ИНФРАКРАСНЫЙ РАДИОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры и может применяться при контроле температуры различных объектов, недоступных или труднодоступных объектов, таких как плавильные печи металлургического предприятия, а также в медицинских исследованиях.
Принцип действия инфракрасных радиометров (ИК радиометров) основан на преобразовании инфракрасного излучения объекта измерения в электрический сигнал с его последующей обработкой в электронном тракте и индикацией значений температуры объекта на цифровом табло.
Известен инфракрасный радиометр, содержащий корпус с окном для поступления излучения от наблюдаемого объекта, собирающий излучение зеркальный объектив, установленный в корпусе со стороны противоположной наблюдаемому объекту, приемник ИК излучения, установленный у окна корпуса и обращенный к зеркальному объективу, лопастной модулятор излучения, установленный на валу электропривода и размещенный в окне корпуса, при этом модулятор излучения установлен между приемником излучения и зеркальным объективом, а через центральное отверстие в зеркальном объективе проходит вал электропривода (RU 2072721 С1, 27.01.1997).
Недостаток данного устройства заключается в неконтролируемом тепловом излучении от деталей корпуса в апертурную диафрагму, которое вносит погрешность в измерение температуры объекта.
Также известен ИК радиометр, содержащий корпус, модулятор, зеркальный объектив, включающий зеркало с центральным отверстием, при этом модулятор включает расположенные соосно и последовательно в направлении распространения теплового излучения от объекта неподвижную апертурную диафрагму с секторными вырезами и вращающийся лопастной
прерыватель, установленный на валу электродвигателя (RU 2252398 С2, 20.05.2005).
Недостатком данной конструкции является недостаточная защита от нагревания деталей прибора, а также недостаточная точность измерения.
Задача, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в создании инфракрасного радиометра, исключающего указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в обеспечении повышенной точности локального измерения, расширении функциональных возможностей устройства, а также повышении долговечности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что инфракрасный радиометр содержит корпус с окном для поступления излучения от наблюдаемого объекта, собирающий излучение объектив, установленный внутри него, приемник ИК излучения, установленный у окна корпуса и оптически связанный с объективом, модулятор излучения, апертурную диафрагму, целеуказатель, по меньшей мере, один спектральный фильтр, полоса пропускания которого 0,2-40 мкм, при этом внешний диаметр объектива составляет до 100 мм. Датчик контроля температуры внутри корпуса.
Величины полосы пропускания спектральных фильтров, заданные диапазоном возможных значений (0,2-40 мкм), продиктованы современными технологическими возможностями изготовления приемников излучения.
Объектив может быть выполнен зеркальным или линзовым или многолинзовым или оптоволоконным. Зеркальный объектив имеет криволинейную внешнюю поверхность, радиус кривизны которой составляет 6-300 мм. Форма кривизны зеркального объектива может быть сферической или параболической или гиперболической.
Зеркальный объектив может быть выполнен из оптического стекла или из кварца или из неорганических металлов или их солей или их соединений.
Приемник излучения может быть пирометрический или оптический или матричный или фотодиодный или фоторезисторный или
фототранзисторный, при этом приемник излучения может быть одинарным или двойным или многопозиционным.
Приемник излучения может быть выполнен одноплощадочным или двухплощадочным или многоплощадочным.
Приемник излучения может быть выполнен с термоохладителем или без него.
ИК радиометр дополнительно содержит антибликовое защитное кольцо, установленное перед окном корпуса.
Спектральный фильтр может находиться в защитном кольце или на передней панели корпуса или внутри приемника или в держателе фильтра на приемнике или на диске модулятора, при этом на модуляторе может быть установлено несколько спектральных фильтров на разные длины волн. Фильтры могут быть установлены комбинировано, используя все всевозможные комбинации расположения.
Спектральные фильтры могут быть однослойными или многослойными.
Целеуказатель радиометра выполнен лазерным или светодиодным, при этом он может быть однолучевым или многолучевым.
Лазерный целеуказатель устанавливают по оси приема ИК излучения внутри корпуса или на корпусе параллельно оси приема ИК излучения или асимметрично оси.
Сущность полезной модели подтверждается чертежами, где на фиг.1 изображена оптическая блок-схема измерения потока ИК излучения со всей площади излучения излучающего (нагретого) тела; на фиг.2 - оптическая блок-схема измерения потока ИК излучения с части поверхности излучающего тела; на фиг.3 - измерения потока ИК излучения с площади, превышающей площадь излучающего тела; на фиг.4 - изображена оптическая блок-схема обратной передачи излучения; на фиг.5 - общий вид одного из вариантов реализации устройства; на фиг.6 - вид А фиг.5.
При прямой передаче, излучение от наблюдаемого объекта 1 попадает на объектив 2, например линзовый, апертурную диафрагму 3 и поступает на приемник ПК излучения 4 (фиг.1-3). Диаметр апертурной диафрагмы составляет от 0,2 до 5 мм. В том случае, если в качестве объектива используют оптоволокно, то внешний диаметр объектива составляет от 62 микрон до 1000 микрон.
При обратной передаче, излучение от наблюдаемого объекта попадает на объектив 2 (зеркальный), который фокусирует излучение на приемник ПК излучения 4 (фиг.4). Внешний диаметр зеркального объектива составляет 30-100 мм.
Инфракрасный радиометр содержит корпус 5 (фиг.5), имеющий выходное окно, через которое поступает ПК излучение от наблюдаемого объекта. Диаметр входного отверстия составляет от 62 мкм до 100 мм. Внутри корпуса в непосредственной близости от окна установлен приемник ПК излучения 4, оптическое фокусирующее устройство (объектив) 2 для приема излучения от наблюдаемого объекта и фокусирования его на приемник 4.
Приемник излучения может быть пирометрический, оптический, матричный, фотодиодный, фоторезисторный, фототранзисторный. При этом приемник может быть одноплощадочный, духплощадочный и более.
Зеркальный объектив имеет криволинейную внешнюю поверхность, обращенную к приемнику ПК излучения (фиг.2). Форма кривизны зеркала может быть сферической, параболической, гиперболической и т.д. внешний диаметр зеркала может иметь размеры 3 мм и более, в зависимости от возложенной на прибор задачи.
Зеркальные объективы и спектральные фильтры (отрезающие светофильтры) могут быть изготовлены из различных оптических материалов, например, из оптического стекла, из оптического цветного стекла (УФС-1, УФС-2, УФС-5, УФС-6, УФС-8, ФС-1, ФС-6, СС-1, СС-2, СС-4, СС-5, СС-8, СС-9, СС 15, СС 16, СС 17, СС 18, СЗС-5, СЗС 7, СЗС 8,
2
2
3
2
2
2
2
СЗС 9, СЗС 15, СЗС-16, СЗС 17, СЗС 20, СЗС 21, СЗС 22, СЗС 23, СЗС 24, СЗС 25, СЗС 26, СЗС 27, ЗС 1, ЗС 3, ЗС 7, ЗС 8, ЗС 10, ЗС 11, ЖЗС 1, ЖЗС 5, ЖЗС 6, ЖЗС 9, ЖЗС 12, ЖЗС 17, ЖЗС 18, ЖЗС 19, ЖС 3, ЖС 4, ЖС 11, ЖС 12, ЖС 16, ЖС 17, ЖС 18, ЖС 19, ЖС 20, ЖС 21, ОС 5, ОС 6, ОС 11, ОС 12, ОС 13, ОС 14, ОС 17, ОС 19, ОС 20, ОС 21, ОС 22, ОС 23-1, ОС 24, КС 10, КС 11, КС 21, КС 13, КС 23, КС 14, КС 24, КС 15, КС 25, КС 17, КС 27, КС 19, НКС 1, НКС 3, НКС 5, НКС 6, НКС 7, ПС 5, ПС 7, ПС 8, ПС 11, ПС 13, ПС 14, НС 1, НС 2, НС 3, НС 6, НС 7, НС 8, НС 9, НС 10, НС 11, НС 12, НС 13, НС 14, ТС 3, ТС 6, ТС 10, БС 3, БС 4, БС 7, БС 8, БС 12), из кварца(SiO), из кремния (Si), из ZnSe, из Ge, AgCl, или их солей (АlО, BaF, СаF, Csl, CuBr, CaCl, KCl, KRS-5, LiF, NaCl, NaF, PlF, CaS, Se, ZnS, MgO, CdTe).
На сегодняшний день наибольшее распространение получили радиометры с обратной передачей излучения. В этом варианте между преемником излучения 4 с усилителем 12 и зеркальным объективом 2 в непосредственной близости от последнего установлен лопастной модулятор излучения 6, закрепленный на валу 7 электродвигателя 8, установленного за зеркальным объективом 2 со стороны противоположной наблюдаемому объекту. Расстояние между зеркалом и модулятором не превышает 3 мм. Вал электропривода проходит через центральное отверстие в зеркальном объективе. В окне корпуса установлена апертурная диафрагма, имеющая размер от 15 мм до 100 мм и имеющая секторные вырезы аналогичные по форме лопастям модулятора излучения; в фотодиодном варианте - от 62 мкм до 100 мм с электронной или механической модуляцией. Возможно использование диафрагм различных конфигураций и размеров. Приемник излучения закреплен в центральной части диафрагмы.
Устройство также включает спектральные фильтры 9, которые могут находиться в защитном кольце 10 или внутри приемника, или в держателе фильтра на приемнике (фиг.5), или на передней панели, или на диске модулятора. При этом на диске модулятора может быть установлено
несколько фильтров на разные длины волн. Фильтры могут быть установлены комбинированно, используя все возможные комбинации расположения. Фильтры могут быть выполнены как однослойными, так и многослойными.
Радиометр может иметь систему антизапотевания зеркала и приемника излучения, систему защиты устройства от пыли, систему охлаждения приборов в виде водяной или воздушной рубашки, или систему термостатирования, а также электрически охлаждаемый приемник излучения.
Кроме этого, прибор имеет оптическое прицельное устройство и целеуказатель 13, указывающий место на объекте, с которого снимается информация о температуре. При увеличении или уменьшении расстояния измеряемый диаметр возрастает. При приближении к объекту вплотную, измеряемый диаметр увеличивается до размеров входного зрачка устройства. Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра. Однако, как только размер объекта меньше поля зрения (поле зрения - измеряемый диаметр объекта, с поверхности которого прибор принимает энергию инфракрасного излучения), радиометр принимает излучение от других объектов окружающей среды, оказывающее влияние на точность измерения. Целеуказатель может быть лазерным или светодиодным и иметь оптический прицел или прицельную планку.
Устройство может работать от аккумуляторных батарей, или батарей, которые устанавливаются в батарейный отсек в полость ручки 11 или от выносного стабилизированного источника питания.
Работает устройство следующим образом.
Постоянный тепловой поток от источника излучения через входное окно корпуса устройства проецируется на фокусирующее устройство, которое фокусирует приходящее излучение на приемник ИК излучения. Перед объективом, выполненном, например, в виде зеркала, установлен
вращающийся модулятор, который превращает постоянное тепловое излучение в переменное. Максимальный размах сигнала, приходящего на приемник излучения пропорционален разности температуры источника излучения и температуры лопасти модулятора (температуры внутри прибора). Для измерения температуры внутри прибора имеется встроенный термодатчик.
Тепловой поток преобразуется приемником ИК излучения в переменный электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается, выделяется его амплитудное значение, фильтруется и поступает в блок цифровой обработки сигнала. В блоке цифровой обработки сигнала производится преобразование входного сигнала в значение измеренной температуры, компенсация нестабильности измерений, компенсация изменения температуры окружающей среды, коррекция показаний в зависимости от установленной излучательной способности источника излучения.
В конструкции ИК радиометра предусмотрена автоматическая компенсация изменения температуры окружающей среды, цифровая установка излучательной способности реальных объектов измерения, режим запоминания максимального значения, визуальная сигнализация превышения порога срабатывания и индикация разряда батарей.
Обработка сигнала может быть как аналоговой, так и цифровой, либо аналогово-цифровой.