Радіометричний спосіб надлишкових вимірювань температури об’єктів

Радіометричний спосіб надлишкових вимірювань температури віддалених об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, оснований на оптичному підсиленні у kп рази потужності інфрачервоного випромінювання Фx від нагрітого об'єкта, перетворенні у напруги потужностей потоків інфрачервоного випромінювання, вимірюванні та запам'ятовуванні діючих значень напруг з подальшим визначенням дійсного значення температури Tx згідно з рівнянням вимірювання, який відрізняється тим, що спочатку формують перший C2 2 85425 1 3 85425 4 Відомий радіометричний спосіб вимірювання пройшов від нагрітого об'єкту крізь атмосферу до температури об'єктів [дивись Д.М. Щербина. Рарадіометра, вимірюють та запам'ятовують діюче диометр. А.с. №673865 від 15.07.78. Бюл. №26, значення отриманої напруги, штучно формують 1978. МПК G01J5/02], оснований на оптичному другий потік Ф3=kп(Ф 0+k xФ x) інфрачервоного випідсиленні у k п рази потужності інфрачервоного промінювання, шляхом об'єднання потоків інфравипромінювання Фx від нагрітого об'єкта, перетвочервоного випромінювання з відомим і невідомим ренні у напругу потужності підсиленого потоку інзначеннями потужностей, перетворюють потужфрачервоного випромінювання, вимірюванні та ність другого сформованого потоку Ф3 у напругу запам'ятовуванні діючого значення напруги з поU3, вимірюють та запам'ятовують діюче значення дальшим визначенням дійсного значення темпецієї напруги, а про дійсне значення температури ратури T x згідно з рівнянням вимірювання. судять згідно з рівнянням надлишкових вимірюЦей спосіб також чутливий до нестабільності вань параметрів функції перетворення вимірювального 1 U - U1 каналу та потребує врівноваження конвективних T x = T0 × 4 ×4 3 . k x × kп U3 - U2 теплових потоків. Ці недоліки призводять до збільшення часу та по хибки вимірювання. На рис.1 наведена структурна схема цифрового радіометра, що реалізує зазначений спосіб Найбільш близьким до запропонованого є ранадлишкових вимірювань, де: 1 - дзеркальна опдіометричний спосіб вимірювання температури об'єктів [дивись Криксунов Л.З. Приборы ночного тична система; 2 і 3 - перша та друга шторки; 4 видения. М.: Техника, 1975, с.64-67], оснований на чорне тіло (джерело інфрачервоного випромінюоптичному підсиленні у kп рази потужності інфравання з нормованою за значенням потужності); 5 і 6 - перша та друга напівпрозорі пластинки; 7 - відчервоного випромінювання Фx від нагрітого об'єкбивне дзеркало; 8 - діафрагма; 9 - термостат з та, перетворенні у напругу потужності підсиленого потоку інфрачервоного випромінювання, вимірюфотоприймачем 10; 11 - підсилювач; 12 - об'єктив; ванні та запам'ятовуванні діючого значення напру13 - цифровий вольтметр. ги з подальшим визначенням дійсного значення Відомо, що потужність потоку інфрачервоного випромінювання від нагрітого об'єкту пов'язана температури T x згідно з рівнянням вимірювання. температурою за законом Стефана-Больцмана: Недоліком відомого способу є залежність результату вимірювання від абсолютних значень 4 4 (1) Ф x = t × S × RT = t × S × e × s × Tx = k × Tx , функції перетворення вимірювального каналу та їх де Фx - потужність потоку інфрачервоного вивідхилень від номінальних під дією зовнішніх депромінювання об'єкту вимірювання; t - коефіцієнт стабілізуючих факторів. Відомий спосіб не забезпрозорості атмосфери (визначається експерименпечує виключення адитивної та мультиплікативної тально); S - площа об'єкту дослідження (визначаскладових похибки вимірювання. В основу винаходу поставлена технічна задається експериментальне); e - відносна випромінюча створення такого радіометричного способу юча здатність об'єкту (вибирається з довідкової надлишкових вимірювань температури об'єктів, технічної літератури); s=5.67.10-12Вт/см 2.град4 при якому виключається дія на похибку вимірюпостійна випромінювання; RT - інтегральна густина вання як абсолютних значень параметрів функції випромінювання; Тx - температура об'єкту досліперетворення, так і їх відхилень від номінальних дження; k=t.S. e. s - коефіцієнт пропорційності. значень, що обумовлені процесами старіння фунПрипустимо, що реальна функція перетворенкціональних блоків та елементів вимірювального ня вимірювального каналу з урахуванням коефіціканалу за часом, впливом температури, вологості, єнта оптичного підсилення kп потоку, описується тиску та інши х дестабілізуючи х факторів. рівнянням величин виду Запропонований радіометричний спосіб над(2) Ux = S ¢ × k п Ф x + DU¢, л лишкових вимірювань температури віддалених де S л = S л (1 + g л ), S л - чутливість фото¢ об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, оснований на оптичному підсиленні у k п рази поприймача, g л = DS л / S л - відносна зміна крутості тужності інфрачервоного випромінювання Фx від перетворення; DU¢ = D U + D ад; D U - вихідна нанагрітого об'єкта, перетворенні у напруги потужностей потоків інфрачервоного випромінювання, випруга при нульовому значенні потужності потоку мірюванні та запам'ятовуванні діючих значень наоптичного випромінювання Фx; D ад - адитивна пруг з подальшим визначенням дійсного значення складова похибки; D мп = DS л x i - мультиплікативтемператури Tx згідно з рівнянням вимірювання, від відомого відрізняється тим, що спочатку форна складова похибки. З ура хуванням закона Стефана-Больцмана мують перший потік Ф1=kпФ0 ін фрачервоного ви(1), функція перетворення (2) прийме вид: промінювання, потужність якого пропорційна нормованій за значенням температурі T0 у четвертій 4 (3) Ux = S¢л × k п × k × Tx + DU¢, степені, перетворюють потужність першого сфорЗапропонований спосіб надлишкових вимірюмованого потоку у напругу U1, вимірюють та запавань температури віддалених об'єктів в інфрачерм'ятовують діюче значення цієї напруги, перетвовоному діапазоні довжин хвиль оснований на перюють у напругу U2 потужність оптично ретворенні у напругу підсиленого у kп рази потоку Фx інфрачервоного випромінювання від нагрітого тіла, тобто потоку 4 (4) ¢ Ui = S л × Ф xi + D U¢ = S¢л × k п × k × Txi + DU¢, Ф2=kпk xФ x, де k x - коефіцієнт послаблення потужності потоку інфрачервоного випромінювання, що 5 85425 6 потужностей потоку інфрачервоного випроміде S0 - функція перетворення аналогонювання від нагрітого об'єкта чи/та від штучно цифрового перетворювача; N1 - числове значення сформованого джерела. напруги U1. Отримані напруги вимірюються, а діючі знаПеретворюють у напругу U2 потужність оптиччення кожної з них запам'я товуються у вигляді но підсиленого у kп рази потоку Фx інфрачервоного коду числа випромінювання від нагрітого тіла, тобто потоку Ф2=kпФ x, (9) Ni = S 0 × Uxi, (5) Відомо, що потік Фx інфрачервоного випроміде S0 - функція перетворення аналогонювання від нагрітого тіла проходить скрізь атмоцифрового перетворювача; Ni - числове значення напруги U xi, сферу і додатково послаблюється у k x = e-ba L x Згідно з запропонованим способом, спочатку рази, де b a - коефіцієнт розсіювання атмосфери, формують перший потік Ф1=kпФ0 інфрачервоного який залежіть від якості атмосферу - наявності випромінювання, потужність якого пропорційна щільного, середнього чи легкого туману, димки, нормованій за значенням температурі T0 у че тверлегкої димки, ясної дуже ясної чи виключно ясної тій степені, тобто . . 4 погоди тощо. Значения b a змінюється майже на Ф1=kп k T0 , (6) три порядки - від 85,6 до 0,0713; Lx - довжина (за де k = t × S × e × s - коефіцієнт пропорційності. оптичного віссю) прошарку атмосфери від об'єкта Перетворюють потужність першого сформовадосліджування до вимірювача у км. ного потоку (6) у напругу У цьому випадку в напругу U2 буде перетво4 + DU¢, (7) рюватися вже не потужність потоку (9), а потуж¢ U1 = S л × Ф1 + D U¢ = S¢л × k п × k × Tx ність послабленого потоку Вимірюють та запам'ятовують діюче значення напруги U1 у вигляді кода числа (10) Ф 2 = k п Ф x e- b a L x , N1=S0.U1, (8) Отриману напругу 4 U2 = S¢л × kп × Фxe -baL x + DU¢ = Sл × kп × k × Tx e -baL x + DU¢, (11) ¢ вимірюють, а її діюче значення у вигляді кода числа N2=S0.U2, (12) запам'ятовують. Формують другий потік Ф3=kп(Ф0+kxФ x) інфрачервоного випромінювання шляхом об'єднання потоків інфрачервоного випромінювання з відомим і невідомим значеннями потужностей, тобто 4 4 Ф3 = kп (Ф xe-b aLx + Ф0 ) = kп × k × (Tx × e- b aL x + T0 ), (13) Перетворюють потужність другого сфoрмованого потоку (13) інфрачервоного випромінювання у напругу 4 4 U3 = S¢л × (Ф1 + Ф2 ) + D U¢ = S¢л × k п × k × ( Tx e- ba Lx + T0 ) + DU¢, (14) Вимірюють та запам'ятовують діюче значення напруги U3 у вигляді коду числа N3=S0.U3, (15) Про дійсне значення температури судять згідно з рівнянням надлишкових вимірювань 1 U - U1 ×4 3 , kx ×kп U3 - U2 або згідно з рівнянням числових значень T x = T0 × 4 (16) 1 U - U1 (17) ×4 3 , k x × kп U3 - U2 Як видно з рівнянь (16) і (17) результат вимірювання не залежить від параметрів функції перетворення вимірювального каналу (S ¢ , DU¢, S0 ) та л складових систематичної похибки вимірювання ( Dмп1 = DSл × Ф1, D мп2 = DSл × Ф2, Dмп3 = D Sл × Ф3т аD ад ) . NT = NT × 4 x 0 Це свідчить про те, що запропонований спосіб забезпечує виключення систематичних похибок вимірювання. В цьому не важко переконатися, якщо у рівняння (16) підставити рівняння величин (7), (11) і (14). Дійсно, після підстановки маємо: 7 85425 Як видно з (18), N T = { x } , (19) T x при точному вибору значень коефіцієнта розсіювання атмосфери та довжини прошарку атмосфери від об'єкту досліджування до приладу. На практиці не завжди можливо задати зазначені параметри з високою точністю. Тому, практично, результат вимірювання температури відрізня- b aL x ється від результату (17) у k ат = 4 e рази, ¢ ¢ e - b aL x де b¢ і L¢ - апріорі задані за значенням коефіціa x єнт розсіювання атмосфери та довжина прошарку атмосфери від об'єкта досліджування до вимірювача (у км). У випадку, коли дійсні ( b a і Lx ) та апріорі задані ( b¢ і L¢ ) коефіцієнт розсіювання атмосфери a x та довжина прошарку атмосфери від об'єкту дослідження відрізняються за значеннями, результат вимірювання буде визначатися також за рівнянням числових значень (18), - тобто за N T = {Tx }× 4 x e -b a L x (20) , -b L e a x але буде залежати від точності завдання b a і Lx . 8 Таким чином, запропонований радіометричний спосіб надлишкових вимірювань температури забезпечує високу точність вимірювання завдяки виключенню дії на похибку результату вимірювання як абсолютних значень параметрів функції перетворення, так і їх відхилень від номінальних значень, що обумовлені процесами старіння функціональних блоків та елементів вимірювального каналу за часом, впливу температури, вологості, тиску та інших дестабілізуючи х факторів на параметри функції перетворення вимірювального каналу. На прикладі роботи цифрового радіометра, структурна схема якого наведена на рисунку, пояснимо сутність запропонованого радіометричного способу надлишкових вимірювань температури. У початковому стані, після включення живлення, всі функціональні блоки встановлюють в початковий стан. Термостат 9 прогрівається протягом 5-10 хвилин і тим самим забезпечує стабільну робочу температуру фотоприймача 10. За цей же час інші функціональні блоки прогріваються і приходять до робочого стану: джерело інфрачервоного випромінювання з нормованою за значенням потужністю 4, цифровий вольтметр 13 та підсилювач 11. У початковому стані ручним керуванням встановлюють шторку 2 у положення, при якому на фотоприймач 10 не пропускається потік інфрачер 9 85425 10 воного випромінювання Фx з невідомою потужнісдиться оператором на об'єкт вимірювання тю, а шторку 3-у положення, при якому на фото(дослідження). приймач 10 надходить потік інфрачервоного виПісля наведення радіометру на об'єкт досліпромінювання Ф1 з нормованою за значенням дження оператор виконує операції, пов'язані з випотужністю. Після прогріву джерела інфрачервомірюванням температури. Таким чином підсиленого випромінювання 4 з нормованою за значенний потік Ф2 інфрачервоного випромінювання від ням потужністю, потік інфрачервоного випромінюоб'єкту дослідження направляють на чутливий вання Ф1 проходить крізь відкриту шторку 3, елемент фотоприймача 10, перетворюють у навідбивається від першої напівпрозорої пластинки пругу U2 (11), яку, після підсилення у блоці 11, ви5, проходить крізь другу напівпрозору пластинку 6 і мірюють цифровим вольтметром 13. Отримане поступає на чутливий елемент фотоприймача 10. числове значення N2 (12) напруги U2 запам'ятовуФотоприймач 10 перетворює потужність потоють. ку Ф1 у напругу U1 (7). Остання підсилюється в Далі оператор встановлює шторку 3 у полоблоці 11 і вимірюється цифровим вольтметром 13. ження, при якому потік інфрачервоного випроміОтримане числове значення N1 (8) напруги U1 занювання Ф1 з нормованою за значенням потужніспам'ятовують. тю також поступає на вхід фотоприймача 10. За допомогою ручного керування шторку 2 Таким чином здійснюється об'єднання підсиленого встановлюють в положення, при якому на фотопотоку інфрачервоного випромінювання Ф2, потуприймач 10 пропускається потік інфрачервоного жність якого невідома, і потоку інфрачервоного випромінювання Фx з невідомою потужністю, а випромінювання Ф1, потужність якого нормована шторку 3-у положення, при якому на фотоприймаза значенням. Об'єднаний потік інфрачервоного ча 10 потік інфрачервоного випромінювання Ф1 з випромінювання Ф3 направляють на чутливий нормованою за значенням потужністю не постуелемент фотоприймача 10 і перетворюють у напає. За допомогою дзеркальної оптичної системи 1 пругу U3 (14). Останню підсилюють у блоці 11, а потік інфрачервоного випромінювання Фx з невіпотім вимірюють цифровим вольтметром 13. домою потужністю підсилюється і фокусується на Отримане числове значення N3 (15) напруги U3 вхід фотоприймача 10. запам'ятовують. Цей потік проходячи крізь відкриту шторку 2 і Про дійсне значення температури судять згідпершу напівпрозору пластину 5 потрапляє на друно з рівнянням надлишкових вимірювань (18) або гу напівпрозору пластину 6. Остання виконана (20). таким чином, що незначна частина потоку відбиТаким чином, запропонований радіометричний вається від неї і потрапляє на відбивне дзеркало спосіб надлишкових вимірювань температури об'7. Далі цей потік відбивається від дзеркала 7 і поєкту дослідження забезпечує вирішення зазначеступає на об'єктив 12. За допомогою оптичної сисної технічної задачі. теми у складі блоків 1, 2, 5, 7 і 12 радіометр наво Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601