Способ бесконтактного измерения температуры

Изобретение относится к измерительной технике. Способ основан на использовании не менее двух последовательных циклов операций, в каждом из которых определяют выходной сигнал пирометра, пропорциональный полному тепловому излучению исследуемого объекта. В каждом из n-циклов на выходные контакты фотоприемника подают электрический сигнал расчетной величины для каждого из n-циклов, изменяющий его температуру и чувствительность, и определяют температуру объекта по n-значениям выходного сигнала пирометра, полученным в каждом из n-циклов. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к бесконтактному измерению температуры объекта по его полному тепловому излучению, и может быть использовано в пирометрах, реализующих несколько последовательных циклов операций измерения температуры.

Известен способ бесконтактного измерения температуры, включающий два последовательных цикла операций, патент RU 2087880, МПК G01J 5/06.

Известный способ основан на подаче мощности Р₁P₂ на чувствительный элемент пирометра для его нагрева.

Указанный способ предусматривает в первом цикле операций нагрев корпуса пирометра до фиксированной температуры T₁, после чего на чувствительный элемент пирометра направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего температуру Т. Во втором цикле операций нагревают корпус пирометра до температуры Т₂≠T₁ и измеряют выходной сигнал чувствительного элемента. В каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства сигналов нулю путем нагревания чувствительного элемента пирометра.

Действительную температуру определяют путем решения системы двух уравнений, составленных для каждой операции. При этом исключается коэффициент теплового излучения ε, оказывающий существенное влияние на точность измерения температуры Т.

Недостатком известного способа является необходимость нагрева корпуса пирометра, что во многих случаях недопустимо. При нагревании корпуса нагреваются находящиеся внутри его электронные приборы, что приводит к изменению их характеристик, влияющих на точность измерения температуры. Кроме того, корпус содержит пластмассовые детали, имеющие невысокую температуру плавления, что может привести к недопустимым деформациям.

Принципиальное отличие заявляемого способа от известных из уровня техники состоит в том, что для измерения используются n-последовательных циклов операций, в каждом из которых определяют выходной сигнал, пропорциональный полному тепловому излучению измеряемого объекта. В каждом из циклов на выходные контакты фотоприемника подают электрический сигнал расчетной величины для каждого из n-циклов, изменяющий температуру и чувствительность фотоприемника. Температуру объекта определяют по n-значениям выходного сигнала, полученного в каждом из n-циклов.

Заявляемый способ поясняется схемами.

На фиг.1 приведена схема структуры кремниевого n-p-n планарного фотопрнемника.

На фиг.2 изображена схема включения фотоприемника.

На фиг.3 приведена циклическая форма сигналов, подаваемых на фотоприемник.

В качестве фотоприемника, как правило, используется фотодиод, например кремниевый. Положительный источник питания соединен с катодом К.

Если засветить фотодиод, то он может проводить ток до 1 мА. На фиг.1 видно, что внутри фотодиода можно обнаружить Р-область и N-область. В фотодиоде падающий свет высвобождает носители зарядов в зоне потенциального барьера, который образуется под воздействием прикладываемого напряжения.

Проникая в полупроводниковый слой, свет создает положительные и отрицательные заряды. Поскольку диод включен в обратном направлении, то к аноду идут положительные заряды, а к катоду - отрицательные.

Фотоэлектрический ток строго пропорционален освещенности, что позволяет использовать фотодиод для бесконтактного измерения температуры. Параметры кремниевых фотодиодов зависят от температуры окружающей среды. С повышением ее на каждые 10°С темновой ток кремниевого фотодиода увеличивается в 2,5 раза. При этом чувствительность уменьшается, а максимум спектральной характеристики сдвигается.

Для использования этого эффекта на вход фотодиода подается изменяющееся по определенному закону напряжение, например ступенчатое, фиг.3. При подаче напряжения на фотодиод его температура повышается, в результате чего сопротивление фотодиода уменьшается, а максимум спектральной характеристики сдвигается. Для измерения температуры нагрева фотодиода служит термодатчик, фиг.2.

Измерение температуры фотодиода может быть осуществлено иным способом, например по изменению напряжения фотодиода при постоянной температуре.

В заявляемом способе измерения температуры на вход фотодиода подается ступенчатое напряжение, фиг.3. Величина подаваемого напряжения фиксируется для каждой ступени, а также измеряется выходной сигнал пирометра. Расчет истинной температуры осуществляется путем решения системы уравнений:

где E_n - выходной полезный сигнал пирометра в n-ом шаге измерения температуры;

E_n - коэффициент теплового излучения, апроксимируемый полиномом

(n-1) - порядка от λ_n;

М - характеристика, зависящая от оптической схемы и иных параметров конкретного пирометра;

f(T, λ_n) - спектральная плотность светимости.

Спектральная плотность светимости может быть представлена формулой Вина:

где С₁, C₂ - постоянные коэффициенты;

λ_i - длина волны;

Т_T - термодинамическая температура.

При Т_T = Т формула Вина описывает собственное излучение объекта, имеющего температуру Т, а при Т=Т₀ - излучение стороннего объекта, переотраженное от контролируемой поверхности. При достижении термодинамического равновесия температура корпуса фотодиода может быть равной Т_0.

Если заданы величины Т₀, λ_i и вид зависимости ε_i(λ_i), то получаем систему n- уравнений с n- неизвестными ε_i, Т.

Решая систему относительно Т, мы определяем температуру объекта по его излучению.

В способе по патенту RU 2087880 в каждом цикле измерения нагревается (охлаждается) корпус пирометра. Для нагревания корпуса пирометра до заданной температуры требуется определенное время, которым определяется быстродействие пирометра. В ряде случаев необходимо регистрировать колебания температуры, например при разливе расплава некоторых материалов. Для измерения температуры таких объектов пирометр, построенный по указанному способу, не обеспечивает достаточного быстродействия.

В заявляемом способе нагревается только фотоприемник. Время нагрева фотоприемника до заданной температуры существенно меньше, чем соответственное время нагрева корпуса пирометра. Поэтому быстродействие пирометра по заявляемому способу существенно больше быстродействия пирометра, построенного по патенту RU 2087880. Таким образом, пирометр, построенный по заявляемому способу, обеспечивает измерение колебаний температуры различных объектов, например температуру расплава материала при его разливе.

В ООО «ТЕХНО-АС» создан макет пирометра по заявляемому способу. Пирометр содержит фотоприемник ФД, фиг.2, на чувствительном элементе которого с помощью оптической системы строится изображение исследуемого объекта. Температура фотоприемника контролируется с помощью термодатчика Т, например термопары. На фотоприемнике ФД с помощью генератора сигнала подается ступенчатое напряжение, форма сигналов которого изображена на фиг.3. Выходной сигнал с фотоприемника поступает на усилитель и далее на блок обработки сигнала, в котором реализуется алгоритм решения вышеприведенной системы уравнений. Созданный макет пирометра показал его работоспособность.

Способ бесконтактного измерения температуры объекта, включающий не менее двух последовательных циклов операций, в каждом из которых определяют выходной сигнал пирометра, пропорциональный полному тепловому излучению, отличающийся тем, что в каждом из циклов на выходные контакты фотоприемника подают электрический сигнал расчетной величины для каждого из n циклов, изменяющий его температуру и чувствительность, при этом фиксируют величину подаваемого напряжения и контролируют температуру фотоприемника, а температуру объекта определяют по n значениям выходного сигнала пирометра, полученным в каждом из n циклов.