Пристрій безконтактного вимірювання температури поверхні нагрітих тіл

Пристрій безконтактного вимірювання температури поверхні нагрітих тіл, що містить вхід із прозорого в робочому спектральному діапазоні матеріалу оптичного зв'язку і датчик випромінювання нагрітого тіла, розташований у фокальній площині і на осі входу, який відрізняється тим, що в нього введені другий датчик (приймач) випромінювання, розташований у фокальній площині і симетрично з першим датчиком на оптичній осі входу, перший і другий аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), з'єднані інформаційними входами з виходами першого і другого датчиків ВІДПОВІДНО, елемент порівняння, з'єднаний першими і другими входами порозрядно з виходами першого і другого АЦП ВІДПОВІДНО, перший і другий елементи АБО, з'єднані входами порозрядно з виходами першого і другого АЦП ВІДПОВІДНО, групи перших, других, третіх і четвертих елементів І, причому група перших елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами першого АЦП, а другими входами з першим виходом елемента порівняння, група других елементів І першими входами з єднана порозрядно з виходами другого АЦП, а другими входами з третім виходом елемента порівняння, група третіх елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами першого АЦП, а другими входами з третім виходом елемента порівняння, і група четвертих елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами другого АЦП, а другими входами з першим виходом елемента порівняння, перший арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими входами з виходами груп перших і четвертих елементів І, а другими входами порозрядно з виходами другої і третьої груп елементів І, група п'ятих елементів І, з'єднаних першими входами з виходом першого елемента АБО, другими входами - з виходом другого елемента АБО, а третіми входами порозрядно з виходами першого арифметичного блока, задатчик коефіцієнта пропорційності, другий арифметичний блок, з'єднаний першими і другими входами порозрядно з виходами групи п'ятих елементів І та задатчика ВІДПОВІДНО, а виходами порозрядно з групою перших (інформаційних) виходів пристрою, третій елемент АБО, з'єднаний входами порозрядно з виходами другого арифметичного блока, формувач переднього фронту імпульсу, з'єднаний входом з виходом третього елемента АБО, а виходом із входами керування першого і другого АЦП, і шостий елемент І, з'єднаний першим і другим входами з виходами першого і другого елементів АБО, а виходом із другим виходом пристрою Передбачуваний винахід відноситься до інформаційно-вимірювальної й обчислювальної техніки, а зокрема до засобів безконтактного виміру температури поверхні нагрітих тіл, у т ч напівпровідникових пластин у технологічних установках, виробів з металів, кераміки, пластмас при їхній термообробці, розплавів металів у металургії Відомий спосіб безконтактного виміру температури (і пірометр на його основі) (див Pepperhof W , Arch Eisehuttenwes, 1959, В ЗО, №3, р 131-135) Відомий пірометр містить оптичну систему, що включає фокусуючий пристрій і поляроїд, приймач випромінювань, підсилювач і індикатор Цей пірометр у випромінюванні виділяє компоненту, поля ризовану в площині спостереження, і по інтенсивності випромінювання цієї компоненти визначає температуру поверхні (Жирним шрифтом виділені ознаки, властивому предмету винаходу) ВІДОМІ спосіб і пірометр застосовні для виміру температур 1000°С-2000°С, коли відбите від тіла, температура поверхні якого виміряється, випромінювання фона нехтуючи мале в порівнянні з власним випромінюванням нагрітого тіла Відомий спосіб безконтактного виміру температури (і пірометр на його основі) (див Tmgwaldt С Р , Magdeburg H , TMCSI, 1962, v 3, part 1, р 483 - 486) Відомий пірометр містить оптичну систему з фокусуючого і двох поляризуючих елементів, приймач ю ю (О 61515 випромінювань, підсилювач і індикатор Він дозволяє визначати (розраховувати) температуру за результатами виміру відносини двох ортогонально поляризованих компонент випромінювання поглинаючої поверхні під кутом 45° до неї зі співвідношення Rq(A,)=R^(A,) де Rq(x) і Rk(A,) - коефіцієнти відображення ортогонально поляризованих компонент теплового випромінювання при кутах візування q=45° і к=90° поверхні ВІДПОВІДНО (Жирним шрифтом виділені ознаки, властиві предмету винаходу) ВІДОМІ спосіб і пірометр, як і попередні, використовують видимий діапазон спектра, у якому аналізовані об'єкти (тіла, наприклад, метали) непрозорі і дають досить яскраве випромінювання, у порівнянні з яким відбите поверхнею випромінювання фона нехтуючи мале Крім того, при кутах візування, що відрізняються від 45°, порушується приведене вище співвідношення і, ВІДПОВІДНО, виявляється неможливим визначення температури поверхні тіл У діапазоні температур поверхні об'єктів (тіл) 0650°С, що використовуються в технологічних установках осадження і епітаксії, видимі діапазони випромінювань незастосовні через недостатню яскравість випромінювання, а в середньому інфрачервоному діапазоні випромінювання фону (конструкції устаткування, стінок реактора), відбите поверхнею об'єкта, порівняно з власним випромінюванням об'єкта і вносить істотну погрішність у виміри Відомий спосіб дистанційного виміру температури поверхні об'єктів (і пірометр на його основі) (див Гордов А Н , Жугалло О М , Іванова А Г Основи температурних вимірів -М Наука, 1992, с 232-243) Відомий пірометр містить оптичну систему з фокусуючого і декількох фільтруючих елементів, приймач випромінювань, модулятор, джерело еталонних випромінювань, комутатор, підсилювач, детектор і індикатор Цей пірометр здійснює спектральну фільтрацію випромінювань, модуляцію випромінювань, що попадають на приймач випромінювань, що включає послідовну комутацію на приймач випромінювань із заданою частотою двох потоків випромінювання (від об'єкта й еталонного джерела), селективний прийом випромінювань від еталонного і досліджуваного об'єктів, перетворення в електричний сигнал реакції приймача випромінювань, його посилення і виділення в цьому сигналі перемінної складової, пропорційної різниці амплітуд комутуючих сигналів, а по величині (інтенсивності) цього сигналу і відомих характеристик еталонного випромінювання визначається (розраховується) умовна температура об'єкта, а справжня температура знаходиться по ВІДОМІЙ каліброваній залежності з врахуванням незалежно виміряної температури стінок реактора або конструктивних елементів технологічного устаткування (Жирним шрифтом виділені ознаки, властивому предмету винаходу) Недоліком відомого способу і пірометра, є необхідність застосування джерела еталонного теплового випромінювання, що істотно збільшує апаратурну надмірність пірометра, підвищує його габаритно-вагові і енергетичні показники, усклад нюють експлуатацію ВІДОМІ, ЯК більш близькі по технічній сутності до предмета винаходу, спосіб безконтактного виміру температури і пірометр на його основі (див патент RU 2149366, м кл G01J5/58, H01L21/66, б 14, 2000 р), що використовує прийом теплового випромінювання об'єкта, спектральну фільтрацію, його модуляцію, детектування, посилення на частоті модуляції, виділення перемінної складової, реєстрацію випромінювання під кутом до нормалі до поверхні випромінювання рівному головному куту падіння променя, і виділенні в детектуємом сигналі різниці ортогонально поляризованих компонент випромінювання, по якій визначають температуру поверхні об'єкта Пірометр (по патенту 2149366 RU, м mG01J5/58, H01L21/66, 614, 2000р), містить вхід (оптичну систему) оптичного зв'язку об'єкта з пірометром із смугового фільтра, поляризатора, об'єктива і діафрагми, датчик (приймач) теплового випромінювання, розташований у фокальній площині і на осі оптичної системи (входу), модулятор, детектор (блок для виділення перемінної складової), підсилювач і індикатор (блок реєстрації) (Жирним шрифтом виділені ознаки, властивому предмету винаходу) Недоліки відомих способу і пірометра - необхідність у поляризації випромінювання, його модуляції і детектуваня, значна алгоритмічна складність визначення температури і, як результат, значна апаратурна надмірність, низька надійність у роботі і значній складності в експлуатації Крім того, ВІДОМІ способи безконтактного виміру температури і пірометри мають загальний недолік, що складається в критичності до кутів візування, відстані від об'єкта до приймача випромінювань, непридатністю для виміру температури в широкому, від сотень до десятків тисяч градусів по Цельсію, діапазоні температур Задача винаходу - розширення функціональних можливостей пірометра за рахунок забезпечення виміру температури при варьіруємих кутах візування і відстанях між об'єктом, температура поверхні якого виміряється, і датчиком(ами) (приймачем(ами)) випромінювань пірометра Технічний результат полягає в розширенні функціональних можливостей за рахунок прийому випромінювань на двох довжинах хвиль, забезпечення виміру температури в широкому її діапазоні, незалежно від матеріалу і ступеня шорсткості об'єкта при нефіксованих кутах візування і нефіксованих відстанях між об'єктами, температура поверхні яких виміряється, і датчиками (приймачами) випромінювань пірометраТехнічний результат забезпечується тим, що в пристрій, що містить вхід (оптичну систему) оптичного зв'язку і датчик (приймач, перетворювач оптичного сигналу в електричний) випромінювання нагрітого тіла, розташований у фокальній площині і на осі входу, уведений другий датчик (приймач) випромінювання, розташований у фокальній площині і симетрично з першим датчиком на оптичній осі входу, причому датчики (приймачі) виконані із селективними, на двох різних довжинах хвиль, властивостями, перший і другий аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), з'єднані інформаційними входами 61515 з виходами першого і другого датчиків (приймачів) випромінювань ВІДПОВІДНО, елемент порівняння, з'єднаний першими і другими входами порозрядно з виходами першого і другого датчиків (приймачів) випромінювань ВІДПОВІДНО, перший і другий елементи АБО, з'єднані входами порозрядно з виходами першого і другого АЦП ВІДПОВІДНО, групи перших, других, третіх і четвертих елементів І, причому група перших елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами першого АЦП, а другими входами - з першим виходом елемента порівняння, група других елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами другого АЦП, а другими входами з третім виходом елемента порівняння, група третіх елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами першого АЦП, а другими входами з третім виходом елемента порівняння, і група четвертих елементів І першими входами з'єднана порозрядно з виходами другого АЦП, а другими входами з першим виходом елемента порівняння, перший арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими входами з виходами груп перших і четвертих елементів І, а другими входами порозрядно з виходами груп других і третіх елементів І, група п'ятих елементів І, з'єднаних першими входами з виходом першого елемента АБО, другими входами з виходом другого елемента АБО, а третіми входами порозрядно з виходами першого арифметичного блоку, задатчик коефіцієнта пропорційності, другий арифметичний блок, з'єднаний першими і другими входами порозрядно с виходами групи п'ятих елементів І та задатчика ВІДПОВІДНО, а виходами порозрядно з групою перших (інформаційних) виходів пристрою, третій елемент АБО, з'єднаний входами порозрядно з виходами другого арифметичного блоку, формувач переднього фронту імпульсу, з'єднаний входом з виходом третього елемента АБО, а виходом із входами керування першого і другого АЦП, і шостий елемент І, з'єднаний першим і другим входами з виходами першого і другого елементів АБО, а виходом із другим виходом пристрою Схема пристрою приведена на фіг Пристрій містить вхід 1 теплового випромінювання, перший 2 і другий 3 датчики (приймачі) теплового випромінювання на різних довжинах хвиль ( Л ^ і Л ^ ) , розташовані у фокальній площині і на оптичній осі входу, перший 4 і другий 5 аналогоцифрові перетворювачі (АЦП), з'єднані інформаційними входами з виходами датчиків 2 і 3 випромінювань ВІДПОВІДНО, елемент порівняння 6, з'єднаний першими і другими входами порозрядно з виходами першого 4 і другого 5 АЦП ВІДПОВІДНО, перший 7 і другий 8 елементи АБО, з'єднані входами з виходами першого 4 і другого 5 АЦП ВІДПОВІДНО, групу перших 9, других 10, третіх 11 і четвертих 12 елементів І, перші входи групи перших 9 і групи третіх 11 елементів І порозрядно з'єднані з виходами АЦП 4, перші входи групи других 10 і групи четвертих 12 елементів І порозрядно з'єднані з виходами АЦП 5, другі входи груп 9 і 12 елементів І з'єднані з першим виходом елемента 6 порівняння, другі входи груп 10 і 11 елементів І з'єднані з третім виходом елемента 6 порівняння, перший 13 арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими входами з виходами груп перших 9 і четвертих 12 елементів І, а його другі входи порозрядно з єднані з виходами груп других 10 і третіх 11 елементів І, групу п'ятих 14 елементів І, з'єднаних першими входами з виходом першого 7 елемента АБО, другими входами з виходом другого 8 елемента АБО , а третіми входами порозрядно з виходами першого 13 арифметичного блоку, задатчик 15 коефіцієнта пропорційності, другий 16 арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими і другими входами з виходами групи п'ятих 14 елементів І та задатчика 15 ВІДПОВІДНО, а виходами порозрядно з групою перших 17 виходів пристрою, третій 18 елемент АБО, з'єднаний входами з виходами другого 16 арифметичного блоку, формувач 19 переднього фронту імпульсу, з'єднаний входом з виходом третього 18 елемента АБО, а виходом із входами керування АЦП 4 і 5, і шостий 20 елемент І, з'єднаний входами з виходами першого 7 і другого 8 елементів АБО, а виходом із другим виходом пристрою Пристрій працює в таким чином Задатчиком 15 встановлюється код значення коефіцієнта q пропорційності, що залежить від значень довжин хвиль Х-\\Х2 п о залежності виду q = a |Я,-|іЯ,2І. Д е a - постійний коефіцієнт розмірності, вхід 1 теплового випромінювання встановлюється в напрямку на об'єкт О, температура поверхні якого підлягає виміру, при цьому на датчики 2 і 3 через вхід 1 надходить випромінювання з поверхні об'єкта О Датчики 2 і 3, володіючи вибірковістю на випромінювання з Х-\\Х2 ВІДПОВІДНО, на своїх виходах генерують аналогові електричні сигнали l ^ f f s ^ ) і ІІз= (s^2 )> пропорційні інтенсивності є (чи потужності Р) падаючого випромінювання на довжинах хвиль Х-\\Х2 ВІДПОВІДНО, а АЦП 4 і 5 перетворять аналогові сигнали ІІ2 і ІІз у цифрові коди N4=f(U2) і N5=1(1)3) ВІДПОВІДНО За результатами порівняння кодів N4 і N5 на першому виході елемента 6 порівняння генерується одиничний потенціал при N4>N5, на другому виході елемента 6 порівняння генерується високий потенціал при N4=Ns, а на третьому виході генерується одиничний (високий) потенціал при N40 І N5>0 ВІДПОВІДНО ВИСОКИМ (ОДИНИЧНИМ) потенціалом з першого виходу елемента 6 порівняння по других входах відкриваються групи 9 і 12 елементів І, а високим (одиничним) потенціалом із третього виходу елемента 6 порівняння по других входах відкриваються групи 10 і 11 елементів І, при цьому зміст виходів АЦП 4 (N4) і АЦП 5 (N5) надходить на перші і другі, чи на другі і перші, ВІДПОВІДНО, входи першого 13 арифметичного блоку, що визначає коди значень Ni3=N4/Ns чи Ni3=Ns/N4, ч и що однозначно відповідає N i 3 = s ^ Ык2 N-із ~ S X2^ S X1 ^°Д ^ і з н а Д х ° Д и т ь на треті входи групи 14 елементів І, які відкриваються при одиничних потенціалах на першому і другому їхньому входах Зміст ВИХОДІВ першого 13 арифметичного блоку ІЧіз через групу 14 елементів І надходить на перші входи другого 16 арифметичного блоку, на другі входи якого надходить код N15 значення коефіцієнта q пропорційності ( N i 5 = a N E ^ - N E ^ 2 ) . П Р И цьому на 61515 виходах арифметичного блоку 16 генерується код N-іб пропорційний Ni6 = Ni3Ni5=a|^i \%2 І SX1^SX2 ч и =а| Х-\ іЛ-2 | є^і /z-k2 в градусах К Цей код надходить на виходи 17 пристрою і може індицируватися індикатором (дисплеєм) чи використовуватися в технологічних потребах для керування технологічним процесом Крім того, зміст виходів арифметичного блоку 16 N-іб через третій 18 елемент АБО надходить на формувач 19 переднього фронту імпульсу, коротким імпульсом високого потенціалу з виходу формувача 19 повторно запитуються АЦП 4 і АЦП 5, що забезпечує асинхронний у часі ВІДЛІК значень N-іб = Т у градусах К (примусова синхронізація відліку припустима по входах керування АЦП 4 і 5 від зовнішнього джерела імпульсів), крім того, елемент І 20 на своєму виході генерує високий потенціал при N4>0 і N5>0, тобто коли чутливість датчиків 2 і З і потужність падаючих на них теплових випромінювань від об'єкта О достатні для виміру температури об'єкта О, цей сигнал з виходу елемента І 20 надходить на вихід 21 пристрою і може служити ознакою прийнятного наведення оптичного входу 1 пристрою на об'єкт О, тобто при періодичній появі сигналу на виході 21 обидва датчики (2 і 3) реагують на теплове випромінювання об'єкта О и пристрій здатний (чи готовий) до виконання функціонального призначення Відомо, ЩО випромінювальна здатність нагрітого тіла Е 1 Т при температурі Т за законом Кирхгофа •хт Де А; визначається з - його поглинаюча здатність, а s ^ т - величина постійна при даній температурі для всіх тіл, потужність випромінювання є за законом Стефана-Больцмана визна Комп'ютерна верстка Т Чепелєва 8 4 чається з s = а Т , де а - постійна Больцмана, найбільша випромінювальна здатність приходиться на визначену довжину хвилі Я , т а х , для якої за законом зсуву Вина справедливе співвідношення A , m a x T = d , де d - постійна величина, і випромінювальна здатність тіла визначається по формулі Планка, як s XT = 2b7ic2/A,5 = b h / e h c / l a T , д е с - ш в и д к і с т ь світла у вакуумі, х, - довжина хвилі, k - постійна Больцмана, h - постійна Планка, а Ь - коефіцієнт пропорційності Тоді, ОСКІЛЬКИ значення s ^ т - не залежать ні від кута візування, ні від відстані від об'єкта до приймача випромінювань, у межах чутливості приймачів, показання пристрою залишаються справедливими і стабільними в широкому діапазоні кутів візування і відстаней між об'єктом і приймачами випромінювань Крім розширення функціональних можливостей пристрій (пристрій для безконтактного виміру температури), за рахунок використання фотоелектричних перетворювачів теплових випромінювань в електричні сигнали, забезпечує виключення суб'єктивізму, а за рахунок цифрової обробки інформації і підвищення точності вимірів і можливість його використання в автоматичних засобах збору інформації про стан об'єктів у широкому діапазоні їхньої динамічності по параметру температури, а також в автоматичних дистанційних засобах керування (регулювання) технологічними процесами А, якщо ще врахувати можливість використання робочі довжини хвиль їх ультрафіолетові й інфрачервоні області, то область застосування пристрою по температурному діапазоні простирається від 3 0 0 - 400 Кдо 10000- 15000К Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119