Пирометр (варианты) и система модуляторов, используемая в пирометрах

 

Изобретение относится к приборам для измерения мощности инфракрасного излучения и может быть использовано для бесконтактного измерения температуры. Пирометр имеет два канала 1 и 2 для ввода излучения от объекта 3 и от опорного источника 4 с зачерненной гранью 20. Пирометр содержит систему 5 из двух модуляторов 6 и 7, приемник излучения 8, блок регистрации и отображения информации 9, генератор 18, блок задержки 19 и систему сведения излучения 10. Возможен вариант выполнения пирометра, у которого оба канала 1 и 2 служат для ввода излучения от измеряемого объекта. Система модуляторов представляет собой кристалл в форме прямоугольного параллелепипеда. Две противоположные грани кристалла оптические, а две другие противоположные грани снабжены электрическими контактами. Одна - сплошным омическим контактом. Другая - двумя одинаковыми инжектирующими контактами. Такое выполнение изобретения позволит повысить точность измерения температуры. 3 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к приборам для измерения и контроля мощности инфракрасного излучения (ИК-излучения), и может быть использовано для бесконтактного измерения температуры.

Наиболее близким является пирометр, включающий двухканальную оптическую систему ввода излучения соответственно от измеряемого объекта и опорного источника, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящую из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с системой сведения излучения, которая оптически сопряжена с приемником излучения, а приемник излучения электрически связан с блоком регистрации и отображения информации (Е.С. Авдошин. Двухканальный световодный инфракрасный радиометр с полупроводниковым модулятором. - Измерительная техника, N3 с. 9-11, 1991) [1]. В каждом из двух оптических каналов, а именно в измерительном канале, в котором по волоконному ИК-световоду излучение распространяется от измеряемого источника, и в канале, где излучение распространяется от опорного источника, выполненного в виде неохлаждаемого инжекционного полупроводникового лазерного диода, расположен свой полупроводниковый модулятор. Каждый модулятор выполнен из полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, две противоположные грани которого оптические, а другие две противоположные грани снабжены соответственно сплошным омическим и сплошным инжектирующим контактами. Эти модуляторы пространственно разнесены в приборе и каждый из них заключен в отдельный медный радиатор. Работа известного пирометра состоит в том, что излучение от измеряемого объекта через оптическую систему ввода поступает на полупроводниковый модулятор, управляемый синусоидальным напряжением от генератора. Промодулированный поток через оптически сопряженную систему сведения излучения попадает на приемник излучения. Одновременно опорный поток излучения от лазерного диода через оптическую систему ввода попадает на второй полупроводниковый модулятор и далее через ту же оптически сопряженную систему сведения излучения попадает на приемник излучения. Таким образом, на приемник поступают потоки излучения от измеряемого и опорного источников, причем переменная составляющая оптического потока на входе приемника излучения равна разности этих потоков. Это обусловлено тем, что один из модуляторов, например модулирующий измеряемый поток излучения, подключен непосредственно к генератору синусоидального напряжения, а другой модулятор, соответственно, модулирующий поток от опорного источника, подключен к этому генератору через блок задержки, например фазосдвигающее устройство, обеспечивающее сдвиг фазы на 180^o относительно напряжения на выходе генератора. В результате, на выходе приемника излучения возникает переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности двух тепловых потоков. Этот сигнал далее поступает в систему регистрации и отображения информации, состоящую из нескольких стандартных блоков. Окончательную подготовку пирометра к работе завершает процедура градуировки, которая осуществляется с использованием черного тела.

Недостатком известного пирометра является низкая точность измерения температуры, обусловленная наличием теплового излучения самих полупроводниковых модуляторов, тепловые потоки которых могут изначально не только значительно отличаться друг от друга, но и неравномерно изменяться во времени. На точность измерения оказывает также влияние нестабильность мощности излучения опорного источника, зависящая от температуры рабочего элемента и его временной деградации. Для установления начала отсчета абсолютных значений температур необходим сложный процесс градуировки прибора.

Наиболее близким является также пирометр, включающий двухканальную оптическую систему ввода излучения, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящую из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с системой сведения излучения, которая оптически сопряжена с приемником излучения, электрически связанным с блоком регистрации и отображения информации [1]. В каждом из двух оптических каналов расположен свой полупроводниковый модулятор, причем каждый из них выполнен из полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, две противоположные грани которого оптические, а другие две противоположные грани снабжены соответственно сплошным омическим и сплошным инжектирующим контактами. Эти модуляторы пространственно разнесены в приборе и каждый из них заключен в отдельный медный радиатор. Этот пирометр применялся нами для дифференциального контроля температуры объекта. Для определения разности температур между двумя точками измеряемого объекта необходимо произвести последовательно два измерения. Разность температур Δ Т в двух точках объекта определяется путем вычитания измеренных значений абсолютных температур Т₁ и Т₂: ΔT = T₁-T₂. Недостатком известного пирометра является низкая точность измерения температуры, которая обусловлена невозможностью производить измерения одновременно в двух разных точках объекта, а также тепловым излучением самих полупроводниковых модуляторов, тепловые потоки которых могут изначально не только значительно отличаться друг от друга, но и неравномерно изменяться во времени. Кроме того, при малых разностях температур погрешности индивидуальных измерений могут быть сравнимы или даже превышать измеряемую разность температур.

Наиболее близким является также система модуляторов, используемая в пирометрах, включающая два модулятора с электрическими контактами, каждый из которых выполнен из полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, две противоположные грани которого оптические, а другие две противоположные грани снабжены соответственно сплошным омическим и сплошным инжектирующим контактами. Эти модуляторы пространственно разнесены в приборе и каждый из них заключен в отдельный медный радиатор [1].

Недостатком такой системы модуляторов при использовании ее в приборах для бесконтактного измерения мощности ИК-излучения является влияние на измерение теплового излучения самих модуляторов, тепловые потоки которых могут изначально не только значительно отличаться друг от друга, но и неравномерно изменяться во времени, что приводит к снижению точности измерения приборов.

Задачей изобретения является усовершенствование пирометра, имеющего двухканальную оптическую систему ввода излучения, путем выполнения модуляторов одинаковыми и приведения их в тепловой контакт, что позволяет повысить точность измерения температуры за счет уравнивания теплового излучения модуляторов и исключения его влияния на точность измерения. Дополнительно повысить точность измерения позволяет выполнение опорного источника в виде датчика температуры.

Задачей изобретения является усовершенствование пирометра, имеющего двухканальную оптическую систему ввода излучения, путем выполнения модуляторов одинаковыми и приведения их в тепловой контакт, а также выполнения обоих каналов тождественными для ввода излучения от разных точек объекта, что позволяет повысить точность и скорость измерения температуры.

Задачей изобретения является также усовершенствование системы модуляторов, используемых в пирометрах, путем выполнения модуляторов в системе одинаковыми и приведения их в тепловой контакт, что позволяет исключить влияние теплового излучения самих модуляторов на точность измерения мощности ИК-излучения.

Поставленная задача решается предложенным пирометром, включающим двухканальную оптическую систему ввода излучения соответственно от измеряемого объекта и опорного источника, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящую из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с приемником излучения, который электрически связан с блоком регистрации и отображения информации, в котором система модуляторов выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла. При этом опорный источник электрически соединен с блоком регистрации и отображения информации и выполнен в виде датчика температуры, имеющего зачерненную грань, обращенную к модулятору.

Между системой модуляторов и приемником излучения может быть установлена система сведения излучения, оптически сопряженная с ними.

Поставленная задача решается также пирометром, включающим двухканальную оптическую систему ввода излучения, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящую из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с приемником излучения, который электрически связан с блоком регистрации и отображения информации, в котором система модуляторов выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла, и оба канала выполнены тождественными для ввода излучения от измеряемого объекта.

Поставленная задача решается также системой модуляторов, используемой в пирометрах, включающей два модулятора с электрическими контактами, которая выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла.

Электрическое управление работой модулятора ведет к нагреву рабочего элемента - полупроводникового кристалла, обусловленному достаточно высоким значением требуемой управляющей мощности. Нагретый полупроводниковый кристалл, таким образом, становится источником теплового излучения, являющегося в условиях работы пирометра паразитным излучением. Интенсивность паразитного теплового излучения модуляторов, имеющего широкий спектр в ИК-области, зависит от температуры полупроводникового кристалла. В процессе исследований было установлено, что, если модуляторы не находятся в тепловом контакте, то температуры модуляторов, а значит и излучение модуляторов будут различными. В предложенном устройстве приведение модуляторов в тепловой контакт один с другим и выполнение их одинаковыми обеспечило одинаковые теплоотвод, условия конвекции и, в конечном счете, равенство температур обоих модуляторов. Последнее обстоятельство является причиной уравнивания паразитных сигналов модуляторов. Паразитные потоки, уравненные по амплитуде и задержанные на 0,5 периода следования импульсов один относительно другого, компенсируются по переменной составляющей в процессе измерений.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - схема двухканального пирометра, у которого один канал является измерительным, другой канал - опорный; на фиг. 2 - система модуляторов, используемая в двухканальном пирометре в котором один канал является измерительным, другой канал - опорный; на фиг. 3 - схема двухканального пирометра, у которого оба канала (канала) являются измерительными; на фиг. 4 - система модуляторов, используемая в двухканальном пирометре, в котором оба канала являются измерительными.

На фиг.1 показан пирометр, имеющий два канала 1 и 2 ввода излучения соответственно от измеряемого объекта 3 и от опорного источника 4, систему модуляторов 5, включающую два модулятора 6 и 7 соответственно, приемник излучения 8, электрически связанный с блоком регистрации и отображения информации 9. Между системой модуляторов 5 и приемником излучения 8 может быть расположена система сведения излучения 10, выполненная, например, в виде линзы. Однако при наличии приемника излучения 8 с большой приемной площадкой система сведения излучения 10 может отсутствовать. Система модуляторов 5 выполнена из полупроводникового кристалла в форме прямого параллелепипеда (фиг. 2), у которого две противоположные грани 11 и 12 оптические, а другие две противоположные грани 13 и 14 снабжены электрическими контактами. При этом грань 13 снабжена сплошным омическим контактом 15, а на грани 14 расположены два инжектирующих контакта 16 и 17, которые размещены по разные стороны линии, проходящей через центр грани 14 перпендикулярно оптической грани 11 и/или 12, образуя таким образом два модулятора 6 и 7 (фиг 1). Один из модуляторов, например 6, электрически связан с генератором 18 напрямую, а другой модулятор, соответственно 7, электрически связан с генератором 18 через блок задержки 19. Опорный источник 4 выполнен в виде датчика температуры и имеет зачерненную грань 20, обращенную к модулятору 7. При этом опорный источник 4 электрически связан с блоком регистрации и отображения информации 9, и генератор 18 электрически связан с блоком 9.

Пирометр работает следующим образом.

Излучение от измеряемого объекта 3 через измерительный оптический канал ввода излучения 1 поступает на модулятор 6 системы модуляторов 5. Одновременно с этим на другой модулятор 7 поступает излучение через канал ввода излучения 2 от опорного источника, выполненного в виде датчика температуры 4, зачерненная грань которого 20 направлена на модулятор 7. При этом на модулятор 6 подается управляющее напряжение от генератора 18, а на другой модулятор 7 это же напряжение подается через блок задержки 19, обеспечивающий задержку управляющего импульса на 0,5 периода следования импульсов. В результате, на приемник излучения 8 поступает переменный оптический сигнал, равный по величине разности интенсивности опорного источника 4 и измеряемого объекта 3. На выходе приемника излучения 8 возникает переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности двух тепловых потоков. Этот сигнал далее поступает в блок регистрации и отображения информации 9, куда также поступает электрический сигнал с датчика температуры 4, соответствующий температуре самого датчика, и сигнал синхронизации с генератора 18. Это позволяет получить точные абсолютные значения температуры измеряемого объекта 3, при этом точность измерения остается стабильной и не будет зависеть от длительности измерения, температуры фона и других факторов.

На фиг. 3 представлен пирометр, у которого имеется два тождественных канала 1 и 2 для ввода излучения от измеряемого объекта соответственно в точке 3 и точке 4. Измерительные каналы ввода излучения 1 и 2 оптически сопряжены с системой модуляторов 5, состоящей из двух модуляторов 6 и 7. Система модуляторов 5 оптически сопряжена с приемником излучения 8, электрически связанным с блоком регистрации и отображения информации 9. Между системой модуляторов 5 и приемником излучения 8 может быть расположена система сведения излучения 10, выполненная, например, в виде линзы. Однако при наличии приемника излучения 8 с большой приемной площадкой система сведения излучения 10 может отсутствовать. Система модуляторов 5 выполнена из полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда (фиг. 4), у которого две противоположные грани 11 и 12 оптические, а другие две противоположные грани 13 и 14 снабжены электрическими контактами. При этом грань 13 снабжена сплошным омическим контактом 15, а на грани 14 расположены два тождественных инжектирующих контакта 16 и 17, которые размещены по разные стороны линии, проходящей через центр грани 14 перпендикулярно оптической грани 11 и/или 12, образуя таким образом два модулятора 6 и 7. Один из модуляторов, например 6, электрически связан с генератором 18 напрямую, а другой модулятор, соответственно 7, электрически связан с генератором 18 через блок задержки 19, и генератор 18 электрически связан с блоком 9.

Пирометр работает следующим образом.

Излучение от измеряемого объекта в точке 3 через измерительный оптический канал ввода излучения 1 поступает на модулятор 6 системы модуляторов 5. Излучение от измеряемого объекта в точке 4 через измерительный оптический канал ввода излучения 2 поступает на модулятор 7 системы модуляторов 5. При этом на модулятор 6 подается управляющее напряжение от генератора 18, а на другой модулятор 7 это же напряжение подается через блок задержки 19, обеспечивающий задержку управляющего импульса на 0,5 периода следования импульсов. В результате, на приемник излучения 8 поступает переменный оптический сигнал, равный по величине разности интенсивности источников излучения в точках 3 и 4 измеряемого объекта. На выходе приемника излучения 8 возникает переменный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна разности двух тепловых потоков. Этот сигнал далее поступает в блок регистрации и отображения информации 9, куда также поступает сигнал синхронизации с генератора 18. Это позволяет с высокой точностью измерить разность тепловых потоков в двух точках измеряемого объекта, а следовательно, разность температур.

В предложенных вариантах пирометров использована предложенная система модуляторов. Как показано на фиг. 2 и 4 (по каждому варианту выполнения изобретения) система модуляторов 5 состоит из двух модуляторов 6 и 7 и представляет собой кристалл, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани 11, 12 оптические, а другие две противоположные грани 13 и 14 снабжены электрическими контактами. Грань 13 снабжена сплошным омическим контактом 15, а грань 14 содержит два тождественных инжектирующих контакта 16 и 17, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани 11 и/или 12 кристалла, образуя таким образом два модулятора: 6 и 7. Модуляторы могут быть выполнены из одного, например, германиевого кристалла с p-n переходом или из двух склеенных кристаллов с p-n переходом.

При работе модуляторов под действием управляющего напряжения от генератора 18 изменяется оптическое пропускание кристалла и осуществляется модуляция потока ИК-излучения. Существенной особенностью модуляторов является их нагрев при воздействии тока и возникающее паразитное тепловое излучение самих модуляторов 6 и 7. Так как модуляторы выполнены одинаковыми и приведены в тепловой контакт, паразитное излучение каждого из них одинаково. Поскольку на модулятор 6 подается управляющее напряжение от генератора 18, а на другой модулятор 7 это же напряжение подается через блок задержки 19, обеспечивающий задержку управляющего импульса на 0,5 периода следования импульсов, на приемник излучения 8 поступает переменный оптический сигнал, равный по величине разности интенсивности потоков ИК-излучения, в котором паразитные потоки модуляторов компенсируются.

Экспериментально был реализован пирометр, включающий двухканальную оптическую систему ввода излучения соответственно от измеряемого объекта и опорного источника в соответствии с первым вариантом изобретения. Для проверки работоспособности пирометра в качестве измеряемого объекта использовался имитатор абсолютно черного тела типа У.31.010-01 ПС, температура которого последовательно стабилизировалась на уровнях 38,3; 142,4; 231,8^oC. При этом температура имитатора контролировалась встроенным в его корпус собственным датчиком температуры. Измеренные пирометром значения температуры в указанном диапазоне 0-250^oC совпадали с вышеприведенными с погрешностью, не превышающей 0,2%. Изменение температуры окружающей среды в диапазоне 10-50^oC приводило к изменению показаний пирометра не более чем на 0,1%.

Экспериментально также был реализован пирометр, включающий двухканальную оптическую систему для ввода излучения от измеряемого объекта в соответствии со вторым вариантом изобретения. Работоспособность пирометра проверялась с использованием объекта, температура двух выбранных исследуемых областей которого контролировалась высокоточной дифференциальной термопарой. Разность температур в этих участках объекта согласно показаниям термопары составляла 0,1^oC. Значение разности температур этих же участков, измеренное с помощью пирометра, также составляло 0,1^oC. При этом соотношение сигнал-шум превышало величину, равную 25.

В указанных приборах была реализована заявляемая система модуляторов, выполненная на основе полупроводникового материала германия. Экспериментально было показано, что в указанной системе модуляторов паразитное тепловое излучение каждого из модуляторов совпадает по величине друг с другом с точностью не хуже 0,1% при изменении температуры окружающей среды в диапазоне 10-50^oC. Это позволяет практически полностью устранить влияние паразитного излучения на точность измерений.

Формула изобретения

1. Пирометр, включающий двухканальную оптическую систему ввода излучения соответственно от измеряемого объекта и опорного источника, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящей из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с приемником излучения, который электрически связан с блоком регистрации и отображения информации, отличающийся тем, что система модуляторов выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла.

2. Пирометр по п.1, отличающийся тем, что опорный источник выполнен в виде датчика температуры, имеющего зачерненную грань, обращенную к модулятору.

3. Пирометр по п.2, отличающийся тем, что опорный источник электрически связан с блоком регистрации и отображения информации.

4. Пирометр по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему сведения излучения, расположенную между системой модуляторов и приемником излучения и оптически сопряженную с ними.

5. Пирометр, включающий двухканальную оптическую систему ввода излучения, оптически сопряженную с системой модуляторов, состоящей из двух модуляторов, один из которых напрямую, а другой модулятор через блок задержки электрически связаны с генератором, при этом система модуляторов оптически сопряжена с приемником излучения, который электрически связан с блоком регистрации и отображения информации, отличающийся тем, что система модуляторов выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла, и оба канала выполнены тождественными для ввода излучения от измеряемого объекта.

6. Пирометр по п.5, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему сведения излучения, расположенную между системой модуляторов и приемником излучения и оптически сопряженную с ними.

7. Система модуляторов, используемая в пирометрах, включающая два модулятора с электрическими контактами, отличающаяся тем, что выполнена в виде полупроводникового кристалла в форме прямоугольного параллелепипеда, у которого две противоположные грани оптические, а другие две противоположные грани снабжены электрическими контактами, при этом одна из этих граней снабжена сплошным омическим контактом, а другая грань содержит два одинаковых инжектирующих контакта, расположенных по разные стороны линии, проходящей через центр этой грани перпендикулярно оптической грани кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4