Пирометр

Изобретение относится к технике измерения физической температуры объекта по его тепловому радиоизлучению. Технический результат заключается в повышении точности измерений за счет исключения влияния на результаты измерений излучательной способности поверхности объекта, коэффициента пропускания атмосферы и угла приема. Устройство основано на модуляционной пирометрии. Изобретение включает периодическое облучение объекта шумовым излучением с широким диапазоном частот и прием в первый интервал времени в первом канале теплового излучения объекта и во втором канале излучения, формируемого источником опорного излучения, прием во второй интервал времени, равный первому интервалу, в первом и втором каналах излучения эталона. Облучение объекта шумовым излучением осуществляют одновременно с приемом в первом канале радиоизлучения объекта и заканчивают в момент завершения приема в первом канале излучения эталона. Принятое излучение преобразуют в электрические сигналы, которые совместно с параметрами шумового сигнала используют для определения физической температуры объекта. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, а именно к технике измерения физической температуры объекта по его тепловому радиоизлучению, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры объекта в промышленности, медицине, биологии, в физических исследованиях и др.

Точное определение физической температуры объекта актуально в различных областях техники: при проведении многих технологических процессов температура изготавливаемого объекта определяет его качество и/или возможность реализации в объекте заданных параметров, например в технике изготовления полупроводниковых наноструктур; при проведении медико-биологических исследований (офтальмология, камбустиология, онкология и др.) физическая температура объекта исследования является характеристикой протекающих в объекте процессов, контроль физической температуры необходим при исследовании физических свойств материалов и сред и др.

Одним из наиболее распространенных способов дистанционного измерения температуры, при котором исключается влияние на результаты измерений температуры измерительного прибора, является пирометрия радиотеплового излучения, реализуемая с помощью яркостных, радиационных или цветовых пирометров.

Различные усовершенствования пирометров направлены на повышение точности измерений, что представляет собой сложную задачу и зависит от большого числа внешних факторов, которые необходимо учитывать. К числу основных факторов, влияющих на результаты измерений, относятся неизвестная или переменная излучательная способность поверхности объекта, неконтролируемый угол приема излучения объекта, излучение оптической системы прибора, шумы приемника излучения, изменение коэффициента пропускания среды, разделяющей поверхности исследуемого образца и измерительной системы и угла наблюдения. При этом наибольшую погрешность в результаты измерений вносит излучательная способность α поверхности объекта, которая является объективным параметром и связана с физической температурой Т_х поверхности соотношением Т_х=Т_р/α, где Т_р - радиационная температура поверхности объекта, формирующая радиоизлучение в широком диапазоне частот. Кроме того, в ряде практических применений результаты измерений физической температуры Т_х искажаются физическим состоянием среды между объектом и оптической системой прибора, которая характеризуется коэффициентом пропускания β; в этих случаях Т_х=Т_р/γ, где γ - коэффициент, определяемый α и β.

Известно применение для учета излучательной способности α поверхности объекта при дистанционном измерении табличных данных, полученных лабораторно с использованием спектрометрии. Использование табличных данных позволяет измерить с достаточно высокой точностью радиотепловое излучение в широком диапазоне частот с применением яркостных и радиационных пирометров. Однако этот прием нельзя применять в тех случаях, когда излучательная способность поверхности объекта изменяется, например, в процессе нагрева объекта или при наличии фазовых переходов. Использование табличных данных недопустимо и при проведении некоторых технологических процессов, например при сварке, поскольку изменение агрегатного состояния свариваемых покрытий сопровождается скачкообразным изменением излучательной способности. Кроме того, в реальных условиях зачастую излучательная способность объекта отличается от ее табличного значения и табличные данные распространяются не на все типы поверхности покрытия объектов.

Заявляемое изобретение позволяет повысить точность измерения температуры объекта путем учета излучательной способности поверхности объекта как неизвестной, так и переменной.

Известно измерение температуры поверхности объекта, учитывающее излучательную способность поверхности объекта, основанное на вычислении соответствия закону Планка, по меньшей мере, двух измеренных на одной длине волны под разными углами поляризаций отраженного от поверхности объекта излучения (WO 9928715 А1, 1999-06-10). Основной недостаток этого способа заключается в том, что он работает в узкой спектральной полосе и не позволяет с высокой точностью измерять низкие температуры.

Известно дистанционное измерение температуры поверхности объекта, основанное на измерении температуры объекта двух участков поверхности объекта, одну из которых выбирают в качестве опорной и по отношению к которой вычисляют дифференциальную излучательную способность и физическую температуру объекта (US 2007047615 А1, 2007-03-01). Этот способ позволяет повысить точность измерений за счет исключения влияния фона и помех, однако для реализации предложенного способа необходимо использовать яркостный пирометр, который должен работать в достаточно близких спектральных интервалах, в которых спектральные излучательные способности объекта принимаются равными. Кроме того, необходимым условием является достаточно близкое расположение друг к другу сигнальной и опорной поверхностей исследуемого объекта, что на практике не всегда возможно. Это ограничивает практическое применение предложенного способа.

В настоящее время наиболее широко нашла применение пирометрия спектрального отношения, которая позволяет измерить физическую температуру объекта, исключив влияние на результаты измерений излучательной способности его поверхности. Это основано на зависимости от температуры Т_х объекта отношения энергетических яркостей в двух спектральных интервалах и реализуется в так называемых пирометрах спектрального отношения, схемы которых имеют отличия, определяемые средствами приема излучения и схемами обработки принятых данных (например, Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. - Москва «Металлургия», 1980). Общим для всех пирометров спектрального отношения является прием излучения поверхности объекта двумя приемниками в двух узких отличных друг от друга диапазонах частот, расположенных достаточно близко, чтобы принять спектральные излучательные способности объекта в этих диапазонах частот равными. Узкие спектральные диапазоны и различная чувствительность приемников накладывают ограничения на повышение чувствительности пирометров спектрального отношения. Кроме того, узкие диапазоны рабочих частот ограничивают область применения пирометрии спектрального отношения ситуациями, при которых имеется небольшой разброс измеряемых температур и практически исключает ее применение в промышленности, например, для контроля технологических процессов, протекающих при изменении температуры объекта в широком диапазоне.

Для расширения диапазона измеряемых температур пирометрией спектрального отношения известно предложение, включающее регистрацию изменения абсолютной температуры эталонного излучения, прием излучения в широком диапазоне частот с выделением N спектральных диапазонов, которые используют для формирования в каналах обработки пирометра двух линейных комбинаций, учитывающих изменения абсолютной температуры эталонного излучения, и определение температуры поверхности объекта по сложному алгоритму, содержащему информацию о принятом излучении в каждом из N спектральных диапазонов (патент RU 2086935 С1, 1997-08-10). Недостатком этого способа является сложность его практической реализации, которая для его осуществления требует не только наличия большого количества светофильтров для формирования N спектральных диапазонов, но и зависимость точности измерений от настройки параметров каналов обработки.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому пирометру является модуляционный пирометр, схема которого включает первый и второй каналы, каждый из которых содержит оптоэлектронный преобразователь и синхронный детектор, а также оптически связанный с первым и вторым каналами модулятор излучения, оптически связанный со вторым каналом источник опорного излучения и соединенный с выходами каналов процессор, подключенный к регистратору (RU 2345333 С1, 2009-01-27). Процессор известного пирометра содержит последовательно соединенные первый и второй блоки вычитания, при этом входы первого блока вычитания соединены с выходами синхронных детекторов обоих каналов, а один из входов второго блока вычитания соединен с источником опорного излучения.

Недостатком известного пирометра является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная влиянием на результаты измерений излучательной способности поверхности объекта, коэффициента пропускания атмосферы и угла приема.

Техническим результатом, получаемым при использовании заявляемого пирометра, является повышение точности измерений за счет исключения влияния на результаты измерений излучательной способности α поверхности объекта, коэффициента β пропускания атмосферы и угла приема. Технический результат достигается при применении в пирометре широко распространенных конструктивно простых технических средств.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в пирометр, включающий первый и второй каналы, каждый из которых содержит оптоэлектронный преобразователь и синхронный детектор, а также оптически связанный с первым и вторым каналами модулятор излучения, оптически связанный со вторым каналом источник опорного излучения и соединенный с выходами каналов процессор, подключенный к регистратору, введен источник шумового излучения, который подключен к процессору, и блок управления, подключенный к источнику шумового излучения и синхронным детекторам обоих каналов.

Источник шумового излучения выполнен с возможностью формирования излучения в заданные интервалы времени.

Источник шумового излучения может содержать оптическую систему и последовательно соединенные шумовой генератор и распределитель сигналов, при этом блок управления целесообразно подключить ко входу распределителя сигналов источника шумового излучения, а выход распределителя сигналов и шумового генератора соединить со входами процессора.

Для снижения влияния на результаты измерений угла визирования оптическую систему источника шумового излучения целесообразно расположить параллельно оптической системе первого канала.

В конкретном варианте исполнения пирометра можно в процессор ввести первый и второй блоки вычитания, демультиплексор, блок выборки и хранения, контроллер и блок вычисления, при этом входы первого блока вычитания должны быть соединены с выходами синхронных детекторов, а выход с первого блока вычитания соединен с первым входом демультиплексора, второй вход которого соединен с выходом блока управления, выходы демультиплексора подключены к блоку вычисления, ко входу второго блока вычитания и ко входу блока выборки и хранения, второй вход которого соединен с выходом распределителя сигналов, а выход соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход которого подключен к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с выходом шумового генератора, а выход контроллера соединен с входом блока вычисления, один из входов которого соединен с источником опорного излучения.

Целесообразно ввести в пирометр задающий генератор, а вход блока управления соединить с выходом задающего генератора, связанного с модулятором излучения.

Пирометр позволяет измерить физическую температуру объекта, излучающего в широком диапазоне частот, с высокой точностью без использования табличных данных. Это достигается тем, что применяют модуляционный прием радиоизлучения объекта при периодическом облучении последнего шумовым излучением с известным спектром частот, соответствующим тепловому излучению объекта и перекрывающим спектр его радиоизлучения. Такой прием позволяет использовать температурный эквивалент Т_эш шумового излучения в качестве эталона при оценке влияния излучательной способности α поверхности объекта и коэффициента β пропускания среды в области между объектом и приемным каналом пирометра (атмосферы) на результат измерения его физической температуры Т_х.

Модуляционный прием заключается в приеме радиотеплового излучения объекта первым каналом пирометра в интервале времени Δτ₁ и прием вторым каналом пирометра излучения, формируемого источником опорного излучения, в следующем интервале времени Δτ₂=Δτ₁. Принятое излучение в каждом канале после преобразования его в электрический сигнал используют для определения физической температуры Т_х объекта. Периодическое облучение объекта шумовым излучением с заданной эквивалентной температурой Т_эш в течение интервала Δτ₃ времени, кратного Δτ₁+Δτ₂ (Δτ₃=т(Δτ₁+Δτ₂), где n=1, 2, 3, …), позволяет при обработке сигналов нейтрализовать влияние излучательной способности α и коэффициента β в принимаемом пирометром излучении, тем самым, обеспечить регистрацию физической температуры Т_х объекта. Это обеспечивается синхронным совмещением принципа модуляционного приема излучения объекта и модуляционного приема излучения объекта совместно с отраженным от объекта шумовым излучением с фиксированными параметрами при условии, что период модуляции шумового излучения превосходит период модуляции приема излучения объекта в кратное число раз, т.е. время облучения объекта шумовым излучением кратно удвоенному интервалу времени приема излучения первым каналом пирометра.

Точность измерений повышается при условии, что направление облучение объекта шумовым излучением совпадает с углом приема, поскольку в этом случае интенсивность принимаемого пирометром отраженного шумового излучения линейно связана с интенсивностью шумового излучения, которым облучают объект.

Ниже приведен пример измерения температуры, реализуемый на заявляемом пирометре при выборе Δτ₃=Δτ₁+Δτ₂.

В течение интервала Δτ₃=Δτ₁+Δτ₂ осуществляют следующие операции.

В интервал Δτ₁ первым каналом пирометра принимают излучение, соответствующее радиационной температуре Т_р1 объекта, которая определяется физической температурой Т_х поверхности объекта, излучательной способностью α поверхности объекта, коэффициентом β пропускания атмосферы, температурой Т_ф фонового излучения и эквивалентной температурой Т_ш отраженного от объекта шумового излучения, причем из-за влияния излучательной способности α поверхности объекта и коэффициента β пропускания атмосферы Т_ш отличается от Т_эш(Т_ш=γТ_эш, где γ - коэффициент, определяемый излучательной способностью α и коэффициентом β). В этот же интервал времени вторым каналом принимают радиотепловое излучение опорного источника излучения с эквивалентной температурой Т_o. В следующий интервал Δτ₂ первым и вторым каналом пирометра принимают создаваемое модулятором эталонное излучение с эквивалентной температурой Т_м.

Затем в интервал времени Δτ₄ (Δτ₄=Δτ₃/2=Δτ₁=Δτ₂), следующий за интервалом времени Δτ₃, первым каналом пирометра принимают излучение, определяемое радиационной температурой Т_р2 объекта, которая определяется физической температурой Т_х поверхности объекта, температурой Т_ф фонового излучения, излучательной способностью α поверхности объекта и коэффициентом β пропускания атмосферы, а вторым каналом - радиотепловое излучение опорного источника излучения с эквивалентной температурой Т_o. В интервал времени Δτ₅ (Δτ₅=Δτ₃/2=Δτ₄=Δτ₁=Δτ₂), первым и вторым каналом пирометра принимают создаваемое модулятором эталонное излучение с эквивалентной температурой Т_м.

Таким образом, в первый полупериод модуляции шумового излучения принятое первым каналом излучение несет информацию об эквивалентной температуре Т_эш, линейно связанной с Т_ш, что позволяет с использованием простых технических нейтрализовать влияние на регистрируемую температуру излучательной способности α и коэффициента β пропускания атмосферы.

Достижение сформулированного выше технического результата поясняется фиг.1, на которой изображена функциональная схема пирометра, фиг.2, на которой представлен простейший вариант конкретного выполнения функциональной схемы пирометра, и фиг.3, на которой представлены эпюры напряжения на выходах отдельных блоков пирометра, выполненного по схеме, приведенной на фиг.2, и при периодическом облучении объекта шумовым излучением в интервале времени Δτ₃=2(Δτ₁+Δτ₂)=4Δτ₁.

Пирометр содержит двухканальную оптическую систему с сигнальным и опорным каналами 1 и 2 соответственно, источник 3 шумового излучения, источник 4 опорного излучения, модулятор 5 излучения, блок 6 управления и процессор 7, выход которого подключен к регистратору 8 (фиг.1).

Канал 1 предназначен для приема радиотеплового излучения объекта и преобразования его в электрический сигнал, а канал 2 - для приема формируемого источником 4 опорного излучения и преобразования его в электрический сигнал.

Оптический модулятор 5, установленный на входе каналов 1 и 2, предназначен для периодического прерывания излучения, поступающего на входы каналов 1 и 2. Режим работы модулятора 5 задается задающим генератором 9, соединенным с блоком 6 управления, выходы которого подключены к каналам 1 и 2 и источнику 3 шумового излучения.

В конкретном выполнении (фиг.2) приемник излучения в каждом из каналов 1 и 2 содержит оптическую систему, оптоэлектронный преобразователь и синхронный детектор: канал 1 содержит оптическую систему 10, оптоэлектронный преобразователь 11 и синхронный детектор 12, а канал 2 - оптическую систему 13, оптоэлектронный преобразователь 14 и синхронный детектор 15.

Источник 3 шумового излучения содержит оптическую систему 16, последовательно соединенные шумовой генератор 17 и распределитель 18 сигналов. Выход генератора 17 связан с оптической системой 16. Вход распределителя 18 сигналов соединен с блоком 6 управления, а выход - с одним из входов процессора 7. В качестве источника шумового излучения можно использовать импульсный широкополосный ИК источник (например, MIRL17-900).

Оптическая система 16 источника 3 шумового излучения расположена параллельно оптической системе 10 в сигнальном канале 1, что обеспечивает облучение объекта шумовым излучением и прием его радиотеплового излучения под одним и тем же углом, тем самым снижая влияние угла визирования канала 1 на результаты измерений.

Процессор 7 содержит первый блок 19 вычитания, блок 20 выборки-хранения, второй блок 21 вычитания, контроллер 22, демультиплексор 23 и блок 24 вычисления. Входы блока 19 соединены с выходами синхронных детекторов 12 и 15, а выход подключен к первому входу демультиплексора 23, второй вход которого соединен с блоком 6 управления. Один выход демультиплексора 23 подключен к блоку 20 выборки-хранения, а другой - к блоку 21 вычитания и блоку 24. Блоки 20, 21 и контроллер 22 соединены последовательно, при этом второй вход контроллера 22 соединен с выходом шумового генератора 17, а второй вход блока 20 - с выходом распределителя 18 сигналов. Источник 4 опорного излучения соединен с одним из входов блока 24.

Устройство работает следующим образом.

Модулятор 5, имеющий температуру Т_м, периодически перекрывает входы канала 1 и канала 2, модулируя поступающее в них излучение по интенсивности по закону меандра с периодом модуляции Δτ_м=2Δτ₁=2Δτ₂.

Напряжение генератора 9, задающего режим работы модулятора 5, используется блоком 6 для управления режимами работы каналов 1 и 2 и источника 3 шумового излучения, обеспечивающими поступление на вход процессора 7 электрических сигналов согласно выбранному алгоритму обработки для получения на регистраторе 8 информации о физической температуре Т_х объекта.

Блок 6 вырабатывает напряжение в виде меандра с периодом Δτ_м, которое используется в качестве опорного для синхронных детекторов 12 и 15 и управляет распределителем 18 импульсов, задающим периодическую модуляцию выходного напряжения U_ш генератора 17, обеспечивающего формирование шумового излучения с эквивалентной температурой Т_ш в виде меандра. Период модуляции Δτ_ш шумового излучения выбирается равным nΔτ_м=n(Δτ₁+Δτ₂), причем момент формирования шумового излучения совпадает с началом приема излучения в канале 1 или в канале 2.

Вследствие модуляции излучения после его преобразования в электрический сигнал напряжение U₁ на выходе преобразователя 11 имеет вид, представленный на фиг.3а, а напряжение U₂ на выходе преобразователя 14 - вид, представленный на фиг.3б.

Напряжение U₁ в интервал времени Δτ₁ соответствует радиационной температуре Т_р объекта, которая определяется физической температурой объекта, эквивалентной температурой Т_эш источника 3, фоновой температурой Т_ф и коэффициентом γ, определяемым излучательной способностью α поверхности объекта и коэффициентом β пропускания атмосферы: Т_p1~(1-γ)Т_ш+γТ_х+(1-γ)Т_ф. В интервал времени Δτ₂ напряжение U₁ определяется температурой Т_м.

Напряжение U₂ в интервал времени Δτ₁ определяется эквивалентной температурой Т_o источника 6 излучения, интервал времени Δτ₂ напряжение U₂ определяется температурой Т_м. Напряжения U₁ и U₂, поступающие на входы синхронных детекторов 12 и 15, преобразуются ими в напряжения U₃ и U₄ соответственно (фиг.3в), при этом U₃ пропорционально (1-γ)Т_эш+γТ_х+(1-α)Т_ф-Т_м, a U₄ пропорционально Т_o-Т_м.

Синхронное преобразование U₁ и U₂ синхронными детекторами 12 и 15 с последующим вычитанием в блоке 19 процессора 7 приводит к тому, что напряжение U₅ на выходе блока 19 пропорционально температуре (1-γ)Т_эш+γТ_х+(1-γ)Т_ф-Т_o, т.е. поступающий на дальнейшую обработку сигнал в интервал времени Δτ₁+Δτ₂ не зависит от температуры модулятора 5. Напряжение U₅ поступает на вход демультиплексора 23, который коммутирует это напряжение на вход блока 20 для сохранения его на время длительностью Δτ_ш/2.

В следующий интервал времени Δτ_ш/2, когда источник 3 отключен, в течение времени, равного Δτ₁, напряжение U₁ на выходе преобразователя 11 пропорционально γТ_х+(1-γ)Т_ф, а напряжение U₂ на выходе преобразователя 14 пропорционально Т_о, после чего в следующий интервал времени, равный Δτ₁, напряжение U₁ на выходе преобразователя 11 и напряжение U₂ на выходе преобразователя 14 пропорциональны Т_м. Напряжение U₃ на выходе синхронного детектора 11 пропорционально γТ_х+(1-γ)Т_ф-Т_м, напряжение U₄ на выходе синхронного детектора 15 пропорционально Т_o-Т_м, а напряжение U₅ на выходе блока 19 пропорционально γТ_х+(1-γ)Т_ф-Т_o, т.е. и в этот интервал времени поступающий на дальнейшую обработку сигнал не зависит от температуры модулятора 5. Демультиплексором 23 в этот полупериод Δτ_ш/2 напряжение U₅ передается на входы блоков 21 и 24.

В блоке вычитания 21 формируется напряжение U₆, пропорциональное (1-γ)Т_эш (фиг.3г), которое затем поступает в контроллер 22. Выходное напряжение U₇ контроллера 22 пропорционально γ=1-U₆/U_эш, где U_эш - соответствующее Т_эш напряжение на выходе блока вычитания 19. Далее напряжение U₇ поступает на вход блока 24 вычисления, который формирует напряжение U₈ по алгоритму U₈=(U₅+U₀)γ^-1, пропорционально Т_х+(1-γ)γ^-1Т_ф. Поскольку Т_х>>(1-γ)γ^-1Т_ф, выходное напряжение U₈ пропорционально Т_х (фиг.3е) и регистратор 8, на который поступает напряжение U₈, выдает значение физической температуры объекта.

Таким образом, заявляемый пирометр позволяет исключить влияние изменения излучательной способности α поверхности объекта, коэффициента β пропускания окружающей среды и угла приема на результат измерения температуры поверхности объекта, тем самым повысить точность измерения физической температуры объекта.

1. Пирометр, включающий первый и второй каналы, каждый из которых содержит оптоэлектронный преобразователь и синхронный детектор, а также оптически связанный с первым и вторым каналами модулятор излучения, оптически связанный со вторым каналом источник опорного излучения и соединенный с выходами каналов процессор, подключенный к регистратору, отличающийся тем, что в него введен источник шумового излучения, который подключен к процессору, и блок управления, подключенный к источнику шумового излучения и синхронным детекторам обоих каналов.

2. Пирометр по п.1, отличающийся тем, что источник шумового излучения выполнен с возможностью формирования излучения в заданные интервалы времени.

3. Пирометр по п.2, отличающийся тем, что источник шумового излучения содержит оптическую систему и последовательно соединенные шумовой генератор и распределитель сигналов, при этом блок управления подключен ко входу распределителя сигналов источника шумового излучения, выход распределителя сигналов и выход шумового генератора соединены со входами процессора.

4. Пирометр по п.3, отличающийся тем, что оптическая система источника шумового излучения расположена параллельно оптической системе первого канала.

5. Пирометр по п.3, отличающийся тем, что процессор включает первый и второй блоки вычитания, демультиплексор, блок выборки и хранения, контроллер и блок вычисления, при этом входы первого блока вычитания соединены с выходами синхронных детекторов, а выход соединен с первым входом демультиплексора, второй вход которого соединен с выходом блока управления, выходы демультиплексора подключены к блоку вычисления, ко входу второго блока вычитания и ко входу блока выборки и хранения, второй вход которого соединен с выходом распределителя сигналов, а выход соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход которого подключен к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с выходом шумового генератора, а выход контроллера соединен со входом блока вычисления, соединенного также с источником опорного излучения.

6. Пирометр по п.1, отличающийся тем, что содержит задающий генератор, а вход блока управления соединен с выходом задающего генератора, связанного с модулятором излучения.