Пирометр спектрального отношения

 

Использование: для измерения температуры , изменяющейся в широких пределах . Сущность: апертурная диафрагма выполнена в виде диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь S 1 отверстий диафрагмы предыдущего диапазона выбирается ИЗ УСЛОВИЯ Sz 1 SmaxTk( Дя Дцоп), а суммарная площадь S 2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона из соотно- -Сг(тн2 THi) Ш6НИЯ -6 ЯТН1 ТН21 Где SmaxTk - наибольшая площадь отверстий, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерения уровня яркости Дя меньше допустимого значения погрешности Адоп во всем диапазоне; Я- эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра; ТН1 - начальное значение температуры предыдущего диапазона измерения; ТН2 - начальное значение температуры последующего поддиапазона измерения; Сз - пирометрическая константа. 5 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 J 5/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С)

О ! ()

О (Л

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4890353/25 (22) 05,11.90 (46) 07,03,93, Бюл. ¹ 9 (71) Научно-производственный комплекс

"Система". Ленинградского научно-производственного объединения "Электронмаш" (72) Е.В.Трубицин и С.П,Сырцов (56) Линевег Ф. Измерение температур в технике. — M.: Металлургия, 1980, с. 521.

Пирометр спектрального отношения

"Спектропир П1", Техническое описание и инструкции по эксплуатации, 52.11120.001 . T0. (54) ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНО-, ШЕНИЯ (57) Использование: для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах. Сущность: апертурная диафрагма выполнена в виде диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, приИзобретение относится к технике измерений температуры по излучению и может быть использовано в промышленности и научных исследованиях для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах.

Величиной, зависящей от температуры объекта и непосредственно измеряемой пирометром излучения, является электрический сигнал приемника излучения, возникающий при попадании на его светочувствительную поверхность светового потока в более или менее широкой области спектра (для пирометров суммарного и частичного излучения) либо отношение сигналов, пропорциональных световым потокам различного спектрального состава (для пиЯ3. 1800295 А1 чем суммарная площадь ЯЕ1 отверстий диафрагмы предыдущего диапазона выбирается из условия S 1=Явахте(A< +on), а суммарная площадь S 2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона из соотношения 3z=+ e Н1 Äz Где Srng@Tk — наибольшая площадь отверстий, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерения уровня яркости Л . меньше допустимого значения погрешности Алрос во всем диапазоне; А.- эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра, Тн1 — начальное значение температуры предыдущего диапазона измерения; T>z — начальное значение температуры последующего поддиапазона измерения; Cz — пирометрическая константа. 5 ил, рометров спектрального отношения). При переходе от одного измеряемого поддиапазона к другому (от более низких температур к более высоким) в оптической системе пирометра применяются элементы, ограничивающие величину светового потока (диафрагмы, поглотители и т,д.).

Известны пирометры излучения (1), в том числе пирометры спектрального отно° шения, в которых для регулировки светового потока используются установленные непосредственно эа объективом диафрагмы с калиброванными или регулируемыми отверстиями.

При переходе к следующему поддиапазону изменения (более высокотемператур1800295 ному) диаметр калиброванного отверстия уменьшается.

Недостатком подобного решения применительно к пирометрам спектрального отношения является влияние хроматических аберраций в выходном зрачке оптической системы, включающей обьектив и апертурную диафрагму (в плоскости апертурной диафрагмы). В результате этого явления распределение спектрального состава излучения в плоскости апертурной диафрагмы меняется, обогащаясь, например, более коротковолновыми лучами в направлении от оптической оси к периферии, что приводит к увеличению погрешности.

Известен также пирометр спектрального отношения (2), который можно считать прототипом .предлагаемого устройства, содержащий объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устрой- 20 ство, приемники излучения, измеритель . отношения сигналов, индикатор результата измерения. В этом пирометре для обеспечения необходимого исходного значения светового потока, обеспечивающего линейный 25 режим работы приемников излучения в данном поддиапаэоне измерения, непосредственно после объектива устанавливается материальная апертурная диафрагма с калиброванным отверстием. Центр отверстия находится на оптической оси объектива.

При переходе к следующему поддиапазону измерения (более высокие температуры) диаметр отверстия также соответственно уменьшается (см. фиг.5, поз.17 и 18). Этот З5 пирометр обладает тем же недостатком, т.к. уменьшение диаметра апертурной диафрагмы при переходе к более высокомутемпературному поддиапазону измерения приводит, вследствие хроматизма оптиче- 40 ской системы, к изменению спектрального состава излучения, попадающего на. фотоприемники, к относительному увеличению эффективных длин волн пирометра и, в сочетании с более высокими температурами, к 45 ослаблению зависимости спектрального отЬЛ1 Т ношения от температуры (Й(Т)= — - -) и, в коЬА2Т нечном счете, к увеличению погрешностей, связанных с воздействием влияющих факторов (изменение уровня яркости, окружающей темперагуры и т.д.).

Особенно существенно этот недостаток проявляется в пирометрах с широкими поддиапазонами измерения, т.к. с одной стороны, возрастает динамический диапазон изменения сигналов и увеличивается отклоí",.ние световой характеристики от линейной зависимости, с другой — увеличивается значение d R/dT — вторая производная спектрального отношения от температуры.

Эта последняя особенность иллюстрируется данными, приведенными в таблице, где указаны значения изменения спектрального отношения в начале и конце двух поддиапазонов измерения (на 100 С).

Т.е, произошло изменение чувстви-ельности спектрального отношения от температуры более чем в 2 раза.

Цель изобретения — повышение точности измерений температуры с расширением диапазона ее измерений, Поставленная цель достигается тем, что в пирометре, содержащем оптически связанные объектив. апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем отноШения сигналов. входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий. причем суммарная площадь . @ отверстий диафрагмы предыдущего поддиапазона выбирается иэ условия

Ъ1= ЗаахТ (Ag < одоп), а суммарная площадь S z отверстий диафрагмы последующего поддиапазона — из соотношения

Я =-Sy < 6 т„1 т,р, (1) где Ялахт — максимальная суммарная площадь отверстий диафрагмы, при которой обеспечивается необходимая линейность сигналов, соответствующих конечному значению температуры первого поддиапаэона измерения (т.е. при котором погрешность от двухкратного изменения уровня яркости Л, не превышает допустимого значения Лpon);

Л вЂ” эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;

Тн1 — начальное значение температуры предыдущего поддиапазона измерения;

T

Cz — пирометрическая константа.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 — виды диафрагмы для l и И поддиапаэонов измерения: на фиг. 3 — относительное (приведенное к 1) спектральное распределение получения на входе оптической системы и в плоскости апертурной диафрагмы; на фиг.4 — разновидность предлагаемой апертурной

1800295 диафрагмы; на фиг. 5 — виды апертурной диафрагмы пирометра-прототипа для двух смежных поддиапазонов измерений, Предлагаемый пирометр (фиг,1) содержит объектив 1,. апертурную диафрагму 2, полевую диафрагму 3, светоделительное устройство 4, приемники излучения 5 и 6, измеритель 7 отношения сигналов, индикатор

8 результата измерений.

Апертурная диафрагма (фиг,2) содержит ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от оптической оси отверстий, общая площадь которых для предыдущего и последующего поддиапазонов определяется в соответствии с формулами, приведенными выше. Для поддиапазонов с относительно низкой начальной температурой (Т„ 1000 С) отверстия диафрагмы выполняются в виде усеченных секторов (фиг.4).

В любом варианте отверстия удалены от центра на максимально возможное расстояние, но не выходят за расчетный диаметр апертурной диафрагмы оптической системы.

Предлагаемый пирометр работает следующим образом, Излучение от объекта измерения, собранное объективом 1, проходит через апертурную диафрагму 2, которая компен .сирует влияние хроматических аберраций, и фокусируется в плоскости полевой диафрагмы 3.

Излучение передается через светоделительное устройство 4 на приемники излучения 5 и 6, которые преобразуют два различных по спектральному составу световых потока в электрические сигналы. Измеритель отношения 7 производит измерение отношения этих сигналов, несущих информацию о цветовой температуре объекта, значение которой отображается на индикаторе результата измерения 8. На входе оптической системы спектральный состав воспринимаемого от объекта излучения зависит от температуры и излучательной способности объекта и одинаков, независимо от удаления от оптической оси (равномерная засветка объектива). После объектива в плоскости апертурной диафрагмы из-за хроматических аберраций происходит перераспределение лучей различных длин волн, в результате чего спектральный состав излучения изменяется по сравнению с исходным (фиг.3 поясняет это явление). По оси абсцисс отложено относительное расстояние в плоскости, перпендикулярной оптической оси па направлению от оптической оси к периферии. По оси ординат — относительное (приведенное на входе системы к

30 уменьшение светового потока при переходе на более высокотемпературный второй под35

45

К544УД 1 А.

5

25 единице) значение спектрального отношения. Линия 11, параллельная оси э;абсцисс. отображает значение спектрального отношения на входе системы, линия 12 — в плоскости апертурной диафрагмы. Кэк видно из фиг,3, спектральный состав излучения вблизи оптической оси (область по стрелкам 13) обеднен коротковолновой составляющей. что и приводило в прототипе к увеличению погрешности (увеличению эффективных длин волн).

В предлагаемом устройстве применены апертурные диафрагмы, изображенные нэ фиг, 2,4; Для первого поддиапазона измерения использована диафрагма вида 9, а при переходе к более высокотемпературному поддиапазону — диафрагма вида 10. На фиг.3спектральный состав излучения,,проходящий через эти диафрагмы, характеризуется стрелками 14 и 15 соответственно. Как видно из рисунка, при переходе от первого поддиапазона ко второму суммарное спектральное распределение изменяется в пользу более коротковолнового излучения, благодаря чему и исключаются описанные выше дополнительные погрешности. Меньший диаметр отверстий диафрагмы 10, по сравнению с диафрагмой 9, обеспечивает диапазон измерения. Соотношение суммарных площадей отверстий в апертурных диафрагмах, обеспечивающий одинаковый уровень излучения на предыдущем и последующем поддиапазонах, определяется по формуле (1), Предложенное изобретение реализовано в пирометре спектрального отношения

"Спектропир 12", В пирометре использован четырехлинзовый объектив, проектирующий изображение объекта в плоскости полевой диафрагмы, Светоделение осуществляется с помощью установленного под углом к оптической оси светофильтра, а в качестве приемников используются фотодиоды ФД24К (коротковолновый интервал спектра) и ФД10Г (длинноволновый интервал). В качестве измерителя отношения сигналов используется аналого-цифровой преобразователь фототоков приемников излучения по методу двойного интегрирования, собранный на микросхемах типа

К561ИЕ80, К561ЛА7, К561ТМ2, К561ТМ3, Индикатор результата измерения собран на четырех цифровых индикаторах типа АОС324.

8 качестве апертурной диафрагмы для поддиапазона 900-2200 С применена диэф1800295 рагмэ вида, представленного на фиг.Л, с параметрами: удален. ность отверстий от центра (по осевой линии) 10 мм количество отверстий Л 5 ширина (в радиальном направлении) Лмм

Для поддиэпазона 1200-3000" С применена диафрагма 10 вида, представленного на фиг.2, с параметрами: 10 удаленность отверстий от центра 10 мм количество отверстий 10 диаметр отверстий 2мм

Формула изобретения 15

Пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем от- 20 ношения сигналов, входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности изме- 25 рения температуры, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь 5 1 отверстий диафрагмы предыдущего поддиапазонэ выбирается из условия

5+1=5 макстк(Ла<Л доп), а суммарная площадь Бя.2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона — из соотношения — 6 Тн2 — Тн1)

SX2=S 1 6 Т„1 Тн2 где SMBKcTK — наибольшая площадь отверстий диафрагмы, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерений уровня яркости h меньше допустимого значения погрешности одоп во всем диапазоне измерения;

А — эффективная длина долны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;

Тн1 — НаЧаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ тЕМПЕРатУРЫ предыдущего диапазона измерения;

Тн2 — НаЧаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ тЕМПЕРатУРЫ последующего поддиапазона измерения;

С2 — пирометрическая константа.

Т n/

1800295

9иг. 4

Л /у

1800295

Составитель Е,Трубицин

Техред М.Моргентал

Редактор

Корректор А.Козориз

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

Заказ 1158 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытивм при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб„4/5