Спосіб вимірювання температури та пристрій для його здійснення

1. Спосіб вимірювання температури, що полягає в передачі на оптико-електронний пристрій теплового випромінювання об'єкту вимірювання або нагрітої захисної арматури термоперетворювача, який щонайменше одним теплоізоляційним вузлом розділений на "гарячу" і "холодну" частини, який відрізняє ться тим, що теплову енергію об'єкту вимірювання, яка проходить через "гарячу" і "холодну" частину теплоізоляційного вузла без відбиття від його циліндричних бокових поверхонь, концентрують оптичною системою і направляють на спектроподільник з двома приймачами випромінювання, вихідні сигнали яких попередньо підсилені і підключені до схеми ділення цих сигналів, по їх відношенню визначають нормуючі коефіцієнти К і А при дво х заданих вимірюваних температурах Тн і Tк по формулах: Т к - Тн К= × 10 -n g (Т к ) - g (Т н ) 28313 № 1353815, G01K, 1983), які використовують світловодну конструкцію термоперетворювача з імерсійною частиною, що занурюється у вимірюване середовище (наприклад рідкий чавун або сталь). Така конструкція термоперетворювачів дозволяє повністю відмовитись від використання дорогоцінних платиномістких термопар в діапазоні вимірюваних температур до 1750-1801°С. Однак такі виміри є разовими, вимагають постійної заміни світловодних наконечників. Пірометри мають обмежене застосування тільки для розплавів або тільки для стаціонарного використання, що пов'язане з обов'язковим використанням водяного охолодження. Лінза пірометра не захищена від випарів і забруднення, а тому, не дивлячись на захист від оточуючої температури, пірометр не може бути в тривалій експлуатації. Залежність вихідного сигналу термоперетворювачів від зміни пропускання вхідної оптичної частини приводить до значної похибки в пірометрах часткового випромінювання. В пірометрах (Пірометр імерсійний часткового випромінювання СТИР-2. Технічні умови БАУИ 405. 321.002-93 ТУ. 1993; патент Франції № 1353815 G01K, 1983) зі змінними наконечниками виникає додаткова похибка від розкиду пропускання змінних світловодів. Крім того у пірометрах (Патент Франції № 1353815, G01K, 1983) існує залежність показів від глибини занурення. Найбільш подібним до запропонованого рішення є імерсійний пірометр часткового випромінювання СТИР-2, в якому усуваються вказані недоліки щодо впливу оточуючої температури і глибини занурення. Пірометр побудований на принципах пірометрії випромінювання, що полягає в передачі на оптико-електронний пристрій теплового випромінювання об'єкту вимірювання або нагрітої захисної арматури термоперетворювача, захисна арматура розділена теплоізоляційним вузлом на "гарячу" і "холодну" частини. Пристрій складається з захисної скляної колби, світловода, одного приймача випромінювання та електронної схеми обробки. Основні недоліки викликані конструктивною недосконалістю прототипу. Наявність захисної колби і світловода, що разом занурюються в розплав для імітування умов "абсолютно чорного тіла", накладає додаткові вимоги на точність виготовлення колби і світловода. Розкид їх параметрів веде до прямої похибки вимірювання температури. Світловод повинен бути полірованим з усіх сторін. Забруднення його, так само як і зміна пропускання оптичної системи пірометра в цілому, недопустимі, оскільки виникають додаткові інструментальні і методичні похибки. В основу винаходу поставлене завдання удосконалення способу і самого пристрою, а саме забезпечити підвищення його точності шляхом усунення похибки від забруднення світловоду, від зміни пропускання оптичного каналу в процесі вимірювання і під чає зберігання, від розкиду змінних наконечників, а також від часової і температурної нестабільності коефіцієнта перетворення електронного тракту. При цьому підвищується надійність, термін служби та технологічність виготовлених наконечників, вимоги до яких значно підвищуються. Спосіб вимірювання температури за прототипом, що полягає в передачі на оптико-електронний пристрій теплового випромінювання об'єкту вимі рювання або нагрітої захисної арматури термоперетворювача, який щонайменше одним теплоізоляційним вузлом розділений на "гарячу" і "холодну" частини, має спільні ознаки із запропонованим винаходом. Але змінний в часі і температурі коефіцієнт відбиття бокових поверхонь та коефіцієнт пропускання оптичної системи, вплив забруднення, розкид параметрів змінних деталей (колб, світловодних вставок), нестабільність чутливості приймача у відомому способі не дозволяють підвищити точність вимірювання, що вимагає постійної калібровки і установки нуля показуючого пристрою. Відлік вимірюваної температури прототипом вимагає додаткового перерахунку вихідного сигналу термоперетворювача в температур у (по номінальній статичній характеристиці), оскільки числове значення сигналу не є числорівним вимірюваній температурі. Ознаки пристрою за прототипом, що збігаються з суттєвими ознаками, стосуються вимірювальної вставки і захисної арматури з теплоізоляційним вузлом, що поділяє термоперетворювач на "гарячу" і "холодну" частини. Але наявність одного приймача не усуває похибок від вказаних дестабілізуючих факторів, а заміна знімних елементів неможлива без додаткових похибок. Для безпосереднього відліку температури необхідно використовувати додатковий перетворювач вихідного електричного сигналу в температуру, що є ще одною складовою загальної похибки. В основу винаходу щодо способу поставлено завдання безпосереднього відліку температури, забезпечуючи високу точність вимірювання, зокрема усуваючи вплив нестабільності оптико-електронного каналу. Суть винаходу полягає в тому, що теплова енергія об'єкту вимірювання проходить через "гарячу" і "холодну" частини теплоізоляційного вузла без відбиття від його циліндричних бокових поверхонь, концентрується оптичною системою і направляється на спектроподільник з двома приймачами випромінювання, вихідні сигнали U1 і U2 яких попередньо підсилюють і підключають до схеми ділення цих сигналів, по їх відношенню визначають нормуючі коефіцієнти K і A при двох заданих вимірюваних температурах Тн і Тк по формулах: Т к - Тн К= × 10 -n g (Т к ) - g (Т н ) æ ö Тк - Тн A = çТ к × g(Т к )÷ × 10- n ç ÷ g (Т к ) - g ( Т н ) è ø U1 (Т н ) U1 (Т к ) де g(Т н ) = ; g (Т к ) = ; U2 (Т н ) U2 (Т к ) n=3 при g(Ті)=0,1¸1,0; n=2 при g(Ті)=1,0¸10,0; n=1 при g(Ті)=10,0¸100,0 а по вихідному результуючому сигналові схеми ділення визначають вимірювану температур у в проміжній точці Ті, що лежить в околицях точок Тн і Тк по формулі Т i = 10n [g (Т i ) × k + А ], oС U1 (Ti ) U1(Ті), U2(Ті) - вихідні сигнали в U2 (Ti ) проміжній точці. де g(Т i ) = 2 28313 В основу винаходу щодо пристрою поставлено завдання підвищення точності шляхом зменшення методичної і інструментальної похибок, що зменшує вплив дестабілізуючих факторів на оптичну систему, приймач випромінювання, електронну схему обробки сигналу від приймача. В кінцевому рахунку заміна окремих деталей оптичної системи або їх відсутність (зокрема одної з теплоізоляційних втулок з стержневим вікном) не вплине на покази термоперетворювача. Пристрій для здійснення даного способу вимірювання температури реалізується за допомогою використання термоперетворювача, захисної арматури з теплоізоляційним вузлом, що поділяє термоперетворювач на "гарячу" і "холодну" частини, вимірювальної вставки у вигляді оптикоелектронного пристрою з спектроподільником і двома приймачами випромінювання. Теплоізоляційний вузол виконаний у формі циліндричної втулки, внутрішній отвір якої повністю або частково закритий одним або кількома прозорими для випромінювання стержневими вікнами, "гарячі" з яких виготовлені з тугоплавкого матеріалу, наприклад, кварцевого скла. Вхід спектроподільника оптично зв'язаний з вихідною апертурою вікон, а вихід - з двома приймачами випромінювання. В якості приймачів можуть бути використані: перший кремнієвий фотодіод; другий - германієвий. Електричний вихід першого приймача через нормуючий підсилювач з'єднується з першим входом суматора, а електричний вихід другого - через нормуючий підсилювач - з другим входом сумара. Вихід суматора і електричний вихід другого приймача поступають на схему ділення, що забезпечує вихід сигналу. Поставлене завдання в повному об'ємі досягається шляхом механічного з'єднання теплоізоляційної втулки з одним або кількома стержневими вікнами своєю зовнішньою циліндричною поверхнею з захисною арматурою, вигото вленою, наприклад, з картону, що є знімною. Далі простежимо наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом. Окремо для способу, окремо для пристрою. Відмінна від прототипу перша ознака способу полягає в концентруванні оптичною системою тільки тієї частини теплової енергії об'єкта, яка не відбивається від циліндричних бокових поверхонь стержневого вікна, що підвищує точність вимірювання температури за рахунок відсутності впливу градієнта температури по довжині теплоізоляційної втулки, яка розділяє термоперетворювач на "гарячу" і "холодну" зони. Відмінна від прототипу друга ознака способу полягає в концентрації оптичною системою теплової енергії на спектроподільник з двома приймачами випромінювання, вихідні сигнали яких ділять один на другий, що усуває однотипні впливи дестабілізуючих факторів на оптичну і електричну схеми обробки і допускає заміну спільних для обох каналів елементів оптико-електронного пристрою термоперетворювача без додаткових похибок. Відмінна від прототипу третя ознака способу полягає в наявності безпосереднього відліку вимірюваної температури в будь-якій проміжній точці шляхом визначення нормуючих коефіцієнтів по по передньо виміряних вхідних сигналах обидвох каналів при заданих двох температурах (наприклад, що відповідають початковій Тн і кінцевій Тк точці піддіапазону). Оскільки здійснюється безпосередній відлік температури, відпадає необхідність додаткового перетворення сигнал-температура, що підвищує точність вимірювання методу. Відмінні від прототипу ознаки пристрою полягають у виконанні теплоізоляційного вузла у формі циліндричної втулки з прозорими для випромінювання стержневими вікнами, наявності спектроподільника з двома приймачами випромінювання, нормуючими підсилювачами, суматором і схемою ділення, що забезпечує підвищення точності, надійності та терміну служби при значному спрацюванні окремих елементів пристрою. Відмінна від прототипу ознака пристрою щодо роз'ємної конструкції термоперетворювача в частині знімної теплоізоляційної втулки забезпечує підвищену надійність пристрою при відсутності додаткових похибок та продовжує термін служби (наприклад, зростає кількість вимірювань з однією втулкою). Можливе запилення, забруднення, обвуглення картону, що може використовуватись в якості захисної арматури при зануренні в розплав металу, а також відсутність вимог до випромінювальної здатності об'єкту вимірювання не викликають методичних похибок завдяки відмінним від прототипу вказаним ознакам пристрою. Ме ханічне з'єднання теплоізоляційної втулки разом з одним або кількома стержневими вікнами зовнішньої циліндричної поверхні з захисною арматурою, виготовленою наприклад, з картону, розділяє термоперетворювач на дві частини, з яких втулка, вікно і арматура є знімними, що дозволяє вимірювати температуру розплавів при наступній заміні цієї частини без особливих вимог до ідентифікікації змінних частин. При цьому не виникають додаткові інструментальні похибки на відміну від прототипу. Підвищення точності вимірюваної температури в порівнянні з прототипом розглянемо в наступних викладках. Вихідний електричний сигнал прототипу може бути представлений виразом: U1 = [e × t1 (l, T ) + e 1 (l, T )]´ C ´ t2 2 - 2 pK 2D0 × K 1SC1 × l- 5 × exp l T 16 (1) де e - випромінювальна здатність розплаву; t1 і e1 - коефіцієнт пропускання і випромінювальна здатність імерсійної ("гарячої") частини термоперетворювача відповідно, як функції від довжини хвилі l і вимірюваної температури Т; t2 - коефіцієнт пропускання оптичної неімерсійної ("холодної") частини термоперетворювача; K1 - коефіцієнт передачі електронної частини термоперетворювача; S - вольтова чутливість приймача випромінювання (В/ВТ); K, D0 - показник візування і діаметр вхідної оптичної частини термоперетворювача; С1, С2 - постійні. Оскільки в прототипі вимірювана температура визначається рівнем сигналу U1, то похибки вини 3 28313 кають за рахунок наступних складових: De, Dt1(l,Т), De1(l,Т), Dt2. Непостійність e викликана структурними змінами розплавів та неточністю виготовлення імерсійної частини прототипу. Непостійність t1(l,Т) і e1(l,Т) виникає від впливу матеріалів імерсійної частини прототипу, забруднення, неточності її виготовлення. Часова нестабільність t2 викликана забрудненням оптичної системи прототипу. Зміна параметрів K і S виникає як від впливу о точуючої температури, так і від часової нестабільності прототипу. В запропонованому пристрої здійснюється ділення двох сигналів U1 і U 2 по формулі: æU ö Т = 10n ç 1 K + A ÷ , oC (2) çU ÷ è 2 ø В результаті отримуємо: æ et (l , T ) + e 1(l 1, T ) T = 10n ç 1 1 ç et (l , T ) + e (l T ) ´ è 1 2 1 2 C ö - 2 ÷ S1 l- 5 exp l1T 1 ´ K + A÷ C S2 ÷ - 2 -5 l T ÷ l 2 exp 2 ø кна 3, захисної втулки 12, що разом утворюють знімну частину. На фіг. 4 показана функціональна схема електронної обробки сигналів в складі кремнієвого і германієвого фотодіодів 6, термостату 7, попереднього підсилювача Si-каналу 13, попереднього підсилювача Ge-каналу 14, нормуючих підсилювачів для Si-каналу 15 і Gе-каналу 16, суматора 17, схеми ділення 18. Пристрій для вимірювання температури містить захисну арматур у 1 з теплоізоляційним вузлом 2, що поділяє термоперетворювач на "гарячу" (імерсійну) частину 19, занурену у вимірюване середовище 10 і "холодну" частину 20, вимірювальну вставку у вигляді оптико-електронного пристрою в складі об'єктива 4, спектроподільника 5, кремнієвого і германієвого фотодіодів 6, термостату 7, схеми електронної обробки 8, які заключені в корпусі головки 9. Теплоізоляційний вузол 2 оптично зв'язаний з входом спектроподільника 5 і виконаний у формі циліндричної втулки, вн утрішній отвір якої повністю або частково закритий одним або кількома прозорими для випромінювання стержневими вікнами 3, "гарячі" з яких виконані з тугоплавкого матеріалу, наприклад кварцевого скла. Вихід спектроподільника оптично зв'язаний з двома приймачами випромінювання (кремнієвим і германієвим) 6. Едектронний вихід першого приймача через нормуючий підсилювач 15 з'єднаний з першим входом суматора 17, а електричний вихід другого приймача через нормуючий підсилювач 16 з'єднаний з другим входом суматора 17, вихід якого з'єднаний з першим входом схеми ділення 18. Теплоізоляційний вузол 2 у формі циліндричної втулки механічно зв'язаний з захисною арматурою 11, виготовленою наприклад з картону, разом з захисною втулкою 12 утворюють знімну частину. Спосіб вимірювання температури реалізується наступним чином. Термоперетворювач згідно фіг. 1 занурюється у вимірюване середовище 10 своєю "гарячою" частиною таким чином, щоб теплоізоляційна втулка 2 знаходилась на грані розділу "гарячої" і "холодної" частини досліджуваного середовища. У варіанті "гарячої" частини, яка показана на фіг. 3, глибина занурювання, наприклад в розплавлений метал 10, визначається довжиною теплоізоляційної арматури 11. При цьому захисна втулка 12 виконує роль механічного захисту при транспортуванні та захисту від теплового удару і механічного пошкодження вікна шлаками розплаву в момент занурення в розплавлений метал. Теплова енергія вимірюваного середовища 10 контактним методом передається "гарячій" частині захисної арматури 1 (фіг. 1 і 2). При цьому температура "гарячої" частини стає рівною вимірюваній температурі. У випадку вимірювання температури розплавленого металу (фіг. 3), після занурення "гарячої" частини термоперетворювача в розплав 10 захисна втулка 12 розплавляється, а розплав омиває зовнішню торцеву частину стержневого прозорого вікна 3. Таким чином, у першому (фіг. 1 і 2) і другому (фіг. 3) випадках завдяки прозорості стержневого вікна 3 теплова енергія вимірюваного середовища 10 передається на об'єктив 4 вимірювальної вставки. (3) Оскільки t1 (l1, Т ) » t1 (l2 , Т ) e 1 (l1, Т ) » e1 (l2 , Т ) то із виразу (3) отримаємо: (4) C ì S æ l ö -5 é ü - 2æ 1 1 öù ï ï ÷ (5) Т = 10 n í 1 Kç 1 ÷ × ê exp T ç çl ÷ ç l - l ÷ú + A ý S2 è 2 ø ê ú 2 øû ï è 1 ï ë î þ як незалежну функцію від непостійних наступних складових: De, Dt 2, DК1, Dt 1(l 1,Т); De1(l,Т). Вплив S відношення 1 на вимірювану температуру зменS2 шується шляхом підбору однотипних приймачів випромінювання (наприклад, фотодіодів) або їх термостатуванням. На фіг. 1 показаний спосіб вимірювання температури і конструкція реалізації запропонованого пристрою у вигляді базового термоперетворювача, що складається з захисної арматури 1, теплоізоляційного вузла в складі циліндричної втулки 2 і прозорого стержневого вікна 3 та вимірювальної вставки у вигляді оптико-електронного пристрою в складі об'єктива 4, спектроподільника 5, кремнієвого і германієвого фотодіодів 6, термостату 7, схеми електронної обробки 8. Останні вузли заключені в корпусі головки 9 термоперетворювача. "Гаряча" частина термоперетворювача занурена у вимірюване середовище 10. На фіг. 2 показаний варіант реалізації "гарячої" частини термоперетворювача з двома теплоізоляційними вузлами, що виконані у формі циліндричних втулок 2, внутрішній отвір яких повністю або частково закритий одним або кількома прозорими для випромінювання стержневими вікнами 3, що виготовлені з тугоплавкого матеріалу типу кварц, сапфір, тощо. На фіг. 3 показаний варіант реалізації "гарячої" частини термоперетворювача у вигляді захисної арматури 11, виготовленої з картону, деревини з наповнювачем або іншого теплоізоляційного матеріалу, теплоізоляційної втулки 2, стержневого ві 4 28313 Вимірювальна вставка в складі об'єктива 4, спектроподільника 5, двох приймачів випромінювання 6 перетворює вимірювану густин у потоку випромінювання в два автономні електричні сигнали: USi – сигнал Si-фотодіода, UGe - сигнал Gе-фотодіода. При цьому об'єктив 4 вимірювальної вставки концентрує на приймачі випромінювання 6 тільки ту частину теплової енергії, що проходить через центральну частину вікна 3 таким чином, щоб бокова циліндрична поверхня вікна не впливала на сконцентровану об'єктивом енергію. Сигнали USi і UGe несуть інформацію про густину вимірюваного потоку в двох робочих спектральних діапазонах. З метою зменшення впливу оточуючої температури Si і Gе-фотодіоди монтуються в єдиний термостат, температура якого підтримується на заданому рівні. Незалежні від оточуючої температури сигнали USi і UGe поступають на схему електронної обробки 8. Після попереднього підсилення сигнали обох каналів U1Si-каналу і U2Geканалу поступають на нормуючі підсилювачі 15 і 16 з коефіцієнтом передачі К і А відповідно. Вихідні сигнали нормуючих підсилювачів 15 і 16 поступають на входи суматора 17. Таким чином, отриманий на виході суматора сигнал U1К+U2А, співрозмірний з сигналом U2, який разом з сигналом суматора поступає на схему ділення 18. Вимірювану температуру визначають по вихідному результуючому сигналу, який знімають з виходу схеми ділення 18 по формулі: æ U (T ) ö Т i = 10n ç 1 i K + A ÷ , o С (6) ç U (T ) ÷ è 2 i ø де нормуючі коефіцієнти К і А знаходять шляхом рішення системи рівнянь з двома невідомими при заданих дво х вимірюваних температурах Тк і Тн : æ U (T ) ö Т к = 10n ç 1 к K + A ÷ ç U (T ) ÷ è 2 к ø (7) ö n æ U1 (Tн ) Т н = 10 ç K + A÷ ç U (T ) ÷ è 2 н ø Рішення системи рівнянь (7) дає наступні корені: Тк - Тн К= × 10- n (8) g(Т к ) - g ( н ) Т æ ö ç ÷ ç Т - Т к - Т н ÷ × 10- n А=ç к (9) g(Т н ) ÷ 1ç ÷ g (Т к ) ø è U (Т ) U (Т ) де g(Тк ) = 1 к ; g (Т н ) = 1 н U2 (Т к ) U2 (Т н ) Показник степені n визначається відношенням g(Ті). При співрозмірних сигналах U1(Ті) і U2(Ті), тобто – n=3 g(Ті)=0,1-1,0 – n=2 при g(Ті)=1,0-10,0 – n=1. при g(Ті)=10,0-100,0 При таких співвідношеннях загальний діапазон вимірюваних температур складає (600-1900)°С. Похибка вимірювання температури визначається шириною діапазону вимірювання і в околицях точок, при яких вибираються нормуючі коефіцієнти (Тк і Тн), похибка не перевищує 2-3 К. Фіг. 1 5 28313 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6