Цифровой пирометр спектрального отношения

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и обечаек.
Известны оптико-электронные системы измерения температуры изделий с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала, содержащие логарифмические преобразователи (Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с 80).
Этим оптико-электронным системам присущи следующие недостатки: ограниченная точность измерения, обусловленная зависимостью параметров полупроводниковых элементов логарифмических преобразователей от внешних температурных условий; сложность и трудоемкость настройки таких систем, а именно нелинейных характеристик логарифмических полупроводниковых преобразователей.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий вибратор с фотоприемником, составной светофильтр, усилитель фототока  с блоком автоматической регулировки, состоящим из пик-детектора, задатчика и дифференциального усилителя, соединенного с элементом управления усилителя фототока, триггер Шмитта, одновибратор, блок вычитания, соединенный с коммутатором, соединяющего усилитель с цепью из генератора сигналов, триггера Шмитта и инвертора, подключенного к управляющему входу коммутатора через логический элемент И, ко второму входу которого подключен триггер, а коммутатор соединяет генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов (патент РФ №2077706, G01J 5/28, G01J 5/62, 1994).
RC
RC
Это измерительное устройство имеет низкую точность измерения, обусловленную использованием метода определения отношений двух амплитуд сигналов, реализующим автоматическую стабилизацию одной последовательности и генератором периодических сигналов специальной формы, выполненным на - элементах. Так как система автоматической стабилизации амплитуды имеет ошибку регулирования, а генератор периодических сигналов на аналоговых - элементах не может обеспечить с необходимой точностью сигнал специальной формы из-за температурной зависимости параметров генератора и сложности настройки.
Задачей является разработка цифрового пирометра, обеспечивающего стабильную работу в условиях высоких сетевых помех.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерения температуры изделий.
Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные объектив, два светофильтра и фотоприемник, соединенный с блоком определения отношения двух сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, а фотоприемник пирометра выполнен двухэлементным и установлен неподвижно, два выхода которого соединены с блоком определения отношения двух постоянных сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, и выполненном на базе аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием, в качестве второго входа которого используется вход опорного источника напряжения преобразователя.
RC
Указанное отличие позволяет повысить точность измерения температуры, благодаря тому, что в цифровом пирометре спектрального отношения блок определения отношения двух постоянных сигналов, соответствующих разным спектральным участкам, выполнен на базе аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием, обладающим высокой точностью в сравнении с блоком, реализующим автоматическую стабилизацию одной из двух чередующихся последовательностей импульсов и генератором периодических сигналов специальной формы, выполненным на - элементах.
На чертеже изображена функциональная блок-схема пирометра.
U
U
U
x
1
0
x
2
Пирометр представляет собой объектив  1, в плоскости изображения которого  установлен составной светофильтр, состоящий из двух светофильтров 2 и 3 с различными спектральными полосами пропускания. За светофильтрами 2 и 3 установлен двухэлементный фотоприемник 4, таким образом, чтобы каждый элемент фотоприемника находился напротив только одного светофильтра. Выходы фотоприемника подключены к входу аналого-цифрового развертывающего преобразователя (АЦП) с двухтактным интегрированием 5, который выполняет функцию цифрового логометрического преобразователя, а именно определяет отношение двух сигналов с двух разных участков спектра нагретой детали. На схеме приняты следующие обозначения: 6 и 7 - блоки усиления и перемножения; 8 - формирователь весовой функции первого измерительного канала; 9 - формирователь весовой функции второго измерительного канала; 10-интегратор; 11 - устройство сравнения; 12 - блок управления; 13 - устройство задания порогового уровня устройства сравнения; 14 –блок  цифрового выходного сигнала. Элемент фотоприемника, соответствующий первой длине волны пирометра, подключен на вход блока 6, который является измерительным входом АЦП сигнала , а, на вход блока 7, который предназначен для источника опорного напряжения , подключен элемент фотоприемника, соответствующий второй длине волны . К блоку 6 подключен формирователь весовой функции первого измерительного канала 8, а к блоку 7 подключен формирователь весовой функции второго измерительного канала 9. Выходы блоков 6 и 7 через сумматор подключены к интегратору 10, выход которого подключен к первому входу устройства сравнения 11, выход которого соединен с блоком управления 12. Первый выход блока 12 подключен через устройство задания порогового уровня 13 ко второму входу устройства сравнения 11, второй выход блока 12 подключен к формирователю 8, а третий выход – к формирователю 9. Выход формирователя 9 с блоком цифрового выходного сигнала 14.
Предлагаемый пирометр работает следующим образом.
Излучение от нагретого тела после прохождения объектива 1 попадает на светофильтры 2,3 и разделяется на две части, каждая из которых попадает на соответствующий  элемент фотоприемника 4. Затем, сигналы с него идут в электрическую схему прибора, где производятся соответствующие преобразования.
g
t
g
t
g
t
g
t
x1
x2
x
1
x2
В рамках функциональной блок-схемы пирометра могут быть реализованы известные алгоритмы уравновешивающего интегрирующего развертывающего преобразователя (ИРП). Весовая функция () блока 6, определяет динамические свойства ИРП, а весовая функция () блока 7 определяет вид выходной величины ИРП и создает удобства математического описания процессов ИР-преобразования. Весовая функция () в общем случае может принимать произвольные значения для реализации нелинейных функций преобразования, а весовая функция (), как правило, принимает значения +1, 0 и -1. Идеализированное уравнение преобразования интегратором 10 имеет вид:
, (1)
t
t
t
t
1
2
н
к
где  и  -постоянные времени интегратора по двум входам преобразований;  и  координаты начала и конца преобразования. Из уравнения (1) следует характеристика аналого-цифрового преобразования ИРП:
. (2)
g
t
g
t
Т
x
0
С учетом конкретно воспроизводимых в данном случае весовых функций () и (), а именно с постоянными значениями, из уравнения (2) следует выражение длительности импульса Δ, которое которая определяется отношением напряжений двух измерительных каналов фотоприемника 4.
, (3)
U
U
Т
x
1
x
2
1
где и   средние значения напряжений за интервал времени  значение входного напряжения.
T
U
Т
U
T
Т
T
1
x
1
x
1
1
0
Интервал времени первого такта имеет постоянное значение и в это время к входу интегратора подключен первый измерительный канал с напряжением . Интервал времени Δ второго такта интегрирования определяется при подаче к входу интегратора напряжения со второго измерительного канала с напряжением . Момент окончания второго такта определяется устройством сравнения выходного напряжения интегратора 11 при равенстве нулю сигнала с интегратора 10 . Необходимо отметить, что сигналы интегратора двух тактов имеют противоположные знаки скоростей. При преобразовании промежутков времени и Δ блоком 14 в цифру методом заполнения тактовыми импульсами с длительностью  и равенстве постоянных времени получено выражение
(4)
С помощью блоков управления 12 и задания порогового значения 13 может осуществляться алгоритм работы с преобразованием выходного сигнала в частоту, которая так же сравнительно просто преобразуется в цифру.
При такой реализации цифровой пирометр спектрального отношения в сравнении с известной схемой реализации выполняет три функции, а именно функции двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для каждого канала и цифрового логометрического преобразователя блока, а реализация нелинейной статической характеристики может быть реализовано с помощью выбора весовой функции.
Кроме того, такой цифровой пирометр спектрального отношения имеет хорошую защиту от сетевой помехи и позволяет значительно уменьшить влияние на погрешность измерения факторов, имеющих мультипликативный характер. По этой причине АЦП двухтактного интегрирования рекомендуются для использования в промышленных информационно-измерительных и управляющих системах.