Инфракрасный датчик

Изобретение относится к устройствам измерения температуры. Инфракрасный датчик содержит термобатарею для генерирования напряжения в зависимости от температуры контролируемого пятна, резистивный детектор температуры (RTD), сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, а RTD и термобатарея соединены в последовательную цепь. Также датчик включает первый и второй проводники, подсоединенные к первому терминалу RTD в RTD, третий проводник, подсоединенный ко второму терминалу RTD в RTD и к первому терминалу термобатареи, и четвертый проводник, подсоединенный ко второму терминалу термобатареи. Второй и третий проводники предназначены для передачи тока возбуждения в RTD и из него, а первый и четвертый проводники - для обеспечения электрической цепи, позволяющей измерить напряжение на указанной последовательной цепи без пропускания тока возбуждения через первый и четвертый проводники. Технический результат – повышение точности измерений. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам, измеряющим температуру, и, конкретно, к инфракрасным (ИК) датчикам температуры.

Уровень техники

ИК датчики, такие, например, как инфракрасные термометры (пирометры), т.е. ИК датчики для измерения температуры пятна ("слота"), применяются для получения выходного сигнала, характеризующего температуру в небольшой зоне контролируемого пятна. Во многих из них совместно используются термобатарея и резистивный детектор температуры (resistance temperature detector, RTD). Термобатарея генерирует выходное напряжение, характеризующее температуру интересующего пятна, а для RTD, используемого для компенсации температуры окружающей среды, требуется протекающий через него ток, который создает напряжение, являющееся функцией сопротивления и, следовательно, функцией этой температуры.

С целью минимизировать общее количество электрических проводников в ИК датчике, как термобатарея, так и RTD подключены двумя проводниками, чтобы обеспечить возможность двух независимых измерений. Однако если измерительные резистивные устройства, такие как RTD, имеют только два проводника, их сопротивление генерирует погрешность измерения, поскольку добавляется к суммарному сопротивлению RTD.

Один из подходов к решению проблемы погрешности, обусловленной сопротивлением проводников в измерении, которое проводится посредством двухпроводного RTD, заключается в применении RTD с большим (повышенным) сопротивлением. Например, одна из головок ИК термометра, выпускаемая фирмой Optris (модель LT15), содержит термобатарею и RTD марки РТ1000, у которого номинальная чувствительность составляет примерно 30 Ом/°С. Такая чувствительность помогает свести к минимуму эффекты импеданса проводников по сравнению с подобной двухпроводной схемой, имеющей меньшее сопротивление (такой как RTD марки РТ100). Однако из-за своего повышенного сопротивления большой RTD датчик будет усиливать токи любых электромагнитных помех; кроме того, потребуется уменьшить его разрешение для оцифровки. Для двухпроводного измерения, которое проводится резистором RTD РТ1000, компенсирующим воздействие окружающей среды, это неизбежно приводит к повышению шума и уменьшению точности по сравнению с уменьшенным RTD устройством, таким как RTD РТ100.

Раскрытие изобретения

Предлагаемый ИК датчик содержит термобатарею, генерирующую напряжение в зависимости от температуры контролируемого пятна, и RTD, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды. RTD и термобатарея соединены в последовательную цепь, к которой подсоединены четыре электрических проводника. Из них первый и второй подсоединены к RTD, третий - к RTD и термобатарее, а четвертый - только к термобатарее. Наличие четырех проводников позволяет провести измерение сопротивления с использованием трех или четырех проводников для компенсации воздействия температуры окружающей среды на выходное напряжение, генерируемое термобатареей.

ИК датчик содержит датчик температуры и измерительный контур. В конструкцию датчика температуры входят термобатарея и RTD, имеющие собственные первый и второй терминалы. Первый терминал термобатареи соединен со вторым терминалом RTD. К первому и второму терминалам RTD подсоединены соответственно первый и второй проводники тока возбуждения, а к первому терминалу RTD и ко второму терминалу термобатареи подсоединены соответственно проводники для снятия первого и второго напряжений. Измерительный контур обеспечивает определение значения измеренной температуры на основе первого напряжения, а именно напряжения между первым и вторым проводниками для снятия напряжения, когда по этим проводникам не протекает ток, и второго напряжения, а именно напряжения между первым и вторым проводниками для снятия напряжения (или, как вариант, между первым проводником для снятия напряжения и вторым проводником тока возбуждения), когда по первому и второму проводникам тока возбуждения протекает ток возбуждения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена электрическая функциональная блок-схема варианта ИК датчика.

На фиг. 2 представлена электрическая функциональная блок-схема другого варианта ИК датчика.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 проиллюстрирован вариант ИК датчика (инфракрасного термометра) 10 для контроля температуры в небольшом пятне. ИК термометр содержит ИК термодатчик 12 и передатчик 14. Датчик 10 позволяет объединить измерение сопротивления с использованием четырех проводников и милливольтовый двухпроводной выход термобатареи, используя для измерения только четыре проводника.

Датчик 12 содержит воспринимающую ИК излучение термобатарею 16, резистор RTD 18 (такой как RTD РТ100), компенсирующий температуру окружающей среды, и проводники 20, 22, 24 и 26. Проводники 20 и 26 предназначены соответственно для снятия первого и второго напряжений, а проводники 22 и 24 - это соответственно первый и второй проводники тока возбуждения.

Передатчик 14 содержит контур 30 возбуждения, сигнальный процессор 32, цифровой процессор 34 и коммуникационный интерфейс 36. Главными функциями передатчика 14 являются преобразование, обработка и передача сигнала.

Сопряжение между датчиком 12 и контуром передатчика 14 обеспечивается терминальным блоком 28. В варианте, представленном на фиг. 1, этот блок содержит четыре клеммы, маркированные как 1-4. Проводник 20 для снятия первого напряжения подсоединен к клемме 1. Проводник 26 для снятия второго напряжения подсоединен к клемме 4. Первый и второй проводники 22 и 24 тока возбуждения подсоединены соответственно к клеммам 2 и 3 блока 28.

Контур 30 возбуждения обеспечивает формирование тока I_EXC возбуждения, который протекает через RTD 18, чтобы получить напряжение V_COMP, компенсирующее температуру окружающей среды и представляющее собой функцию температуры среды, окружающей датчик 12.

Сигнальный процессор 32 принимает напряжение с клемм 1 и 4 терминального блока 28 и преобразует это напряжение в цифровое значение, посылаемое в цифровой процессор 34.

В варианте, представленном на фиг. 1, сигнальный процессор 32 обеспечивает получение значений напряжения, соответствующих двум отдельным измерениям. Сигнальный процессор 32 (или, альтернативно, цифровой процессор 34) управляет работой контура 30 возбуждения таким образом, чтобы напряжение на клеммах 1 и 4 можно было измерить при отсутствии тока возбуждения I_EXC во время измерения первого напряжения и при протекании тока возбуждения I_EXC во время измерения второго напряжения. Предусмотрена возможность проводить измерения первого и второго напряжений поочередно или в любом другом порядке.

Термобатарея 16 генерирует напряжение V_DET, которое является функцией принимаемого ею ИК излучения. Поскольку термобатарея 16 представляет собой термодатчик, температура среды, окружающей ИК термодатчик 12, будет влиять на значение V_DET. Поэтому, чтобы получить сигнал V_COMP, компенсирующий температуру окружающей среды, применяют соответствующий резистор 18, сопротивление R_COMP которого изменяется в зависимости от температуры среды, окружающей датчик 12. Компенсирующий сигнал V_COMP равен I_EXC × R_COMP.

При расположении проводников 20, 22, 24 и 26, показанном на фиг. 1, считывается напряжение на клеммах 1 и 4 терминального блока 28. Для измерения первого напряжения контур 30 возбуждения выключают, так что через компенсирующий резистор 18 ток не протекает. В результате разность потенциалов на компенсирующем резисторе 18 равна нулю. Первое напряжение V₁, а именно напряжение на клеммах 1 и 4, равно напряжению, генерируемому термобатареей 16, т.е. V₁=V_DET. Сигнальный процессор 32 преобразует первое напряжение V₁ в цифровое значение и передает это значение в цифровой процессор 34.

Измерение второго напряжения выполняется сигнальным процессором 32 при включенном контуре 30 возбуждения. Во время этого измерения второе напряжение V₂, а именно напряжение на клеммах 1 и 4, равно напряжению, генерируемому термобатареей, суммированному с напряжением, компенсирующим температуру окружающей среды, т.е. V₂=V_DET+V_COMP. Это напряжение также преобразуется в цифровое значение и передается в цифровой процессор 34.

Цифровой процессор 34 проводит компенсацию напряжения V_DET, генерируемого термобатареей, в зависимости от температуры окружающей среды, чтобы выполнить для пятна, контролируемого ИК термодатчиком 12, измерение температуры с компенсацией влияния температуры окружающей среды. Значение, характеризующее температуру окружающей среды, получается в процессоре 34 посредством вычитания значения, характеризующего напряжение V₁, из значения, характеризующего напряжение V₂. В результате в процессоре 34 определяются значения, характеризующие V_DET и V_COMP. Используя их, он выводит значение, соответствующее скомпенсированному значению измеряемой температуры и характеризующее температуру пятна, отслеживаемого датчиком 12.

Скомпенсированное значение измеряемой температуры передается цифровым процессором 34 в коммуникационный интерфейс 36, который посылает это значение в систему мониторинга или управления (на чертеже не изображена). Интерфейс 36 может осуществлять коммуникацию в различных известных форматах, включая аналоговый (токовый) выход с током в интервале 4-20 мА, коммуникационный протокол HART®, в котором цифровая информация промодулирована током 4-20 мА, коммуникационный протокол для цифровой шины, например для полевой шины (IEC 61158), или беспроводную коммуникацию в беспроводной сети, использующую беспроводной протокол, такой, например, как WirelessHART® (IEC 62951).

В случае измерительной схемы, представленной на фиг. 1, оба милливольтовых сигнала, т.е. сигнал от термобатареи 16 и с резистора 18, компенсирующего температуру среды вокруг RTD, можно измерить, применяя четырехпроводную конфигурацию, подобную конфигурациям, использованным в передатчиках температуры, таких как передатчик Rosemount 3144Р с встроенной компенсацией электромагнитного поля (EMF compensation). Это позволяет использовать в датчике 12 для компенсации температуры окружающей среды значительно уменьшенный RTD (марки РТ100), способный обеспечить более надежное измерение.

На фиг.2 проиллюстрирован ИК датчик 10А, подобный ИК датчику 10 по фиг. 1, за исключением того, что сигнальный процессор 32 подсоединен также к клемме 3 терминального блока 28. В этом варианте V_COMP измеряют сигнальным процессором 32 в ходе не четырех-, а трехпроводного измерения. Сигнальный процессор измеряет напряжение V₁, т.е. напряжение на клеммах 1 и 4, когда контур 30 возбуждения отключен. Поскольку при отключенном контуре возбуждения ток через компенсирующий резистор 18 не протекает, V₁ равно V_DET. Когда контур 30 возбуждения включен, сигнальный процессор 32 измеряет напряжение V₂, т.е. напряжение на клеммах 1 и 3. Во время протекания тока I_EXC возбуждения через RTD 18 напряжение на клеммах 1 и 3 равно V_COMP, суммированному с падением напряжения, обусловленным током I_EXC, проходящим через сопротивление R₂₄ проводника 24, т.е. V₂=V_COMP+I_EXC × R₂₄.

Хотя результат трехпроводного измерения тоже содержит погрешность, связанную с наличием проводников, она меньше, чем в случае двухпроводного измерения, выполняемого RTD 18. Трехпроводное измерение обеспечивает значение компенсации, не требуя для этого вычитания одного значения измеренного напряжения из другого.

Изобретение было описано со ссылками на его конкретные варианты, приведенные как примеры. Однако специалистам в данной области должно быть понятно, что в границах изобретения возможны различные изменения, а также эквиваленты, полученные путем замещения его элементов. В дополнение к этому, могут быть внесены многочисленные изменения, не выходящие за границы объема изобретения, с целью адаптировать изобретение к конкретной ситуации или к конкретному материалу. Поэтому следует учитывать, что изобретение не ограничено приведенными конкретными вариантами, но охватывает все варианты, лежащие в границах прилагаемой формулы.

1. Инфракрасный датчик, содержащий:

термобатарею для генерирования напряжения в зависимости от температуры контролируемого пятна,

резистивный детектор температуры (RTD), сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, при этом RTD и термобатарея соединены в последовательную цепь,

первый и второй проводники, подсоединенные к первому терминалу RTD в RTD,

третий проводник, подсоединенный ко второму терминалу RTD в RTD и к первому терминалу термобатареи, и

четвертый проводник, подсоединенный ко второму терминалу термобатареи, при этом второй и третий проводники предназначены для передачи тока возбуждения в RTD и из него,

а первый и четвертый проводники предназначены для обеспечения электрической цепи, позволяющей измерить напряжение на указанной последовательной цепи без пропускания тока возбуждения через первый и четвертый проводники.

2. Датчик по п. 1, дополнительно содержащий измерительный контур, подсоединенный к первому, второму, третьему и четвертому проводникам для измерения первого напряжения, когда через RTD не протекает ток возбуждения, и второго напряжения, когда через RTD протекает ток возбуждения.

3. Датчик по п. 2, в котором измерительный контур способен определять, на основе первого напряжения и второго напряжения, скомпенсированное значение измеряемой температуры.

4. Датчик по п. 3, в котором первое напряжение представляет собой напряжение между первым и четвертым проводниками, когда через RTD не протекает ток возбуждения.

5. Датчик по п. 4, в котором второе напряжение представляет собой напряжение между первым и четвертым проводниками, когда через RTD протекает ток возбуждения.

6. Датчик по п. 4, в котором второе напряжение представляет собой напряжение между первым и третьим проводниками, когда через RTD протекает ток возбуждения.

7. Датчик по п. 3, в котором измерительный контур содержит:

контур возбуждения, подсоединенный ко второму и третьему проводникам для обеспечения протекания тока возбуждения при измерении второго напряжения,

контур обработки сигнала для получения, на основе первого напряжения, цифрового значения первого напряжения и, на основе второго напряжения, цифрового значения второго напряжения и

цифровой процессор для получения, на основе значений первого и второго напряжений, скомпенсированного значения измеряемой температуры.

8. Датчик по п. 7, в котором контур возбуждения управляется контуром обработки сигнала или цифровым процессором.

9. Датчик по п. 7, в котором измерительный контур содержит терминальный блок, имеющий первую, вторую, третью и четвертую клеммы, причем первый, второй, третий и четвертый проводники подсоединены соответственно к первой, второй, третьей и четвертой клеммам, контур возбуждения подсоединен ко второй и третьей клеммам, а контур обработки сигнала подсоединен к первой и четвертой клеммам.

10. Датчик по п. 9, в котором контур обработки сигнала подсоединен также к третьей клемме.

11. Инфракрасный датчик, содержащий:

резистивный детектор температуры (RTD), имеющий первый терминал и второй терминал,

термобатарею, имеющую первый терминал и второй терминал, при этом первый терминал термобатареи подсоединен ко второму терминалу RTD, первый проводник тока возбуждения, подсоединенный к первому терминалу RTD,

второй проводник тока возбуждения, подсоединенный ко второму терминалу RTD,

проводник для снятия первого напряжения, подсоединенный к первому терминалу RTD,

проводник для снятия второго напряжения, подсоединенный ко второму терминалу термобатареи, и

измерительный контур, обеспечивающий определение значения измеренной температуры на основе первого напряжения, а именно напряжения между первым и вторым проводниками для снятия напряжения, когда через первый и второй проводники тока возбуждения ток возбуждения не протекает, и второго напряжения, а именно напряжения между первым проводником для снятия напряжения и вторым проводником для снятия напряжения или вторым проводником тока возбуждения, когда указанный ток протекает через первый и второй проводники тока возбуждения.

12. Датчик по п. 11, в котором измерительный контур способен определять, на основе первого напряжения и второго напряжения, скомпенсированное значение измеряемой температуры.

13. Датчик по п. 12, в котором первое напряжение представляет собой напряжение между первым и вторым проводниками для снятия напряжения, когда через RTD не протекает ток возбуждения.

14. Датчик по п. 13, в котором второе напряжение представляет собой напряжение между первым и вторым проводниками для снятия напряжения, когда через RTD протекает ток возбуждения.

15. Датчик по п. 13, в котором второе напряжение представляет собой напряжение между первым проводником для снятия напряжения и вторым проводником тока возбуждения, когда через RTD протекает ток возбуждения.

16. Датчик по п. 12, в котором измерительный контур содержит:

контур возбуждения, подсоединенный к первому и второму проводникам тока возбуждения для обеспечения протекания тока возбуждения при измерении второго напряжения,

контур обработки сигнала для получения, на основе первого напряжения, цифрового значения первого напряжения и, на основе второго напряжения, цифрового значения второго напряжения и

цифровой процессор для получения, на основе значений первого и второго напряжений, скомпенсированного значения измеряемой температуры.

17. Датчик по п. 16, в котором контур возбуждения управляется контуром обработки сигнала или цифровым процессором.

18. Датчик по п. 16, в котором измерительный контур содержит терминальный блок, имеющий первую, вторую, третью и четвертую клеммы, причем первый и второй проводники для снятия напряжения подсоединены соответственно к первой и четвертой клеммам, первый и второй проводники тока возбуждения подсоединены соответственно ко второй и третьей клеммам, контур возбуждения подсоединен ко второй и третьей клеммам, а контур обработки сигнала подсоединен к первой и четвертой клеммам.

19. Датчик по п. 18, в котором контур обработки сигнала подсоединен также к третьей клемме.