Устройство теплового контроля нагретой поверхности

Изобретение относится к средствам технологического контроля в литье и металлургии. В устройстве, содержащем оптическую систему формирования излучения, элементы геометрической и волоконной оптики и светоприемники, оптическая система содержит световодный коллектор и выполнена сдвоенной конструкции. Между первым объективом и точечной диафрагмой установлен дефлектор, расположенный в плоскости отраженного от нормированной поверхности излучения, информативная часть которого через второй объектив и точечную диафрагму направлена на линейно распределенный фотоприемник спектрального разложения, выход которого связан с блоком обработки информации. Техническим результатом является повышение достоверности и производительности контроля. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерению и контролю теплофизического состояния нагретых тел в литье и металлургии и может быть использовано для автоматизированного теплового контроля изделий других отраслей со схожими задачами технологического контроля.

Известны термоэлектрические термометры с защитной и без защитной оболочки контактного типа [1, С.324-325; 327-330]. Недостатками таких устройств являются ограниченная динамическая достоверность, нестабильность параметров электрической цепи и сложности компенсационных схем.

Известны бесконтактные устройства измерения температуры оптическими способами. Оптические радиационные пирометры с непосредственным приемом излучения отличаются своей простотой. Более универсальными являются пирометры сравнения, отличающиеся простотой применения и высокой точностью измерений. Тепловой контроль нагретой поверхности производится по эффективной (кажущейся) температуре поверхности [1, С.341-348].

Недостатками таких устройств являются необходимость точного визирования, учета влияния состояния поверхности, влияние посторонних засветок и сложности настройки, что ограничивает достоверность и производительность контроля.

Известны бесконтактные многодиапазонные пирометры и комбинированные пирометры с телевизионными системами. Данные устройства обеспечивают приемлемую точность измерения температуры нагретой поверхности за счет специальной пооперационной калибровки в определенном (сравнительно узком) температурном диапазоне, характерном для каждой поверхности [2, С.47-49].

Недостатками таких устройств являются сложности спектрально-энергетических согласований, влияние состояния поверхности и ее излучательной способности, что ограничивает достоверность и производительность контроля.

Известны современные устройства тепловизионного контроля нагретой поверхности [3, С.36-38].

Недостатками таких устройств являются пространственно-временной разрыв в операциях съема и обработки текущей информации о распределении температуры контролируемой поверхности; обработка информативных излучений по жесткой программе не учитывает эксплуатационные условия, реальный коэффициент излучения и другие факторы, что не всегда обеспечивает достоверность результатов и ограничивает производительность.

Информационно-измерительные преимущества бесконтактных пирометров обеспечивают им широкую перспективу совершенствования и практического применения.

Однако недостатки пирометрических измерений, такие как трудности учета многофакторных зависимостей эффективной температуры и термодинамической температуры поверхности от излучательной способности, изменяющегося спектра и интенсивности, колебания расстояния до приемника, а также геометрических параметров поля зрения и оптической системы и т.д. ограничивает их применимость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству является стационарный оптоволоконный пирометр, разработанный для массового применения в металлургии и других отраслях, содержащий оптическую систему формирования излучения, элементы геометрической и волоконной оптики и светоприемники [4, С.62-63].

Однако сложности наведения и спектрально-энергетического согласования теплового излучения поверхности и приемника излучений (фотодиода как датчика температуры) ограничивают достоверность и производительность контроля.

Единой технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение достоверности и производительности теплового контроля.

Задача достигается тем, что в устройстве теплового контроля нагретой поверхности, содержащем оптическую систему формирования излучения, элементы геометрической и волоконной оптики и светоприемники, оптическая система содержит световодный коллектор и выполнена сдвоенной конструкции, между первым объективом и точечной диафрагмой установлен дефлектор, расположенный в плоскости отраженного от нормированной поверхности излучения, информативная часть которого через второй объектив и точечную диафрагму направлена на линейно распределенный фотоприемник спектрального разложения, выход которого связан с блоком обработки информации.

В воспринимаемом через световодный коллектор излучении одной оптической системой формируют (создают) дифракционное поле в виде совокупности ассиметричных расходящихся парциальных пучков с соответствующей им длиной волны. При этом воспринятый под углом α_i, лучистый поток с некоторой длиной волны λ_i отклоняют в сторону оптической оси с сохранением его гомоцентричности. За счет однозначного соответствия угла α_i каждой точке фокусировки на оптической оси системы соответствует определенная спектральная компонента с длиной волны λ_i. Параметры другой оптической системы подобраны так, что отраженное от экрана (поверхности) излучение соответствует телескопическому ходу лучей в пространстве предметов. Из оптического изображения, формируемого в задней фокальной плоскости второго объектива (второй оптической системы) выделяют некоторую информативную часть этого изображения, содержащую сфокусированную компоненту с присутствием частичных потоков других длин волн. Формируемая в дальней зоне дифракционная картина в виде распределенного спектра содержит измерительную информацию о температуре нагретой поверхности, определяемую по соотношению экстремальных интенсивностей в распределенном спектре излучения в реальных пространственно-временных координатах.

На чертеже представлена схема устройства теплового контроля нагретой поверхности.

Устройство содержит конструктивно и функционально связанные оптические элементы, с помощью которых световодным коллектором снимается излучение нагретой поверхности 1, защитное стекло 2, микрообъектив 3, жгуты оптических волокон 4, коллектор световодный 5, первый объектив 6, точечную диафрагму 7, оптически связанную с дефлектором 8 и нормированной отражающей поверхностью 9, светоделитель 10, второй объектив 11 с диафрагмой 12, фотоприемник 13 и блок обработки информации 14.

Устройство функционирует следующим образом. Воспринимаемое излучение нагретой поверхности 1 через защитное стекло 2 микрообъективом 3 фокусируется на входных торцах жгутов оптических волокон 4. Выходы этих жгутов объединены в коллектор световодный 5, излучение с выхода которого фокусируется первым объективом 6 на точечную диафрагму 7. Создаваемое за ней дифракционное поле с радиально симметричным спектрально-распределенным пучком дефлектором 8 направляется в сторону оптической оси с сохранением его гомоцентричности. При этом каждой спектральной компоненте излучения поверхности соответствует свое расположение точки фокусировки на оптической оси. Сходящийся пучок излучения воспринимается нормированной отражающей поверхностью 9 с известной отражательной способностью. Отраженным от светоделителя 10 излучением в задней фокальной плоскости второго объектива 11 создают информативное изображение, центральная часть которого посредством диафрагмы 12 формирует в дальней зоне дифракции информационную картину линейно распределенного спектра излучения, который воспринимается линейно распределенным (координатным) фотоприемником 13. Выходы фотоприемника связаны с блоком обработки информации 14.

Блок обработки информации, воспринимая выходной сигнал фотоприемников, по соотношению максимальной и минимальной зафиксированных спектральных компонент в распределенном спектре воспринятого излучения нагретой поверхности получают информацию о ее температуре (отображение, документирование, хранение).

Источники информации

1. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн.2. Способы измерения и аппаратура: пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990.

2. Гусев, Г.В. Измерение высоких температур в промышленности бесконтактными термометрами (пирометрами излучения) / Г.В.Гусев, В.Г.Харозов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. №5. С.47-51.

3. Ивченко, В.Д. Обзор современных технологий тепловизионного контроля / В.Д.Ивченко, С.С.Кананадзе // Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика. 2006. №2, С.36-38.

4 Неделько, А.Ю. Измерение температуры по тепловому излучению // Приборы. 2006. №10 (76) С.58-63.

Устройство теплового контроля нагретой поверхности, содержащее оптическую систему формирования излучения, элементы геометрической и волоконной оптики и светоприемники, отличающееся тем, что оптическая система содержит световодный коллектор и выполнена сдвоенной конструкции, между первым объективом и точечной диафрагмой установлен дефлектор, расположенный в плоскости отраженного от нормированной поверхности излучения, информативная часть которого через второй объектив и точечную диафрагму направлена на линейно распределенный фотоприемник спектрального разложения, выход которого связан с блоком обработки информации.