ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР

. Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к бесконтактному измерению температуры по тепловому излучению объектов с помощью пирометров, и может быть использована для измерения температуры различных тел в металлургии, кузнечно-прессовочном производстве и производстве стройматериалов. Известен фотоэлектрический пирометр частичного излучения Авт. свид. СССР № 301563 МКИ G01J 5/28, бюл. 14,1971г., содержащий фотодиод, усилительно-преобразовательный блок, источник регулируемого напряжения. Недостатком известного устройства является погрепшость измерения из-за нечерноты излучения объекта, т. к. в нем не производится формирование поправки на излучаюп ую способность объекта. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемой полезной модели является пирометр РАПАН-2 (Журнал Приборы и техника эксперимента № 5, 1997г., с. 11), который состоит из оптической части с датчиком, схемы аналоговой обработки сигнала и схемы индикации. В качестве датчика в известном пирометре использован двухканальный комбинированный датчик на основе кремниевого и германиевого фотодиодов.
При всех преимуществах данного пирометра РАПАН-2 следует отметить сложность конструкции оптического канала с двумя чувствительными элементами (фотодиодами). Кроме того, являясь пирометром спектрального отношения, РАПАН-2 обеспечивает исключение влияния излучательной способности (s) объекта на результат измерения лишь для так называемых серых тел, для которых е не зависит от эффективной длины волны чувствительных элементов (фотодиодов).
Большинство объектов не являются серыми телами. Формирование поправок на излучательную способность объекта в этом устройстве невозможно.
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание данной полезной модели, является повышение точности измерения за счет исключения зависимости результата измерения температуры объекта от его излучательной способности.
Указанный технический результат достигается тем, что в фотоэлектрический пирометр, содержаший блок оптико-электрического преобразования, чувствительным элементом которого является фотодиод; логарифматор, вход которого подключен к фотодиоду; сумматор, первый вход которого подключен к выходу логарифматора, а выход - к первому входу аналого-цифрового преобразователя и к входу делителя напряжения, выход которого подключен к первой клемме второго входа аналогоцифрового преобразователя; генератор опорного напряжения, выход
которого соединен с вторым входом сумматора и второй клеммой второго входа аналого-цифрового преобразователя, - в него введен блок формирования поправки на излучательную способность объекта, содержащий последовательно соединенные второй логарифматор и блок цифровой проводимости, содержащий параллельно включенные между собой п пар из последовательно соединенных разрядного резистора и ключа, при этом выход блока формирования поправки на излучательную способность объекта подключен к третьему входу сумматора устройства, а вход - к источнику постоянного напряжения.
Генератор опорного напряжения содержит третий логарифматор с входным резистором и делитель напряжения, причем первый вход его логарифматора подключен к источнику постоянного напряжения, а выход генератора опорного напряжения является выходом упомянутого логарифматора, при это вход делителя напряжения связан с первым входом третьего логарифматора, а его выход подключен ко второму входу третьего логарифматора.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого фотоэлектрического пирометра.
Фотоэлектрический пирометр содержит блок 1 оптико-электрического преобразования с фотодиодом 2 в качестве чувствительного элемента, первый логарифматор 3 с логарифмирующем элементом 4, блок 5 формирования поправки на излучательную способность объекта. Блок 5
содержит последовательно соединенные второй логарифматор 6 и блок 7 цифровой проводимости. При этом блок 7 цифровой проводимости содержит параллельно включенные п пар последовательно соединенных между собой разрядного резистора 8 и ключа 9, а вход блока 5 подключен к источнику постоянного напряжения VcПирометр так же содержит генератор 10 опорного напряжения, сумматор 11, делитель напряжения 12 и аналого-цифровой преобразователе (АЦП) 13.
Генератор 10 опорного напряжения содержит третий логарифматор 14 с логарифмирующим элементом 15, входным резистором 16, операционным усилителем 17, а так же делитель напряжения 18.
Вход делителя напряжения 18 и первый вход третьего логарифматора 14 подключены к источнику постоянного напряжения С/с, а выход делителя напряжения 18 соединен со вторым входом третьего логарифматора 14.
Входы сумматора 11 подключены соответственно к выходам логарифматоров 4 и 6, а так же к выходу генератора опорного напряжения 10. Выход сумматора И подключен к делителю напряжения 12 и к первому входу АЦП 13. Выход делителя напряжения 12 подключен к первой клемме второго входа АЦП 13.
Вход логарифматора 3 подключен к одному полюсу фотодиода 2, другой полюс которого подключен к общей шине.
Вход второго логарифматора 6 подключен через блок 7 цифровой проводимости к источнику постоянного напряжения .
Выход генератора опорного напряжения 10 подсоединен к второй клемме второго входа АЦП 13.
Устройство работает следующим образом.
Излучение объекта, отбираемое блоком 1, возбуждает в фотодиоде 2 ток //, который является входным током логарифматора 3. Этот ток, протекая через  р-п - переход логарифмирующего элемента 4, создает на нем падение напряжения t//, которое связано с током/у зависимостью ( при С/у  0.1В):
J -J ph (1)
где Isi - ток насыщения р-п - перехода, логарифмирующего элемента 4;
q,k- физические константы;
t - абсолютная температура окружающей среды.
Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых гфиборов. М., 1969, с. 104
Решая (1) относительно С//, получим
f/,(ln/,-ln4,)(2)
Это напряжение, являясь также выходным логарифматора 3, поступает на первый вход сумматора 11. Входной ток логарифматора 6 блока
формирования поправки 5 задается постоянным напряжением Uc и проводимостью G блока цифровой проводимости 7:
4  U,G
Включением разрядных резисторов 8 блока цифровой проводимости 7 посредством ключей 9 обеспечивают изменение этой проводимости
G  gom
где ,2 ... 1,0 с шагом 0,05;
go - максимальная проводимость при всех включенных ключах 20.
,Wgo(3)
Для выходного напряжения t/ логарифматора 6 по аналогии с (2)
имеем
(ln/2-ln/,2)(4)
Знаки U и 172 противоположны, поэтому на выходе сумматора 11 будет напряжение Us (без учета сигнала с генератора опорного напряжения 10)
и, и, -и, -(1п/2 -1п/,2 -ЬА +ln/,J
Если в качестве логарифмирующих элементов использовать, например, транзисторы (в диодном включении) ми1фосхемы 198НТ, то обеспечивается
6yi ///4,/
При этом условии
(ln/,-ln/,)(5)
Ток фотодиода 2 связан с абсолютной температурой Т объекта формулой Вина А. А. Поскачей, Б. П. Чубаров, Оптико-электронные
системы измерения температуры. М, Энергия, 1979, с.4. С учетом коэффициента преобразования а блока оптико-электрического преобразования 1 имеем
/1  е , (6)
где С, С2 - физические константы;
Я - эффективная длина волны фотодиода 2; - коэффициент излучения объекта. Подставляя (4) и(6) в (5) получим
kt fс
и - In6 +lnw + lngo -Ina-lnc +51пЯ-1п Ч-
А с учетом сигнала Up с генератора опорного напряжения 10, поступающего на третий вход сумматора 11 имеем:
Li  /.2 kt( и. - U, + ngf,С  n.c. +  ЛТ)
где n - коэффициент передачи сумматора 11 по третьему входу. Если обеспечить равенство
InU +lngQ -lna- nci +5lnA + (7)
то получим
и  lnw-ln + w
С2 kt
и.
ЛТд(5)
Однако этот сигнал зависит от окружающей температуры t.
Чтобы исключить зависимость результата измерения (кода АЦП 13) от температуры t и вместе с тем получить линейнзто зависимость кода АЦП 13 от измеряемой температуры Г в U, входы сумматора 11, делителя 18 напряжения и генератора 10 подключены к входам АЦП 13 так, что его код определяется выражением
яг; q («) Если коэффициент s для данного объекта известен, то устанавливая получим, что выходной сигнал сумматора 11 не зависит от s
где h - коэффициент передачи делителя 12. Генератор 10 опорного напряжения построен так, что для его выходного сигнала можно записать
и А
Upи Y
т.е., сигнал Up зависит от окружающей температуры так же, как и сигнал Us. Теперь
N  b-T-h
Обеспечив равенство
Z  0,001./z  0,273
окончательно получим
Л  0,001(Г-273)(12)
Таким образом, посредством коэффициента h получаем информацию об измеряемой температуре в ЯС и, вместе с тем, обеспечивается независимость результата измерения от излучательной способности объекта и от температуры окружающей среды.
Генератор 10 опорного напряжения работает следующим образом.
Поскольку на прямой вход операционного усилителя 17 генератора опорного напряжения 10 поступает напряжение Ud с делителя 18, то для выходного напряжения этого операционного усилителя 17, а, следовательно, для напряжения Up можно записать
q i.iAj
,-U,,(13)
где U4 - падение напряжения на логарифмирующем элементе 15 третьего логарифматора.
Для U4 по аналогии с (2) можно записать
t/,-(ln/,-ln/,,)-(,,)
.qqR  где при выр где Г.К.  4 R - сопротивление резистора 16. Согласно Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М., 1984, с. 96 прямом смещении р-п - перехода ток насыщения определяется ением J -р  s4Е - ширина запрещенной зоны р-п -перехода. Следовательно и,, qR q c/,in.A  2q R 2q г Uc-U, R  (Е-дЦ,
u,  u,-u,  u,E
u.
Подобрав  2/7 окончательно получим
., ktU,-U,
и
l 2q R
Таким образом обеспечивается необходимый температурный коэффициент для сигнала С/г- Вместе с тем объем оборудования для построения генератора опорного напряжения в 2 раза меньше, чем в прототипе.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели Фотоэлектрический пирометр позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемой полезной модели.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа (РАПАН-2) позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом устройстве, изложенных в формуле полезной модели.
99
11
. E
R 2q
Критерий полезной модели промышленная применимость подтверждается тем, что заявляемая полезная модель Фотоэлектрический пирометр может быть успепшо использована в металлургической промышленности, где объектом измерения являются металлы и их расплавы, заготовки в печи, закалочные ванны, а так же в строительстве при изготовлении извести, керамики и др. Генеральный директорAjL ljuuIC f
Житлов B.C.