Спосіб визначення дійсного значення температури

1 Спосіб визначення дійсного значення температури, який заснований на ПОДІЛІ СВІТЛОВОГО потоку від нагрітого об'єкта на два сфокусованих потоки, візуалізацм зображення об'єкта по одному з потоків, направленні другого світлового потоку на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного світлового потоку Фх( X) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворенні його у постійну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворення в електричний сигнал, підсиленні його по амплітуді, демодуляції, інтегруванні і вимірюванні одержаної напруги, по якій судять про дійсне значення температури з використанням електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ, який відрізняється тим, що спочатку перетворюють у напругу нульове значення інтенсивності світлового потоку при температурі Ті навколишнього середовища, вимірюють і запам'ятовують отримане значення напруги Ui, у тому ж діапазоні довжин хвиль формують перший калібрований за значенням інтенсивності світловий потік 2, що відповідає заданому значенню температури І2 і дорівнює різниці двох каліброваних за значенням інтенсивності світлових потоків Фі і Д Фо, після перетворення світлового потоку Фг в постійну напругу ІІ2, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, аналогічним чином формують другий калібрований за значенням інтенсивності світловий потік Фз, що відповідає заданому значенню температури Тз, , який дорівнює сумі двох каліброваних за значеннями інтенсивності світлових потоків Фі і Д Фо, після перетворення світлового потоку Фз в постійну напругу ІІз, вимірюють и і запам'ятовують отримане значення, відновлюють дію інформативного світлового потоку Фх, що відповідає температурі Тх, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, збільшують значення інтенсивності світлового потоку Ф х на значення інтенсивності першого світлового потоку Фг, після перетворення першого сумарного світлового потоку Ф4 в постійну напругу ІЦ, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, збільшують значення інтенсивності інформативного світлового потоку Ф х на значення інтенсивності другого світлового потоку Фз, після перетворення другого сумарного світлового потоку Ф5 в постійну напругу U5, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, а про дійсне значення напруги Ux, пропорційне значенню інтенсивності інформативного світлового потоку Фх, судять згідно з рівнянням надлишкових вимірювань n,AUr U5+U4_n2U1 -Н де Пі = 3, гі2= 2, Пз= З, Д Uo - приріст каліброваного за значенням світлового потоку, причому {Д Uo} = 0,5({U 4HU 3}), U 2 - напруга, пропорційна інтенсивності світлового потоку Фі , Ui U5 - напруги, що відповідають світловим потокам Фі Фб 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що калібровані та стабільні по інтенсивності СВІТЛОВІ ПОТО КИ Ф-І, Фг і Фз формують рівними по інтенсивності світловим потокам Фоі, Фог і Фоз від моделі абсолютно чорного тіла і пропорційними напругам U 2, U з і U 4 ВІДПОВІДНО, тобто {U'2} = W { S n p } , {и'з}=({Фі}-{ДФо}){3 П р}, { і Г 4 } = ( { Ф і } + {ДФо}){3 П р}, де {Snp} - значення крутості загальної функції перетворення світлового потоку в напругу, обумовлену при вимірах каліброваного по інтенсивності потоку Фох від моделі абсолютно чорного тіла, яка нагріта до температури То^ у межах динамічного діапазону їх значень 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що послаблюють інтенсивність інформативного світлового потоку Ф х до значення інтенсивності світлового потоку Фг , що відповідає температурі Тг, за допомогою сірого клина, фіксують перше положення сірого клина і відповідне йому значення (О (О ю З 56614 напруги и'з, послаблюють інтенсивність інформарізниць Д Ui і Д ІІ2 напруг визначають коефіцієнт тивного світлового потоку Ф х до значення інтенсиперепускання випромінювання середовищем, тобто вності світлового потоку Фз, що відповідає температурі Тз, шляхом подальшого мікропереміщення кпр = ({U ' 4} - {U ' з}) / ({U"4} - {ІІ"з}) = {А ІІ!} / {Д U2}, сірого клина, фіксують друге положення сірого отримане значення температури Т х зменшують у клина і відповідне йому значення напруги І А , викпр раз, а по одержаному результату {!>} = {Т у}/кпр значають різницю заданих і отриманих напруг U 4, судять про уточнене значення температури. і U з, U'4 і ІІ"з, по відношенню отриманих значень Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути застосований для вимірювання великих за значенням температур важкодоступних тіл і середовищ оптичним термометром Відомий оптико-електронні спосіб вимірювання температури по світловому потоку від об'єкта (див Поскачей А А, Чубарев Е П Оптикоелектронні системи вимірювання температури М Енергія, 1979 - 208с іл ), який полягає у тому, що світловий потік в заданому діапазоні довжин хвиль перетворюється в електричну напругу, по якій судять про дійсне значення температури з використанням градуйованих кривих чи електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ Недоліком цього способу є недостатня точність вимірювання температури Даний недолік обумовлений нелінійністю і нестабільністю функції перетворення (ФП) чутливого елемента фотоприймача, що приводить до появи похибки від неЛІНІЙНОСТІ, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки У разі відсутності точних даних про коефіцієнт перепускання випромінювання середовищем виникає похибка, яка обумовлена ослабленням інтенсивності випромінювання досліджуваного об'єкта середовищем Відомий також спосіб визначення дійсного значення температури описаний у роботі (Назаренко Л А , Ромоданов И С , Кисіль О М , Серпєнко ПП Еталонний оптичний пірометр ЕОП93//Харків ДНВО «Метрологія» Український метрологічний журнал-1996-Вип 23- с 46-48 ), який заснований на ПОДІЛІ СВІТЛОВОГО потоку від нагрітого об'єкта на два сфокусовані потоки, візуалізацм зображення об'єкта по одному з потоків, направленні другого світлового потоку на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного світлового потоку ФХ(А) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворення його у постійну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворення в електричний сигнал, підсиленні його по амплітуді, демодуляції, інтегруванні і вимірюванні одержаної напруги, по якій судять про дійсне значення температури з використанням електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ Даному способу властива недостатня точність вимірювання температури, яка обумовлена неліНІЙНІСТЮ, а також довгостроковою і температурною нестабільністю ФП фотоприймача Останнє обумовлює появу похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки Крім того відомим способам властива похибка, яка обумовлена впливом середовища на інтен сивність потоку випромінювання від досліджуваного об'єкта Це обумовлено тим, що відомий спосіб не забезпечує визначення коефіцієнта перепускання середовища і його урахування при визначенні значення температури В основу винаходу покладена задача створення такого способу визначення дійсного значення температури, у якому шляхом зміни умов виконання операцій, забезпечилося б підвищення точності вимірювання для будь-яких типів фотоприймачів з нелінійними функціями перетворення Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення дійсного значення температури, заснованому на ПОДІЛІ СВІТЛОВОГО потоку від нагрітого об'єкта на два сфокусованих потоки, візуалізацм зображення об'єкта по одному з потоків, направленні другого світлового потоку на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного світлового потоку Фх(Я-) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворенні його у постійну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворення в електричний сигнал, підсиленні його по амплітуді, демодуляції, Інтегруванні і вимірюванні одержаної напруги, по якій судять про дійсне значення температури з використанням електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ, ЗГІДНО винаходу, спочатку перетворюють у напругу нульове значення інтенсивності світлового потоку при температурі Ті навколишнього середовища, вимірюють і запам'ятовують отримане значення напруги U-i, у тому ж діапазоні довжин хвиль формують перший калібрований за значенням інтенсивності світловий потік Фг, що відповідає заданому значенню температури Ті і дорівнює різниці двох каліброваних за значенням інтенсивності світлових потоків Фі і ДФо, після перетворення світлового потоку Фа в постійну напругу ІІ2, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, аналогічним чином формують другий калібрований за значенням інтенсивності світловий потік Фз, що відповідає заданому значенню температури Тз, який дорівнює сумі двох каліброваних за значеннями інтенсивності світлових потоків Фі і ДФо, після перетворення світлового потоку Фз в постійну напругу ІІз, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, відновлюють дію інформативного світлового потоку Фх, що відповідає температурі Тх, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, збільшують значення інтенсивності світлового потоку Ф х на значення інтенсивності першого світлового потоку Фг, після перетворення першого сумарногосвітлового потоку Ф4 в постійну напругу 56614 ІЦ, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, збільшують значення інтенсивності інформативного світлового потоку Ф х на значення інтенсивності другого світлового потоку Фз, після перетворення другого сумарного світлового потоку Фб в постійну напругу Us, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, а про дійсне значення напруги £/х, пропорційне значенню інтенсивності інформативного світлового потоку Фх, судять згідно з рівнянь надлишкових вимірювань Uv = n,AUn U l 2 U4 +Ц, - п , и . -1 ((U5-U4)-(U3-U2))+n3AU0(U2+U3-n2U1) д е Пі = З, П2= 2, Пз = З, ДІІо - приріст каліброваного за значенням світлового потоку, причому {ДІІо }=0,5({ІІ'4}-{и'з}), U'2 напруга, пропорційна інтенсивності світлового потоку Ф-і, Ui, ,ІІ5-напруги, що відповідають світловим потокам Фі ,Фб Крім того, доцільно, щоб калібровані та стабільні по інтенсивності СВІТЛОВІ потоки Ф-і, Фг і Фз формували рівними по інтенсивності світловим потокам Фоі Фог і Фоз від моделі абсолютно чорного тіла і пропорційними напругам U'2 ,и'з і U4 ВІДПОВІДНО, тобто {и'2} = {Фі}{3Пр}, {и'з}=({Фі}-{АФо}){З п р }, де {Snp} - значення крутості загальної функції перетворення світлового потоку в напругу, обумовлена при вимірах каліброваного по інтенсивності потоку Фох від моделі абсолютно чорного тіла, яка нагріта до температури Тох, у межах динамічного діапазону їх значень Крім того, доцільно, щоб послаблювали інтенсивність інформативного світлового потоку Ф х до значення інтенсивності світлового потоку Фз, що відповідає температурі Т-і, за допомогою сірого клина, фіксували перше положення сірого клина і відповідне йому значення напруги и''з, послаблювали інтенсивність інформативного світлового потоку Ф х до значення інтенсивності світлового потоку Фз, що відповідає температурі Тз, шляхом подальшого мікропереміщення сірого клина, фіксували друге положення сірого клина і відповідне йому значення напруги и'Ч, визначали різницю заданих і отриманих напруг U4 і и'з, U'V і и''з, по відношенню отриманих значень" різниць AUi і AU2 напруг визначали коефіцієнт перепускання випромінювання середовищем, тобто отримане значення температури Т'х зменшували у кпр раз, а по отриманому результату •TT>}-fr'x}/knp судили про уточнене значення температури Встановлення спочатку нульового значення інтенсивності світлового потоку, далі другого, третього каліброваних за значенням світлових потоків та четвертого і п'ятого світлових потоків, які є результатом складання інформативного світлового потоку і другого та третього потоків ВІДПОВІДНО, перетворення їх в ВІДПОВІДНІ напруги та вимірювання їх значень, знаходження дійсного значення напруги, пропорційної значенню інтенсивності інформативного світлового потоку, згідно із рівнянням надлишкових вимірювань, по якому судять про дійсне значення температури, дозволяє вимірювання як невідомого по інтенсивності світлового потоку, так і по інтенсивності ряду світлових потоків, сформованих за запропонованими правилами, і виключити адитивну, мультиплікативну і нелінійну складові похибки вимірювання, а також похибки, яка обумовлена різними значеннями коефіцієнта перепускання випромінювання середовищем, що забезпечує підвищення точності вимірювання для будь-яких типів фотоприймачів х нелінійними функціями перетворення На фіг 1 зображена структурна схема цифрового оптичного пірометра На фіг 2 - блок-схема алгоритму роботи пристрою Суть запропонованого способу виміру температури пояснюється структурною схемою оптичного пірометра, в якому послідовно з'єднані досліджуваний об'єкт 1, дзеркало 2, вхідна оптика З, сірий клин 4, блок 5, що містить модулятор (обтюраторний диск) з оптопарою, фотоприймач 6 з штерфільтром, та МДМ-підсилювач 7, вихід якого з'єднаний з цифровим вольтметром 8, управляючий вхід МДМ-підсилювача 8 приєднаний до виходу підсилювач-формувач синхронний імпульсів 9, вхід якого підключений до оптопари блоку 5, причому, із дзеркалом 2 оптично з'єднаний світловипромінюючий діод 10, управління якого, як і управління вхідною оптикою 3 та сірим клином 4 здійснюється вручну Фотоприймач 6, МДМпідсилювач 7 та підсилювач-формувач синхронних імпульсів 9 розташовані в термостаті 11, в якому розміщенні послідовно з'єднані датчик температури 12, підсилювач сигналу з датчика температури 13 та нагрівач 14 Позиціями 15 - 73 позначені елементи блок-схеми алгоритму роботи пристрою Пристрій працює наступним чином Випромінювання від досліджуваного об'єкта (ДО) 1 фокусується за допомогою вхідної оптики З і модулюється обтюраторним диском, який є складовою часткою блока 5 Для обертання обтюраторного диска застосовано синхронний двигун типу ДСМ 2П-220 Блок 5 містить оптопару, за допомогою якої на його другому виході (див Фіг1) формується змінна електрична напруга, яка поступає на підсилювач-формувач синхронних імпульсів 9 Промодульований з частотою 12,5Гц світловий потік через інтерференційний фільтр надходить до фотоприймача 6, з'єднаний з МДМ-підсилювачем 7 Елементи 1-7 і 9 забезпечують перетворення оптичного сигналу в електричну напругу, формування синхронних імпульсів, підсилення по амплітуді і синхронну демодуляцію з інтегруванням Елементи 1 - 1 4 застосовуються для проведення калібрування і визначення коефіцієнта перепускання середовища Для досягнення заданої чутливості та стабільності показань, елементи 6, 7, 9 розміщенні в термостаті 11 В термостаті 11 підтримується постійна температура Т = 40°С за допомогою нагрівача 14, датчика температури 12 і підсилювача сигналу з датчика температури 13 Калібрування, такти вимірювання і визначення коефіцієнта перепускання середовища проводяться ВІДПОВІДНО до алгоритму роботи пристрою Після включення живлення, видається запит (оператор 16) на проведення калібрування При 56614 негативній ВІДПОВІДІ здійснюється перехід до підпрограми проведення вимірювання (оператор 39) При позитивній ВІДПОВІДІ спочатку підтверджується наявність включеного абсолютно чорного тіла (АЧТ) (оператори 17 і 18), потім йде виконання команд відкриття заслінки, що екранує світловий потік, яке є елементом вхідної оптики 3, і відключення живлення світловипромінюючого діода 10, що приводить до відключення каліброваного світлового потоку (оператор 19) Задається значення світлового потоку Фоі від АЧТ, що вимірюється запропонованим оптичним пірометром (оператор 20) Отримана в результаті вимірювання світлового потоку Фоі напруга ІІ'г запам'ятовується у вигляді коду числа Noi (оператори 21 і 22) Далі зменшують значення інтенсивності світлового потоку Фоі від АЧТ на задане значення {ДФ} (оператор 23) В результаті вимірювання інтенсивності світлового потоку Фог від АЧТ отримують напругу ІІ'з фотоприймача (оператор 24), значення якої запам'ятовується у вигляді коду числа N02 (оператор 25) Потім збільшують значення світлового потоку Фоі від АЧТ на теж значення {ДФ} (оператор 26) Аналогічним образом вимірюють інтенсивність світлового потоку Фоз, а відповідне значення напруги U'4 запам'ятовують у вигляді коду числа ІЧоз (оператори 27 і 28) Знаходять напіврізницю значень напруг ІІ'з і ич Результат обчислень запам'ятовується у вигляді коду числа nm ( оператор 29) Далі АЧТ відключається, закривається заслінка, що екранує світловий потік, яка є елементом вхідної оптики 3, включається живлення світловипромінюючого діода 10 і на фотоприймач подається опорний потік Фог замість каліброваного (оператор ЗО) Потік Фог вимірюється, а відповідна напруга ІІ'зі порівнюється з напругою ІІ'з, яку одержали при вимірюванні інтенсивності світлового потоку Фоі (оператори 31 і 32) Якщо результат вимірювання не дорівнює значенню раніше отриманій напрузі ІІ'з, то змінюють значення струму через світловипромінюючий діод 10 до моменту рівності цих напруг В момент часу, коли {І)'з}={ ІІ'зі}, отримане значення струму h запам'ятовується (оператор 34) Збільшують значення струму через світловипромінюючий діод 10 до моменту часу рівності значення вихідної напруги ІІЧі фотоприймача значенню напрузі \JU (оператори 35-37) При {ІГ4} = {UJ4i} отримане значення струму Ь запам'ятовується (оператор 38) Після проведення операцій калібрування, як і при негативній ВІДПОВІДІ на її запит (оператор 16), виконується процедура проведення тактів вимірювання У першому такті ( оператор 39) вимірювання закривається заслінка, що екранує світловий потік Фх, яка є елементом вхідної оптики 3, і відключається живлення світловипромінюючого діода 10, тобто на фотоприймач світловий потік не подається ({Ф>}={Фоо}-0) (оператор 40) Одержане значення напруги Ui ({AUC4}={Ui}) запам'ятовується у вигляді коду числа Ni (оператори 41, 42) В другому такті вимірювання (оператор 43) включається живлення світловипромінюючого діода 10 і встановлюється перше задане значення струму h через нього (оператор 44) В цьому такті вимірюванні інтенсивності світлового потоку Фг ({Ф2}-{Фі}{ДФо}) отримане значення напруги ІІ2 фотоприй 8 мача вимірюється і запамятовується у вигляді коду числа N2 (оператори 45 і 46) У третьому такті вимірювання (оператор 47) установлюється друге задане значення струму Ь через світловипромінюючий діод 10 (оператор 48) В результаті на фотоприймач поступає світловий потік Фз ({Ф2}={Фі}+{ДФо}), який і вимірюється (оператор 49) Отримана напруга ІІз фотоприймача аналогічно вимірюється і запам'ятовується у вигляді коду числа N3 (оператор 50), У четвертому (п'ятому) тактах вимірювань закривається заслінка, що екранує світловий потік Фх, яка є елементом вхідної оптики 3 Встановлюється ВІДПОВІДНО перше h (друге Іг) значення струму через світловипромінюючий діод 10 В результаті четвертого (п'ятого) такту здійснюється вимірювання інтенсивності світлового потоку Ф4 (Фб), причому {Ф4}={Фх}+{Фі}{ДФо} ({Ф5>={Ф>}+{Фі}+{ДФо}) Отримані значення вихідних напруг ІІз (ІЦ) фотоприймача аналогічним чином запам'ятовуються у вигляді кодів чисел N4 (N5) (оператори 51-59) Отримані в кожнім з п'яти тактів вимірювань ВІДПОВІДНІ КОДИ напруг обробляються згідно з рівнянням надлишкових вимірювань (оператор 60) За отриманим кодом значення напруги Ux, пропорційного інтенсивності світлового потоку Фх, визначають дійсне значення температури об'єкта ( оператор 61) із використанням електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ Далі виникає запит на проведення сукупності операцій визначення коефіцієнта перепускання середовища (оператор 62) При позитивній ВІДПОВІДІ виключається живлення світловипромінюючого діода 10, відкривається заслінка, що екранує світловий потік Фх, яка є елементом вхідної оптики З, і надходить команда на переміщення сірого клина 4 доти, поки значення напруги ІІ'з не стане рівним раніше отриманому значенню напрузі ІІ'з (оператори 63, 64) У момент часу рівності {ІГ'з}{ІІ'з} фіксується положення сірого клина 4 і запам'ятовується відповідне цьому положенню значення напруги ІГ'з у вигляді коду числа N"3 (оператор 65) Потім сірий клин 4 переміщається, зменшуючи інтенсивність світлового потоку Фх, до моменту рівності значення вимірюваної напруги ІІ'Ч і раніше отриманого значення напруги \JU (оператори 66, 67) Аналогічним чином запам'ятовується значення напруги U'4 у вигляді коду числа N'4 (оператор 68) Коефіцієнт перепускання середовища кпр визначається згідно з заданим рівнянням числових значень (оператор 69) Одержане значення температури Тх зменшують у кпр раз (оператор 70) і по отриманому результату судять про уточнене (дійсне) значення температури об'єкта Після закінчення процедури визначення коефіцієнта перепускання середовища, як і при негативній ВІДПОВІДІ на запит (оператор 62), виникає черговий запит на проведення наступного циклу вимірювання температури (оператор 71) При негативній ВІДПОВІДІ закривається заслінка, що екранує світловий потік, яка є елементом вхідної оптики 3, відключається живлення світловипромінюючого діода 10 (оператор 72) і завершується операція виконання основної програми (оператор 73) Процес проведення вимірювання високої температури здійснюється наступним чином Світловий ПОТІК ВІД досліджуваного об'єкта 56614 (ДО) розділяють на два сфокусованих потоки Ф в і Ф и Перший світловий потік Ф в використовують для візуалізацм зображення ДО Другий світловий потік направляють на поверхню чутливого елемента фотоприймача 3 другого світлового потоку Ф и виділяють інформативний світловий потік Фх(Я-) на довжині хвилі Я,і і в інтервалі ДА, ( наприклад {Я,і }=656нм, ДЯ,=10нм ), тобто в заданому діапазоні довжин хвиль У загальному випадку ПОСЛІДОВНІСТЬ операцій перетворення світлового потоку в електричний сигнал описується в такий спосіб Спочатку світловий потік, наприклад Фо=Фо(А-і), модулюють по амплітуді сигналом низької частоти Q U0(t) = U 0 (2n-1)smQt 2n-1 п=1 вої, (2n-1)sinQt о 2п - 1 dt = UH1 (t)= БнФм 3 (t)+ З л Ф м ф + ДІІсм Н1 ( t ) £- I 0 (2n-1)sinQt л п=1 2п-1 о (2n-1)sinQt 2п-1 п=1 )- посилений у кус раз сигнал де и вимірюють її і запам'ятовують отримане значення Аналогічним чином формують другий калібрований за значенням інтенсивності світловий потік Фз, який відповідає значенню температури Тз, і ди. (5) пературі Ті навколишнього середовища Для цього виключають дію інформативного світлового потоку на поверхню чутливого елемента фотоприймача, наприклад, шляхом переривання дії світлового потоку на фотоприймач Нульове значення інтенсивності світлового потоку перетворюють в електричний сигнал um(t) Після підсилення його по амплітуді, демодуляції та інтегрування вимірюють і запам'ятовують відповідне значення вихідної напруги Ui Отримана напруга Ui описується аналогічним виразом (5) dt = 0 . 5 k y c ( S H O g 0 + S n O 0 0 + A U де Фоо - світловий потік з нульовим значенням інтенсивності Joo, тобто {Joo}-0, u''Hi(t)- посилений у кус раз сигнал u'Hift) Одержану напругу Ui (6) вимірюють, а одержане значення запам'ятовують У тому ж діапазоні довжин хвиль формують перший калібрований за значенням інтенсивності т (3) Отриманий сигнал (3) підсилюють по амплітуді в кус раз В результаті одержують uH2(t) = kycuHi(t), (4) де кус- коефіцієнт підсилення Посилений сигнал синхронно демодулюють, інтегрують і одержують напругу де Т - період коливань ({Г} = 2TI/{Q}) ПОТІМ напругу (5) вимірюють, а одержане значення запам'ятовують Аналогічним чином описується процес модуляції будь-якого світлового потоку Ф, перетворення його в електричний сигнал, посилення по амплітуді, демодуляції й інтегрування з метою одержання відповідної напруги UH Розглянемо сутність процесу вимірювання температури запропонованим способом Спочатку перетворюють у напругу нульове значення інтенсивності світлового потоку при темТ де Ф- світловий потік, SH- крутість перетворення нелінійної складо Sn- крутість перетворення лінійної складової, диСм- зсув (дрейф нуля) нелінійної ФП При світловому потоці OM(t), що надходить на вхід фотоприймача, його вихідний електричний сигнал описується рівнянням величин Де {Uo}=1 Q - частота модуляції (комутації), п - номер гармоніки (Q= 1,2,3 ,) У результаті одержують модульований по інтенсивності СВІТЛОВИЙ ПОТІК і (1) Модульований світловий потік Фм(ї) (1) перетворюють в електричний сигнал uv(t) за допомогою фотоприймача Припустимо, що функція перетворення (ФП) фотоприймача описується нелінійним рівнянням величин (2n-1)smQt 2n-1 n=1 UH = 10 CM (6) світловий потік 2, який відповідає заданому значенню температури Т-і, і дорівнює різниці двох каліброваних за значенням інтенсивності світлових потоків Фі і ДФо, тобто ({Ф2}={Фі}-{дфо}) Після перетворення світлового потоку Фі в постійну напругу U2 (8) дорівнює сумі двох каліброваних за значенням інтенсивності світлових потоків Фі і ДФо, тобто ({Фз}-{Фі}+{ДФо}) Після перетворення світлового потоку Фз в постійну напругу ІІз 11 U3=lju"H3(t) T о 56614 (2n-1)sinQt п=1 лиг 2n-1 де инз'ЧЧ посилений у кус раз сигнал и'нзО) вимірюють її і запам'ятовують отримане значення Відновлюють дію інформативного світлового потоку Фх(Я-), який відповідає температурі Тх, на поверхню чутливого елемента фотоприймача 12 (9) Збільшують значення інтенсивності світлового потоку Ф х на значення інтенсивності першого світлового потоку Фг Після перетворення отриманого першого сумарного світлового потоку Ф4 в постійну напругу ІЦ T H4 (t) 2п-1 П=1 0 де UH4''(t) - посилений у кус раз сигнал u'hwft), вимірюють м і запам'ятовують отримане значення Потім збільшують значення інтенсивності інформативного світлового потоку Ф х на значення т о 2 см n=1 'CM 1 де Пі = З, П2=2, Пз = З, де {Snp} - значення крутості загальної функції перетворення світлового потоку в напругу, обумовлена при вимірі каліброваного по інтенсивності потоку Фох від фізичної моделі АЧТ, яка нагріта до температури Тох Значення напруг U'2, U'3 і U'4 вибирають у межах динамічного діапазону їх значень СВІТЛОВІ потоки Фі.Фг і Фз формують шляхом почергової подачі напруг U'2, U'3 і U4 на додаткове джерело оптичного випромінювання Потім здійснюють високоточне вимірювання інтенсивності сформованих світлових потоків у заданому інтервалі довжин хвиль за допомогою зразкового чи еталонного оптичного пірометра У випадку відхилення отриманих результатів вимірювань від заданих, уточнюють значення обраних напруг U'2, U'3 і U4 чи (11) світлового потоку Ф х визначають згідно із рівнянням надлишкових вимірювань U5 + U4 - n 2 U 1 ДІІо - приріст каліброваного зазначенням світлового потоку, причому {ДІІо }=0,5({ІГ4}-{и'з}), \J'2 напруга, яка пропорційна інтенсивності світлового потоку Ф-і, U1, ,Us напруги, що відповідають світловим потокам Ф-і, ,Фб, Snp- крутість загальної функції перетворення світлового потоку в напругу при надлишкових вимірах ({Snp}=1), по якому визначають дійсне значенні температури Тх об'єкта з використанням електронних таблиць ВІДПОВІДНОСТІ Для проведення калібрування стабільних по інтенсивності в заданому інтервалі довжин хвиль світлових потоків Фі ,Фг і Фз, їх формують рівними по інтенсивності світловим потокам Фоі Фог і Фоз від моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ) і пропорційними ВІДПОВІДНИМ напругам U'2, U'3 і U4 У цьому випадку мають місце наступні співвідношення {U'2} = {i}{Snp}, {и і з}=({Фі}-{АФо}){З п р }, (10) інтенсивності другого світлового потоку Фз ПІСЛЯ перетворення другого сумарного СВІТЛОВОГО потоку Фб в постійну напругу Us " (2n-1)sinQt де t w o ) посилений у кус раз сигнал u'Hsft), вимірюють її і запам'ятовують отримане значення Дійсне значення інтенсивності інформативного U O.5kyc(SH04 + S n 0 4 +AU 1 (12) значення крутості загальної функції перетворення 5пр Для визначення коефіцієнта перепускання випромінювання середовищем, спочатку послаблюють інтенсивність інформативного світлового потоку Ф х до значення інтенсивності світлового потоку Фг, що відповідає температурі ТІ , за допомогою сірого клина Фіксують перше положення Хі сірого клина Припустимо, що цьому положенню відповідає значення напруги ІГ'з Далі послаблюють інтенсивність інформативного світлового потоку Ф х до значення інтенсивності світлового потоку Фз, що відповідає температурі Тз Це здійснюється шляхом подальших мікропереміщень сірого клина Потім фіксують друге положення Хг сірого клина Припустимо, що цьому положенню відповідає значення напруги U'4 Визначають різницю заданих і отриманих напруг U'4, U'3 і U'4 і и''з По відношенню отриманих значень різниць AUi і AU2 напруг визначають коефіцієнт перепускання випромінювання середовищем по рівнянню числових значень кпр = ({U'4}-{U'3})/({u'4}-{u'3}) = { д и д а и з } Отримане значення температури Т'х зменшують у кпр раз, а по одержаному результату {T*}=i{T'x}/ кпр судять про уточнене значення температури Використовуючи електронні таблиці ВІДПОВІДНОСТІ за отриманим значенням напруги Ux визначають дійсне значення температури Тх, а з урахуванням отриманого значення коефіцієнта перепускання середовища кпр не складно виключити вплив середовища на результат виміру напруги Ux, пропорційної світловому потоку Ф х , а, отже, і на результат вимірювання температури 13 56614 14 3 мВ/лм , Sn = 9,9мВ/лм Вибираємо інтенсивність світлового потоку Фі таким чином, щоб вона дорівнювала 10% від максимального світлового потоку Фх, а значення інтенсивності світлового потоку ДФо - 10% від значення інтенсивності світлового потоку Фі В першому такті вимірювання одержуємо напругу Ui = 0,01 мВ Використовуючи аналітичні вирази (7) - (10) при значенні світлового потоку Ф х = ЮООлм, зодержимо наступні значення результатів проміжних вимірів интенсивностей світлових потоків 6 Скориговане дійсне значення температури Тх виводиться на цифрове табло як результат вимірювання Таким чином, введення нової сукупності операцій вимірювання високої температури і істотних ознак дало можливість вивести рівняння надлишкових вимірювань (12), аналіз якого показав, що обчислене значення напруги Ux пропорційно значенню світлового потоку Ф х у заданому діапазоні довжин хвиль, а, отже, і відповідному дійсному значенню температури Тх Обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівнянням надлишкових вимірів (12), забезпечує виключення впливу на результат вимірювання температури Тх, абсолютних значень параметрів (SH, Sn) ФП фотоприймача і відхилення їх значень від номінальних За рахунок виконання операції віднімання виключається адитивна складова систематичної похибки вимірювань, а за рахунок виконання операції ділення - мультиплікативна складова похибки Обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівнянням надлишкових вимірів (12), у цілому забезпечує системну лінеаризацію загальної (результуючої) ФП потоку Ф х у напругу Ux, а, отже, і виключення впливу нелінійної (кубічної) складової ФП фотоприймача на кінцевий результат визначення значення напруги Ux U2 = 1089,1444мВ, U3 = 891,0836мВ, U4 = 11127,14MB, U 5 = Продемонструємо суть запропонованого способу на наступному прикладі Необхідно виміряти температуру, наприклад платини, нагрітої до (1000 - 3000)°С Діапазон вихідного сигналу з фотоприймача після підсилювача складає (3 - 10)В, а діапазон по інтенсивності світлового потоку - (300 - 1000)лм Коефіцієнт пропорційності S np = 10мВ/лм, значення параметрів функції перетворення SH = 0,101*10 __^_ 10921,807MB Отримані результати разом з обчисленими значеннями напруг ІІ2 = ЮООмВ, ДІІо = ЮОмВ підставляють у рівняння надлишкових вимірювань (12) Після обчислення, одержимо, що Ux = 9999,88мВ Визначаємо відповідне йому значення інтенсивності світлового потоку Ф х = 999,988лм Коефіцієнт пропорційності кпр між вимірюваною температурою і інтенсивністю світлового потоку Ф х обчислюється згідно із аналітичним виразом кПр = Тх/Фх Підставляючи ВИХІДНІ дані знаходимо кпр = 3000/1000 = З Отже, значення температури Тх, виміряне запропонованим методом надлишкових вимірів, буде складати Т х = к п р Ф х = 3*999,988 = 2999,964°С Абсолютна методична похибка складає 0,036°С, що в три рази менше похибок існуючих оптико-електронних способів вимірювання температури Таким чином, запропонований спосіб забезпечує підвищену точність вимірювання температури А Ді Фіг 1 15 56614 16 idupunvno заслінки, 20 2-і 22 £У hloz-9, '02 rft Фіг.2 03 17 56614 Фіг. 2 18 20 56614 19 I 40 Фее M. Ut iff //6 Ik p «ft JO Ш ^ Автори: Кондратов В.В. Зарніцкна ПО. Сердюк Н.М. Фіг. 2 O 56614 21 S2 Ben УМІ ******* тз подаго 'іим ®ч 3ot 56 7s