ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК
INFRARED SENSOR

Область техники
Изобретение относится к устройствам, измеряющим температуру, и, конкретно, к инфракрасным (ИК) датчикам температуры.
Уровень техники
ИК датчики, такие, например, как инфракрасные термометры (пирометры), т.е. ИК датчики для измерения температуры пятна ("слота"), применяются для получения выходного сигнала, характеризующего температуру в небольшой зоне контролируемого пятна. Во многих из них совместно используются термобатарея и резистивный детектор температуры (resistance temperature detector, RTD). Термобатарея генерирует выходное напряжение, характеризующее температуру интересующего пятна, а для RTD, используемого для компенсации температуры окружающей среды, требуется протекающий через него ток, который создает напряжение, являющееся функцией сопротивления и, следовательно, функцией этой температуры.
С целью минимизировать общее количество электрических проводников в ИК датчике, как термобатарея, так и RTD подключены двумя проводниками, чтобы обеспечить возможность двух независимых измерений. Однако если измерительные резистивные устройства, такие как RTD, имеют только два проводника, их сопротивление генерирует погрешность измерения, поскольку добавляется к суммарному сопротивлению RTD.
Один из подходов к решению проблемы погрешности, обусловленной сопротивлением проводников в измерении, которое проводится посредством двухпроводного RTD, заключается в применении RTD с большим (повышенным) сопротивлением. Например, одна из головок ИК термометра, выпускаемая фирмой Optris (модель LT15), содержит термобатарею и RTD марки РТ1000, у которого номинальная чувствительность составляет примерно 30 Ом/°С. Такая чувствительность помогает свести к минимуму эффекты импеданса проводников по сравнению с подобной двухпроводной схемой, имеющей меньшее сопротивление (такой как RTD марки РТ100). Однако из-за своего повышенного сопротивления большой RTD датчик будет усиливать токи любых электромагнитных помех; кроме того, потребуется уменьшить его разрешение для оцифровки. Для двухпроводного измерения, которое проводится резистором RTD РТ1000, компенсирующим воздействие окружающей среды, это неизбежно приводит к повышению шума и уменьшению точности по сравнению с уменьшенным RTD устройством, таким как RTD РТ100.
Раскрытие изобретения
Предлагаемый ИК датчик содержит термобатарею, генерирующую напряжение в зависимости от температуры контролируемого пятна, и RTD, изменяющий свое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды. RTD и термобатарея соединены в последовательную цепь, к которой подсоединены четыре электрических проводника. Из них первый и второй подсоединены к RTD, третий - к RTD и термобатарее, а четвертый - только к термобатарее. Наличие четырех проводников позволяет провести измерение сопротивления с использованием трех или четырех проводников для компенсации воздействия температуры окружающей среды на выходное напряжение, генерируемое термобатареей.
ИК датчик содержит датчик температуры и измерительный контур. В конструкцию датчика температуры входят термобатарея и RTD, имеющие собственные первый и второй терминалы. Первый терминал термобатареи соединен со вторым терминалом RTD. К первому и второму терминалам RTD подсоединены соответственно первый и второй проводники тока возбуждения, а к первому терминалу RTD и ко второму терминалу термобатареи подсоединены соответственно проводники для снятия первого и второго напряжений. Измерительный контур обеспечивает определение значения измеренной температуры на основе первого напряжения, а именно напряжения между первым и вторым проводниками для снятия напряжения, когда по этим проводникам не протекает ток, и второго напряжения, а именно напряжения между первым и вторым проводниками для снятия напряжения (или, как вариант, между первым проводником для снятия напряжения и вторым проводником тока возбуждения), когда по первому и второму проводникам тока возбуждения протекает ток возбуждения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена электрическая функциональная блок-схема варианта ИК датчика.
На фиг. 2 представлена электрическая функциональная блок-схема другого варианта ИК датчика.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 проиллюстрирован вариант ИК датчика (инфракрасного термометра) 10 для контроля температуры в небольшом пятне. ИК термометр содержит ИК термодатчик 12 и передатчик 14. Датчик 10 позволяет объединить измерение сопротивления с использованием четырех проводников и милливольтовый двухпроводной выход термобатареи, используя для измерения только четыре проводника.
Датчик 12 содержит воспринимающую ИК излучение термобатарею 16, резистор RTD 18 (такой как RTD РТ100), компенсирующий температуру окружающей среды, и проводники 20, 22, 24 и 26. Проводники 20 и 26 предназначены соответственно для снятия первого и второго напряжений, а проводники 22 и 24 - это соответственно первый и второй проводники тока возбуждения.
Передатчик 14 содержит контур 30 возбуждения, сигнальный процессор 32, цифровой процессор 34 и коммуникационный интерфейс 36. Главными функциями передатчика 14 являются преобразование, обработка и передача сигнала.
Сопряжение между датчиком 12 и контуром передатчика 14 обеспечивается терминальным блоком 28. В варианте, представленном на фиг. 1, этот блок содержит четыре клеммы, маркированные как 1-4. Проводник 20 для снятия первого напряжения подсоединен к клемме 1. Проводник 26 для снятия второго напряжения подсоединен к клемме 4. Первый и второй проводники 22 и 24 тока возбуждения подсоединены соответственно к клеммам 2 и 3 блока 28.
EXC
COMP
Контур 30 возбуждения обеспечивает формирование тока I возбуждения, который протекает через RTD 18, чтобы получить напряжение V, компенсирующее температуру окружающей среды и представляющее собой функцию температуры среды, окружающей датчик 12.
Сигнальный процессор 32 принимает напряжение с клемм 1 и 4 терминального блока 28 и преобразует это напряжение в цифровое значение, посылаемое в цифровой процессор 34.
EXC
EXC
В варианте, представленном на фиг. 1, сигнальный процессор 32 обеспечивает получение значений напряжения, соответствующих двум отдельным измерениям. Сигнальный процессор 32 (или, альтернативно, цифровой процессор 34) управляет работой контура 30 возбуждения таким образом, чтобы напряжение на клеммах 1 и 4 можно было измерить при отсутствии тока возбуждения I во время измерения первого напряжения и при протекании тока возбуждения I во время измерения второго напряжения. Предусмотрена возможность проводить измерения первого и второго напряжений поочередно или в любом другом порядке.
DET
DET
COMP
COMP
COMP
EXC
COMP
Термобатарея 16 генерирует напряжение V, которое является функцией принимаемого ею ИК излучения. Поскольку термобатарея 16 представляет собой термодатчик, температура среды, окружающей ИК термодатчик 12, будет влиять на значение V. Поэтому, чтобы получить сигнал V, компенсирующий температуру окружающей среды, применяют соответствующий резистор 18, сопротивление R которого изменяется в зависимости от температуры среды, окружающей датчик 12. Компенсирующий сигнал V равен I × R.
1
1
DET
1
При расположении проводников 20, 22, 24 и 26, показанном на фиг. 1, считывается напряжение на клеммах 1 и 4 терминального блока 28. Для измерения первого напряжения контур 30 возбуждения выключают, так что через компенсирующий резистор 18 ток не протекает. В результате разность потенциалов на компенсирующем резисторе 18 равна нулю. Первое напряжение V, а именно напряжение на клеммах 1 и 4, равно напряжению, генерируемому термобатареей 16, т.е. V=V. Сигнальный процессор 32 преобразует первое напряжение V в цифровое значение и передает это значение в цифровой процессор 34.
2
2
DET
COMP
Измерение второго напряжения выполняется сигнальным процессором 32 при включенном контуре 30 возбуждения. Во время этого измерения второе напряжение V, а именно напряжение на клеммах 1 и 4, равно напряжению, генерируемому термобатареей, суммированному с напряжением, компенсирующим температуру окружающей среды, т.е. V=V+V. Это напряжение также преобразуется в цифровое значение и передается в цифровой процессор 34.
DET
1
2
DET
COMP
Цифровой процессор 34 проводит компенсацию напряжения V, генерируемого термобатареей, в зависимости от температуры окружающей среды, чтобы выполнить для пятна, контролируемого ИК термодатчиком 12, измерение температуры с компенсацией влияния температуры окружающей среды. Значение, характеризующее температуру окружающей среды, получается в процессоре 34 посредством вычитания значения, характеризующего напряжение V, из значения, характеризующего напряжение V. В результате в процессоре 34 определяются значения, характеризующие V и V. Используя их, он выводит значение, соответствующее скомпенсированному значению измеряемой температуры и характеризующее температуру пятна, отслеживаемого датчиком 12.
Скомпенсированное значение измеряемой температуры передается цифровым процессором 34 в коммуникационный интерфейс 36, который посылает это значение в систему мониторинга или управления (на чертеже не изображена). Интерфейс 36 может осуществлять коммуникацию в различных известных форматах, включая аналоговый (токовый) выход с током в интервале 4-20 мА, коммуникационный протокол HART, в котором цифровая информация промодулирована током 4-20 мА, коммуникационный протокол для цифровой шины, например для полевой шины (IEC 61158), или беспроводную коммуникацию в беспроводной сети, использующую беспроводной протокол, такой, например, как WirelessHART (IEC 62951).
В случае измерительной схемы, представленной на фиг. 1, оба милливольтовых сигнала, т.е. сигнал от термобатареи 16 и с резистора 18, компенсирующего температуру среды вокруг RTD, можно измерить, применяя четырехпроводную конфигурацию, подобную конфигурациям, использованным в передатчиках температуры, таких как передатчик Rosemount 3144Р с встроенной компенсацией электромагнитного поля (EMF compensation). Это позволяет использовать в датчике 12 для компенсации температуры окружающей среды значительно уменьшенный RTD (марки РТ100), способный обеспечить более надежное измерение.
COMP
1
1
DET
2
EXC
COMP
EXC
24
2
COMP
EXC
24
На фиг.2 проиллюстрирован ИК датчик 10А, подобный ИК датчику 10 по фиг. 1, за исключением того, что сигнальный процессор 32 подсоединен также к клемме 3 терминального блока 28. В этом варианте V измеряют сигнальным процессором 32 в ходе не четырех-, а трехпроводного измерения. Сигнальный процессор измеряет напряжение V, т.е. напряжение на клеммах 1 и 4, когда контур 30 возбуждения отключен. Поскольку при отключенном контуре возбуждения ток через компенсирующий резистор 18 не протекает, V равно V. Когда контур 30 возбуждения включен, сигнальный процессор 32 измеряет напряжение V, т.е. напряжение на клеммах 1 и 3. Во время протекания тока I возбуждения через RTD 18 напряжение на клеммах 1 и 3 равно V, суммированному с падением напряжения, обусловленным током I, проходящим через сопротивление R проводника 24, т.е. V=V+I × R.
Хотя результат трехпроводного измерения тоже содержит погрешность, связанную с наличием проводников, она меньше, чем в случае двухпроводного измерения, выполняемого RTD 18. Трехпроводное измерение обеспечивает значение компенсации, не требуя для этого вычитания одного значения измеренного напряжения из другого.
Изобретение было описано со ссылками на его конкретные варианты, приведенные как примеры. Однако специалистам в данной области должно быть понятно, что в границах изобретения возможны различные изменения, а также эквиваленты, полученные путем замещения его элементов. В дополнение к этому, могут быть внесены многочисленные изменения, не выходящие за границы объема изобретения, с целью адаптировать изобретение к конкретной ситуации или к конкретному материалу. Поэтому следует учитывать, что изобретение не ограничено приведенными конкретными вариантами, но охватывает все варианты, лежащие в границах прилагаемой формулы.