Оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури нагрітого об`єкта за спектральним відношенням

Винахід відноситься до області вимірювальної техніки, зокрема до оптико-електронних способів надлишкових вимірювань температури при нелінійній функції перетворення фотоприймача і може бути використаний для створення високоточних оптичних пірометрів спектрального відношення. Відомий оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням [див. Поскачей Α.Α., Чубарев Е.П. Оптико-електронні системи вимірювання температури. М: Енергія, 1979. - 208с., іл.), який полягає у тому, що потік випромінювання 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 с недостатня точність та обмежений діапазон вимірювання температури. Недостатня точність обумовлена нелінійністю і нестабільністю функції перетворення фотоприймача, що приводить до появи похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Записані в таблицях відповідності значення температур мають кінцеву дискретність, що обумовлює виникнення похибки дискретності. Використання таблиць відповідності з малою дискретністю значень температури менших, ніж похибка вимірювання, потребує великого об'єму пам'яті, що не завжди доцільно. Відомий спосіб мас обмежений діапазон вимірювання температури тому, що не вирішує задачу розширення динамічного діапазону вхідних сигналів. Він передбачає роботу на лінійній ділянці графіку функції перетворення фотоприймача. Відомий оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням описаний у роботі [Назаренко Л.А., Ромоданов И.С., Кисіль О.М., Сергієнко П.П. Еталонний оптичний пірометр ЕОП-93 // Харків: ДНВО «Метрологія» Український метрологічний журнал. 1996. - Вип.23. - с.46-48], який заснований на поділі потоку випромінювання від нагрітого об'єкта на два сфокусовані потоки, візуалізації зображення об'єкта по одному з потоків, направленні другого потоку випромінювання на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного потоку випромінювання Φχ(l) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворення його у постійну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворенні 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 та обмежений діапазон вимірювання температури. Низька точність обумовлена нелінійністю, а також довгостроковою і температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача, який має логарифмічну функцію перетворення. Де обумовлює появу похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Використання таблиць відповідності обумовлює виникнення похибки дискретності. Обмежений діапазон вимірювання температури обумовлений вибором робочої точки на лінійній ділянці графіка функції перетворення. Відомий також оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням [див. деклараційний патент України №56614 A, МПК G01R7/02, бюл.№5, 2003], який заснований на поділі потоку випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, на визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключенні дії потоку випромінювання F х на фотоприймач, перетворенні у напругу н ульового значення потужності потоку випромінювання F 1 при температурі T1 термостатування фотоприймача і запам'ятовуванні отриманого значення напруги U1, формуванні першого нормованого за розміром потужності потоку випромінювання F 2, що відповідає першій нормованій за розміром температурі Т2 , перетворенні потужності потоку випромінювання F 2 у постійну напругу U2, вимірюванні її і запам'ятовуванні отриманого значення, і визначенні дійсного значення потужності потоку випромінювання згідно з рівнянням надлишкових вимірювань. Відомий спосіб забезпечує високоточне вимірювання потоку випромінювання Φx, але потребує використання таблиць відповідності. Це обумовлює виникнення похибки дискретності. Використання таблиць відповідності з малою дискретністю значень температури менших, ніж похибка вимірювання, потребує великого об'єму пам'яті. Крім того, відомий спосіб частково вирішує задачу розширення динамічного діапазону вхідних сигналів завдяки апроксимації логарифмічної функції перетворення фотоприймача кубічною параболою. В основу винаходу покладена задача створення такого оптико-електронного способу надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням, в якому шляхом введення нових операцій вимірювання, умов їх проведення та обробки результатів проміжних вимірювань, забезпечилось би підвищення точності результату вимірювання температури та розширення діапазону вимірювання температури шляхом використання всього діапазону логарифмічної функції перетворення фотоприймача. Поставлена задача вирішується тим, що в оптико-електронному способі надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням, який заснований на поділі потоку випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, на визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключенні дії потоку випромінювання F х на фотоприймач, перетворенні у напругу нульового значення потужності потоку випромінювання F 1 при температурі Т1 термостатування фотоприймача і запам'ятовуванні отриманого значення напруги U1, формуванні першого нормованого за розміром потужності потоку випромінювання F 2, що відповідає першій нормованій за розміром температурі Т2, перетворенні потужності потоку випромінювання F 2 у постійну напругу U2, вимірюваній її і запам'ятовуванні отриманого значення, з подальшим визначенням дійсного значення потужності потоку випромінювання згідно з рівнянням надлишкових вимірювань, згідно з винаходом, формують другий нормований за розміром потужності потік випромінювання F 3, потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F 2 в kл1 рази (де kл1=0,8¸0,99), який відповідає другій нормованій за розміром температурі Т3, перетворюють потужність потоку випромінювання F 3 в постійну напругу U3, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують потік F 4, потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F x також в kл1 рази, перетворюють потужність потоку випромінювання F 4 в постійну напругу U4, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, діють потоком випромінювання F х, що відповідає вимірювальній температурі Тх, перетворюють потужність потоку випромінювання Φx в постійну напругу U5 , вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, а про дійсне значення температури нагрітого об'єкта судять згідно з рівняння надлишкових вимірювань Т х = A' s 4 F т 1- е е U4 -U5 F 3 +F Т ln U3 -U2 F 2 +F Т U4 - U5 F 3 + F Т ln U3 -U2 F 2 + F Т (1) - k л1 де А' коефіцієнт, який залежить від коефіцієнта використання потоку від об'єкта А і коефіцієнта поглинання середовищем tlс, Α'=Atlс; s стала Стефана-Больцмана; F т - темновий потік (F т=lт/SIl), де Iт темновий струм, SІl - стр умова монохроматична чутливість або чутли вість фотоприймача до монохроматичного випромінювання. В запропонованому оптико-електронному способі надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням при логарифмічній функції перетворення фотоприймача для підвищення точності вимірювання та розширення діапазону вимірюваних температур запропоновано формування двох додаткових каліброваних за значенням потужності потоків випромінювання, що відрізняються між собою в kл1 рази, а також формування потоку випромінювання F 4, потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F х також в kл1 рази. Подальша обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівнянням надлишкових вимірювань забезпечує одержання високоточного результату надлишкових вимірювань температури об'єкту в широкому діапазоні температур. На рисунку наведена структурна схема пристрою, що реалізує зазначений спосіб, де 1 - досліджуваний нагрітий об'єкт, 2 і 3 - перша і друга напівпрозорі пластини; 4 - заслінка з ручним керуванням, 5 - відбивне дзеркало, 6 - окуляр, 7 - кероване джерело каліброваного за значенням потужності потоку оптичного випромінювання, 8 - фокусуюча лінза, 9 - сітчастий поглинач із нейтрального скла з ручним керуванням, 10 обтюраторний диск, 11 - синхронний двигун; 12 - фотоприймач, 13 - світловипромінюючий діод, 14 фотоприймач-формувач імпульсів, 15 - МДМ-підсилювач, 16 - ци фровий вольтметр. Причому на одній оптичній осі послідовно розташовані та оптично з'єднані між собою досліджуваний нагрітий об'єкт 1, перша і друга напівпрозорі пластини 2 і 3, заслінка 4, фокусуюча лінза 8, сітчастий поглинач 9, обтюраторний диск 10 і фотоприймач 12, вихід якого підключений до МДМ-нідсилювача 15, до виходу якого підключений цифровий вольтметр 16, вхід керування МДМ-підсилювача 15 з'єднаний з виходом фотоприймача-формувача імпульсів 14, вхід якого через отвори обтюраторного диска 10 оптично з'єднані з світловипромінюючим діодом 13. Кероване джерело 7 каліброваного за значенням потужності потоку випромінювання оптично зв'язане через другу напівпрозору пластину 3, фокусуючу лінзу 8, сітчастий поглинач 9 і обтюраторний диск 10 з фотоприймачем 12. Основний оптичний канал через першу напівпрозору пластину 2 і відбивне дзеркало 5 оптично зв'язаний з окуляром 6. При цьому обтюраторний диск 10 механічно з'єднаний з синхронним двигуном 11. В основу запропонованого оптико-електронного способу надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням покладена залежність потоку випромінювання від 4 F = А' sTx температури Тх, яка описується законом Стефана-Больцмана: х , де Α'=Αtlс , А' - коефіцієнт, який залежить від коефіцієнта використання потоку від об'єкта А і коефіцієнта поглинання середовищем tlс, s стала Стефана-Больцмана. Відомо, що функція перетворення фотоприймача на базі фотодіоду має логарифмічний характер і описується рівнянням величин виду Ux = ö kT æ SiF x lnç + kl ÷ ÷ q ç ls è ø , де k - стала Больцмана; k=1,38·10-23Дж/К; T - абсолютна температура; q - заряд електрона; q=1,60·10Кл; F - потік оптичного випромінювання, що потрапляє на фотодіод; Si - струмова монохроматична чутливість фо тодіода; ls - темновий струм фото діода; kl=1. 19 Після перетворення цієї функції при заміні S'н = kT / q і F т=Is/Sі, отримуємо рівняння величин виду æ æ æ 1 1 ööö ÷÷÷ Ux = S'н ç lnç F x + lnç ç F + F ÷÷÷ ç ç è т х øøø è è { } S' S' = {Sн}(1+ gн ) де н - параметр нелінійної складової функції перетворення фотоприймача, причому н ; gн відносна зміна параметра нелінійної складової функції перетворення фотоприймача, яка обумовлена дією дестабілізуючих факторів навколишнього середовища і старінням елементів фотоприймача. Розглянемо сутність процесу вимірювання температури запропонованим оптико-електронним способом надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням. Спочатку на чутливий елемент фотоприймача направляють потік випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкта. Розділяють потік випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкту на два інформативні потоки. Місцеположення досліджуваного нагрітого об'єкта визначають по першому потоку. Виключають дію другого інформативного потоку випромінювання F х на поверхню чутливого елемента фотоприймача. Нульове значення потужності потоку випромінювання перетворюють в постійну наругу U1 : U1=Sнlnk2 (2) де k2=2. Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (2). Додатково формують нормований за розміром потужності потік випромінювання F 2. Перетворюють потужність потоку випромінювання F 2 в постійну напругу (3) U2=Sн(ln(F 2+F T)-lnF T) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (3). Формують другий нормований за розміром потужності потік випромінювання F 3, таким чином, щоб його потужність відрізнялась від потужності потоку випромінювання F 2 в kл1 рази (де kл1=0,8¸0,99). Перетворюють потужність потоку випромінювання F 3 в постійну напругу U3=Sн(ln(kл1F 2+F T)-lnF T) (4) яку вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Формують потік випромінювання F 4, потужність якого відрізняється від потужності випромінювання F х також в kл1 рази. Перетворюють потік випромінювання F 4 в постійну наругу U4=Sн(ln(kл1F х+F T)-lnF T) потоку (5) Постійну напругу (5) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Встановлюють потік випромінювання F х, що відповідає невідомій температурі Тх, і перетворюють його в постійну напругу (6) U5=Sн(ln(F х+F T)-lnF T) яку вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Дійсне значення інформативного потоку випромінювання F х визначають згідно із рівнянням надлишкових вимірювань Fх = Fт 1- е е U4 -U5 F3 + FТ ln U3 -U2 F2 + FТ U4 -U5 F 3 +F Т ln U3 -U2 F 2 +F Т (7) - kл1 Дійсне значення температури Т х об'єкта визначають згідно з рівняшгями надлишкових вимірювань Т х = A' s 4 F т 1- е е U4 -U5 F 3 +F Т ln U3 -U2 F 2 +F Т U4 - U5 F 3 + F Т ln U3 -U2 F 2 + F Т (8) - k л1 Не важко показати, що обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівнянням надлишкових вимірювань (7) забезпечує автоматичне виключення впливу абсолютних значень параметрів функції перетворення фотоприймача та їх нестабільності під дією дестабілізуючих факторів, тобто систематичних та випадкових складових похибки вимірювання. Для цього в рівняння надлишкових вимірювань (7) підставимо різниці напруг, які описуються аналітичними виразами (2)-(6): F х = Fт æ S'н (ln (k л1F х + F т )-ln(F x +F т )) ö F3 + F Т ç ÷ ç S ' (ln(F + F )-ln (F + F )) ÷ ln F + F 3 т 2 т ø 2 Т 1 - еè н е = Fт æ S 'н (ln(k л1F х +F т )- ln(F x + F т )) ö F 3 +F Т ç ÷ ç S ' (ln (F + F )-ln(F +F )) ÷ ln F +F è н 3 т 2 т ø 2 Т æ ö ç ÷ ç ln(k л1F х +F т )-ln (F х + F т ) ÷ F 3 + FТ ç ÷ ln æ F + FТ ö ç ÷ F 2 + FТ ÷ ln ç 3 ç ç F +F ÷ ÷ è 2 Т ø ø 1 - еè е æ ö ç ÷ ç ln (k л1F х + F т )-ln(F х +F т ) ÷ F 3 + F Т -k л1 ç ÷ ln æ F +FТ ö ç ÷ F2+FТ ÷ lnç 3 ç F +F ÷ ç ÷ è 2 Т ø è ø = - k л1 (9) ln = Fт 1- е ln е k л1F х + F т F х + Fт k л1F х + F т F х +F т - k л1 ln k л 1F х + Fт Fх +Fт Fх 1- е k F +Fт = ln л1 х k F +Fт k F + Fт Fт ln л1 х е F х + F т = л1 х F х + Fт е - k л1 звідси Fх + Fт після логарифмування отримуємо ln k л1F х + F т k F + Fт = ln л1 х Fх + Fт Fх + Fт Пояснимо сутність запропонованого способу на прикладі роботи пристрою, наведеному на рисунку. Перед початком вимірювання здійснюється направлення пристрою на нагрітий об'єкт 1. Перший потік випромінювання, що відбився від першої напівпрозорої пластини 2 поступає на відбивне дзеркало 5. Відбившись від відбивного дзеркала 5 цей потік потрапляє на окуляр 6, за допомогою якого здійснюється направлення пристрою на об'єкт дослідження 1 і також визначення його місцеположення. Припустимо, що об'єкт дослідження 1, температуру Т х якого необхідно визначити, формує інформативний потік випромінювання F х. Згідно з запропонованим способом, у першому такті вимірювання закривають заслінку 4. В результаті чого потік випромінювання F х від досліджуваного нагрітого об'єкта 1 не поступає на фотоприймач 12. Одержане значення напруги U 1 (2) запам'ятовується у вигляді коду числа N1 (N1=SпрU1, де Sпр - коефіцієнт перетворення напруги в код). У другому такті на виході джерела 7 каліброваного потоку випромінювання встановлюють задане значення струму І. Це забезпечує формування першого каліброваного за значенням потужності потоку випромінювання F 2. Цей потік через другу напівпрозору пластину 3, фокусуючу лінзу 8 і обтюраторний диск 10 поступає на фотоприймач 12. Вихідна напруга фотоприймача 12 підсилюється за допомогою МДМпідсилювача 15. Синхроімпульси, що керують роботою МДМ-підсилювача 15 формуються за допомогою фотоириймача-формувача імпульсів 14, світловипромінюючого діоду 13 і обтюраторного диску 10. Вихідну напругу U2 (3) МДМ-підсилювача вимірюють за допомогою цифрового вольтметра 16. Отриманий код числа N2 (N1=SпрU 2) запам'ятовують. В третьому такті встановлюють сітчастий поглинач 9. В результаті чого потужність потоку випромінювання F 2 змінюється в kл1 рази (де kл1=0,8¸0,99). Сформований другий нормований за розміром потужності потік випромінювання F 3 через другу напівпрозору пластину 3, фокусуючу лінзу 8, сітчастий поглинач 9 і обтюраторний диск 10 поступає на чутливий елемент фотоприймача 12. Вихідна постійна напруга фотоприймача 12 підсилюється за допомогою МДМ-підсилювача 15. Вихідну напругу МДМпідсилювача U3 (4) вимірюють за допомогою цифрового вольтметра 16. Отриманий код числа Ν3, (Ν3=SпрU3) запам'ятовують. В четвертому такті відкривають заслінку 4 і виключають друге джерело 7 каліброваного потоку випромінювання. В результаті потік випромінювання F х від досліджуваного нагрітого об'єкта 1 через першу і другу напівпрозорі пластини 2 і 3, заслінку 4, фокусуючу лінзу 8, сітчастий поглинач 9 і обтюраторний диск 10 поступає на чутли вий елемент фотоприймача 12. Вихідна постійна напруга фотоприймача 12 підсилюється за допомогою МДМ-підсилювача 15. Вихідну напругу МДМ-підсилювача U 4 (5) вимірюють за допомогою цифрового вольтметра 16. Отриманий код числа N 4 (N4=SпрU4) запам'ятовують. У п'ятому такті прибирають сітчастий поглинач 9. В результаті потік випромінювання F х від досліджуваного нагрітого об'єкта 1 через першу і др угу напівпрозорі пластини 2 і 3, заслінку 4, фокусуючу лінзу 8 і обпораіорний диск 10 поступає на чутливий елемент фотоприймача 12. Вихідна постійна напруга фотоприймача 12 підсилюється за допомогою МДМ-підсилювача 15. Вихідну напругу МДМ-підсилювача U5 (6) вимірюють за допомогою цифровою вольтметра 15. Отриманий код числа Ν5 (Ν5=SпрU5) запам'ятовують. По результатам проміжних вимірювань N1...N5, отриманим в кожному з п'яти тактів, визначають дійсне значення потоку випромінювання F х згідно із рівнянням числових значень N4 -N5 {F х} = {F т} ln {F 3 }+{F T } { 1- е N3 -N2 {F 2 }+ F T} е N4 -N5 {F 3 }+{ F T } ln N3 -N2 {F 2 }+{ F T } (10) - k л1 Значения темнового {Фт} потоку Фт ({Фт}={Іт}/{SIl}, де {Іт} - значення темнового струму, {SIl} значення струмової монохроматичної чутливості) обчислюється за паспортними даними фотоприймача. Значення {F 2} нормованого за розміром потужності потоку випромінювання Ф2 пропорційне встановленому значенню {I} струму I на джерелі 7, тобто {F 2}=k0{I}, де k0 - коефіцієнт пропорційності. Для обраного сітчастого поглинача з відомим значенням коефіцієнта поглинання kл1 обчислюють значення потоку випромінювання F 3 ({F 3}=kл1{F 2}). Отриманий результат (10) запам'ятовуються. Про дійсне значення температури Т х об'єкта судять згідно з рівняннями числових значень NTx = {Tx} = A' s 4 Fт 1-е е N4 -N5 F 3 + F Т ln N3 -N2 F 2 + F Т N4 -N5 F 3 + FТ ln N3 -N2 F 2 + FТ - k л1 (11) Таким чином, зазначена сукупність та послідовність запропонованих га відомих суттєви х ознак забезпечує розширення діапазону та підвищення точності вимірювання температури. Обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівняннями числових значень (11) забезпечує виключення виливу на результат вимірювання температури Т х, абсолютних значень параметрів нелінійної функції перетворення фотоприймача та їх відхилень від номінальних значень і забезпечує системну лінеаризацію загальної результуючої функції перетворення та розширення діапазону вимірювання. В цілому, запропонований оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури нагрітого об'єкта за спектральним відношенням забезпечує вирішення поставленої задачі.