Радиационный пирометр

 

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения температуры объектов по излучению в инфракрасной области спектра и может быть использовано для исследования природных ресурсов Земли . Сущность изобретения заключается в том, что в пирометре с двумя опорными излучателями зеркальные ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены перпендикулярно к оси вращения модулятора на расстоянии одна от другой вдоль оси, расположенной под углом к оптической оси пирометра. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 J 5/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4808200/25 (22} 02.04.90 (46) 23.07;92. Бюл. М 27 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) А. Я. Терехов, М, В, Камаев, Г, А. Краснов и Р, Д. Мухамедяров (56) Авторское свидетельство СССР

М 767557, кл. G 01 J 3/08, 1978.

Авторское свидетельство СССР

М 787910, кл, G 01 J 5/02, 1980. (54) РАДИАЦИОННЫЙ ПИРОМЕТР

-,(57) Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения температуры

Изобретение относится к устройствам бесконтактйого измерения температуры объектов по излучению в инфракрасной об. ласти спектра и может быть использовано, напрймер, для исследования природных ресурсов Земли.

Известен модулятор лучистого потока, схема которого может быть использована при построении радиационных пирометров с одним опорным излучателем. содержащий объектив, два приемника излучения и растр, расположенный между ними под углом к оптической оси и имеющий ось вращения.

Параллельно поверхности растра в нем установлены по крайней мере один дополни.тельный растр и два зеркала по обе стороны относительно первого растра, В данном модуляторе ось вращения основного модулирующего растра расположена под углом к оптической оси, а дополнительнйй

pickup установлен стационарно.

Данный модулятор является двухпозиционным, т,е. одна позиция — пропускание потока излучения от объектов на приемник

„.,5U„„1749724 А1

2 объектов по излучению в инфракрасной области спектра и может быть использовано для исследования природных ресурсов Земли. Сущность изобретения заключается в том, что в пирометре с двумя бпорными излучателями зеркальные ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены перпендикулярно к оси вращения модулятора на расстоянии одна от другой вдоль оси, расположенной под углом к оптической оси пирометра. 1 ил. излучения, другая позиция — перекрытие по- у тока излучения от объектов.

Если перед вращающимся растром ус- С тановить опорный излучатель, направление излучения которого перпендикулярно к оптической оси обьектива, то излучение от опорного излучателя будет поступать на д приемники излучения в йротивофазе с излучением от объектов. В этом случае возможно построение радиационного пирсметра (радиометра) с одним опорным излучателем.

Поскольку входной поток излучения на основном вращающемся растре расщепля- M ется на две составляющие (прошедшую и 4;Ъ отраженную), которые в дальнейшем, проходя различные оптические пути, снова собираются на приемниках излучения, это накладывает повышенные требования к жесткости конструкции модулятора, поскольку для сохранения тбчности измерения радиационного потока излучения требуется сохранение первоначальной юстировки оптических элементов модулятора при всех условиях эксплуатации. В противном случае

1749724 даже тепловые деформации конструкции вызовут разъюстировку оптических элементов, которые повлекут эа собой "двоение" изображения объекта в плоскости приемников излучения, что ухудшает точность измерения радиационного потока излучения,, Кроме того; в таких модуляторах не устранена мультипликативная составляющая погрешность измерения, обусловленная нестабильностью коэффициентов отражений оптических элементов, чувствительности приемника излучения, коэффициента передачи усилительно-преобразовательного тракта, Известны также радиационные лирометры, в которых указанный недостаток устранен за счет введения второго опорного излучателя с температурой, отличающейся . от температуры первого опорного излучателя. Для радиационного пирометра с двумя опорными излучателями необходимо создание трехпозиционного модулятора, т.е. первая позиция — пропускание потока излучения от первого опорного излучателя, вторая позиция — пропускание потока излучения от второго опорного излучателя, третья позиция — пропускание измеряемого потока излучения ot объектов, Применение известного быстродействующего модулятора лучистого потока в предлагаемом радиационном пирометре с двумя опорными излучателями без значительной доработки конструкции невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является радиационный пирометр, содержащий объектив, модулятор, два опорных излучателя, блок синхронизации, усилительно-преобразовательную схему с регулируемым коэффициентом передачи и регистратор. Тепловой поток модулируется механическим модулятором. Модулятор данного пирометра имеет две зеркальные плоские ламели, которые установлены наклонно к оси вращения модулятора, и вращаются конусообразно вокруг оси модулятора, которая расположена параллельно оптической оси пирометра, и поочередно отражают излучение от двух опорных излучателей на приемник излучения, причем каждая ламель отражает излучение от собственного (сопряженного с ней) опорного излучателя. Создаваемые на выходе приемника электрические сигналы двух различных амплитуд, соответствующие двум температурам опорных излучателей, далее используются для калибровки пирометра.

Недостатки указанного пирометраувеличенные габаритные размеры опорных излуча;елей и как следствие. увеличенное энергопотребление, Так как зеркальные ламели модулятора расположены не перпендикулярно к оси вращения модулятора, а под некоторым углом к ней, то они работают в сканирующем режиме, т.е, изображение чувствительной площадки приемника излучения в плоскости выходного отверстия опорного излучателя перемещается во время вращения модулятора, Известно, что для обеспечения точности измерений пирометра требуется возможно более точное запоминание или измерение амплитуды сигналов от опорных

10 пряжения шумов требуется создание плоской части электрического калибровочного сигнала ("полки"), которая создается в

20 данном пирометре за счет увеличенного размера выходного отверстия опорного излучателя и работы модулятора и режиме сканирования.

Если в данном пирометре размер вы25 ходного отверстия опорного излучателя сделать равным размеру изображения чувствительной площадки приемника излучения в плоскости выходного отверстия опорного излучателя, то электрический ка30 либровочный сигнал будет иметь колоколообразную форму, т,е. обеспечивающая точность измерений плоская часть его ("полка") будет отсутствовать, В результате габаритные размеры опор35 ных излучателей увеличиваются,а следовательно, увеличивается и энергопотребление.

Кроме того известный пирометр имеет повышенное энергопотребление электро40

45 двигателя модулятора, а следовательно, увеличенные габаритные размеры. Повышенное энергопотребление возникает в результате большого аэродинамического сопротивления ламелей модулятора, так как они расположены под углом к оси вращения модулятора (эффект вентилятора или самолетного пропеллера), Цель изобретения — уменьшение энергопотребления и габаритных размеров.

Указанная цель достигается тем, что в радиационном пирометре, содержащем два опорных излучателя с различной температурой и оптически сопряженные модулятор, имеющий две зеркальные ламели, каждая из которых оптически связана с соответствующим опорным излучателем, объектив и приемник излучения, выход которого через последовательно соединенные схему автоматической коррекции коэффициента усиления и усилительно-преобразовательную

15 . излучателей с учетом присутствия в сигналах напряжения шумов. Для усреднения на1749724

10

30 вход регистрирующего прибора 9, что устраняет аддитивную погрешность измерения, 35 обусловленную изменением температуры окружающей среды

55 схему соединен с регистратором, при этом модулятор кинематически связан с электродвигателем и снабжен датчиком углового положения, соединенным с синхронизирующим входом схемы автоматической коррекции коэффициента усиления, ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости которых установлены на расстоянии одна от другой вдоль оси вращения модулятора и перпендикулярно к ней, при этом оеь вращения модулятора расположена под углом к оптической оси пирометра,.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого радиационного пирометрв.

Радиационный пирометр содержит последовательно установленные вдоль оптической оси объектив 1 и приемник 2 излучения; первый 3 и второй 4 опорные излучатели с различной температурой, схе- 2 му 5 автоматической коррекции, состоящую из схемы 6 выборки сигналов от опорных излучателей и усилителя 7 с регулируемым коэффициентом передачи, вход и выход которого являются соответственно входом и 2 выходом схемы 5 автоматической коррекции, включенной между выходом приемника 2 излучения и входом . усилительно-преобразовательной схемы 8, выход которой соединен с блоком 9 регистрации, второй вход которого подключен к одному из выходов схемы 6 выборки, подключенной другим выходом к второму входу усилителя 7, а одним из входов — к выходу усилителя 7, а также модулятор 10, установленный с воэможностью вращения и имеющий две зеркальные ламели, представляющие собой сектор 10 большо1 го радиуса и сектор 10 малого радиуса, 11 плоскости которых установлены перпендикулярно к оси вращения модулятора 10 на расстоянии одна от другой вдоль этой оси, которая расположена под углом к оптической оси пирометра, при этом опорный излучатель 3 может быть сопряжен с приемником 2 излучения только через зеркальную ламель 10, а опорный излучатель

4 — через зеркальную ламель 10 . Модуля11 тор 10 снабжен датчиком 11 углового положения, соединенным с вторым входом блока 6 выборки, и кинематически связан с электродвигателем 12, Исследуемый объект

13 расположен в поле зрения пирометра.

Пирометр работает следующим образом.

Излучение от объекта 13 измерения модулируется Зеркальным модулятором 10 и через объектив 1 поступает на приемник 2 излучения, с выхода которого электриче-ский сигнал поступает через схему 5 автоматической коррекции коэффициента усиления и усилительно-преобразовательную схему 8, где сигнал усиливается и детектируется, на регистрирующий прибор 9. Когда излучение от объекта 13 измерения перекрывается модулятором 10, его зеркальные секторы 10 и 10 поочередно отражают излучение от опорных излучателей 3 и 4 на приемник 2 излучения. От датчика 11 углового положения секторов модулятора на схему 6 выборки сигналов от опорных излучателей поступают сигналы, показывающие от какого опорного излучателя в данный момент времени поступает излучение на приемник 2. Схема 6 выборки выделяет и запоминает сигналы, пропорциональные излучениям опорных излучателей 3 и 4, и вычитает один сигнал от другого, Эта разность сигналов является управляющим сигналом для управляемого усилителя 7 с регулируемым коэффициентом усиления.

Усилитель 7 изменяет коэффициент усиления так, что в течение всего времени работы радиометра разность сигналов от опорных излучателей 3 и 4 остается величиной постоянной, что является необходимым условием для исключения мультипликативной составляющей погрешности измерения:, Кроме того, схема 6 выборки выдает сигнал, пропорциональный излучению одного из опорных излучателей, обычно с более низкой температурой излучения, на второй

Модулятор 10 работает следующим образом, При вращении модулятора 10 сектор

10 меньшего радиуса отражает тепловое излучение от опорного излучателя 4 (например, с меньшей температурой излучения} на приемник 2 излучения в течение времени t>, за которое формируется калибровочный сигнал с меньшей амплитудой U>. В это время сектор 10 большего радиуса выведен из поля зрения приемника 2 излучения и тепловое излучение от опорного излучателя 3 с большей температурой на приемник 2 излучения не поступает. Затем в поле зрения приемника 2 излучения вводится второй сектор 10 большего диаметра, а сектор 10

11 выводится, при этом в течение времени 12 формируется калибровочный сигнал с большей амплитудой Uz. После выведения сектора 10 из поля зрения приемника производится измерение температуры объекта в течение времени тз, когда оба сектора выведены из поля зрения.

В предлагаемом радиационном пирометре энергопотребление и габаритные

1749724

Составитель: А.Терехов

Техред ММоргентал Корректор Н,Король

Редактор Н.Козориз

Заказ 258S Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 размеры уменьшены за счет койструкции модулятора 10 и его расположения относительно оптической оси пирометра.

Так как зеркальные плоскости секторов

10 и 10 модулятора 10 перпендикулярны . к оси вращения модулятора 10, то модулятор 10 не производит сканирования, а постоянно во время движения секторов поочередно "смотрит" на опорный излучатель 3 сектором 10 и на излучатель 4 сектаром 10, При этом возникает воэможность вписать размер изображения чувствительного элемента приемника излучения s плоскости выходного отверстия опорного излучателя в размер выходного отверстия опорного излучателя, что дает возможность уменьшить габаритные размеры опорных излучателей 3 и 4. При тех же, что и в изве-стном пирометре, плотностях потоков излучения от излучателей 3 и 4 уменьшение габаритных размеров выходных отверстий излучателей 3 и 4 ведет к уменьшению габаритных размеров самих излучателей, Необходимая плоская часть на выходных электрических калибровочных сигналах создается эа счет времени калибровки, т,е. за счет ширины секторов 101 и 10 модулятора

10.

Так как зеркальные плоскости секторов

101 и10 модулятора 10 перпендикулярны к оси вращения модулятора 10, то аэродинамическое сопротивление модулятора 10 мйнимально (исчезает эффект вентилятора), что дает возможность применить электродвигатель 12 модулятора 10 с меньшим злектропотреблением, а следовательно, с меньшими габаритными размерами.

Кроме того. упрощается юстировка модулятора 10, так как выставление плоско5 стей модулятора 10, перпендикулярных к оси вращения, технологически более просто.

Формула изобретения

Радиационный пирометр, содержащий

10 два опорных излучателя с различной температурой и оптически сопряженные модулятор, имеющий две зеркальные ламели, каждая иэ которых оптически связана с со. ответствующим опорным излучателем, 06b16 ектив и приемник излучения, выход которого через последовательно соединенные схему автоматической коррекции коэффициента усиления и усилительно-преобразовательную схему со20 единен с регистратором, при этом модулятор «инематически связан с электродвигателем и снабжен датчиком углового положения, соединенным с синхронизирующим входом схемы автоматической

25 коррекции коэффициента усиления, отличаю шийся тем, что, с целью уменьшения энергопотребления и габаритных размеров, ламели модулятора выполнены в виде секторов двух различных радиусов, плоскости кото30 рых установлены на расстоянии одна отдругой вдоль оси вращения модулятора и перпендикулярно к ней, при этом ось вращения модулятора расположена под углом к оптической оси пирометра.