ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к средствам бесконтактного измерения температуры.
Известно устройство бесконтактного измерения температуры (RU 2213942 МПК G01J 5/60, опубл. 10.10.2003), содержащее оптическую систему, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок. Для вычисления значения температуры используется информация о спектральном распределении с каждого элемента матрицы.
Однако в известном устройстве существует индивидуальная зависимость параметров каждого элемента матрицы (неравномерность) от внешних условий, в частности, окружающей температуры (собственной температуры матрицы) и долговременной стабильности ее параметров (старения), что приводит к снижению точности измерений.
Известен также трихроматический пирометр (RU 2347198 МПК G01J 5/00, опубл. 20.02.2009), содержащий оптическую схему деления входного потока излучения, оптический модулятор и три фотоприемные площадки, принимающие излучение в различных спектральных интервалах.
Однако точность измерения температуры данным устройством также зависит от индивидуального влияния дестабилизирующих факторов (температуры, «старения») на каждый из приемников излучения.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является полихроматический пирометр (RU 2377511 МПК G01J 5/10, опубл. 27.12.2009). Устройство содержит вращающееся зеркало, осуществляющее развертку изображения объекта, расположенные по окружности фотоприемники со спектральными фильтрами, усилители, подключенные между выходом каждого фотоприемника и входами микропроцессора. При вращении зеркала в фотоприемники поочередно попадает излучение от объекта в спектральном интервале, определяемом индивидуальным фильтром. В результате по измерениям энергетической яркости для нескольких участков спектра и решения соответствующей системы уравнений, добиваются инвариантности показаний к излучательной способности объекта.
Однако при воздействии внешних факторов, например, температуры окружающей среды, старения и т.п., индивидуально изменяющих параметры каждого из приемников излучения, точность измерения может существенным образом снизиться.
Техническим результатом является повышение точности измерения при воздействии внешних факторов.
Данный технический результат достигается тем, что полихроматический пирометр снабжен, по меньшей мере, одним эталонным источником излучения с соответствующей фокусирующей системой для каждого источника излучения, а также дополнительным вращающимся зеркалом, установленным параллельно оптической оси входного объектива так, что ось вращения зеркал совпадают, при этом, усилитель на выходе каждого из фотоприемников выполнен с изменяемым коэффициентом излучения, причем вход управления коэффициентом усиления каждого из усилителей подключен к микропроцессору.
На фиг. 1 изображена схема полихроматического пирометра, на фиг. 2 представлен вид по стрелке A схемы пирометра для шести участков спектра.
Пирометр содержит объектив 1, перед которым установлено вращающееся зеркало 2, приводимое в движение с помощью двигателя 3, при этом ось вращения зеркала 2, совпадает с оптической осью входного объектива пирометра.
Фотоприемники 4 расположены в одной плоскости по окружности, через центр которой проходит оптическая ось входного объектива пирометра. Плоскость расположения фотоприемников перпендикулярна оптической оси входного объектива пирометра. Перед каждым фотоприемником 4 имеется соответствующий спектральный фильтр 5, к выходу каждого фотоприемника подключен соответствующий усилитель 6 с изменяемым коэффициентом усиления.
В плоскости фотоприемников расположены эталонные источники излучения 7 с фокусирующей системой 8 для каждого. Пирометр содержит дополнительное вращающееся зеркало 9, установленное параллельно оптической оси входного объектива и приводимое в движение с помощью двигателя 3. Оси вращения зеркал 2 и 9 совпадают.
Выход каждого из усилителей 6 соединен с соответствующим входом микропроцессора 10. Управляющий коэффициентом усиления вход каждого из усилителей подключен к индивидуальному выходу микропроцессора. К микропроцессору 10 также подключен индикатор температуры 11.
Пирометр работает следующим образом. После включения прибора запускается двигатель 3, в результате на каждый фотоприемник 4 за время одного оборота последовательно попадает излучение от измеряемого объекта, формируемое фокусирующей системой 1 и зеркалом 2, а также эталонных источников 7, проецируемое фокусирующими системами 8 и зеркалом 9.
Сигнал на выходе фотоприемника 4 зависит от величины потока излучения, попавшего на приемник от объекта (или эталонного источника). Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления 6 производит усиление данного сигнала и передает его на вход микропроцессора 10, который регистрирует данное значение. В момент, когда на фотоприемник 4 попадает излучение от одного из эталонных источников 7, измеренное значение сигнала сравнивается с некоторым постоянным значением, записанным в памяти микропроцессора 10 на этапе калибровки пирометра. Далее микропроцессор осуществляет подстройку коэффициента усиления для усилителя 6 таким образом, чтобы измеренное значение сигнала фотоприемника стремилось к постоянному значению, записанному в память микропроцессора. Таким образом, за несколько оборотов система автоподстройки производит подбор требуемого коэффициента усиления для данного спектрального канала. Аналогично происходит подбор коэффициента усиления для других спектральных каналов, причем в качестве эталонного 7 может использоваться как один и тот же, так и разные источники.
В момент, когда на один из фотоприемников 4 попадает излучение от объекта, регистрация сигнала происходит аналогичным образом, причем коэффициент усиления усилителя соответствует результату автоподстройки. После регистрации сигналов со всех фотоприемников микропроцессор вычисляет искомую температуру объекта и выдает соответствующее значение на индикатор. Значение температуры вычисляется из максимального приближения взаимного соотношения сигналов в различных спектральных интервалах (с разных фотоприемников) спектральному распределению, описываемому законом Планка. В простейшем случае (пирометр спектрального отношения), значение температуры вычисляется исходя из формулы:
,
где , ,
1
2
1
2
L, L - регистрируемые пирометром энергетические яркости, соответствующие длинам волн λ, λ,
1
2
C, C - коэффициенты,
T - искомая температура,
1
2
k, k - индивидуальные коэффициенты преобразования приемников излучения.
При вращении блока зеркал 2 и 9, помимо развертки, происходит оптическая модуляция потока излучения, поступающего на каждый приемник 4, как от измеряемого объекта, так и от эталонных источников 8. В данной полезной модели функцию модулятора выполняет вращающееся зеркало 9.
Сигнал на выходе фотоприемника 4 зависит от величины потока излучения попавшего на приемник от объекта, определяемого температурой объекта, а также характеристикой преобразования фотоприемника 4, которая индивидуальна для каждого экземпляра. Индивидуальность проявляется, в частности, в том, что каждый из фотоприемников 4 различным образом изменяет свои параметры (крутизну преобразования и т.п.) при изменении температуры окружающей среды (его собственной температуры). Для того чтобы нивелировать указанные выше индивидуальные особенности в данном техническом решении используется автоматическая подстройка коэффициентов усиления усилителей 6 под сигналы эталонных источников 7, причем различные фотоприемники 4 и эталонные источники легко могут быть сгруппированы по рабочим спектральным интервалам, путем их соответствующего взаимного расположения.
Известно, что с течением времени в ходе эксплуатации, особенно в тяжелых условиях, происходит деградация параметров (уменьшение значений коэффициентов чувствительности к) фотоприемников 4. Данная полезная модель позволяет оценить степень деградации путем сравнения значения управляющего воздействия, выдаваемого на регулируемый усилитель 6 каждого канала при подстройке под эталон на этапе производства и на этапе эксплуатации. Это позволяет заблаговременно принять решение о поверке, ремонте и калибровке оборудования и возможности его дальнейшей эксплуатации. Предупреждение о превышении предела деградации выводится на индикатор температуры 11 в виде дополнительной информации.
Таким образом, данный пирометр позволяет повысить точность измерения при воздействии внешних факторов.