Пирометрический способ измерения температуры объекта

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает периодическую амплитудную модуляцию теплового излучения объекта, фокусировку промодулированного теплового излучения и преобразование его в электрический сигнал. При этом в процессе модуляции теплового излучения от объекта периодически выделяют интервал времени от момента, соответствующего максимальной величине пропускания модулятора, до момента, соответствующего началу очередного перекрытия прерывателем теплового излучения от объекта. В пределах этого интервала осуществляют изменение поступающего на приемник лучистой энергии величины теплового излучения от прерывателя путем монотонного по степенной зависимости от времени -tⁿ изменения величины обращенной к приемнику лучистой энергии площади поверхности прерывателя. Одновременно измеряют величину и знак n-ой производной электрического сигнала на выходе приемника лучистой энергии, величина которой пропорциональна разности температур между подвижным прерывателем и неподвижной диафрагмой пирометра. Изобретение позволяет повысить точность измерений температуры объекта. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к бесконтактным оптическим способам измерения температуры различных объектов.

Как следует из уровня техники задача повышения точности измерения температуры объекта с помощью оптических пирометров постоянно находится в центре внимания исследователей.

Так, известен пирометрический способ измерения температуры объекта, включающий периодическую амплитудную модуляцию теплового излучения от объекта с помощью модулятора, содержащего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся лопастной прерыватель с числом лопастей, равным числу секторных вырезов в апертурной диафрагме, с последующей фокусировкой промодулированного теплового излучения на приемнике лучистой энергии (ПЛЭ) и преобразованием его в электрический сигнал, при этом в процессе измерения температуры объекта поддерживают на постоянном уровне величину поступающего на ПЛЭ теплового излучения от лопастного прерывателя (см. патент RU-С1 - №2072721, 1994).

Недостаток известного способа заключается в том, что он имеет ограниченную область использования, а именно ПЛЭ должен быть обязательно пироэлектрическим. Кроме того, неконтролируемое тепловое излучение неподвижной апертурной диафрагмы модулятора вносит погрешность в измерение температуры объекта.

Известен также пирометрический способ измерения температуры объекта, взятый в качестве прототипа, согласно которому периодически модулируют по амплитуде тепловое излучение от объекта с помощью модулятора, включающего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся вокруг упомянутой выше оси лопастной прерыватель с числом лопастей, равным числу секторных вырезов в апертурной диафрагме, температуру которой (окружающей среды) непрерывно измеряют, а после фокусировки промодулированного теплового излучения объекта на ПЛЭ осуществляют преобразование его в электрический сигнал, причем в процессе измерения температуры объекта поддерживают на постоянном уровне величину поступающего на ПЛЭ теплового излучения от лопастного прерывателя (см. патент RU-C2 - №2196306, 2003).

Недостаток известного способа заключается в том, что он имеет ограниченную область использования, а именно только с пироэлектрическими ПЛЭ. Здесь следует отметить, что использование других ПЛЭ приводит к погрешности измерений за счет влияния величины постоянной засветки на их характеристики. Кроме того, необходимость поддержания на постоянном уровне величины поступающего на ПЛЭ теплового излучения от лопастного прерывателя (вращающегося элемента оптико-механической части оптического пирометра) неизбежно приводит к увеличению расстояния между элементами модулятора и, как следствие, к модуляции теплового излучения окружающего контролируемый объект фона. В результате возникает погрешность измерений температуры объекта.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению точности измерений температуры объекта без каких-либо ограничений на используемый при его осуществлении тип ПЛЭ.

Поставленная задача решена тем, что в пирометрическом способе измерения температуры объекта, согласно которому осуществляют периодическую амплитудную модуляцию теплового излучения от объекта с помощью модулятора, включающего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся вокруг упомянутой выше оси лопастной прерыватель с числом секторных лопастей, равным числу секторных вырезов в неподвижной апертурной диафрагме, температуру которой непрерывно измеряют, а после фокусировки промодулированного теплового излучения объекта на приемнике лучистой энергии преобразуют его в электрический сигнал, согласно изобретению в процессе модуляции теплового излучения от объекта периодически выделяют интервал времени от момента, соответствующего максимальной величине пропускания модулятора, до момента, соответствующего началу очередного перекрытия лопастным прерывателем теплового излучения от объекта, в пределах которого осуществляют изменение поступающего на приемник лучистой энергии величины теплового излучения от лопастного прерывателя путем монотонного по степенной зависимости от времени изменения величины обращенной к приемнику лучистой энергии площади поверхности лопастного прерывателя с помощью экранирующего элемента, имеющего температуру неподвижной апертурной диафрагмы модулятора, при этом одновременно измеряют величину и знак n-ой производной электрического сигнала на выходе приемника лучистой энергии, величина которой пропорциональна разности температур между вращающимся лопастным прерывателем и неподвижной апертурной диафрагмой.

Преимущество предложенного пирометрического способа измерения температуры объекта перед известным заключается в том, что за счет обеспечения бесконтактного контроля температуры лопастного прерывателя повышается точность измерения температуры объекта, поскольку производится учет влияния на результаты измерений теплового излучения не только неподвижных элементов оптического тракта пирометра, но и его вращающегося элемента. С другой стороны, подвижные и неподвижные элементы модулятора (апертурная диафрагма и лопастной прерыватель) могут быть размещены на небольшом расстоянии друг от друга (например, с гарантированным зазором), что исключит возможность модуляции теплового излучения окружающего объект фона. Кроме того, обеспечивается расширение области использования пирометрического способа измерения температуры объекта, так как не предусматривается никаких ограничений на тип ПЛЭ, используемого при его осуществлении.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером осуществления предложенного способа, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На фиг.1 схематично изображен оптический пирометр (частичный продольный разрез); на фиг.2 - взаимное расположение неподвижной апертурной диафрагмы и экранирующего элемента (вид со стороны ПЛЭ, лопастной прерыватель не показан); на фиг.3 - лопастной прерыватель, вид спереди; на фиг.4 - блок-схема электронной части оптического пирометра; на фиг.5 - временная зависимость сигнала U на выходе ПЛЭ при различном соотношении температур неподвижной апертурной диафрагмы (окружающей среды) и лопастного прерывателя.

Оптический пирометр содержит корпус 1, модулятор 2, зеркальный объектив, включающий вогнутое сферическое зеркало 3 с центральным отверстием 4 и зеркальный выпуклый отражатель 5, ПЛЭ 6 (пироэлектрический, термоэлектрический и т.д.) и экранирующий элемент 7. Модулятор 2 включает расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения (на фиг.1 показанного в виде столбика стрелок) от объекта неподвижную апертурную диафрагму 8 с секторными вырезами 9 (фиг.2), например двумя, и вращающийся лопастной прерыватель 10, установленный на валу электродвигателя 11. Зеркальный объектив и ПЛЭ 6 также расположены вдоль оси 12 модулятора 2 и оптически сопряжены между собой, при этом вогнутое сферическое зеркало 3 закреплено на корпусе 1, а зеркальный выпуклый отражатель 5 и электродвигатель 11, например, на экранирующем элементе 7.

Лопастной прерыватель 10 выполнен с числом секторных лопастей 13, равным числу секторных вырезов 9 неподвижной диафрагмы 6, при этом в описываемом варианте выполнения оптического пирометра для осуществления предложенного способа центральный угол α секторного выреза 9 больше центрального угла β секторной лопасти 13.

В простейшем случае экранирующей элемент 7 выполнен в виде секторных стоек (фиг.2), число которых равно числу секторных вырезов 9 неподвижной апертурной диафрагмы 8, при этом неподвижная апертурная диафрагма 8 установлена либо таким образом, что одна из кромок диафрагмы 8 и обращенная к ней кромка ближайшей к ней секторной стойки экранирующего элемента расположены в одной диаметральной плоскости (т.е. напротив секторных вырезов 9), либо апертурная диафрагма 8 частично перекрывает секторные стойки экранирующего элемента 7, как показано на фиг.2. В этом случае для центральных углов выполняется следующее соотношение:

где γ - центральный угол секторной стойки экранирующего элемента;

Δγ - угол взаимного перекрытия апертурой диафрагмы 8 и секторных стоек экранирующего элемента 7;

м - число секторных вырезов 9.

Выход ПЛЭ 6 подключен (фиг.4) к входу формирователя 14 сигнала, пропорционального разности температур между неподвижной апертурной диафрагмой 8 и лопастями 13 лопастного прерывателя 10, а также к первому входу блока 15 обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом контактного датчика 16 температуры, который установлен на неподвижной апертурной диафрагме 8, температура которой является температурой окружающей среды, или иными словами - температурой неподвижных элементов оптико-механической части оптического пирометра. Третий вход блока 15 обработки сигналов подключен к выходу формирователя 14 сигнала, пропорционального разности температур между неподвижной апертурной диафрагмой 8 и лопастями 13 лопастного прерывателя 10 (далее формирователь).

Формирователь 14 включает блок 17 n-ого дифференцирования сигнала с выхода ПЛЭ 6 (выполненный, например, на базе стандартных схем дифференцирования электрических сигналов) и блок 18 управления, выход которого соединен с управляющим входом блока 17, выход которого является выходом формирователя 14, а вход блока 17 - входом формирователя 14.

Блок 18 управления в простейшем варианте выполнен в виде формирователя управляющих сигналов, поступающих с выходов бесконтактных датчиков 19 и 20 положений (оптических или электромагнитных) секторных лопастей 13, соответствующих а) моменту максимальной величины пропускания модулятора 2 и б) моменту начала очередного перекрытия лопастным прерывателем 10 теплового излучения от объекта. Датчик 19 подключен к соответствующему входу блока 18 управления через линию 21 задержки сигнала с выхода датчика 19 на время, равное

где N - число оборотов электродвигателя 11, сек.

Пирометрический способ измерения температуры объекта осуществляется следующим образом. Тепловое излучение от объекта в момент времени, соответствующий расположению секторных лопастей 13 лопастного прерывателя 10 напротив секторных вырезов 9, ограниченных частично с одной стороны секторными стайками экранирующего элемента 7, не поступает на вход ПЛЗ 6, а сигнал U₁ на его выходе (фиг.5) пропорционален суммарному тепловому излучению от неподвижной апертурной диафрагмы 8, экранирующего элемента 7, лопастного прерывателя 10, а также других неподвижных элементов оптико-механического тракта оптического пирометра. В процессе вращения секторных лопастей 13 (против часовой стрелки фиг. 2) пропускание модулятора для теплового излучения от объекта увеличивается, но при этом пропорционально уменьшается поступающая на ПЛЭ 6 величина теплового излучения от неподвижной апертурной диафрагмы 8. В момент времени, соответствующий максимальной величине пропускания модулятора 2, сигнал U₂ на выходе ПЛЭ 6 пропорционален суммарному тепловому излучению от объекта, экранирующего элемента 7, лопастного прерывателя 10 от участков неподвижной апертурной диафрагмы 8, которые не экранированы секторными лопастями 13, а также от указанных выше других неподвижных элементов оптико-механического тракта оптического пирометра. С помощью бесконтактного датчика 19 фиксируют момент времени, соответствующий максимальной величине пропускания модулятора 2. Соответствующий сигнал с выхода бесконтактного датчика 19 поступает на вход линии 21 задержки. При дальнейшем повороте лопастного прерывателя 10 сигнал на выходе ПЛЭ 6 не изменяется, так как суммарная площадь обращенной к ПЛЭ 6 поверхности неподвижной апертурной диафрагмы 8 в течение времени, равном

,

остается постоянным ("полка").

После этого осуществляют изменение поступающего на ПЛЭ 6 величины теплового излучения от лопастного прерывателя 10 путем монотонного в данном случае по линейной зависимости от времени (поскольку экранирующий элемент в рассматриваемом случае выполнен в виде секторных стоек) изменения (уменьшения) величины обращенной к ПЛЭ 6 площади поверхности лопастного прерывателя 10 с помощью экранирующего элемента 7, имеющего температуру, равную температуре неподвижной апертурной диафрагмы 8 (иными словами окружающей среды).

Одновременно сигнал с выхода бесконтактного датчика 19 через линию задержки 21 поступает на соответствующий вход блока 18 управления, на выходе которого формируется управляющий сигнал для запуска блока 17 n-ого дифференцирования сигнала с выхода ПЛЭ 6 (в данном случае первой производной). С выхода блока 17 n-ого дифференцирования сигнала с выхода ПЛЭ 6 сигнал, пропорциональный разности температур между вращающимся лопастным прерывателем 10 и неподвижной апертурной диафрагмой 8, поступает на третий вход блока 15 обработки сигналов. При этом, если знак первой производной сигнала с выхода ПЛЭ 6 положителен, то температура Т₁ неподвижной диафрагмы 8 больше температуры Т₂ лопастного прерывателя 10, а если знак первой производной сигнала с выхода ПЛЭ 6 отрицателен, то Т₁<Т₂ (фиг.5). При Т₁=Т₂ на выходе блока 17 n-ого дифференциирования сигнала с выхода ПЛЭ 6 сигнал равен нулю.

Бесконтактный датчик 20 фиксирует момент времени, соответствующий началу очередного перекрытия лопастным прерывателем 10 теплового излучения от объекта. Соответствующий сигнал с выхода бесконтактного датчика 20 поступает на другой вход блока 18 управления, на выходе которого формируется управляющий сигнал "стоп", поступающий на управляющий вход блока 17 n-ого дифференцирования. В дальнейшем описанный выше процесс амплитудной модуляции теплового излучения от объекта, обеспечивающий определение температуры лопастного прерывателя 10, периодически повторяется.

В блоке 15 обработки сигналов на основании информации о Т₁ (с контактного датчика 16 температуры), ΔТ=Т₁-Т₂, поступающей на его третий вход, а также геометрических размерах экранирующего элемента 7 и элементов модулятора 2 производится вычисление температуры объекта по обычной методике, основанной на законах теплового излучения объектов.

Экранирующий элемент 7 может быть выполнен в виде стоек, форма которых обеспечивает изменение величины обращенной к ПЛЭ 6 площади поверхности лопастного прерывателя 7 по любому степенному закону от времени -tⁿ. В этом случае величина и знак n-ой производной электрического сигнала с выхода ПЛЭ 6 будет пропорциональна разности температур Т₁ и Т₂.

При использовании микропроцессорной техники отпадает необходимость в использовании бесконтактных датчиков 19 и 20, так как наличие "полки" в сигнале с выхода ПЛЭ 6 позволяет установить интервал времени, равный

,

в течение которого формируется сигнал n-ой производной электрического сигнала с выхода ПЛЭ 6, несущий информацию о разности температур Т₁ и Т₂.

Предложенный способ измерения температуры объекта может быть использован в различных отраслях промышленности, в том числе и для контроля температуры токонесущих элементов на электрических подстанциях.

Пирометрический способ измерения температуры объекта, согласно которому осуществляют периодическую амплитудную модуляцию теплового излучения от объекта с помощью модулятора, включающего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся вокруг упомянутой выше оси лопастной прерыватель с числом секторных лопастей, равным числу секторных вырезов в неподвижной апертурной диафрагме, температуру которой непрерывно измеряют, а после фокусировки промодулированного теплового излучения объекта на приемнике лучистой энергии преобразуют его в электрический сигнал, отличающийся тем, что в процессе модуляции теплового излучения от объекта периодически выделяют интервал времени от момента, соответствующего максимальной величине пропускания модулятора, до момента, соответствующего началу очередного перекрытия лопастным прерывателем теплового излучения от объекта, в пределах которого осуществляют изменение поступающего на приемник лучистой энергии величины теплового излучения от лопастного прерывателя путем монотонного по степенной зависимости от времени -tⁿ изменения величины обращенной к приемнику лучистой энергии площади поверхности лопастного прерывателя с помощью экранирующего элемента, имеющего температуру неподвижной апертурной диафрагмы модулятора, при этом одновременно измеряют величину и знак n-й производной электрического сигнала на выходе приемника лучистой энергии, величина которой пропорциональна разности температур между вращающимся лопастным прерывателем и неподвижной апертурной диафрагмой.