СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF TEMPERATURE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к методам и средствам технологического контроля в литейном производстве, металлургии, химической и других отраслях, где требуется дистанционная, помехозащищенная аппаратура для работы в агрессивных, взрывоопасных условиях, и может быть использовано для определения температуры нагретых тел и расплавленных металлов.
Известен метод измерения и контроля температуры нагретых тел и расплавленных металлов, основанный на сравнении яркости контрольного излучателя посредством варьирования мощности нагрева нити или яркости самого измеряемого излучения перемещением серого оптического клина, при котором изменяется пропускная способность для измеряемого излучения, а мощность нагрева нити сравнительного излучателя должна быть строго стабилизированной (как эталон). (Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: пер. с нем. / под ред. Профоса П. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - С.341-346) [1]. Температура нагретого тела в таких способах косвенно отображается в мощности нагрева нити накаливания или в величине смещения ослабителя в виде серого оптического клина.
Недостатком способа является субъективность измерений, а также погрешность оценки спектрального коэффициента излучения поверхности нагретого тела, снижающие точность и производительность контроля. Введение поправочных коэффициентов радикально не улучшает метрологию таких методов.
Известен способ определения температуры нагретой поверхности, реализующий спектрально-энергетическую зависимость излучения и температуры (Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др. Под ред. Т.Окоси: пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1990, - С.144) [2]. По мере повышения температуры нагрева поверхности энергия излучения увеличивается, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. По имеющейся функциональной зависимости температуры и фиксированной длины волны (или в некотором спектральном диапазоне) определяется температура нагретой поверхности.
Недостаток способа в том, что нелинейная зависимость и неопределенность в определении коэффициента излучательной способности ε (энергия теплового излучения) ограничивают достоверность и диапазон прямых измерений температуры.
Наиболее близким по технической сущности является способ относительных измерений, в котором контролируемый параметр определяют соотношением интенсивности излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения (Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др. Под ред. Т.Окоси: пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1990, - С.145) [2]. Способ дистанционного измерения температуры состоит в приеме излучения нагретой поверхности оптической системой с волоконно-оптическими световодами, сканировании выходов волокон и обработке сигнала по методу двух цветов.
Недостаток данного способа заключается в низкой достоверности и точности дистанционных измерений температуры нагретой поверхности.
Известны бесконтактные оптические пирометры [1]. Время излучения нагретого тела определяют либо непосредственно приемником излучения, либо посредством сравнения с контрольным излучением, как это реализовано в пирометрах с исчезающей нитью накаливания.
Недостаток устройства - спектральная чувствительность - определяется узким интервалом длин волн.
Для контроля температуры раскаленных металлов и расплавов известны радиационные пирометры, принцип действия которых основан на восприятии излучения во всем спектральном диапазоне по схемам абсолютных измерений значения полного коэффициента излучения [1, с.339-342, 346-348].
Недостатком устройства является трудоемкость получения достоверных значений температуры, из-за больших различий значений полного коэффициента излучения (даже в различных справочниках) и субъективного учета специфики условий эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство [2, с.145], содержащее волоконно-оптическую систему, включающую световые детекторы и оптические волокна, сформированные в виде волоконно-оптического жгута, входные торцы волокон которого выполняют функцию чувствительного зонда. При этом входные торцы дискретов оптических волокон уложены в один ряд (в виде линейки), а их соответствующе выходы дистанцированы от нагретой поверхности. В измерительном окошке выходы каждого дискрета воспринимаются оптико-электронным сканером с последующей обработкой выходных сигналов по методу двух цветов.
Однако волоконно-оптическая система радиационного измерения температуры с передачей излучения пространственно-упорядоченными оптическими волокнами при своей помехозащищенности и относительной стабильности не обеспечивает требуемой достоверности и точности относительных измерений изменяющихся интенсивностей для двух смежных спектров излучений без учета характера излучательной способности (коэффициента излучательной способности).
Единой технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение достоверности и точности дистанционных измерений температуры нагретой поверхности при оперативном контроле физико-технических параметров процессов литейного производства и металлургии.
Задача достигается тем, что в способе дистанционного измерения температуры, включающем прием излучения нагретой поверхности оптической системой с волоконно-оптическими световодами, сканирование выходов волокон и обработку сигнала, оптическая система измерений выполнена с возможностью приема и каналирования излучения, а также ориентированного и одновременного взаимодействия с нагретой поверхностью и отражающими поверхностями со слабой и сильной излучательной способностью, а измерительную информацию о температуре нагрева контролируемой поверхности формируют по соотношению интенсивностей излучения от контролируемой нагретой поверхности, и отражающих поверхностей со слабой и сильной отражающей способностью.
Задача достигается тем, что в устройстве дистанционного измерения температуры, содержащем оптическую систему, включающую защитное стекло, градан-микрообъектив, граданы-формирователи и пространственно разделенные жгуты из элементарных оптических волокон, фотоприемники и блок первичной обработки, при этом оптическая система выполнена комбинированной с разделением излучения нагретой поверхности по двум коллекторам - распределителям, причем одна часть излучения каналируется в световодных жгутах, ориентированных на отражающие поверхности со слабой и сильной излучательной способностью с последующим каналированием отраженных от этих поверхностей излучений по жгутам, объединенным в опорных коллекторах-излучателях со световодными жгутами, содержащими другую часть излучения от контролируемой нагретой поверхности, и конструктивно обособленным жгутом информативного излучения, при этом пространственно разделенные жгуты из элементарных оптических волокон установлены с возможностью передачи сигнала по световодным жгутам опорных коллекторов-излучателей и световодному жгуту информативного излучения контролируемой нагретой поверхности, поступающие на соответствующие фотоприемники, выходы которых связаны с блоком первичной обработки.
Способ дистанционного измерения температуры осуществляется следующим образом.
Способ дистанционного измерения температуры включает прием излучения нагретой поверхности оптической системой с волоконно-оптическими световодами, сканирование выходов волокон и обработку сигнала. Оптическая система формирования, распределения и преобразования информации взаимодействует с нагретой поверхностью и отражающими поверхностями со слабой (ε=0,06) и сильной излучательной способностью (ε=0,95). Измерительную информацию о температуре нагрева контролируемой нагретой поверхности формируют по соотношению интенсивностей излучения от контролируемой нагретой поверхности и отражающих поверхностей со слабой и сильной отражающей способностью.
На чертеже представлена схема устройства дистанционного измерения температуры.
Устройство содержит пространственно разделенную оптическую систему, с помощью которой воспринимается и каналируется информативное излучение нагретой поверхности (контролируемой) 1, стекло защитное 2, градан-микрообъектив 3, коллектор приемный информационный 4, коллекторы-распределители 5 и 6, жгуты световодные 7 опорного излучения, коллектор-преобразователь 8 излучения с сильной отражательной способностью поверхности 9, коллектор-преобразователь 11 излучения со слабой отражательной поверхностью 10 и нагретой поверхностью, оптически и конструктивно связанные через жгуты 12 и 13 с коллекторами-излучателями 14, 15 и 16, излучения которых граданами-формирователями 17 направлены на чувствительные элементы фотоприемников ФП1, ФП2, ФПИ и блок первичной обработки БПО.
Способ реализуется устройством, работающим следующим образом.
За счет световодных жгутов 13 излучение нагретой поверхности 1 смешивается в коллекторе 14 с излучением поверхности с сильной отражательной способностью 9 и поверхности со слабой отражательной способностью 10 в коллекторе-излучателе 15. При этом измеряется интенсивность излучения контролируемой поверхности 1 и отраженное излучение от поверхностей 9 и 10 с контрастной отражательной способностью (сильной и слабой), а по соотношению этих контрастных излучений, смешанных в коллекторах-излучателях 14 и 15, и информативного излучения жгута 16 сигналы соответствующих выходов фотоприемников ФП1, ФП2 и ФПИ обрабатывают в блоке первичной обработки БПО, по результатам обработки идентифицируют измеряемую температуру. В такой совокупности информационно-преобразовательных операций и световодных каналирующих, направляющих и смешивающих оптические излучения от контролируемой поверхности и отражающих поверхностей с большим различием в излучательной способности поверхностей улучшаются метрологические возможности и эргономика контроля (за счет дистанцирования оператора от нагретой поверхности).
Источники информации
1. Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Кн.2. Способы измерения и аппаратура: пер. с нем. / под ред. Профоса П. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990. - 384 с.
2. Волоконно-оптические датчики / Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др. Под ред. Т.Окоси: пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ие, 1990, - С.144-145. - прототип.