ПИРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а более конкретно к бесконтактным пирометрам для измерения температуры поверхности различных объектов.
Известен пирометр, использующий пирометрический способ измерения температуры объекта, включающий периодическую амплитудную модуляцию теплового излучения от объекта с помощью модулятора, содержащего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся лопастный прерыватель с числом лопастей, равным числу секторных вырезов в апертурной диафрагме, с последующей фокусировкой промодулированного теплового излучения на приемник и преобразованием его в электрический сигнал, при этом в процессе измерения температуры объекта поддерживают на постоянном уровне величину поступающего на приемник теплового излучения от лопастного прерывателя [1].
Как известно, принцип работы пироэлектрического приемника теплового излучения основан на пироэлектрическом эффекте, который состоит в изменении поляризации пироактивного кристалла во времени при воздействии на него изменяемого по интенсивности (модулируемого) потока излучения. Модуляция потока излучения приводит к снижению интенсивности теплового потока, попадающего на приемник. От интенсивности теплового потока при фиксированной температуре объекта измерения зависят чувствительность прибора и точность измерений. Поэтому существует необходимость поиска альтернативных способов модуляции теплового потока, дающих возможность повышения интенсивности теплового потока, попадающего на приемник.
Недостаток известного пирометра заключается в необходимости организации постоянной амплитудной модуляции во время измерения, а также обеспечения высокостабилизированной скорости вращения лопастного прерывателя.
Известен также оптический пирометр, взятый в качестве прототипа, согласно которому периодически модулируют по амплитуде тепловое излучение от объекта с помощью модулятора, включающего расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся вокруг упомянутой выше оси лопастный прерыватель с числом лопастей, равным числу секторных вырезов в апертурной диафрагме, температуру которой непрерывно измеряют, а после фокусировки промодулированного теплового излучения объекта на пироэлектрический приемник осуществляют преобразование его в электрический сигнал, причем в процессе измерения температуры объекта поддерживают на постоянном уровне величину поступающего на приемник теплового излучения от лопастного прерывателя [2].
Недостаток известного пирометра заключается в необходимости организации постоянной амплитудной модуляции, вносящей значительные помехи при измерении, а также необходимости поддержания на постоянном уровне величины, поступающего на приемник, теплового излучения от лопастного прерывателя. Необходимость поддержания на постоянном уровне величины теплового излучения от лопастного прерывателя (вращающегося элемента оптико-механической части) неизбежно приводит к увеличению расстояния между элементами модулятора и, как следствие, к модуляции теплового излучения фона, окружающего контролируемый объект. В результате возникает погрешность измерений температуры объекта.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности и быстродействия измерений температуры объекта при
осуществлении изменения интенсивности входного теплового потока излучения с помощью двухпозиционной шторки.
Технический результат достигается тем, что в известном пирометре, содержащем последовательно расположенные лопастный модулятор, выполненный из двух идентичных лопастей, постоянно вращающейся и неподвижной, систему линз, приемник излучения и блок обработки сигналов, изменение интенсивности входного теплового потока излучения осуществляет двухпозиционная шторка, полностью перекрывающая сечение теплового потока излучения перед приемником излучения в начальный момент измерения и полностью открывающая сечение теплового потока излучения перед приемником излучения в конечный момент измерения, после чего возвращающаяся в исходное положение.
На фиг.1 изображено устройство шторки (передняя панель с диафрагментирующим отверстием условно не показана). На фиг.1 условно обозначены: 1 - приемника излучения; 2 - держатель; 3 - электродвигатель; 4 - шторка; 5 - упор шторки.
Как известно, плотность тока, возникающего при изменении температуры пироактивного кристалла, описывается выражением:
где Р - модуль вектора поляризации кристалла; γ=dP/dT -пироэлектрический коэффициент.
Из формулы следует, что величина выходного тока приемника теплового излучения изменяется при изменении интенсивности теплового излучения, поступающего на его вход. При одинаковых температурах теплового излучения и пироэлектрической поверхности на выходе приемника теплового излучения выходной ток отсутствует. При появлении
градиента температур теплового излучения и пироэлектрической поверхности происходит поляризация пироактивного кристалла и на выходе приемника теплового излучения возникает напряжение пропорциональное интенсивности теплового излучения. Из этого следует, что для измерения температуры объекта необходимо осуществлять изменение интенсивности входного теплового потока излучения объекта. На фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика приемника теплового излучения.
Интегральная чувствительность приемника теплового излучения определяется по формуле:
где U - сигнал на выходе приемника; Ô - лучистый поток, падающий на приемник.
Из фиг.2 видно, что наибольшая чувствительность приемника теплового излучения, следовательно, и наибольшая точность измерения достигаются при частоте модуляции 0.1-1 Гц. На данной частоте возникают трудности технической реализации процесса измерения. Так как возрастает время измерения. Поэтому возникает необходимость увеличения частоты модуляции. Однако при этом происходит снижение чувствительности приемника теплового излучения, следовательно, увеличение отношения сигнал/шум и снижения точности измерений.
Избежать этого возможно благодаря применению двухпозиционной шторки, полностью перекрывающей сечение приемника излучения в начальный момент измерения и полностью открывающей сечение приемника излучения в конечный момент измерения, после чего возвращающейся в исходное состояние. Конструктивное исполнение двухпозиционной шторки представлено на фиг.1.
Вид осциллограмм полученных на выходе приемника теплового излучения при различных температурах объекта измерения показан на фиг.3.
1
2
Работа устройства происходит следующим образом. В исходном положении шторка, выполненная из отражающего тепловое излучение материала, полностью перекрывает сечение теплового потока излучения перед приемником. При этом напряжение на выходе приемника имеет постоянное значение. Начало процесса измерения сопровождается открытием шторки, в результате чего на приемник теплового излучения поступает тепловой поток от объекта измерения. Напряжение на его выходе изменяется. Интегральная величина напряжения снимаемого с выхода приемника теплового излучения с момента времени t до момента t (фиг.3) является исходной для дальнейшей обработки. Сигнал с выхода приемника теплового излучения поступает на аналого-цифровой преобразователь с высокой частотой дискретизации. Далее цифровые отсчеты обрабатываются микропроцессором.
В отличие от прототипа измерение интенсивности излучения происходит не по ряду амплитуд последовательных импульсов полученных при постоянной амплитудной модуляции, а по переднему фронту единичного импульса.
Полученный, в момент открытия шторки, первый единичный импульс имеет амплитуду большую, чем у серии последовательных импульсов, образованной при вращении лопастного модулятора. Вычисление значения температуры объекта происходит по скорости нарастания переднего фронта единичного импульса. Единичный импульс имеет амплитуду большую, чем в прототипе, это приводит к повышению точности измерений.
По истечении времени 0.1-0.5 сек (время экспозиции) шторка начинает движение в обратном направлении и возвращается в исходное состояние, закрывая приемник теплового излучения. В течение следующих 0.15-1.8 сек. происходит выравнивание температуры пироэлектрической пластины с температурой окружающей среды.
Использование описанного способа измерения повышает точность измерений. Кроме того, кратковременное включение электродвигателя (0.1-0.5 сек), поворачивающего шторку, в отличие от постоянного вращения лопастного модулятора, приводит к снижению потребления электроэнергии, что увеличивает время работы переносного прибора. Так же повышается быстродействие измерений, так как расчет температуры проводят по параметрам переднего фронта первого импульса электрического сигнала на выходе приемника теплового излучения.
Благодаря расположению шторки в непосредственной близости от приемника теплового излучения достигается высокая защищенность приемника теплового излучения от тепловых помех. Для формирования заданной характеристики потока излучения введено удаленное от приемника теплового излучения диафрагментирующее отверстие. Использование диафрагментирующего отверстия позволяет исключить применение оптической системы, требующей значительных технологических затрат при ее изготовлении.
Заявляемый пирометр может быть использован для измерения температуры как движущихся, так и стационарных объектов с целью диагностики перегрева, контроля температуры, вычисления количества нагретых тел и др.
Литература:
1. Патент РФ RU 2072721 С1
2. Патент РФ RU 2196306 С2