включена во входную цепь дифференциального усилителя 11, оставшаяся часть термоэлементов выполняет функцию компенсатора излучения от объекта и подключена к выходу этого же усилителя, Изменяя ток через термоэлементы, служащие в качестве компенсатора излучения, дифференциальным усилителем 11 добиваются равенства нулю разностного сигнала от части термоэлементов, служащих в качестве нуль-индикатора, при этом температура плоскости "а" измерительного ТЗП 7 принимает значение температуры плоскости "б" и температуру термостатирования.

О температуре объекта судят по току в выходной цепи дифференциального усилителя

11 фотоприемника, измеряемому блоком измерения.

Такая конструкция измерительного

ТЭП объединяет в одном модуле фотоприемник и компенсатор излучения от объекта, реализуя компенсационный метод измерения температуры, и позволяет решить вопрос одновременной термостабилизации фотоприемника и эталонного источника излучения. Кроме того, компенсатор непосредственно воздействует на фотоприемник, что значительно повышает его эффективность вследствие отсутствия потерь энергии и передаче, что повышает точность измерения и расширяет пределы измеряемых температур.

Другая модификация этого пирометра использует комбинированный измерительный ТЗП для измерения температуры в двух поддиапазонах. При измерении температуры обьекта с малой энергией излучения в качестве фотоприемника задействована большая часть, например 2/3 всего количества термоэлементов, а оставшаяся часть используется в качестве компенсирующих термоэлементов, включенных на выходе дифференциального усилителя. Для измерения высоких температур или лазерного излучения с большой энергией излучения прибор снабжен переключателем, который меняется местами подключение к усилителю частей измерительного ТЭП. Меньшую часть, например 1/3, переключает на вход усилителя в качестве фотоприемника, а большую часть — к выходу усилителя, что позволяет увеличить мощность компенсатора и расширяет пределы измеряемых температур (фиг. 3).

5 Третий вариант пирометра использует все термоэлементы ТЗП одновременно в качестве фотоприемника и в качестве компенсирующих термоэлементов.

В соответствии с эффектами Зеебека и

10 Пельтье ток, проходящий по термоэлементам в направлении разностной термоЭДС, вызванной нагревом одной из плоскостей

"а" ТЭП получением от объекта, охлаждает ее и по достижении определенного значения

15 температура обеих плоскостей "а" и "б" сравняется, а разностная термоЭДС при этом равна нулю. Для осуществления такого режима работы ТЭП подключен к инвертирующему входу дифференциального усили20 теля, а отрицательная обратная связь образована нагрузочным резистором Roc, включенным между выходом усилителя и его инвертирующим входом, при этом блок

12 измерения подключен к выходу диффе25 ренциального усилителя фотоприемникакомпенсатора. Таким образом ТЭП работает в режиме фотоприемника с самокомпенсацией (фиг. 4), Предлагаемый пирометр и его модифи30 кации позволяют увеличить точность измерения и значительно расширить диапазон измеряемых температур в широком спектре излучения.

Термостатирование второй плоскости

35 измерительных ТЗП позволяет значительно повысить точность измерения температуры, В результате применения в качестве компенсирующего устройства ТЗП, нагревающего или охлаждающего плоскость, на

40 которой происходит компенсация излучения, предлагаемые модификации пирометра могут измерять температуру объектов как выше, так и ниже 0 С, Формула изобретения

45 1. Фотоэлектрический компенсирующий пирометр, содержащий оптическую систему, комбинированный термоэлектронный преобразователь с двумя рабочими поверхностями для выработки разностного

50 сигнала, пропорционального. разности температур указанных поверхностей, дифференциальный усилитель, термостат, блок измерения, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапа55 эона и повышения точности измерений; одна рабочая поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостат и подключена с неинвертирующим входом усилителя к общей шине, другая — частью рабочих элементов, 1787267 выполняющих функцию фотоприемника. подключена к инвертирующему входу усилителя, оставшейся же частью, выполняющей функцию компенсатора. с блоком измерения подключена к выходу дифференциального усилителя, а фотоприемник и компенсатор выполненй в виде единого конструктивного модуля и помещены в терм остат.

2. Пирометр по и. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения предела измерения, рабочие элементы комбинированного термоэлектронного преобоазователя объединены установленным между ним и дифференциальным усилителем-переключателем в отдельные группы с изменяемым соотношением элементов, общие выводы

5 которых подключены к переключателю.

3. Пирометр по пп. 1 и 2, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью измерения температур выше и ниже 0 С, одна рабочая

10 поверхность комбинированного термоэлектронного преобразователя установлена на термостате с изменяемой температурой термостати рова ния.

1787267

Пирометр фотоэлектрический компенсирукщиЯ

Составитель П. Ткачук

Техред М.Моргентал Корректор H. Бучок

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 272 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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