Фотоелектричний пірометр

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к устройствам бесконтактного измерения температуры. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является пирометр-тепловизор "Крок". Он содержит оптическую систему, термостатируемый фотодиод 2 (ФД), работающий в режиме "накопления заряда", RC-генератор импульсов напряжения (постоянной частоты), двухпороговый компаратор с блоком сброса напряжения и таймер. При работе в режиме "накопления заряда" емкость р-n перехода ФД вначале заряжается от источника обратного смещения, а затем, отсоединяясь от него, разряжается через собственное сопротивление. При освещении перехода разряд происходит быстрее, причем скорость изменения заряда (или изменения напряжения) пропорциональна мощности поглощенной световой энергии. Пирометр работает следующим образом. Тактовый RC-генератор постоянной частоты вырабатывает и направляет на ФД короткий импульс запирающего напряжения и накопленный емкостью ФД заряд начинает разряжаться через собственное сопротивление и сопротивление подключенной к нему аппаратуры. Мерой температуры является скорость спада напряжения DU/Dt, пропорциональная освещенности ФД. Двухпороговый компаратор задает стабилизированные значения U1 и U2, обеспечивая постоянство DU=U1-U2. таймер измеряет время разряда Dt от U1 до U2, блок сброса доводит остаточное напряжение на ФД до нуля, т.е. подготавливает ФД к следующему такту. Таким образом, в процессе работы ФД периодически подключается к выходу генератора. Работу пирометра-прототипа характеризуют следующие параметры: температурный диапазон 9001400°С, время измерения 3 с, температурное разрешение во всем диапазоне > 1°С. Недостатком этого пирометра является низкая точность и разрешающая способность при измерении высоких температур, т.к. при DU=const и уменьшении тнеопределенность DU/Dt растет, а также сложность электрической схемы. Задачей изобретения является упрощение электрической схемы и повышение точности измерений путем реализации зависимости периода колебаний RC-генератора импульсов напряжения от температуры измеряемого объекта. Поставленная задача решается тем, что в фотоэлектрическом пирометре, содержащем оптическую систему, соединенную с фотодиодом, расположенным в термостате, RC-генератор импульсов напряжения и таймер, согласно изобретению, RC-генератор импульсов напряжения помещен в термостат, фотодиод одним выводом подключен к конденсатору, а другим - к общей шине RC-генератора импульсов напряжения, выход которого соединен со входом таймера. При таком включении фотодиода период колебаний генератора зависит от емкости системы фотодиодконденсатор которая изменяется в зависимости от степени освещенности фотодиода (т.е. от температуры объекта). Размещение же генератора в термостате позволяет исключить влияние температуры окружающей среды. Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения характеризует качественно новое устройство, обеспечивающее повышение точности измерений и упрощение электрической схемы. На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого фотоэлектрического пирометра; на фиг.2 - электрическая схема RC-генератора импульсов напряжения. Пирометр содержит оптическую систему, формирующую световой поток заданного спектрального состава от объекта измерения, фотодиод 3 с генератором 4, размещенные в термостате 2, и таймер 5, подключенный к выходу генератора 4. RC-генератор импульсов напряжения содержит операционный усилитель 10; конденсатор 6 и резистор 7, составляющие времязадающую цепь генератора, которая одновременно является и цепью отрицательной обратной связи; резисторы 8 и 9, составляющие цепь положительной обратной связи. Фотодиод 3 одним выводом подключен к конденсатору времязадающей цепи (RC), а другим - к общей шине генератора. Пирометр работает следующим образом. Если обозначить собственную емкость фотодиода 3 через Сд, а емкость конденсатора 6 через С, то при последовательном соединении конденсатора 6 и фотодиода 3 их суммарная емкость Со=С * Сд/(С+Сд) и при С>> Сд Со » Сд. Подача питающего напряжения приводит генератор 4 в режим автоколебаний. При этом генератор 4 синтезирует прямоугольные импульсы напряжения, период колебаний которых t (т.е. время перезарядки Сд от положительного +Un до отрицательного -Un значения напряжения питания) определяется выражением t=R · Сд · А, где R - сопротивление резистора 7, А - безразмерный коэффициент, характеризующий эффективность выбранного генератора. Подключенный к выходу генератора 4 таймер 5 измеряет t. В отсутствии излучения от объекта величина t определяется "темновой" емкостью Сод фотодиода 3, появление излучения приводит к росту Сд и увеличению t. Таким образом, в заявляемом пирометре в качестве меры температуры объекта измеряют Dt=t-tQ. При такой организации измерительного канала с ростом температуры период колебаний генератора 4 увеличивается, а температурное разрешение уменьшается. При этом исключается попадание постоянного темнового тока и низкочастотных шумов фотодиода 3 в измерительный канал, что позволяет снизить нижний предел температурного диапазона и погрешность измерений. В заявляемом пирометре были применены: оптическая система с интерференционным светофильтром l эф=1000 нм, обеспечивающая минимальный размер измеряемого объекта 1x1 мм на минимальном расстоянии до него 300 мм, фотодиод ФД-24К, в качестве таймера - частотомер 43-34А, операционный усилитель К140УД22, резисторы 7 с сопротивлением 150 кОм, 8 -7,5 кОм, 9-68 кОм, конденсатор 6 с емкостью 0,47 мкф, При термостатировании (Т=45°С) с точностью ±0,1°С работа заявляемого пирометра характеризуется следующими значениями параметров: температурный диапазон 600-2000°С, время измерения 10 с, температурное разрешение DΤ для температуры 600°С не превышает 0,7°С и при увеличении температуры до 2000°С уменьшается до 0,0003°С. Градуировочная кривая пирометра и кривая температурного разрешения приведены в таблице. Таким образом, включение фотодиода во времязадающую цепь RC-генератора импульсов напряжения и размещение этого генератора в термостате позволили упростить электрическую схему пирометра и повысить точность измерений.