Пірометр

Корисна модель відноситься до інформаційно-вимірювальної й обчислювальної техніки, зокрема до пристроїв безконтактного виміру температури поверхні нагрітих тіл, у т. ч. напівровідникових пластин у технологічних установках, виробів з металів, кераміки, пластмас при їхній термообробці, розплавів металів у металургії, а також поверхні тіла людини. Відомий пірометр [1] 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). Недоліки відомого пірометра - необхідність у поляризації випромінювання, його модуляції і детектування, значна алгоритмічна складність визначення температури і, як результат, значна апаратурна надійність у роботі і значні складності в експлуатації. Крім того, відомий пірометр має загальні недоліки, що складаються в критичності до кутів візування, відстані від об'єкта до приймача випромінювань, непридатністю для виміру температуры в широкому, від сотень до десятків градусів по Цельсію, діапазоні температур, та й обмежену функціональну можливість вимірювання значення температури. Підвищення точності і розширення діапазону виміру температур досягається мінімізацією значень l i - l j тобто сближением значень li і lj, а також варьірованням значень li і lj, для зсуву значень li і lj у заданому направленні [2]. Відомий, як найбільш близький по технічній сутності до предмета винаходу, пірометр [3], 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, др угий датчик (приймач) випромінювання, розташований у фокальной площині і симетрично, перший і другий аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), з'єднані інформаційними входами з виходами 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 з виходами першого і другого АЦП відповідно, групи перших, других, треті х 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 выходами 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 четверти х елементів І, а др угими 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 пірометра, 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 ви ходом з 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 з другим ви ходом пірометра. Недоліки відомого пірометра є обмеженість його функціональних можливостей, що складається прийомом випромінювань на двох фіксованих довжинах хвиль, за рахунок чого обмежується діапазон виміряємих температур и низька точність виміру температури. Задача корисної моделі - розширення функціональних можливостей пірометра за рахунок підвищення точності вимірювання температури поверхні тіл у широкому діапазоні її значень (од одиниць до десятків тисяч °С або К). Поставлена задача досягається мінімізацією значень l i - l j тобто зближенням значень li і lj, а також варьірованням значень li і lj, зсувом значень li і lj у заданому направленні. Технічний результат забезпечується тим, що в пірометр, що містить вхід із прозорого в робочому діапазоні матеріалу оптичного зв'язку і датчик випромінювання нагрітого тіла, розташований у фокальній площині і на осі входу, перший і другий аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), елемент порівняння, з'єднаний першими і другими входами порозрядно з виходами першого і другого АЦП відповідно, перший і другий елементи АБО, з'єднані входами з виходами першого і другого АЦП відповідно, групи перших, других, треті х 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, 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 четверти х елементів І, а др угими 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 пірометра, 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 ви ходом з входами керування першого і другого АЦП, і шостий елемент І, з'єднаний першим і другим входами з виходами першого і другого елементів АБО відповідно, а виходом з другим виходом пірометра, введені задатчик значень довжин хвиль приймаємих випромінювань, комутатор, з'єднаний входом керування з виходом задатчика значень довжин хвиль приймаємих випромінювань, інформаційними входами з виходами датчика, а виходами з входами обох АЦП відповідно, перший елемент затримки, з'єднаний входом з виходом формувача переднього фронту імпульсу, а виходом з входом керування першого арифметичного блока, и другий елемент затримки, з'єднаний входом з виходом першого елемента затримки, а виходом з входом керування другого арифметичного блока, причому, датчик випромінювань нагрітого тіла збудований на приборах с зарядовим зв'язком, сотовим у плані та селективним на різні довжини хвиль теплового випромінювання, а електричні виходи елементів датчика з селекцією випромінювань на одноіменних довжинах хвиль з'єднані паралельно і утворюють виходи датчика. Схема пірометра приведена на Фіг.1, на Фіг.2 приведені можливі варіанти розташування елементів датчика у плані, а на Фіг.3 - схема електричних з'єднань елементів датчика. Пірометр містить (див. Фіг.1) вхід 1 теплового випромінювання, селективний датчик 2 (приймач) випромінювання нагрітого тіла на різних довжинах хвиль (li і lj), розташований у фокальній площині і на оптичній осі входу, задатчик 3 значень довжин li і lj, хвиль випромінювання, комутатор 4, з'єднаний входами керування з виходами задатчика 3, а інформаційними входами порозрядно з виходами датчика 2 випромінювання нагрітого тіла, перший 5 і другий 6 аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), з'єднані інформаційними входами з виходами комутатора 4 відповідно, елемент порівняння 7, з'єднаний першим і другим входами порозрядно з виходами першого 5 і другого 6 АЦП відповідно, перший 8 і другий 9 елементи АБО, з'єднані входами з виходами першого 5 і другого 6 АЦП відповідно, групу перших 10, других 11, третіх 12 і четвертих 13 елементів І, перші входи групи перших 10 і групи третіх 12 елементів І порозрядно з'єднані з виходами АЦП 5, перші входи групи других 11 и групи четвертих 13 елементів І порозрядно з'єднані з виходами АЦП 6, другі входи груп 10 і 13 елементів І з'єднані з першим виходом елемента 7 порівняння, другі входи гр уп 11 і 12 елементів І з'єднані з другим виходом елемента 7 порівняння, перший 14 арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими входами з виходами перших 10 и четвертих 13 елементів І, а його другі входи порозрядно з'єднані з виходами груп других 11 і третіх 12 елементів І, групу п'яти х 15 елементів І, з'єднаних першими входами з виходом першого 8 елемента АБО, др угими входами з виходом другого 9 елемента АБО, а третіми входами порозрядно з виходами першого 14 арифметичного блока, задатчик 16 коефіцієнта пропорційності, другий 17 арифметичний блок, з'єднаний порозрядно першими і другими входами з виходами групи п'ятих 15 елементів І і задатчика 16 відповідно, третій 18 елемент АБО, з'єднаний входами з виходами другого 17 арифметичного блока, формувач 19 переднього фронту імпульсу, з'єднаний входом з виходом третього 18 елемента АБО, а ви ходом зі входами керування АЦП 5 і 6, і шостий 20 елемент І, з'єднаний входами з виходами першого 8 і другого 9 елементів АБО, перший 21 елемент затримки, з'єднаний входом з виходом формувача 19 переднього фронту імпульсу, а виходом зі входом керування (синхронізації) першого 14 арифметичного блока, і другий 22 елемент затримки, з'єднаний входом з виходом першого елемента 21 затримки, а виходом з входом керування (синхронізації) другого 17 арифметично блока, перший, багаторозрядный, вихід 23 пірометра, з'єднаний порозрядно з виходами другого арифметичного блока 17, а другий 24 вихід пірометра з'єднаний з виходом шостого 20 елемента І, причому, датчик 2 випромінювань нагрітого тіла побудований сотовим у плані (див. Фіг.2), на приборах з зарядовою зв'яззю (ПЗС) і вибірковим (селективним) на різні довжини хвиль l1, l2 ... li , ... lj, а електричні елементи датчика 2 з одноіменними довжинами хвиль lі з'єднані по виходах паралельно (див. Фіг.3). Пірометр працює таким чином. Задатчиком 3 встановлюються значення довжини хвиль li і lj приймаємого теплового випромінювання, задатчиком 16 встановлюється код значень коефіцієнта q пропорційності, що залежить від значень довжин хвиль li і lj, по залежності виду q = a l i - l j , де a - постійний коефіцієнт розмірності, вхід 1 теплового випромінювання встановлюється в напрямку на об'єкт О, температура поверхні якого підлягає виміру, при цьому на датчик 2 температури по входу 1 пірометра надходить випромінювання з поверхні об'єкта О. По керуванню з виходів задатчика 3 відповідні виходи датчика 2 з'єднуються з виходами комутатора 4. Датчик 2, володіючи вибірковістю на випромінювання з довжинами хвиль li і lj, відповідно, на своїх ви ходах генерують аналогові сигнали Ui=f(eli) і Uj=f(elj), пропорційні потужності падаючого випромінювання на довжинах хвиль li і lj, а АЦП 5 і АЦП 6 перетворять аналогові сигнали Ui і Uj у ци фрові коди N5=f(Ui) і N6=f(Uj) відповідно. За результатами порівняння кодів N5 і N6 на першому виході елемента 7 порівняння генерується одиничний потенціал при N5>N6, на другому виході - високий потенціал при N5=N6, а на третьому виході елемента 7 порівняння генерується високий потенціал, при N50 і N5>0. Високим (одиничним) потенціалом з першого виходу елемента 7 порівняння по други х входах відкриваються групи 10 і 13 елементів І, а високим (одиничним) потенціалом з третього виходу елемента 7 порівняння по других входа х відкриваються групи 11 і 12 елементів І, при цьому зміст виходів АЦП 5 (N5) і АЦП 6 (N6) надходить на перші і другі, чи на другі і перші, відповідно, входи першого 14 арифметичного блока, що визначає коди значень N 14=N4/N5 чи N14=N5/N4, що однозначно відповідає Н14=el1 /el 2 чи Н14=el 2/el1 . Код Н14 генерується по імпульсу з виходу елемента 21 затримки, який надходить на вхід керування (синхронізації) першого 14 арифметичного блока, а також на треті входи гр упи 15 елементів І, які відкриваються при одиничних потенціалах на перших і других входах. Зміст виходів першого 14 арифметичного блока Н 14, через групу 15 елементів І, надходить на перші входи другого 17 арифметичного блока, на другі входи якого надходить код Н 16 (Н16=a Nel 1 - Nel 2 ) значення коефіцієнта q пропорційності з виходів задатчика 16, при цьому на виходах арифметичного блока 17 генерується код N17 пропорційний N17=N14N16=a l1 - l2 e l1 / e l 2 чи =a l1 - l2 e l 2 / e l1 в градуса х К. Цей код надходить на перший, багаторозрядний, 23 вихід пірометра і може індицируватися дисплеєм чи використовуватися в те хнологічних потребах для керування технологічним процесом. Крім того, зміст виходів арифметичного блока 17 Н17 через третій 18 елемент АБО надходить на формувач 19 переднього фронту імпульсу, коротким імпульсом високого потенціалу з виходу формувача 19 повторно запитуються АЦП 5 і АЦП 6 і арифметичні блоки 14 і 17, що забезпечує асинхронний у часі відклик значень N17@T у градуса х К, крім того, елемент І 20 на своєму виході генерує високий потенціал при N5>0 і N6>0, тобто коли чутливість датчика 2 (точніше його елементів з вибірковістю (селекцією) випромінювань на довжинах хвиль l1 і l2) 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 24 пірометра и може служити ознакою прийнятого наведення оптичного входу 1 пірометра на об'єкт О, тобто при періодичній появі сигналу на виході 24 датчик 2 реагує на теплове випромінювання об'єкта О і пірометр здатний (чи готовий) до виконання функціонального призначення. Крім розширення функціональних можливостей пірометр, за рахунок користування фотоелектричних перетворювачів теплових випромінювань в електричні сигнали, забезпечує виключення суб'єктивізму, а за рахунок цифрової обробки інформації, 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 врахува ти можливість використання робочі довжини хвиль їх ультрафіолетові і інфрачервоні області, то область застосування пірометра по температурному діапазоні простирається від 300-400К до 10000-5000К. Крім того, варьіровання значеннями довжин хвиль підвищує чутливість датчика і точність виміру температури, а також розширяє діапазон вимірюємих температур. Джерела інформації: 1. Патент RU 2149366, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 14, 2000; 2. Патент UA 55788, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 4, 2003. 3. Патент UA 61515, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 11,2003;