ПИРОМЕТР

Полезная модель «Пирометр» относится к информационно-измерительной и вычислительной технике, а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел, в т.ч. полупроводниковых пластин в технологических установках, изделий из металлов, керамики, пластмасс при их термообработке, расплавов металлов в металлургии.
Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе) (см. Pepperhof W., Arch. Eisehuttenwes, 1959, В.30, №3, р.131-135), заключающийся в том, что излучение поверхности регистрируют под углом визирования 80° от нормали к поверхности излучения. В излучении выделяется компонента, поляризованная в плоскости наблюдения, и по интенсивности излучения этой компоненты определяется температура поверхности. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения).
Известные способ и пирометр применимы для измерения температур 1000°-2000°С, когда отраженное от образца излучение фона пренебрежимо мало по сравнению с собственным излучением.
q
k
q
k
2
Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе) (см. Tingwaldt C.P., Magdeburg H., TMCSI, 1962, v.3, part 1, p.483-486), заключающийся в измерении отношения двух ортогонально поляризованных компонент излучения поглощающей поверхности под углом 45° к ней. При этом выполняется соотношение R=(λ)R (λ), где R=(λ)R(λ) - коэффициенты отражения ортогонально поляризованных компонент теплового излучения при углах визирования
q=45° и k=90° соответственно, что позволяет определить (рассчитать) температуру поверхности. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения).
В данном способе, как и в предыдущем, используется видимый диапазон спектра, в котором анализируемые объекты (например, металлы) непрозрачны и дают достаточно яркое излучение, по сравнению с которым отраженное поверхностью излучение фона пренебрежимо мало. Кроме того, при углах визирования, отличающихся от 45°, нарушается приведенное выше соотношение и, соответственно, оказывается невозможным расчет температуры поверхности.
В диапазоне температур поверхности объектов 0-650°С, которые используются в технологических установках осаждения и эпитаксии, видимые диапазоны излучений неприменимы из-за недостаточной яркости излучения, а в среднем инфракрасном диапазоне излучение фона (конструкции оборудования, стенок реактора), отраженное поверхностью объекта, сопоставимо с собственным излучением объекта и вносит существенную погрешность в измерения.
Известен способ дистанционного измерения температуры поверхности объектов (и пирометр на его основе) (см. Гордов А.Н., Жугалло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. - М.: Наука, 1992, с.232-243), состоящий в приеме излучения объекта оптической системой пирометра, спектральной фильтрации этого излучения и модуляции, включающей последовательную коммутацию на датчик (детектор, приемник излучений) с заданной частотой двух потоков излучения - от объекта и эталонного источника, преобразовании в электрический сигнал, его усилении и выделении в этом сигнале переменной составляющей, пропорциональной разности коммутируемых сигналов, по величине (интенсивности) этого сигнала и известным
характеристикам эталонного излучения определяется условная температура объекта, а истинная температура находится по известной калибровочной зависимости с учетом независимо измеренной температуры стенок реактора или конструктивных элементов технологического оборудования. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения).)
Недостатком известного способа, и пирометра, является необходимость применения эталонного источника теплового излучения, что существенно увеличивает аппаратурную избыточность пирометра, повышает его габаритно-весовые и энергетический показатели, усложняет эксплуатацию.
Известны, как более близкие по технической сущности к предмету изобретения, способ бесконтактного измерения температуры и пирометр на его основе (см. патент RU 2149366, кл. G 01 J 5/58, Н 01 L 21/66, б.14, 2000 г.), использующий прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, регистрацию излучения под углом к нормали к поверхности излучения равном главному углу падения луча, и выделении в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяют температуру поверхности объекта.
Пирометр (по патенту 2149366 RU, м. кл. G 01 J 5/58, H 01 L 21/66, б.14, 2000 г.), содержит вход (канал из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала) оптической связи объекта с пирометром, полосовой фильтр, поляризатор, объектив, диафрагму, датчик (детектор) теплового излучения и блок регистрации. (Выделенное жирным шрифтом - признаки общие с предметом изобретения).
Недостатки известных способа и пирометра - необходимость поляризации излучения, его модуляции и детектирования, значительная алгоритмическая сложность определения температуры и, как результат, значительная аппаратурная избыточность, низкая надежность в работе и значительная эксплуатационная сложность.
Кроме того, известные способы бесконтактного измерения температуры и пирометры обладают общим недостатком, состоящим в критичности к углам визирования, расстоянию от объекта до приемника излучений, неприменимостью для измерения температуры в широком, от сотен до десятков тысяч градусов по Цельсию, диапазоне температур.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей пирометра за счет обеспечения измерения температуры при нефиксированных углах изирования и нефиксированных расстояниях между объектом, температура поверхности которого измеряется, и датчиками пирометра.
Технический результат достигается тем, что в пирометр, содержащий вход, из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, оптической связи и датчик излучения нагретого тела, на оптической оси с входом, введены второй датчик на оптической оси с входом, причем датчики обеспечены селективными на двух разных длинах волн свойствами, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами первого и второго датчиков соответственно, элемент сравнения, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого и второго датчиков соответственно, первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, причем группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого
АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с третьим выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами групп вторых и третьих элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, задатчик коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и задатчика соответственно, а выходами поразрядно с группой первых (информационных) выходов устройства, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра.
Схема пирометра приведена на фиг.1.
1
2
Пирометр содержит вход 1 теплового излучения, первый 2 и второй 3 датчики уровня (мощности) теплового излучения на длинах волн λ и λ соответственно, первый 4 и второй 5 аналого-цифровые преобразователи
(АЦП), соединенные информационными входами с выходами датчиков 2 и 3 соответственно, элемент сравнения 6, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, первый 7 и второй 8 элементы ИЛИ, соединенные входами с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, группу первых 9, вторых 10, третьих 11 и четвертых 12 элементов И, первые входы группы первых 9 и группы третьих 11 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 4, первые входы группы вторых 10 и группы четвертых 12 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 5, вторые входы групп 9 и 12 элементов И соединены с первым выходом элемента 6 сравнения, вторые входы групп 10 и 11 элементов И соединены с третьим выходом элемента 6 сравнения, первый 13 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первых 9 и четвертых 12 элементов И, а его вторые входы поразрядно соединены с выходами групп вторых 10 и третьих 11 элементов И, группу пятых 14 элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого 7 элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго 8 элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого 13 арифметического блока, задатчик 15 коэффициента пропорциональности, второй 16 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами группы пятых 14 элементов И и задатчика 15 соответственно, а выходами с группой первых 17 выходов пирометра, третий 18 элемент ИЛИ, соединенный входами с выходами второго 16 арифметического блока, формирователь 19 переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего 18 элемента ИЛИ, а выходом со входами управления АЦП 4 и 5, и шестой 20 элемент И, соединенный входами с выходами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра.
Пирометр работает следующим образом.
1
2
1
2
1
2
2
λ1
3
λ2
2
3
4
2
5
3
4
5
4
5
4
5
4
5
4
5
4
5
13
4
5
13
5
4
13
λ1
λ2
13
λ2
λ1
13
13
Задатчиком 15 устанавливается код значения коэффициента q пропорциональности, зависящего от значений длин волн λ и λ по q=α|λ-λ|, где α - постоянный коэффициент размерности, вход 1 теплового излучения устанавливается в направлении на объект О, температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчики 2 и 3 по входу 1 поступает излучение с поверхности объекта О. Датчики 2 и 3, обладая избирательностью на излучения с λ и λ соответственно, на своих выходах генерируют аналоговые сигналы U=f(ε) и U=f(ε), а АЦП 4 и 5 преобразуют аналоговые сигналы U и U в цифровые коды N=f(U) и N=f(U) соответственно. По результатам сравнения кодов N и N на первом выходе элемента 6 сравнения генерируется единичный потенциал при N>N, на втором выходе элемента 6 сравнения генерируется высокий потенциал при N=N, а на третьем выходе генерируется единичный (высокий) потенциал при N<N. На выходах элементов 7 и 8 ИЛИ устанавливаются высокие (единичные) потенциалы тогда и только тогда, когда N>0 и N>0. Высоким (единичным) потенциалом с первого выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 9 и 12 элементов И, а высоким (единичным) потенциалом с третьего выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 10 и 11 элементов И, при этом содержимое выходов АЦП 4 (N) и АЦП 5 (N) поступает на первые и вторые, или на вторые и первые, соответственно, входы первого 13 арифметического блока, который определяет коды значений N=N/N или N=N/N, что однозначно соответствует N=ε/ε или N=ε/ε. Код N поступает на третьи входы группы 14 элементов И, которые открываются при единичных потенциалах на первых и вторых их входах. Содержимое выходов первого 13 арифметического блока N через
15
15
λ1
λ2
16
16
13
15
1
2
λ1
λ2
1
2
λ2
λ1
16
16
4
5
группу 14 элементов И поступает на первые входы второго 16 арифметического блока, на вторые входы которого поступает код N значения коэффициента q пропорциональности (N=α|Nε-Nε|), при этом на выходах арифметического блока 16 генерируется код N пропорциональный N=NN=α|λ-λ|ε/ε или α|λ-λ|ε/ε в градусах К. Этот код поступает на выходы 17 пирометра и может индицироваться дисплеем или использоваться в технологических нуждах для управления технологическим процессом. Кроме того, содержимое выходов арифметического блока 16 N через третий 18 элемент ИЛИ поступает на формирователь 19 переднего фронта импульса, коротким импульсом высокого потенциала с выхода формирователя 19 повторно запрашиваются АЦП 4 и АЦП 5, что обеспечивает синхронизацию во времени отсчетов значений N≅T в градусах К, кроме того, элемент И 20 на своем выходе генерирует высокий потенциал при N>0 и N>0, т.е. когда чувствительность датчиков 2 и 3 и мощность падающих на них тепловых излучений от объекта О достаточный для измерения температуры объекта О, этот сигнал с выхода элемента И 20 поступает на выход 21 пирометра и может служить признаком приемлемой наводки оптического входа 1 пирометра на объект О, т.е. при периодическом появлении сигнала на выходе 21 оба датчика (2 и 3) реагируют на тепловое излучение объекта О и пирометр способен (или готов) к выполнению функционального назначения.
λт
λт
λт
λт
λт
λт
4
Известно, что лучеиспускательная способность нагретого тела Е при температуре Т по закону Кирхгофа определяется из Е=Aε, где А - его поглощательная способность, а ε - величина постоянная при данной температуре для все тел; мощность излучения ε по закону Стефана-Больцмана определяется из ε=σТ, где σ - постоянная Больцмана; наибольшая излучательная способность приходится на определенную
max
max
λT
λT
2
5
hc/kλT
длину волны λ, для которой по закону смещения Вина справедливо соотношение λT=d, где d - постоянная величина; и излучательная способность тела определяется по формуле Планка, как ε=2bπc/λ=bh/e, где с - скорость света в вакууме, λ - длина волны, k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка, a b - коэффициент пропорциональности. Тогда, поскольку значения ε не зависят ни от угла визирования, ни от расстояния от объекта до приемника излучений, в пределах чувствительности приемников, показания пирометра остаются справедливыми и стабильными в широком диапазоне углов визирования и расстояний между объектом и приемниками излучений. Кроме расширения функциональных возможностей пирометр (устройство для бесконтактного измерения температуры), за счет использования фотоэлектрических преобразователей тепловых излучений в электрические сигналы, обеспечивает исключение субъективизма, а, за счет цифровой обработки информации, повышение точности измерений и возможность его использования в автоматических средствах сбора информации о состоянии объектов в широком диапазоне их динамичности по параметру температуры, а также в автоматических дистанционных средствах управления (регулирования) технологическими процессами. А, если еще учесть возможность использования в качестве рабочих длин волн их ультрафиолетовые и инфракрасные области, то область применения пирометра по температурному диапазону простирается от 300÷400К до 10000÷15000К.