Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта

 

Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению , и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности измерения температуры за счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промежуточной средой и эквивалентной температуры фона. В устройстве процесса измерения последовательно производится измерение излучения от эталонного источника излучения, от объекта измерения с наложенным на него фоновым излучением, от объекта с фоновым излучением и отраженным от него излучением эталонного источника и от объекта-свидетеля , расположенного вблизи объекта измерения, с наложенным на него фоновым излучением. По измеренным сигналам вычисляются действительная температура объекта измерения, а также коэффициент излучения контролируемой поверхности, степень поглощения промежуточной средой и эквивалентная температура фона. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. чэ Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 J 5/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

k (21) 4602830/25, 4602831/25 (22) 05.11.88 (46) 15.01.91. Бюл. N. 2 (72) В.М.Горбачев, С.К.Никифоров и А.П.Бараненко (53) 536.52 (088.8) (56) Патент Франции М 2171099, кл. G 01 J 5/10, 1973, Патент Великобритании N 1391226, кл. G 01 J 5/06, 1975. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ ОБЬЕКТА (57) Изобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры. Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей устройства и повышение точности изИзобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей устройства и повышение точности измерения температуры за счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения про„„. ЖÄÄ 1620860 А1 мерения температуры эа счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промежуточной средой и эквивалентной температуры фона, В устройстве процесса измерения последовательно производится измерение излучения от эталонного источника излучения, от объекта измерения с наложенным на него фоновым излучением, от объекта с фоновым излучением и отраженным от него излучением эталонного источника и от объекта-свидетеля, расположенного вблизи объекта измерения, с наложенным на него фоновым излучением. По измеренным сигналам вычисляются действительная температура объекта измерения, а также коэффициент излучения контролируемой поверхности, степень поглощения промежуточной средой и эквивалентная температура фона.

1 з.п. ф-лы, 6 ил. межуточной средой и эквивалентной температуры фона.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство в начальной фазе его работы, разрез; на фиг. 2 .— устройство с одним приемником излучения и сканирующим устройством, вид сверху; на фиг. 3 — то же, с двумя приемниками излучения; на фиг. 4 и 5— другие фазы работы устройства; на фиг. 6— прерыватель излучения (вид А-А на фиг, 1).

Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта содержит эталонный источник 1 излучения, представляющий собой полость с регулиру1620860

30

50 емой температурой и встроенным термопреобразователем, оптическую систему 2, прерыватель 3 излучения с чередующимися прозрачными 4 и зеркальными непрозрачными 5 секторами, включающий привод 6 для осуществления вращательного движения, компенсирующее устройство 7 в виде зачерненной пластины, установленной так, что она частично перекрывает исследуемое поле зрения с возможностью регулирования степени этого перекрытия, объект-свидетель 8 с излучательной способностью поверхности e< 0,5 и регулируемой температурой, снабженный встроенным термопреобразователем 9. сканирующее устройство в виде клиновидного двухстороннего зеркала 10, снабженного приводом 11 для осуществления возвратновращательных движений вокруг оптической оси, приемник 12 излучения. Если используется второй приемник 13 излучения (фиг. 3), то клиновидное зеркало 10 не имеет привода 11 и установлено неподвижно, Клиновидное двухстороннее зеркало 10 установлено симметрично относительно оптической оси, Оси симметрии приемника

12 излучения (когда он один) и эталонного источника 1 излучения расположены в плоскости, проходящей через оптическую ось, и наклонены к оптической оси под углом, равным углу при вершине клиновидного зеркала 10. В варианте исполнения с двумя приемниками излучения (12 и 13) оси симметрии приемников излучения расположены в плоскости, наклоненной к оптической оси под тем же углом. Зеркальные непрозрачные сектора 5 прерывателя 3 излучения установлены под углом, близким к половине угла при вершине клиновидного зеркала 10 к плоскости, перпендикулярной оптической оси, Объект-свидетель 8 установлен вблизи объекта 14 контроля.

Устройство работает следующим образом.

Привод 6 вращает прерыватель 3 излучения, при этом перед окном оптической системы 2 поочередно устанавливаются прозрачные 4 и зеркальные непрозрачные 5 сектора, В зависимости от положения секторов прерывателя излучения относительно окна оптической системы и от положения клиновидного зеркала 10 можно выделить шесть последовательных фаэ работы устройства.

В первой фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 полностью перекрывает окно оптической системы, а клиновидное зеркало 10 расположено в нейтральном положении, т.е, перпендикулярно плоскости, в которой находятся оси симметрии приемника 12 излучения и эталонного источника 1 излучения (фиг, 1, 2), При этом излучение эталонного источника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемник 12 излучения, поэтому его выходной сигнал пропорционален потоку излучения эталонного источника 1 излучения, Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4), При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в такое положение, что в поле зрения приемника 12 излучения находится объект 14 контроля, поэтому выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектом 14 контроля, равному сумме его собственного излучения и отраженного от него излучения окружающих предметов (фона).

В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения (фиг. 5), а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и во второй фазе. При этом излучение эталонного источника 1, отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, равному сумме собственного инфракрасного излучения объекта 14

I контроля и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.

В четвертой фазе, длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз, расположение зеркального непрозрачного сектора 5 в клиновидного зеркала 10 такое же, как в первой фазе, т,е. излучение эталонного источника 1 попадает на приемник 12 излучения.

B пятой фазе, как и во второй, зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2, т.е. излучение эталонного источника 1 перекрыто. Но клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в противоположное положение по сравнению с второй фазой, поэтому в поле зрения приемника 12 излучения находится объект-свидетел ь 8 и выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектомсвидетелем 8, равному сумме его собствен1620860

55 ного излучения и отраженного от него излучения фона.

В шестой фазе, как и в третьей, перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения, а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и в пятой фазе. При этом излучение эталонного источника 1, как и в третьей фазе, направлено одновременно и на объект 14 контроля и на объект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, равному сумме собственного инфракрасного излучения объекта-свидетеля 8 и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.

Далее вновь наступает первая фаза, длительность которой равна суммедлительностей пятой и шестой фаз, Когда устройство выполнено с двумя приемниками 12 и 13 излучения, а привод 11 клиновидного зеркала 10 отсутствует (фиг, 3), в зависимости от положения секторов прерывателя излучения относительно окна оптической системы можно выделить три характерные последовательные фазы работы устройства, В первой фазе зеркальный непрозрачHblA сектор 5 полностьк> перекрывает окно оптической системы 2 (фиг, 1). При этом излучение эталонного источника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемники 12 и 13, поэтому их выходные сигналы пропорциональны потоку излучения эталонного источника 1 излучения.

Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4). При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, а s поле зрения первого и второго приемников 12 и

13 находятся соответственно объект 14 контроля и объект-свидетель 8, Выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, испускаемым соответственно объектом 14 контроля и объектом-свидетелем 8, равным сумме их собственных излучений и отраженных от них излучений фона, В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения (фиг. 5), При этом излучение эталонного источника 1, отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объектсвидетель 8 (фиг. 3), а выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, равным сумме собственных инфракрасных излучений со5

40 ответственно объекта 14 контроля и объекта-свидетеля 8 и отраженных от них излучений фона и эталонного источника 1.

Далее вновь наступает первая фаза, длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз, Отметим, что при перекрытии окна оптической системы 2 зеркальным непрозрачным сектором 5 прерывателя 3 излучения приемник 12 излучения (или приемники 12 и

13 излучения) получает не только излучение полости эталонного источника 1, но и собственное излучение зеркального сектора 5 преры вателя 3, завцсящее от его температуры, в то время, как при установке прозрачного сектора 4 перед окном оптической системы 2 приемник 12 излучения (приемники 12 и 13 в исполнении с двумя приемниками) практически "не видит" прерыватель, Для компенсации влияния этого фактора на результат измерения устройства содержит компенсирующее устройство 7 в виде зачерненной пластинки, установленное вблизи прерывателя 3 излучения таким образом, что она частично перекрывает исследуемое поле зрения. Степень этого перекрытия устанавливается такой, чтобы площадь перекрытия сегмента равнялась произведению площади поля зрения на излучательную способность Езп зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. Таким образом. и при установке перед окном оптической системы— прозрачного сектора 4 прерывателя 3 на приемник 12 излучения попадает, как и при закрытом окне, дополнительный поток излучения, равный собственному излучению зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. При выделении разностных сигналов их составляющие, пропорциональнь1е указанным дополнительным потокам излучения, взаимно компенсируются.

Таким образом, на выходе приемника 12 излучения (соответственно приемников 12 и 13 в исполнении по фиг. 3) получаются комбинированные выходные сигналы, из которых можно выделить в виде переменных сигналов: сигналы, амплитуды которых пропорциональны разности лучистых потоков, испускаемых эталонным источником 1 и объектом контроля или эталонным источником 1 излучения и объектом-свидетелем 8, а также сигналы, амплитуды которых пропорциональнь приращениям лучистых тепловых потоков, исходящих от объекта 14 контроля или обьекта-свидетеля 8, произошедших вследствие отражения от них части теплового потока, направленного на них от эталонного источника 1 излучения, 1620860

Используя полученные разностные информационные сигналы, а также сигналы от второго термопреобраэователя, пропорциональные температуре приемников излучения; от третьего термопреобразователя, 5 опгрциональнь1е температурам обьекта- с етеля, и от четвертого термопреобразоват я, пропорциональные температуре

+

1. Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта, содержащее приет чик излучения, эталонный источник излучения, представляющий собой полость с регулируемой температу- 20 рой и BcTpGBHHblM терь опреобразователем, оптическую систему, прерыватель излучения с чередуюгцимися прозрачными и зеркальными непрозрачными секторами, установленными так, что при расположении 25 перед окном оптической системы зеркальных непрозрачных секторов в поле зрения приемника излучения находится эталонный источник излучения, и компенсирующее устройство в виде зачерненной пластины, ус- 30 тановленной так, что она частично перекрывает контролируемое поле зрения с возможностью регулирования степени этого пеоекрытия, о т л и ч à ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воз- 35 можностей и повышения точности измерения, устройство дополнительно содержит преобразователь температуры приемника излучения, объект-свидетель с иэлучательной способностью поверхности Ep (0,5 и с регулируемой температурой, установленный вблизи объекта контроля и снабженный встроенным термопреобразователем, а также сканирующее устройство, установленное в оптической системе так, что при расположении перед окном оптической системы прозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, при этом излучение от эталонного источника направлено и на объект контроля, и на объект-свидетель, а при расположении перед одной частью окна оптической системы прозрачного сектора и перед другой частью — непрозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, а излучение от эталонного источника перекрыто.

2.Устройство пои. 1,отл ич а ю щее с я тем, что оно в качестве сканирующего устройства дополнительно содержит второй приемник излучения, установленный так, что в поле его зрения находится эталонный источник излучения при расположении перед окном оптической системы зеркального непрозрачного сектора прерывателя излучений или объект-свидетель при расположении там же прозрачного сектора, а в поле зрения первого приемника излучения, соответственно находятся эталонный излучатель или только объект контроля, 1620860

1620860

Составитель. B,Çóåâ

Техред М.Моргентал

Корректор M.Шароши

Редактор M.Êåëåìåø

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Заказ 4239 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5