Способ измерения цветовой температуры

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .

РЕСПУБЛИН

>i5> с 01 z 5/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЮ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3371922/18-25 . (22) 23. 12. 81 (46) 15.04.83. Бюл. И 14 (72) И.В. Балаханов, В..К. Коробов и В.И. Пустовойт (53) 535.233(088.8) (56) 1. Патент США Н 3635088, кл. 73-355, опублик. 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

М 573724) кл. G Ol J 5/60., 1977 (прототип). (54)(57) 1. СПОС06 ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТОВОЙ

ТЕИПЕРАТУРН, включающий выделение из спектра излучения объекта монохроматических компонент путем пропускания излучения через диспергирующий ма-. териал, управляющее ваздействие на диспергирующий материал, последова-!

„„SU„„L 012038 .. A тельное измерение интенсивности моно. хроматических компонент приемником излучения и измерение параметра уп" равляющего воздействия, соответствующего максимальной интенсивнос-л монохроматических компонент, о т л и " ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и разрешающей способности способа, в качестве управляющего воздействия используют акустические колебания, .

{ на которых осуществляют акустооптическую дифракцию.излучения, а .в качестве параметра управляющего воздействия используют частоту акустических колебаний. Ф

2. Сйособ по и. 1, о т. л и ч а ю", шийся . тем, что.,осуществляют кол, линеарнув акустооптичвскуюдифракцию.

1012038

Изобретение относится к средствам измерения температуры и может исполь зоваться в измерительной технике, метрологии., в управлении технологи ческими процессами, для контроля температурных полей, в медицине, экспериментальной технике.

Известен способ измерения цветовой температуры, основанный на зако.не смещения Вина, согласно которому спектр излучения исследуемого объекта разлагают на монохроматические компоненты посредством пропускания через материал, обладающий диспер15 сией, например сквозь призму, направляют эти компоненты на приемник излучения, перемещая приемник относительно спектра, компоненты которого разнесены на разные углы относитель-. но . призмы, измеряют интенсивность

2О компонент, определяют положение максимума спектральной интенсивности в пространстве и по угловому положению максимума судят о температуре тела P1).

Такой способ вследствие пространственной растянутости максимума спектра и трудности определения его положения не обеспечивает достаточной точности измерений, кроме того, мала корость измерений.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности явлвется способ измерения цветовой температуры, включающий выделение из спектра 35 излучения объекта монохроматических компонент путем пропускания излучения через диспергирующий материал, управляющее воздействие на диспергирующий материал, последовательное 40 измерение интенсивности монохроматических компонент приемником излучения и измере,ие параметра управляющего воздействия, соответствующего максимальной интенсивности монохрома-45 тических компонент. Диспергирующий материал имеет форму призмы, которую поворачивают, в результате на приемник излучения последовательно попадают различные монохроматические ком- 5О поненты, измеряют их интенсивности, определяют время поворота до достижения максимальной интенсивности и по этому параметру судят о цветовой температуре объекта 1 2). 55

Недостатками известного способа являются большая погрешность измерений, малые скорость и чувствительность измерений. Это обусловлено тем, что согласно известному способу разворачивают периодически спектр излучения на приемник и измеряют временной интервал от начала разворачивания спектра до выделяемого момента времени, соответствующего максимуму сигнала. Разворачивание спектра происходит путем механического вращения призмы, служащей в качестве дисперсионного элемента. Разворачивание спектра относительно приемника ограничивает скорость измерений - время одного измерения 3,50 мс.

Судить о температуре по времени разворачивания призмы с большой точностью нельзя, так как для механических устройств велика нелинейность развертки 0,2i и мала точность выделения моментов времени О,Z/, точность же определения соответствия длины волны излучения и угла поворота, следовательно, и времени поворота, а также чувствительность невелики, так как призма, служащая в качестве дисперсионного элемента, обладает невысокой разрешающей способностью. Важной характеристикой, определяющей чувствительность и избирательность способа, является контраст, определяемый отношением интенсивности на выделяемой длине волны к суммарной интенсивности излучения, прошедшего на приемник. Для таких дисперсионных элементов, которые позволяют разворачивать в пространстве спектр относительно приемника, например призмы, контраст мал, обычно 10 . Выделение момента времени, соответствующего получению максимального сигнала для дисперсионных элементов с малой разрешающей способностью, может не соответствовать максимуму. спектра, что также увеличивает погрешность измерений, которая составляет для известного способа 14.

Цель изобретения - повышение точности, быстродействия и разрешающей способности способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения цветовой температуры, включающему выделение из спектра излучения объекта монохроматических компонент путем пропускания излучения через диспергирующий материал, управляющее воздействие на диспергирующий материал, 3 1012038 I последовательное измерение интен- где Ц„и 9 - углы распространения; сивности монохроматических компонент . n- u n - коэффициенты преломле1 приемником излучения и измерение ния для падающегб и параметра управляющего воздействия, рассеянного излучения; соответствующего максимальной интен- V - скорость звука; сивности монохроматических компонент, . ) - длина световой волны. в качестве увравляющего воздействия В условиях акустооптической ди" используют акустические колебания, фракции погрешность определения дли" на которых осуществляют акустоопти- ны волны взаимодействующего и выдеческую дифракцию излучения, а в ка- 10 ляемого при этом излучения определячестве параметра управляющего воз- ется разрешающей способностью и сосдействия используют частоту акусти- тавляет величину ческих колебаний. ьА

При этом осуществляют коллинеар" Л 2ЬХ ную акустооптическую дифракцию. > где 4 - длина акустооптического взаи"

Реализация способа состоит в том, " модействия; что в качестве внешнего воздействия используют акустические колебания, на которых осуществляют акустоопти "о ческую дифракцию излучения, а в ка- 20 ЬИ=и„-и.-„; Ко=27с/)L - волновое число

О честве управляющего параметра используют частоту акустических колебаний. ) и а в лны излуч ния излучения.

В условиях акустооптического взаимо- Электронное управление частотой действия, когда выполняются законы акустических колебаний осуществляетсохранения энергии и количества дви.- 23 ся с точностью, определяемой точносжения: тью измерения частоты, т.е. не хуЮ1 О/5 +Э (1) же 10 .

К. "К = . д

Реализация другого варианта спогде со; иЪ О частоты пада щег соба в котором осущест ляют коллинеарную акустооптическую дифракцию, позволяет управлять длиной волны выделяемого излучения при совпадаювенно;

-э - ем н правлении волновых векторов

К., К, p; — волновые вектора и падающего и рассеян- 1 . S, ного излучения и ,3$ В этом варианте, благодаря возможности осуществления большой длиакустической волны.. ны акустооптического взаимодействия соответственно, и поляризационному выделению произ широкого спектра изяучения исслевзаимодействовавшего излучения, кондуемого тела выделяются в направле"

-" 4о траст достигает величины 10 -10 нии К только та спектральная компо- . -3 10-Ф разрешающая способность 10 -10 нента, для которой справедливы уравн ия (1) и (2) Это и о оди б а ...е. он сУщес: венно л чше и о и а то происходит ла" годаря пространственной модуляции

:и других, известных пирометрических коэффициента преломления материала способов по чувствительности и изпод действием возбуждаемой в материа- этом. варианте температура опле акустической волны. изменение про - В этом. варианте температура странственной модуляции, следовательно, и выделяемои спектральной, компо- т =4 — = ненты производится посредством управления частотой акустических колеба- где Г - частота звука, соответстний, для которых справедливы следую" вующая максимуму спектральщие соотношения: ной интенсивности излу< чения . — (и п )) ° .7 - скорость звука;

foPO " Я дп = -.„.-и °

"1 5

В - пос гоянная, р S, В.= = 028978 10 м К

sin 9- = . (Г +

) о

4 26.Ч

21 и = 2 У (

Ло

9 2п7

5 101 где h - постоянная Планка; с - скорость света;

k - постоянная Больцмана; - корень трансцендентного уравнения е

e — = 1 = 4,9651.. ° .

Погрешность определения температуры составляет

КТ и йп XV

+ «В» +

f дn V

10 +1О +10 " "3 ° 10 4 .

Коррекция изменения спектральной чувствительности при смене приемника и коэффициента пропускания оптического тракта может быть осуществлена заданием амплитуды акустических колебаний при изменении частоты.

Быстродействие способа, определяемое временем пробега акустической волны по кристаллу со скоростью

V = 5,7? -10 см/с при длине образца L = 10 см, составляет величину - = ?/V = 1,75 10 c.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - векторная диаграмма акустооптического взаимодействия; на фиг. 3 - то же, коллинеарного акустооптического взаимодействия.

Устройство содержит диспергирующий -материал 1, приемник излучения 2, вычислительное устройство 3, средство возбуждения акустических колебаний 4, управляемый генератор 5 и частотомер 6.

Устройство работает следующим образом.

Излучение I.направляется на диспергирующий материал 1, выделенная компонента излучения I< (e) регистрируется приемником 2,сигнал U< (и) с которого поступает на вычислительное устройство 3, определяющее максимальное значение сигнала. Выделение компоненты излучения I (U)) осуществляется при воздействии на диспергирующий материал акустических колебаний, возбуждаемых средством возбуждения колебаний 4, на которое подается управляющий сигнал частоты ЙГ с генератора 5. Генератор 5 соединен с вычислительным устройством 3, изменение частоты колебаний 3 (В осуществляется вручную или по программе определения максимума интенсивности.

При значении частоты й, соответствующем регистрации спектральной компо2038 6 ненты максимальной интенсивности, вычислительное устройство дает команду на частотомер 6, измеряющий это значение частоты. Температура определяется по пересчетному коэффициенту или с помощью соответствующего делителя.

Измерения цветовой температуры проводятся следующим образом.

Спектр излучения исследуемого тела разлагается на монохроматические компоненты посредством пропускания через дисперсионный материал, в качестве которого выбран монокристалл кварца X среза ф 9 мм и длиной 10 см.

В нем с помощью пленочного пьезоэлектрического преобразователя возбуждаются продольные акустические

15 колебания в частотном диапазоне

45-90 МГц при акустической мощнос- ти 1 Вт. В кристалле осуществляется коллинеарная акустооптическая дифракция излучения, выделяемые монохроматические компоненты регистрируются в видимой области спектра с помощью фотоумножителя, а в ИК-диапазоне—

2О

25 фотодиода. Измеряется частота акустических колебаний Ю, при которой максимальна интенсивность дифракции

ЗО (no нулевому значению производной йц/фю = О). Быстродействие контролируется с помощью электрооптического модулятора, помещенного между, источником излучения и кристаллом.

Проведенные измерения показывают, что способ обеспечивает лучшие, чем у известных, параметры. Так, по срав-. нению с образцовым быстродействующим пирометром ВНИИМ, выбранным в качестве базового объекта и имеющим погреш35

40 ность 0,33 и.временное разрешение

0 измерений температуры 0,033.

Измерения, проведенные на монохроматоре УМ-2, дают значение

$ =, 10900 50 l. несколько миллисекунд, устроиство, реализующее данный способ, имеет меньшую погрешность измерений 0,034 и лучшее быстродействие <2" 10 с.

При измерении температуры лампы накаливания максимальная интенсивность дифракции регистрируется на частоте 47,145+0,005 МГц, что соото я ветствует) я„=10919,5 3,3 А и цветовой температуре 2635,8М,8 К. Разрешающая способность 3,3 А или 0,8 К.

Быстродействие не хуже 2.10 с. Контраст не хуже 2.10 . Погрешность

7 1

Использование данного способа измерения цветовой температуры обеспечивает по сравнению с известными большу@ временную разрешающую способность и позволяет повысить точность измерений. Использование данного способа для контроля быстроизменяющихся температурных полей в

612038 8 системах со сканированием изображения позволяет получить информацию о процессах теплопереноса, например, для контроля устройств микроэлектроЗ ники, тонких технологических процес-, сов, в биомедицинских измерениях, проводить точные, сличения температурных эталонов и т.д.

\.. Составитель Л.. Латыев

Тех е K.Èìöüî Ко ектщ) . Демчук г тлг ираж одписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по .делам .изобретений .и открытий ..

113035 Москва Ж-35, Ра ская наб., 4/5 . е —,Л-., .,,...,.;..

Редактор Т, Веселова

Заказ