ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ
PYROMETER OF SPECTRAL RATIO

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел методом спектрального отношения, и может быть использовано в любых отраслях промышленности для измерения температуры различных материалов и изделий.
1
2
1
1
2
2
Известны пирометры, которые методом спектрального отношения измеряют температуру нагретого тела. Такие пирометры регистрируют тепловые потоки в двух различных участках спектра Δλ и Δλ излучения нагретого тела и по отношению электрических сигналов на выходах двух каналов (U(λ) и U(λ)) судят о температуре нагретых тел [Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур [Текст] / Д.Я.Свет - М.: Наука, 1982. - 296].
Разделение теплового потока на два канала измерения, регистрирующих излучение в разных спектральных диапазонах, возможно различными способами.
Известно устройство [патент РФ 570794, G01J 5/60, 30.08.77 г.], содержащее два однотипных приемника излучения, размещенных в термостате, оптическую систему, второй термостат, в который установлен один из приемников излучения, а его температура отличается от первого.
В данном устройстве применены два однотипных приемника излучения, а смещение спектральных характеристик приемников осуществляется за счет их термостатирования при разных температурах. Благодаря этому спектральная характеристика приемника, находящегося при более низкой температуре, смещена в длинноволновую область спектра, а приемника с более высокой температурой - в коротковолновую область.
Недостатками этого устройства является то, что поток излучения делится на два канала с помощью полупрозрачного сферического зеркала, что ослабляет регистрируемый поток и уменьшает чувствительность прибора в целом, кроме того, применение двух каналов, зеркала и термостатов усложняет конструкцию, а предел измерения низких температур зависит от температуры термостатирования приемников излучения.
Известно также устройство [патент РФ 2192624, G01J 5/60, 10.11.2002 г.], содержащее объектив, приемник излучения, два неподвижных отражающих зеркала, два светофильтра, конденсор, диафрагму, обтюратор - наклонное малогабаритное отражающее зеркало, закрепленное на валу малогабаритного быстроходного двигателя.
В данном устройстве применен один приемник излучения, а разнесение спектральных характеристик на два измерительных канала осуществляется с помощью двух светофильтров с различными спектральными характеристиками.
Недостатком этого устройства является наличие сложной оптической системы, содержащей подвижные части и два светофильтра, которые ослабляют поток излучения, что приводит к снижению чувствительности устройства и усложнению конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство [патент РФ 2290614, G01J 5/60, 27.12.2006 г.], содержащее объектив, фокусирующий изображение контролируемого тела на два фотоприемника, перед каждым из которых установлен фильтр излучения, усилители сигналов каждого фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор и индикатор температуры.
При этом каждая пара: фильтр излучения и фотоприемник - установлена соосно оптической оси объектива, первый фотоприемник, чувствительный в области длин волн 600-1200 нм, выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волны более 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник, а перед первым фотоприемником установлен светофильтр, поглощающий излучение в видимой части спектра. Также имеется элемент питания.
В данном устройстве применены два фотоприемника, работающие в различных спектральных диапазонах.
Недостатком данного устройства является наличие двух фотоприемников, кроме того, один из них выполнен в виде фильтра, что ослабляет проходящий через него поток излучения и снижает чувствительность прибора.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение чувствительности пирометра спектрального отношения (далее пирометра).
Поставленная задача достигается тем, что в пирометр, содержащий объектив, фокусирующий изображение контролируемого тела на фотоприемник, перед которым установлен фильтр излучения, усилитель сигнала фотоприемника, микропроцессор с двумя аналого-цифровыми преобразователями, индикатор температуры и элемент питания, согласно изобретению дополнительно введен управляемый микропроцессором переключатель, один полюс которого подключен к элементу питания, а второй - ко входу усилителя, при этом общий полюс переключателя подключен к фотоприемнику.
На Фиг.1 изображена функциональная схема пирометра спектрального отношения.
На Фиг.2 приведена электронно-функциональная схема конкретной реализации пирометра спектрального отношения.
Пирометр содержит объектив 1, фотодиодный приемник излучения 2, фильтр излучения 3, переключатель 4, усилитель 5, микропроцессор 6 с двумя встроенными аналого-цифровыми преобразователями, элемент питания 7 и индикатор температуры 8.
а
Пирометр спектрального отношения работает следующим образом. Объектив 1 строит изображение объекта измерения на приемнике излучения 2. Светофильтр 3 поглощает излучение в видимой части спектра. В первом цикле работы управляемый переключатель 4 по команде микропроцессора 6 переводится в положение «» и подключает фотоприемник 2 к элементу питания 7, обеспечивая фотодиодный режим работы фотоприемника 2, подключенного к усилителю 4. Выходной сигнал усилителя 4 считывается первым входом микропроцессора 6. Во втором цикле работы по команде микропроцессора 6 переключатель 4 переводится в положение «б», обеспечивая тем самым фотогальванический режим короткого замыкания фотоприемника 2. При этом выходной сигнал фотоприемника 2 подается через усилитель 5 на микропроцессор 6 и считывается его вторым входом. После этого микропроцессор 6 производит вычисление отношения выходного сигнала фотоприемника, работающего в фотодиодном режиме работы с приложенным обратным напряжением к сигналу этого же фотоприемника, работающего в фотогальваническом режиме короткого замыкания, когда приложенное к фотоприемнику напряжение равно нулю. Сигнал с микропроцессора 6 поступает на индикатор температуры 8, к которому можно подключить электронный индикатор, компьютер или самописец.
В данном пирометре работа одного фотоприемника в двух спектральных диапазонах обеспечивается благодаря изменению спектральной чувствительности фотодиодов при переходе от фотодиодного режима работы к фотогальваническому в режиме короткого замыкания. Согласно физике работы p-n - перехода фотодиода, по данным [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов [Текст] / Г.Г.Ишанин, Э.Д.Панков, А.Л.Андреев, Г.В.Польщиков - СПб.: Политехника, 1991 с.118-121] при увеличении обратного напряжения, приложенного к p-n-переходу, растут ширина области объемного заряда, высота потенциального барьера и увеличивается ширина p-n-перехода, что приводит к увеличению коэффициента собирания неосновных носителей заряда и, как следствие, к увеличению максимума спектральной чувствительности и ее сдвигу в длинноволновую область.
Предложенное подключение фотодиодного приемника излучения, позволяющее работать с одним фотоприемником в двух спектральных диапазонах, в сравнении с прототипом, позволяет повысить чувствительность прибора для измерения температуры нагретых поверхностей за счет устранения потерь на поглощение в фильтрах. Кроме того, благодаря исключению второго приемника излучения и усилителя второго канала достигается значительное упрощение конструкции пирометра спектрального отношения.
Рассмотрим конкретный пример реализации пирометра спектрального отношения (рис.2).
В качестве приемника излучения ФД используется кремниевый фотодиод ФД256. В качестве операционного усилителя D1 применен усилитель AD8552, в качестве микропроцессора МП - MSC121045. Ключи S1-S3 выполнены на микросхеме TC7MBL3125. В качестве клавиатуры К для управления режимами микропроцесса использована клавиатура типа СК-11.
а
В первом цикле работы управляемый переключатель S1 разомкнут, S2 - замкнут в положении «», S3 - замкнут. Тем самым обеспечивается фотодиодный режим работы фотодиода ФД и режим повторителя напряжения усилителя D1. Во втором цикле работы по команде микропроцессора МП переключатель S1 замыкается, S2 переключается в положение «б», S3 размыкается, тем самым обеспечивается фотогальванический режим короткого замыкания фотодиода ФД. При этом усилитель D1 работает в режиме преобразования ток-напряжение. После этого микропроцессор МП производит вычисление отношения выходного сигнала фотоприемника, работающего в фотодиодном режиме работы с приложенным обратным напряжением к сигналу этого же фотоприемника, работающего в фотогальваническом режиме короткого замыкания, когда приложенное к фотоприемнику напряжение равно нулю.
Таким образом, реализация в устройстве переключения режимов работы фотодиода с фотодиодного в гальванический режим короткого замыкания (приложенное к фотодиоду напряжение равно нулю) обеспечивает разные диапазоны спектральной чувствительности фотодиода, что позволяет использовать вычисление отношения сигналов реакции фотодиода в различных спектрах, поступающих на микропроцессор, для реализации пирометра спектрального отношения. Кроме того, исключение второго фотоприемника и второго канала усиления значительно упрощает конструкцию пирометра, а повышение чувствительности обеспечивается за счет исключения ослабления проходящего потока излучения в полупрозрачном фильтре-фотоприемнике.