ПИРОМЕТР
PYROMETER

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения.
Известно устройство [патент РФ 2038574, G01J 1/44, 27.06.95 г.], содержащее фотодиод, катод которого соединен с первым (инвертирующим), а анод - со вторым (неинвертирующим) входом дифференциального усилителя с отрицательной обратной связью, цепь которой включает резистор и конденсатор, первые выводы каждого из которых электрически соединены в общую точку, второй вывод резистора соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход дифференциального усилителя является выходом устройства. Фотоприемное устройство, являющееся электронной схемой, включает источник питания.
Наличие в устройстве отрицательной обратной связи позволяет при высоком коэффициенте усиления дифференциального усилителя по переменному току уменьшить нелинейность фотоприемника при повышенных сигналах постоянного фона и расширяет динамический диапазон входного сигнала. Обеспечивается возможность селективного увеличения чувствительности в некоторой полосе частот, определяемой параметрами цепи обратной связи.
Однако недостатками этого устройства являются ограничение динамического диапазона по входному сигналу, недостаточная линейность передаточной характеристики при больших величинах входного сигнала, пониженная чувствительность к малым изменениям оптического сигнала при большой величине постоянной составляющей освещенности, например в условиях яркого искусственного или солнечного освещения. Кроме того, существует нелинейная зависимость чувствительности устройства от температуры окружающей среды (температуры нагрева фотодиода), при этом чувствительность падает по мере увеличения нагрева фотодиода, что требует термостатирования устройства.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство [Патент РФ 2193761, G01J 1/44, опубликовано 27.11.2002 г.], содержащее фотодиод, источник питания и дифференциальный усилитель, при этом катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства. Устройство также содержит регулируемое сопротивление, выполняющее функцию элемента отрицательной обратной связи, которое включено параллельно фотодиоду. По п.10 з.п. ф-лы (фиг.5) в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, его выходы являются, соответственно, выходами регулируемого сопротивления. Устройство содержит также аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен непосредственно с выходом дифференциального усилителя, а выход с помощью n-разрядной шины соединен со входом цифрового потенциометра, являющимся одновременно входом регулируемого сопротивления. Источник напряжения при этом подключается одним выводом к аноду фотодиода, а вторым выводом - ко второму входу дифференциального усилителя.
Схема этого устройства позволяет обеспечивать стабильность режима работы фотодиода, в частности позволяет компенсировать изменения выходного сигнала при изменении постоянной составляющей засветки фотодиода и изменении его чувствительности при изменении температуры окружающей среды, а также частично компенсировать изменения коэффициентов передачи схем усиления и преобразования. Это компенсационное воздействие формируется за счет изменения шунтирующего регулируемого сопротивления фотодиода, что позволяет поддерживать постоянство концентрации носителей зарядов (носителей тока) в полупроводниковом материале фотодиода.
Недостатком этого устройства является то, что компенсационное воздействие осуществляется только пропорционально току через фотодиод, что позволяет снизить погрешности измерения, связанные с аддитивными составляющими (постоянная засветка и изменение чувствительности фотоприемника при изменении температуры окружающей среды) и не позволяет снизить погрешности измерения, связанные с изменениями коэффициента черноты поверхности теплового излучателя и коэффициентов преобразования устройства. Кроме того, фотодиод в этом устройстве работает не в режиме короткого замыкания, что не обеспечивает линейности преобразования теплового излучения в фототок.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения температуры нагретых поверхностей за счет уменьшения влияния коэффициента черноты излучающей поверхности объекта контроля и уменьшения влияния коэффициентов передачи схем усиления и преобразования, повышение линейности преобразования при сохранении динамического диапазона без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотоприемника.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, по крайней мере, один элемент отрицательной обратной связи, катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, регулируемое сопротивление, выполняющее роль элемента отрицательной обратной связи, источник напряжения, аналого-цифровой преобразователь, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом дифференциального усилителя, согласно изобретению дополнительно введено вычислительное устройство, при этом анод фотодиода соединен с нулевой шиной и источником напряжения, второй вывод которого соединен с первым выводом регулируемого сопротивления, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода и первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с нулевой шиной, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом вычислительного устройства, выход последнего соединен со входом регулируемого сопротивления.
Изобретение поясняется чертежом фиг.1 - функциональная схема пирометра.
Пирометр содержит фотодиод 1, катод которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 2, а анод - с нулевой шиной и источником напряжения 3, второй вывод которого соединен с одним выводом регулируемого сопротивления 4, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода 1 и первым входом дифференциального усилителя 2, второй вход которого соединен с нулевой шиной, а выход усилителя является выходом устройства. Выход дифференциального усилителя 2 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен со входом вычислительного устройства 6, выход которого соединен со входом регулируемого сопротивления 4, которое является элементом отрицательной обратной связи.
Устройство работает следующим образом (фиг.1). При облучении фотодиода 1 лучистым потоком Ф от нагретой поверхности он генерирует ток, преобразующийся в напряжение усилителем 2. При этом поток излучения нагретой поверхности Ф в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорционален температуре нагретой поверхности как
-12
2
4
2
где Т - температура излучающей поверхности, К; σ - постоянная Стефана-Больцмана, (5,6697±0,0029)·10 Вт/(м·К); ε - коэффициент черноты нагретой поверхности; А - площадь нагретой поверхности, м.
F
Таким образом, фототок I, генерируемый фотодиодом, работающим в режиме короткого замыкания фотогальванического включения, будет соответствовать выражению:
F
где k - коэффициент преобразования фотодиодом лучистого потока в фототок.
Выходное напряжение усилителя 2 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 5, в котором преобразуется в цифровой код N, который поступает в вычислительное устройство 6, в котором масштабируется и возводится в четвертую степень, после чего поступает на регулируемое сопротивление 4.
Вых
Цифровой код N пропорционален выходному напряжению U усилителя 2 как
C
Вых
При этом цифровой код N, поступающий на регулируемое сопротивление, будет пропорционален выходному напряжению U усилителя 2 как
ВУ
АЦП
где k - коэффициент преобразования вычислительного устройства; k - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя.
K
C
Под действием этого кода регулируемое сопротивление 4 изменяет величину компенсирующего тока I, поступающего от источника напряжения 3 на второй вход дифференциального усилителя 2, величина которого будет пропорциональна N как
0
где k - коэффициент преобразования регулируемого сопротивления.
В результате действия отрицательной обратной связи за счет большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 фототек фотодиода и компенсирующий ток источника напряжения и регулируемого сопротивления уравновешиваются
Подставив в это равенство значения токов получим, с учетом выражений (1-6):
Из (7) следует, что на выходе усилителя 2 формируется напряжение, пропорциональное температуре излучающей поверхности и корню четвертой степени из всех коэффициентов, участвующих в преобразовании излучения в электрический сигнал
Вых
При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя формируется цифровой код N, пропорциональный выходному напряжению U усилителя 2 как
Извлечение корня четвертой степени значительно уменьшает значения погрешности зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры, связанной с изменениями коэффициента черноты нагретой поверхности ε и других коэффициентов преобразования устройства.
Таким образом, использование вычислительного устройства и схемы его включения в сравнении с прототипом позволяет повысить точность измерения температуры нагретых поверхностей за счет операции извлечения корня четвертой степени, что приводит к уменьшению численных значений коэффициента черноты и коэффициентов преобразования в устройстве, точные значения которых заранее неизвестны и могут изменяться в процессе измерений.