Пірометр (варіанти) і система модуляторів, що використовується в пірометрах

1. Пірометр, що включає двоканальну оптичну систему введення випромінювання відповідно від об'єкта, що вимірюється, і опорного джерела, оптично спряжену з системою модуляторів, що складається з двох модуляторів, один із яких безпосередньо, а інший модулятор через блок затримки електрично зв'язані з генератором, при цьому система модуляторів оптично спряжена з приймачем випромінювання, що електрично зв'язаний з блоком реєстрації і відображення інформації, який відрізняється тим, що система модуляторів виконана у вигляді напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, у котрого дві протилежні грані оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані електричними контактами, при цьому одна з цих граней обладнана суцільним омічним контактом, а інша грань містить два однакові інжекторні контакти, що розташовані по різні боки лінії, яка проходить через центр цієї грані перпендикулярно до оптичної грані кристала. 2. Пірометр по п. 1, який відрізняється тим, що опорне джерело виконано у вигляді датчика температури, що має зачорнену грань, спрямовану до модулятора. 3. Пірометр по п. 2, який відрізняється тим, що опорне джерело електрично зв'язане з блоком реєстрації і відображення інформації. 4. Пірометр по одному з пунктів 1-3, який відрізняється тим, що додатково містить систему зве C2 (54) ПІРОМЕТР (ВАРІАНТИ) І СИСТЕМА МОДУЛЯТОРІВ, ЩО ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ В ПІРОМЕТРАХ 34740 Найбільш близьким є пірометр, що включає двоканальну оптичну систему уведення випромінювання відповідно від об'єкта, що вимірюється і опорного джерела, оптично спряжену з системою модуляторів, що складається з двох модуляторів, один із яких безпосередньо, а інший модулятор через блок затримки електрично зв'язані з генератором, при цьому система модуляторів спряжена з системою зведення випромінювання, що спряжена з приймачем випромінювання, а приймач випромінювання електрично зв'язаний із блоком реєстрації і відображення інформації. У кожному з двох оптичних каналів, а саме у вимірювальному каналі, у якому по волоконному ІЧ-світловоду випромінювання поширюється від вимірювального джерела, і в каналі, де випромінювання поширюється від опорного джерела, виконаного у вигляді інжекційного напівпровідникового лазерного діода, що неохолоджується, розташовано свій напівпровідниковий модулятор. Кожний модулятор виконано із напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, дві протилежні грані якого оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані відповідно суцільним омічним і суцільним інжекторним контактами. Ці модулятори просторово рознесені в приладі і кожний із них розміщений в окремому мідному радіаторі. Робота відомого пірометра полягає в тому, що випромінювання від об'єкта, що вимірюється, через оптичну систему уведення поступає на напівпровідниковий модулятор, керований синусоїдальною напругою від генератора. Промодульований потік через оптично спряжену систему зведення випромінювання потрапляє на приймач випромінювання. Одночасно опорний потік випромінювання від лазерного діода через оптичну систему уведення потрапляє на другий напівпровідниковий модулятор і далі через ту ж оптично спряжену систему зведення випромінювання потрапляє на приймач випромінювання. Таким чином, на приймач потрапляють потоки від вимірювального об'єкту й опорного джерела, причому змінна складова оптичного потоку на вході приймача випромінювання дорівнює різниці цих потоків. Це обумовлено тим, що один із модуляторів, наприклад, модулятор, який модулює потік від об'єкта, що вимірюється, підключений безпосередньо до генератора синусоїдальної напруги, а інший модулятор, відповідно, що модулює потік від опорного джерела, підключений до цього генератора через блок затримки, наприклад фазозсувний пристрій, що забезпечує зсув фази на 180° щодо напруги на виході генератора. У результаті, на виході приймача випромінювання виникає змінний електричний сигнал, амплітуда якого пропорційна різниці двох теплових потоків. Цей сигнал далі поступає в систему реєстрації і відображення інформації, що складається з декількох стандартних блоків. Остаточну підготовку пірометра до роботи завершує процедура градуювання, що здійснюється з використанням чорного тіла. Недоліком відомого пірометра є низька точність виміру температури, обумовлена наявністю теплового випромінювання самих напівпровідникових модуляторів, теплові потоки яких можуть не тільки первісно значно відрізнятися один від одного, але і нерівномірно змінюватися у часі. На точність виміру також впливає нестабільність потуж ності випромінювання опорного джерела, що залежить від температури робочого елемента і його часової деградації. Для встановлення початку відліку абсолютних значень температур необхідний складний процес градуювання приладу. Найбільш близьким є також пірометр, що включає двоканальну оптичну систему уведення випромінювання, оптично спряжену із системою модуляторів, що складається з двох модуляторів, один із яких безпосередньо, а інший модулятор через блок затримки електрично зв'язані з генератором, при цьому система модуляторів оптично спряжена із системою зведення випромінювання, що оптично спряжена з приймачем випромінювання, електрично зв'язаним із блоком реєстрації і відображення інформації [1]. У кожному з двох оптичних каналів розташований свій напівпровідниковий модулятор, причому кожний із них виконаний із напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, дві протилежні грані якого оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані відповідно суцільним омічним і суцільним інжекторним контактами. Ці модулятори просторово рознесені в приладі і кожний із них розміщено в окремому мідному радіаторі. Цей пірометр застосовувався нами для диференціального контролю температури об'єкта. Для визначення різниці температур між двома точками вимірювального об'єкта необхідно зробити послідовно два виміри. Різниця температур DТ в двох точках об'єкта визначається шляхом віднімання виміряних значень абсолютних температур Т1 і Т2: DТ= Т1 -Т2. Недоліком відомого пірометра є низька точність виміру температури, що обумовлена неможливістю робити виміри одночасно в двох різних точках об'єкта, а також тепловим випромінюванням самих напівпровідникових модуляторів, теплові потоки яких можуть не тільки первісно значно відрізнятись один від одного, але і нерівномірно змінюватися в часі. Крім того, при малих різницях температур похибки індивідуальних вимірів можуть бути зрівняні або навіть перевищувати різницю температур, що вимірюється. Найбільш близьким є також система модуляторів, що використовується в пірометрах, що включає два модулятори з електричними контактами, кожний з яких виконаний із напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, дві протилежні грані якого оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані відповідно суцільним омічним і суцільним інжекторним контактами. Ці модулятори просторово рознесені в приладі і кожний із них розміщений в окремому мідному радіаторі [1]. Недоліком такої системи модуляторів при використанні її в приладах для безконтактного виміру потужності ІЧ-випромінювання є вплив на вимір теплового випромінювання самих модуляторів, теплові потоки яких можуть не тільки первісно значно відрізнятися один від одного, але і нерівномірно змінюватися в часі, що приводить до зниження точності виміру приладів. Задачею винаходу є удосконалення пірометра, що має двоканальну оптичну систему уведення випромінювання шляхом виконання модуляторів однаковими і приведення їх у тепловий контакт, що дозволяє підвищити точність виміру тем 2 34740 ператури за рахунок зрівнювання теплового випромінювання модуляторів і виключення його впливу на точність виміру. Додатково підвищити точність виміру дозволяє виконання опорного джерела у вигляді датчика температури. Задачею винаходу є удосконалення пірометра, що має двоканальну оптичну систему уведення випромінювання, шляхом виконання модуляторів однаковими і приведення їх у тепловий контакт, а також виконання обох каналів тотожними для уведення випромінювання від різних точок об'єкта, що дозволяє підвищити точність і швидкість виміру температури. Задачею винаходу є також удосконалення системи модуляторів, що використовуються у пірометрах, шляхом виконання модуляторів однаковими і приведення їх у тепловий контакт, що дозволяє виключити вплив теплового випромінювання самих модуляторів на точність виміру потужності ІЧ-випромінювання. Поставлена задача вирішується запропонованим пірометром, що включає двоканальну оптичну систему уведення випромінювання відповідно від об'єкта, що вимірюється, і опорного джерела, оптично спряжену з системою модуляторів, що складається з двох модуляторів, один із яких безпосередньо, а інший модулятор через блок затримки електрично зв'язані з генератором, при цьому система модуляторів оптично спряжена з приймачем випромінювання, що електрично зв'язаний із блоком реєстрації і відображення інформації, у якому система модуляторів виконана у вигляді напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, у котрого дві протилежні грані оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані електричними контактами, при цьому одна з цих граней споряджена суцільним омічним контактом, а інша грань містить два однакові інжекторні контакти, що розташовані по різні боки лінії, яка проходить через центр цієї грані перпендикулярно до оптичної грані кристала. При цьому опорне джерело електрично з'єднане з блоком реєстрації і відображення інформації і виконано у вигляді датчика температури, що має зачорнену грань, спрямовану до модулятора. Між системою модуляторів і приймачем випромінювання може бути розташована система зведення випромінювання, наприклад, у вигляді лінзи, оптично спряжену з ними. Поставлена задача вирішується також пірометром, що включає двоканальну оптичну систему уведення випромінювання, оптично спряжену з системою модуляторів, що складається з двох модуляторів, один із яких безпосередньо, а інший модулятор через блок затримки електрично зв'язані з генератором, при цьому система модуляторів оптично спряжена з приймачем випромінювання, що електрично зв'язаний з блоком реєстрації і відображення інформації, у якому система модуляторів виконана у вигляді напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, у котрого дві протилежні грані оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані електричними контактами, при цьому одна з цих граней споряджена суцільним омічним контактом, а інша грань містить два однакові інжекторні контакти, що розташовані по різні боки лінії, яка проходить через центр цієї гра ні перпендикулярно до оптичної грані кристала, і обидва канали виконані тотожними для уведення випромінювання від об'єкта, що вимірюється. Поставлена задача вирішується також системою модуляторів, що використовується в пірометрах, вона включає два модулятори з електричними контактами, виконані у вигляді напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда, у котрого дві протилежні грані оптичні, а інші дві протилежні грані обладнані електричними контактами, при цьому одна з цих граней споряджена суцільним омічним контактом, а інша грань містить два однакові інжекторні контакти, що розташовані по різні боки лінії, яка проходить через центр цієї грані перпендикулярно до оптичної грані кристала. Електричне керування роботою модулятора веде до нагрівання робочого елемента - напівпровідникового кристала, що обумовлено досить високим значенням необхідної керуючої потужності. Нагрітий напівпровідниковий кристал, таким чином, стає джерелом теплового випромінювання, що є в умовах роботи пірометра паразитним випромінюванням. Інтенсивність паразитного теплового випромінювання модуляторів, що має широкий спектр у ІЧ-області, залежить від температури напівпровідникового кристала. У процесі досліджень було встановлено, що, якщо модулятори не знаходяться в тепловому контакті, то температури модуляторів, а значить і інтенсивності їх випромінювання будуть різними. У запропонованих пристроях приведення модуляторів у тепловий контакт один з іншим і виконання їх однаковими забезпечило однакове тепловідведення, умови конвекції, і, зрештою, рівність температур обох модуляторів. Наслідком стало зрівнювання паразитних сигналів модуляторів. В результаті, паразитні потоки, зрівнені по амплітуді та затримані на 0,5 періода частоти модуляції один відносно іншого, компенсуються по змінній складовій у процесі вимірювань. Винахід пояснюється малюнками, на яких зображено: на фіг. 1 - схема двоканального пірометра, у якого один канал є вимірювальний, інший канал опорний; на фіг. 2 - система модуляторів, що використовується в двоканальному пірометрі по фіг. 1; на фіг. 3 - схема двоканального пірометра, у якого обидва канали вимірювальні; на фіг. 4 - система модуляторів, що використовується в двоканальному пірометрі по фіг. 3. На фіг.1 показано пірометр (І варіант), що має два канали 1 і 2 уведення випромінювання відповідно від об'єкта, що вимірюється 3, і від опорного джерела 4, систему модуляторів 5, що включає два модулятори 6 і 7 відповідно, приймач випромінювання 8, електрично зв'язаний із блоком реєстрації і відображення інформації 9. Між системою модуляторів 5 і приймачем випромінювання 8 може бути розташована система зведення випромінювання 10, виконана, наприклад, у вигляді лінзи. Однак, при наявності приймача випромінювання 8 із великою чутливою площадкою, система зведення випромінювання 10 може бути відсутньою. Система модуляторів 5 виконана з напівпровідникового кристала у формі прямого паралелепі 3 34740 педа (фіг.2), у котрого дві протилежні грані 11 і 12 оптичні, а інші дві протилежні грані 13 і 14 обладнані електричними контактами. При цьому грань 13 споряджена суцільним омічним контактом 15, а на грані 14 розташовані два однакові інжекторні контакти 16 і 17, що розміщені по різні боки лінії, що проходить через центр грані 14 перпендикулярно до оптичної грані 11 і/або 12, створюючи в такий спосіб два модулятори 6 і 7 (фіг 1). Один із модуляторів, наприклад 6, електрично зв'язаний із генератором 18 безпосередньо, а інший модулятор, відповідно 7, електрично зв'язаний із генератором 18 через блок затримки 19. Опорне джерело 4 виконано у вигляді датчика температури і має зачорнену грань 20, спрямовану до модулятора 7. При цьому опорне джерело 4 електрично зв'язане із блоком реєстрації і відображення інформації 9, і генератор 18, електрично зв'язаний з блоком 9. Пірометр працює таким чином. Випромінювання від об'єкта, що вимірюється 3, через вимірювальний оптичний канал уведення випромінювання 1 поступає на модулятор 6 системи модуляторів 5. Одночасно з цим на інший модулятор 7 поступає випромінювання через канал уведення випромінювання 2 від опорного джерела, виконаного у вигляді датчика температури 4, зачорнена грань 20 якого спрямована на модулятор 7. При цьому на модулятор 6 подається керуюча напруга від генератора 18, а на інший модулятор 7 ця ж напруга подається через блок затримки 19, що забезпечує затримку керуючого імпульсу на 0,5 періоду проходження імпульсів. У результаті на приймач випромінювання 8 поступає змінний оптичний сигнал, рівний різниці інтенсивності випромінювання опорного джерела 4 і об'єкта, що вимірюється 3. На виході приймача випромінювання 8 виникає змінний електричний сигнал, амплітуда якого пропорційна різниці двох теплових потоків. Цей сигнал далі поступає в блок реєстрації і відображення інформації 9, куди також поступає електричний сигнал із датчика температури 4, що відповідає температурі самого датчика, і сигнал синхронізації з генератора 18. Це дозволяє одержати точні абсолютні значення температури досліджуваного об'єкта, що вимірюється 3, при цьому точність виміру залишається стабільною і не буде залежати від тривалості виміру, температури фону й інших факторів. На фіг. З показано пірометр (II варіант), у якого є два тотожних канали 1 і 2 для уведення випромінювання від об'єкта, що вимірюється, відповідно в точці 3 і точці 21 . Вимірювальні канали уведення випромінювання 1 і 2 оптично спряжені з системою модуляторів 5, що складається з двох модуляторів 6 і 7. Система модуляторів 5 оптично спряжена з приймачем випромінювання 8, електрично зв'язаним із блоком реєстрації і відображення інформації 9. Між системою модуляторів 5 і приймачем випромінювання 8 може бути розташована система зведення випромінювання 10, виконана, наприклад, у вигляді лінзи. Однак, при наявності приймача випромінювання 8 із великою чутливою площадкою, система зведення випромінювання 10 може бути відсутньою. Система модуляторів 5 виконана з напівпровідникового кристала у формі прямокутного паралелепіпеда (фіг. 4), у котрого дві протилежні грані 11 і 12 оптичні, а інші дві протилежні грані 13 і 14 обладнані електричними контактами. При цьому грань 13 споряджена суцільним омічним контактом 15, а на грані 14 розташовано два однакові інжективні контакти 16 і 17, що розміщені по різні боки лінії, що проходить через центр грані 14 перпендикулярно до оптичної грані 11 і/або 12, створюючи в такий спосіб два модулятори 6 і 7. Один із модуляторів, наприклад 6, електрично зв'язаний із генератором 18 безпосередньо, а інший модулятор, відповідно 7, електрично зв'язаний із генератором 18 через блок затримки 19, і генератор 18, електрично зв'язаний з блоком 9. Пірометр працює таким чином. Випромінювання від об'єкта, що вимірюється у точці 3, через вимірювальний оптичний канал уведення випромінювання 1 поступає на модулятор 6 системи модуляторів 5. Випромінювання від об'єкта, що вимірюється у точці 21, через вимірювальний оптичний канал уведення випромінювання 2 поступає на модулятор 7 системи модуляторів 5. При цьому на модулятор 6 подається керуюча напруга від генератора 18, а на інший модулятор 7 ця ж напруга подається через блок затримки 19, що забезпечує затримку керуючого імпульсу на 0,5 періоду проходження імпульсів У результаті на приймач випромінювання 8 поступає змінний оптичний сигнал, рівний різниці інтенсивностей випромінювання в точках 3 і 4 вимірювального об'єкта. На виході приймача випромінювання 8 виникає змінний електричний сигнал, амплітуда якого пропорційна різниці двох теплових потоків. Цей сигнал далі поступає в блок реєстрації і відображення інформації 9, куди також поступає сигнал синхронізації з генератора 18. Це дозволяє з високою точністю виміряти різницю теплових потоків у двох точках вимірюваного об'єкта, а отже, різницю температур. У запропонованих варіантах пірометрів використана запропонована система модуляторів. Як показано на фігурах 2 і 4 (по кожному варіанту виконання винаходу) система модуляторів 5 складається з двох модуляторів 6 і 7 і являє собою кристал, виконаний у формі прямокутного паралелепіпеда, у котрого дві протилежні грані 11, 12 оптичні, а інші дві протилежні грані 13 і 14 обладнані електричними контактами. Грань 13 обладнана суцільним омічним контактом 15, а грань 14 містить два однакові інжекторні контакти 16 і 17, розташовані по різні боки лінії, що проходить через центр цієї грані перпендикулярно до оптичної грані 11 і/або 12 кристала, створюючи в такий спосіб два модулятори: 6 і 7. Модулятори можуть бути виконані з одного, наприклад, германієвого кристала з р-n переходом, або з двох склеєних кристалів із р-n переходом. При роботі модуляторів під дією керуючої напруги від генератора 18 змінюється оптичне пропускання кристала і здійснюється модуляція потоку ІЧ-випромінювання. Істотною особливістю модуляторів є їх нагрівання під впливом струму, і поява паразитного теплового випромінювання самих модуляторів 6 і 7. Оскільки модулятори виконані однаковими і приведені в тепловий контакт, паразитне випромінювання кожного з них однакове. На модулятор 6 подається керуюча напруга від генератора 18, а на інший модулятор 7 ця ж 4 34740 напруга подається через блок затримки 19, що забезпечує затримку керуючого імпульсу на 0,5 періоду проходження імпульсів. Це приводить до того, що на приймач випромінювання 8 поступає змінний оптичний сигнал, рівний по величині різниці інтенсивності потоків ІЧ-випромінювання, у якому паразитні потоки модуляторів компенсуються. Експериментальнo був реалізований пірометр, що включає двоканальну оптичну систему уведення випромінювання від об'єкта, що вимірюється, і опорного джерела відповідно до першого варіанта винаходу. Для перевірки працездатності пірометра в якості об'єкта, що вимірюється використовувався імітатор абсолютно чорного тіла типу У.31.010-01ПС, температура якого послідовно стабілізувалася на рівнях 38,3; 142,4; 231,8°С. При цьому температура імітатора контролювалася вмонтованим у його корпус власним датчиком температури. Виміряні пірометром значення температури в зазначеному діапазоні 0-250°С збігалися з вищенаведеними з похибкою, що не перевищувала 0,2%. Зміна температури навколишнього середовища в діапазоні 10-50°С не приводила до зміни показань пірометра більш ніж на 0,1%. Експериментально також був реалізований пірометр, що включає двоканальну оптичну систему для уведення випромінювання від об'єкта у відповідності з другим варіантом винаходу. Працездатність пірометра перевірялася з використанням об'єкта, в якому контролювалася температура в двох досліджуваних точках за допомогою диференціальної термопари. Різниця температур у цих точках об'єкта відповідно до показань термопари складала 0,1°С. Значення різниці температур цих же ділянок при вимірюванні за допомогою пірометра, також складало 0,1°С. При цьому співвідношення сигнал-шум перевищувало 25. В пірометрах була реалізована запропонована система модуляторів, виконана на основі напівпровідникового матеріалу германію. Експериментально було показано, що в зазначеній системі модуляторів власне паразитне теплове випромінювання кожного з них збігається по величині один з одним із точністю не менше 0,1% навіть при зміні температури навколишнього середовища в діапазоні 10-50°С. Це дозволяє практично цілком усунути вплив власного паразитного випромінювання на точність вимірів. Фіг. 1 Фіг. 2 5 34740 Фіг. 3 Фіг. 4 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 6 34740 7