Способ измерения температуры



Способ измерения температуры
Способ измерения температуры
Способ измерения температуры
Способ измерения температуры

 


Владельцы патента RU 2410654:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (RU)

Изобретение относится к пирометрии. В способе производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал, их усиление и обработка. Длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов. Техническим результатом изобретения является возможность дистанционного измерения температуры поверхности объектов с неизвестным коэффициентом излучения, который обеспечит достоверное и точное измерение температуры без наличия информации о коэффициенте излучения исследуемой поверхности. 1 ил.

 

Изобретение относится к пирометрии и может быть использовано для дистанционного измерения температуры различных объектов с неизвестным коэффициентом излучения в строительстве, пищевой промышленности и металлургии.

Известен способ измерения цветовой температуры, реализованный в цветовых пирометрах типа «Спектропир» [Харазов В.Г. Автоматизация высокотемпературных процессов. - М.: Энергия. 1974. С.25]. Способ включает сбор и фокусирование излучения, выделение двух спектральных диапазонов, преобразование излучения в электрический сигнал, усиление сигналов и формирование отношения.

Недостатком этого способа является низкая точность.

Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является способ измерения температуры [Мухамедяров Р.Д., Харисов Р.И. Способ измерения температуры. Патент РФ №2086935. Бюл. №22. Опубл. 10.08.97], включающий сбор и фокусирование излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-том спектральном диапазоне в электрический сигнал Ui в электронном тракте, усиление сигналов и формирование двух линейных комбинаций из сигналов N спектральных диапазонов, а абсолютное значение температуры определяют из соотношения:

где K1i и K2i - параметры элементов тракта, которые выбирают по результатам изменения абсолютной температуры эталонного излучения.

Недостатком этого способа является эмпирический характер соотношения (1) и отсутствие строгой связи с физическими законами Кирхгофа и Планка для теплового излучения тел.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка физически обоснованного способа дистанционного измерения температуры поверхности объектов с неизвестным коэффициентом излучения, который обеспечит достоверное и точное измерение температуры без наличия информации о коэффициенте излучения исследуемой поверхности.

Поставленная задача достигается за счет того, что в данном способе измерения температуры по собственному излучению с неизвестным коэффициентом излучения поверхности исследуемых объектов, при котором производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал , их усиление и обработка, согласно изобретению длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов, а абсолютную температуру поверхности объекта определяют из соотношения:

где

;

;

;

;

i=1, 2, 3;

и Δλi - соответственно эффективная длина волны и ширина i-го спектрального диапазона измерительной системы;

Теория, на основе которой разработан способ определения температуры поверхности объектов, следующая. Предполагается регистрация N спектральных сигналов в N спектральных диапазонах Δλn эффективными длинами волн измерительного канала [Холопов Г.К., Шуба Ю.А. О нормировании чувствительности радиометров. Оптико-механическая промышленность. - 1977. - №10. - С.6-8] каждого спектрального диапазона (верхних индекс «е» при длинах волн в дальнейшем опущен):

…………………………………………………………………………………………………

где А и ωзр - площадь входного зрачка и телесный угол поля зрения оптической системы пирометра;

S(λi) - абсолютная спектральная чувствительность приемника оптического излучения на длине волны λi

τOi), τai), τф(λi) - спектральный коэффициент пропускания соответственно оптической системы прибора, слоя атмосферы и спектральных фильтров на длине волны λi;

ε(λi) - коэффициент излучения поверхности объекта на эффективных длинах волн λi, где i=1, 2, …, N-1, N;

C1 и С2 - постоянные в формуле Планка;

Т - искомая абсолютная температура поверхности объекта.

Для исключения потери информации в спектре коэффициента излучения ε(λn) интервал длин волн Δλi выбирается из теоремы Котельникова [Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983. - С.321-324]: Δλi=1/(2υm), где υm - предельная частота в спектре ε(λn), i=1, 2, …, N-1, N.

Как видно из формул (3)…(5), в целом они представляют систему N уравнений с N+1 неизвестными величинами, к которым относится Т и N значений коэффициента излучения ε(λ1), ε(λ2), …, ε(λn). Для решения этой системы уравнений выбираем во всем спектральном интервале чувствительности приемника излучения N спектральных диапазонов, причем длина волны конца последующего диапазона, начиная со второго, совпадает с длиной волны конца предыдущего диапазона, а один из диапазонов является суммой всех остальных. В итоге, коэффициент излучения поверхности объекта в этом диапазоне можно выразить в виде:

где Δλ1, Δλ2, Δλn-1, Δλn - ширина полосы длин волн выбранных спектральных диапазонов пирометра, получаемых введением N спектральных фильтров.

Подставим теперь выражение (6) в (5), и на основании уравнений (3) и (4), получаем системы N уравнений с N неизвестными, которая на основании [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров. - М.: Наука, 1986. - С.161-164] математически строго решается.

Рассмотрим решение такой системы для случая N=3, то есть при использовании случая трех спектральных диапазонов Δλ1, Δλ2 и Δλ3=Δλ1+Δλ2. При N=3 получаем следующую систему 3-х уравнений с тремя неизвестными величинами Т, ε(λ1), ε(λ2):

Решение системы уравнений (7) дает выражение (2) для искомой абсолютной температуры Т поверхности объекта:

Следует отметить, что параметры β1, β2, Ki, γ31 и γ32 имеют следующий физический смысл:

β1 и β2 - параметры, физически характеризующие отношение энергетической яркости теплового излучения поверхности объекта соответственно в первом Δλ1 и втором Δλ2 спектральном диапазоне к энергетической яркости теплового излучения поверхности объекта в третьем Δλ3 спектральном диапазоне и математически определяемые по формулам:

;

;

γ31 и γ32 - параметры, физически характеризующие разность обратных значений эффективных длин волн измерительного канала соответственно 3-го и 1-го, 3-го и 2-го спектральных диапазонов, и математически определяемые по формулам:

;

;

где Ki - коэффициент, физически определяющий произведение значений площади входного зрачка А измерительного устройства, его угла поля зрения ωзр, спектральной чувствительности S(λi), коэффициентов пропускания оптической системы τoi), слоя атмосферы между объектом и измерительным устройством τai) и спектрального фильтра τфi), и математически определяемый по формуле:

Ki=A·ωзр·S(λi)·τai)·τфi);

i=1, 2, 3;

где U(λi) - значение электрического сигнала на выходе приемника излучения измерительного устройства при введении в оптическую систему i-го спектрального фильтра.

Таким образом, поставленная задача для заявляемого способа выполняется за счет нового признака: выбор трех спектральных диапазонов осуществляется таким образом, чтобы длина волны начала второго спектрального диапазона совпадала с длиной волны конца первого, а третий диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа определения температуры, где приняты следующие обозначения: 1 - защитное окно; 2, 3 - зеркальный объектив; 4 - полевая диафрагма; 5 - окуляр; 6 - турель с тремя спектральными фильтрами; 7 - конденсор; 8 - приемник теплового излучения; 9 - усилитель; 10 - блок обработки информации (БОИ); 11 - индикатор температуры; 12 - откидывающиеся зеркало; 13 - эталонный излучатель в виде абсолютно черного тела (АЧТ) на область рабочих температур устройства; 14 - блок управления.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом: тепловое излучение от исследуемой поверхности проходит защитное окно 1, собирается объективом 2, 3, проходит диафрагму 4 и с помощью окуляра 5 и конденсора 7 фокусируется на чувствительной площадке приемника излучения 8, предварительно пройдя спектральный фильтр 6. Электрический сигнал U(λ1) формируется, когда в поле зрения прибора вводится 1-й фильтр, электрический сигнал U(λ2), когда в поле зрения вводится 2-й фильтр, а электрический сигнал U(λ3), когда в поле зрения вводится 3-й фильтр.

Для энергетической градуировки устройства в схему вводится плоское, откидывающиеся зеркало 12, которое направляет лучи от АЧТ 13, расположенное в фокальной плоскости окуляра 5. Управление режимом работы АЧТ осуществляется блоком управления 14. При градуировке устройства устанавливается температура АЧТ 13 в диапазоне рабочих температур устройства и направляется излучение на зеркало 12. Далее излучение проходит окуляр 5, спектральный фильтр 6, конденсор 7 и попадает на приемник излучения 8, где преобразуется в электрический сигнал Uэi). Электрические сигналы Uэi) с i=1, 2, 3 усиливаются блоком 9 и поступают в блок обработки информации 10. После обработки по формуле (2) на индикаторе выдается воспроизводимое значение температуры АЧТ. Аналогичные процедуры проделываются при других температурах АЧТ в диапазоне работы устройства.

Предлагаемый способ может быть использован для дистанционных измерений температуры поверхностей в энергетике, строительных сооружениях, пищевой промышленности и металлургии.

Способ измерения температуры, заключающийся в определении температуры поверхности объектов по их собственному излучению с неизвестным коэффициентом излучения поверхности, при котором производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал , их усиление и обработка, отличающийся тем, что длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго диапазонов, а абсолютную температуру Т поверхности объекта определяют из соотношения

где




Ki=A·ωзр·S(λi)·τoi)·τai)·τфi);
i=1, 2, 3;
- эффективные длины волн измерительного канала в спектральных диапазонах Δλ1, Δλ2, Δλ3 соответственно;
- значения сигналов на выходе приемника излучения при введении в поле зрения соответственно 1-го, 2-го и 3-го фильтров соответственно,
K1, К2, К3 - постоянные прибора, соответственно при введении 1-го, 2-го и 3-го фильтров,
С2 - постоянная в формуле Планка,
А - площадь входного зрачка измерительного устройства, ωзр - телесный угол поля зрения оптической системы измерительного устройства, S(λi) - абсолютная спектральная чувствительность приемника оптического излучения на длине волны λi,
τoi), τai), τфi) - спектральный коэффициент пропускания соответственно оптической системы, слоя атмосферы между объектом и измерительным устройством, и спектрального фильтра на длине волны λi.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к технике измерения интенсивности теплового радиоизлучения объектов, и может быть использовано в медицинской практике.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к яркостной пирометрии, и может быть использовано в пирометрических и тепловизионных системах на базе интегральных фотодиодных и ПЗС-камер.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники к оптическим устройствам контроля параметров взвешенных в газовом потоке микрочастиц, и может быть использовано в энергетике при определении температуры микрочастиц, например угольных частиц, в процессе горения.

Изобретение относится к теплофизике и, в частности, к измерению теплофизических свойств материалов. .

Изобретение относится к исследованию материалов с помощью оптических средств. .

Изобретение относится к области пирометрии

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к области радиационной пирометрии, в частности к измерению параметров радиационного излучения, особенно к измерению параметров высокотемпературных потоков. Способ измерения термогазодинамических параметров потока включает формирование измерительного канала, измерение величины параметра излучения потока, сравнение измеренной величины параметра излучения с величиной аналогичного параметра излучения абсолютно черного тела (АЧТ), полученной при калибровке АЧТ при заданной температуре и концентрации поглощающих компонентов, и определение, по крайней мере, одного термодинамического параметра потока по результату сравнения. При этом измеряемый параметр излучения потока и параметр излучения АЧТ раскладывают по длинам волн для получения спектра излучения. Кроме того, измеряют температуру и концентрацию поглощающих компонентов в измерительном канале, корректируют величины параметров излучения потока и АЧТ в зависимости от результатов измерений, раскладывают излучение потока на n составляющих, в соответствии с количеством излучающих элементов измерительного канала, определяют излучение n-го элемента измерительного канала, а в качестве параметра излучения потока используют относительную спектральную яркость излучения n-го элемента измерительного канала. Технический результат заключается в обеспечения возможности повышения точности измерения параметров высокотемпературных потоков радиационным методом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области метрологического обеспечения стационарных пирометрических устройств в рабочих условиях эксплуатации и может быть применено в системах контроля температуры букс подвижного состава железных дорог. Способ измерения эквивалентной температуры включает автоматическую коррекцию градуировочной характеристики рабочего пирометра перед измерениями по встроенному опорному источнику, измерение эквивалентной температуры исследуемого объекта по его излучению и периодическую поверку пирометра, которую проводят в рабочих условиях путем измерений эквивалентной температуры встроенного опорного источника рабочим пирометром и внешним образцовым пирометром, обладающим нормированными для рабочих условий метрологическими характеристиками, сопоставления полученных значений эквивалентных температур и внесения поправок в результаты последующих измерений. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения точности и стабильности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области тепловизионной техники и касается способа бесконтактного измерения яркостной температуры объекта. Способ включает формирование на одной длине волны инфракрасного излучения двух изображений на каждом из двух матричных приемников изображения. Одно из двух изображений на каждом приемнике является изображением объекта исследования, а другое является изображением эталона температур, формирование которого осуществляют при тех же условиях формирования изображения, что и для объекта исследования. Изображение на одном из двух приемников формируют с помощью устройства зеркальной развертки. На основе полученных данных формируют массив цифровых данных от всех изображений с учетом связи между яркостной температурой, воспроизводимой эталоном температур, и соответствующим ей цифровым значением электрического сигнала с элементов обоих приемников изображения. Технический результат заключается в увеличении временного разрешения измерений. 6 ил.,1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения температуры среды или объектов в различных сферах промышленности, в том числе при криогенных температурах. Согласно заявленному изобретению используют полупроводниковый лазерный диод. Помещают его в среду или устанавливают на объект для измерения их температуры. Наблюдают за излучением светоизлучающего прибора. Определяют значения яркости Е(Т0) излучения при исходной температуре T0 и яркости Е(Tx) излучения при температуре Тх среды, и по калибровочной (градуировочной) зависимости δE(T)=Е(Т)/Е(Т0) оценивают температуру Тх среды. Технический результат - упрощение способа дистанционного определения температуры среды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх