Оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури

Винахід відноситься до області пірометрії, зокрема до оптико-електронних способів надлишкових вимірювань температури при логарифмічній функції перетворення фотоприймача і може бути використаний для створення широкодіапазонних оптичних пірометрів. Відомий оптико-електронний спосіб визначення температури [див. Назаренко Л.Л., Ромоданов И.С., Кисіль О.М., Сергієнко П.П. Еталонний оптичний пірометр БОП-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 F х(l) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворенні йог у змінну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворенні н 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. Це обумовлено вибором робочої точки па лінійній ділянці графіка функції перетворення (ФП) фотоприймача. Нелінійність, а також довгострокова і температурна нестабільність ФП фотоприймача приводить до появи похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Крім того, в даному способі не враховується вплив коефіцієнта поглинання навколишнім середовищем на результат вимірювання. Невизначеність коефіцієнта пропускання навколишнього середовища обумовлює додаткову похибку вимірювання, що впливає на точність результату вимірювання. Відомий оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювані, температури [див. деклараційний патент України №56614 А, ΜПК G01R7/02. бюл. №5, 2003], оснований на тому, що від центральної частини досліджуваного об'єкта приймають потік випромінювання на довжині хвилі l 1, розділяють потоки випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, визначають місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключають дію другого потоку випромінювання Fх на поверхню чутливою елемента фотоприймача, перетворюють у постійну напругу U1 темновий потік F 1 при температурі Т1 навколишнього середовища, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують перший нормований за розміром потік випромінювання F 2, що відповідає першій нормованій за розміром температурі Т2 та перетворюють його у постійну напругу U2, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують другий нормований за розміром потік випромінювання F 3, що відповідає другій нормованій за розміром температурі Т 3, близькій за розміром температурі Т 2 та перетворюють його у постійну напругу U3, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, діють потоком випромінювання Fх, що відповідає вимірювальній температурі Т х, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, збільшують розмір потоку випромінювання Fх на розмір першого потоку випромінювання F 2 перетворюють перший сумарний потік випромінювання F 4 у постійну напругу U4, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, збільшують розмір потоку випромінювання F х на розмір другого потоку випромінювання F 3, перетворюють другий сумарний потік випромінювання F 5 у постійну напругу U5, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, по одержаних значеннях напруг визначають дійсне значення потоку випромінювання Fх по якому судять про температуру Тх. Відомий спосіб забезпечує точне вимірювання температури тільки в обмеженому діапазоні її значень. Використання таблиць відповідності приводить до зростання похибки вимірювання за рахунок похибки дискретності. Використання таблиць відповідності з малою дискретністю значень температури потребує великого об'єму пам'яті, що не завжди доцільно. Крім того, відомий спосіб не забезпечує високу точність вимірювання температури у широкому діапазоні її значень (тобто у всьому діапазоні роботи фотоприймача). Відомий також оптико-електронний спосіб надлишкових вимірювань температури [див. позитивне рішення по заявці №20031212097 від 23.12.03, МПК G01J5/08], який оснований на виділенні від нагрітого досліджуваного об'єкта вузькосмугового потоку випромінювання F х(Dl) з довжинами хвиль l 1, і l 2 в діапазонах, що відповідають червоному та синьому кольорам, поділі його на два інформативні потоки Fх1(Dl) і Fх2(Dl), визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключенні дії другого потоку випромінювання F х2(Dl) на поверхню чутливого елемента фотоприймача, перетворенні у постійну напругу U11 темнового потоку Φ11{l 11) на довжині хвилі l 1 і при температурі Т1 термостатування фотоприймача, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманого значення, формуванні нормованого за розміром потужності потоку випромінювання Φ2(l 1), що відповідає нормованій за розміром температурі Т 11 та перетворенні його у постійну напругу U2, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманого значення, виділенні з потоку випромінювання F х2(Dl) потоку F х(l 2) з довжиною хвилі l 2, порівнянні кольору одержаного потоку випромінювання з кольором порівняння, що відповідає температурі Т0, змінюванні потужності потоку випромінювання F х(l 2) до рівності зазначених кольорів, при їх розбіжності, та отриманні потоку випромінювання F х0(l 2) нормованої потужності, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням надлишкових вимірювань. Відомий спосіб забезпечує високоточне вимірювання потоку випромінювання F х, але обмежує діапазон вимірювання температури за рахунок апроксимації логарифмічної функції перетворення кубічною параболою. Вимірювання температури у всьому діапазоні роботи фотоприймача призводить до зниження точності і діапазону вимірювання температури. В основу винаходу покладена технічна задача створення такого оптико-електронного способу надлишкових вимірювань температури, в якому шляхом введення нових операцій вимірювання, порядку і умов їх проведення, забезпечилось би підвищення точності результатів вимірювання температури в усьому діапазоні вхідних сигналів логарифмічної функції перетворення фотоприймача. Поставлена задача вирішується тим, що в оптико-електронному способі надлишкових вимірювань температури, який оснований на виділенні віл нагрітого досліджуваного об'єкта вузькосмугового потоку випромінювання Fх(Dl) з довжинами хвиль l 1 і l 2 в діапазонах, що відповідають червоному та синьому кольорам, поділі його на два інформативні потоки Φх1(Dl) і Fх2(Dl), визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключенні дії другого потоку випромінювання Fх2(Dl) на поверхню чутливою елемента фотоприймача, перетворенні у постійну напругу U11 темнового потоку F 11(l 1) на довжині хвилі l 1 і при температурі Т1 термостатування фотоприймача, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманого значення, формуванні нормованою за розміром потужності потоку випромінювання F 2(l 1), що відповідає нормованій за розміром температурі Т 11 та перетворенні його у постійну напругу U2, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманого значення, виділенні з псюку випромінювання Fх2(Dl) потоку F х(l 2) з довжиною хвилі l 2, порівнянні кольору одержаного потоку випромінювання з кольором порівняння, що відповідне температурі Т0, змінюванні потужності потоку випромінювання F х(l 2) до рівності зазначених кольорів, при їх розбіжності, та отриманні потоку випромінювання F х0(l 2) нормованої потужності, з подальшим визначенням дійсного значення температури згідно з рівнянням надлишкових вимірювань, згідно з винаходом, спочатку вирівнюють спектральну чутливість фотоприймача на довжинах хвиль l 1 і l 2 шляхом вимірювання нормованого за розміром потужності вузькосмугового та рівномірного за спектром потоку випромінювання F 0(Dl) і встановлення рівних між собою коефіцієнтів передачі каналів на центральних довжинах хвиль l 1 і l 2 шляхом зміни коефіцієнта підсилення одного з каналів, після переіворсппя у напругу U11 темнового потоку F 11(l 1) перетворюють темновий потік F 12(l 2) на довжині хвилі l 2 у постійну напругу U12, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, після перетворення у постійну напругу U2 потужності потоку випромінювання F 2(l 1), формують нормований за розміром потужності потік випромінювання F 3(l 1), потужність якого відрізняється за значенням від потужності потоку випромінювання F2(l 1) в kл1 рази (де kл1=0,8¸0,99), який відповідає нормованій за розміром температурі Т 12, перетворюють потужність потоку випромінювання F 3(l 1) у постійну напругу U3, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, виділяють із потоку випромінювання Fх2(Dl) потік Fх(l 1), потужність якого відповідає вимірювальній температурі Тх, формують потік випромінювання F 4(l 1), потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F 4(l 1) також в kл1 рази, перетворюють потужність потоку випромінювання F 4(l 1) в постійну напругу U4, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, встановлюють дію потоку випромінювання Fх(l 1), перетворюють потужність потоку випромінювання F х(l 1) у постійну напругу U5, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, визначають дійсне значення потужності потоку випромінювання F х(l 1) на довжині хвилі l 1 згідно з рівняння надлишкових вимірювань U4 -U5 F х (l1 ) = F тl1 k 01 - е U3 -U2 л U 4 -U5 е U3 -U2 ln ln F 3 + F Тl1 F 2 + F Тl1 F 3 +F Тl1 F 2 +F Тl1 - k л1 , де F тl1 - темновий потік на довжині хвилі l 1 (F тl1=I т/SІl1), І т - темновий струм, SІl1 - струмова монохроматична чутливість або чутливість фотоприймача до монохроматичного випромінювання на k0 = 1 довжині хвилі l 1, л1 ; отриманий результат запам'ятовують, формують нормований за розміром потужності потік випромінювання F 2(l 2), що відповідає нормованій за розміром температурі Т 21 та перетворюють його у постійну напругу U'2, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, формують нормований за розміром потужності потік випромінювання F 3(l 2), потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F 2(l 2) в kл1 рази і відповідає нормованій за розміром температурі Т 22, перетворюють потужність потоку випромінювання F 3(l 2) у постійну напругу U'з, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, відновлюють дію потоку випромінювання F х0(l 2), що відповідає температурі Т0, формують потік випромінювання F 4(l 2), потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання Fх0(l 2) в kл1 рази, перетворюють потужність потоку випромінювання F 4(l 2) у постійну наругу U’4, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, встановлюють дію потоку випромінювання F х0(l 2) і перетворюють його у постійну напругу U'5, вимірюють і запам'ятовують отримане значення, визначають дійсне значення потужності потоку випромінювання F х0(l 2) згідно з рівняння надлишкових вимірювань U' 4 -U'5 F х 0 (l 2 ) = F тl 2 k 01 - е U'3 -U'2 л U' 4 -U'5 е U' 3 -U'2 ln ln F 3 + F Тl2 F 2 + F Тl2 F 3 + F Тl 2 F 2 + F Тl 2 - k л1 , де де F тl2 - темновий потік на довжині хвилі l 2 (F тl2=I т/SІl2), І т - темновий струм, SІl2 - струмова монохроматична чутливість на довжині хвилі l 2, отриманий результат запам'ятовують, а дійсне значення температури Т х об'єкта визначають згідно з рівняння надлишкових вимірювань (при {Фтl1 }={Фтl2}) Тх = Т0 4 F х (l1) F х0 (l 2 ) У запропонованому оптико-електронному способі надлишкових вимірювань температури при логарифмічній функції перетворення фотоприймача для розширення діапазону і підвищення точності вимірювання запропоновано додаткове вимірювання температури Т 0 в тих же умовах навколишнього середовища, що і при вимірювання температури Т х, але па довжині хвилі l 2, ({l 2}¹{l 1}). Визначення температури досліджуваного об'єкта як відношення напруг Ux і U0, пропорційних потокам випромінювання Φх і Φ0 у степені 1/4, забезпечує виключення впливу факторів навколишнього середовища на результат вимірювання. Використання методів надлишкових вимірювань обох температур забезпечило лінеаризацію загальної функції перетворення та виключення похибок вимірювання, що обумовлені температурною та довгостроковою нестабільністю параметрів логарифмічної функції перетворення. Крім того, формування двох додаткових, каліброваних за значенням потужності, потоків випромінювання, що відрізняються між собою в kл1 рази, а також формування потоків випромінювання Φ4 і Φ5; потужність яких відрізняється від потужності потоку випромінювання Φх і Φх0, відповідно, також в kл1 рази, забезпечує одержання високоточного результату надлишкових вимірювань температури об'єкту в широкому діапазоні температур. На рисунку зображена структурна схема пристрою, що реалізує зазначений спосіб, де 1 досліджуваний об'єкт, 2 - фокусуюча лінза, 3 - світлофільтр на довжині хвилі Dl, 4 - заслінка з ручним керуванням, 5 - відбивне дзеркало, 6 - скляний об'єктив, 7 - поглинаюче скло з візиром, 8 - око спостерігача, 9 - напівпрозора пластина, 10 - обтюраторний диск із синхронним двигуном, 11 - подвоєний світлофільтр з ручним керуванням, 12 - сірий клин з ручним керуванням, 13 - сітчастий поглинач із нейтрального скла (з ручним керуванням), 14 - фотоприймач, 15 - підсилювач з змінним коефіцієнтом підсилення, 16 синхронний детектор, 17 - цифровий вольтметр, 18 - кероване джерело потоку оптичного випромінювання з ручним керуванням, 19 - світловипромінюючий діод, 20 - фотоириймач-формувач імпульсів. Причому на одній оптичній осі послідовно розташовані та оптично з'єднані між собою досліджуваний об'єкт 1, фокусуюча лінза 2, світлофільтр 3, заслінка 4, напівпрозора пластина 9, обтюраторний диск 10, подвоєний світлофільтр 11, сірий клин 12, сітчастий поглинач 13 і фотоприймач 14, виходи якого підключені через підсилювач 15 до входів синхронного детектора 16, виходи якого з'єднаний зі входом цифрового вольтметру 17. Вхід керування синхронного детектора 16 підключений до виходу фотоприймачаформувача імпульсів 20, вхід якого через отвори обтюраторного лиска 10 оптично з'єднаний зі світловинромінюючим діодом 19. 17, Подвоєний світлофільтр 11, підсилювач 15 та джерело потоку оптичного випромінювання 18 мають входи ручного керування. Вихід джерела потоку оптичного випромінювання 18 оптично з'єднаний через напівпрозору пластину 9, обтюраторний диск 10, подвоєний світлофільтр 11, сірий клин 12 і сітчастий поглинач 13 зі входом фотоприймача 14. Вихід напівпрозорої пластини 9 оптично з'єднаний через відбивне дзеркало 5, скляний об'єктив 6 і поглинаюче скло 7 з оком спостерігача 8. В основу запропонованого способу покладено залежність потоку випромінювання від температури Т х: Fх=Α’sТх4 де А’=Αtlс А’ - коефіцієнт, який залежить від коефіцієнта використання потоку від об'єкта А; tlс коефіцієнт поглинання середовища; s стала Стефаиа-Больцмана. Відомо, що функція перетворення фотоприймача на базі фотодіоду мас логарифмічний характер і описується рівнянням величин виду Ux = ö kT æ SiF x lnç + kl ÷ ÷ q ç ls ø è , 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 фотодіода; ls - темновий струм фото діода; kl=1. 19 Після заміни S'н = kT / q і F т=I s/Sі, отримуємо рівняння величин виду æ æ æ 1 1 Ux = S'н ç lnç F x + lnç çF + F ç ç х è т è è ö öö ÷ ÷÷ ÷ ÷÷ ø øø , { } S' = {Sн }(1+ gн ) S' ; 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 способом. Спочатку приймають вузькосмуговий потік випромінювання F х(Dl) з довжинами хвиль l 1 і l 2 від нагрітого досліджуваного об'єкту в діапазонах, що відповідають червоному та синьому кольорам. Розділяють потоки випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки Fх1(Dl) і Fх2(Dl). Місцеположення досліджуваного об'єкта визначають по першому потоку. Виключають дію другого потоку випромінювання Fх2(Dl) на поверхню чутливого елемента фотоприймача. Перетворюють темновий потік F11(l 1) (F11(l 1)= F тl1) на довжині хвилі l 1 і при температурі Т1 термостату ваш ія фотоприймача у постійну напругу U11=Sнlnk2 (1) де k2=2. Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (1). Далі формують нормований за розміром потужності потік випромінювання F 2(l 1), що відповідає нормований за розміром температурі Т11. ПІеретворюють потік випромінювання F 2=F 2(l 1) у постійну напругу U2=Sн(ln(F 2+F T)-lnF T) (2) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (2). Формують нормований за розміром потік випромінювання F3(l 1), що відповідає нормований за розміром температурі T12 таким чином, щоб його потужність відрізнялась від потужності потоку випромінювання F 2=F 2(l 1) в kл1 рази (де kл1=0,8¸0,99). Перетворюють потужність потоку випромінювання F3=F3(l 1)=kл1 F 2 в постійну напругу U3=Sн(ln(kл1F 2+F T)-ΙnF T) (3) яку вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Із потоку випромінювання F х(l 1) відновлюють потік Fх2(Dl), потужність якого відповідає вимірювальній температурі Tx. Формують потік випромінювання F 4(l 1), потужність якого відрізняється від потужності потоку випромінювання F х(l 1) також в kл1 рази. Перетворюють потужність потоку випромінювання F 4=F 4(l 1)=kл1 Fх в постійну напругу U4=Sн(ln(kл1Fх+F T)-ΙnF T) (4) Постійну напругу (4) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Відновлюють дію потоку випромінювання Fх(l 1) і перетворюють його потужність Fх=Fх(l 1) в постійну напругу U5=Sн(ln(F х+F T)-ΙnF T) (3) яку вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Визначають дійсне значення потужності потоку випромінювання F х(l 1) згідно із рівнянням надлишкових вимірювань F х (l1 ) = U4 -U5 F 3 + F Тl1 ln 0 k л1 - е U3 -U2 F 2 + F Тl1 F тl1 U -U F +F 4 5 Тl 1 ln 3 е U3 -U2 F 2 +F Тl1 - k л1 (6) де F тl1 - темновий потік на довжині хвилі l 1 (F тl1=I т/SІl1), І т - темновий струм, SІl1 - струмова монохроматична чутливість або чутливість фотоприймача до монохроматичного випромінювання на k0 = 1 довжині хвилі l 1, л1 ; Далі приймають потік випромінювання з температурою Т 0. Для цього із потоку випромінювання Fх2(Dl) виділяють потік випромінювання F х(l 2) на довжині хвилі l 2. Порівнюють колір одержаного потоку випромінювання з кольором порівняння, що відповідає температурі Т 0 (наприклад, 100°С). При розбіжності кольорів змінюють потужність потоку випромінювання F х(l 2) від нагрітого досліджуваного об'єкта до рівності зазначених кольорів і отримують ночі к випромінювання Fх0(l 2) нормованої потужності. Виключають дію потоку випромінювання Fх0(l 2) на поверхню чутливого елемента фотоприймача. Перетворюють темновий потік F 12(l 2) (F 12(l 2)=F тl2) на довжині хвилі l 2 у постійну напругу U12 U12=Sнlnk2 (7) Порівнюють отриману напругу (7) з напругою (1). При розбіжності значень, змінюють коефіцієнт передачі k1 одного з каналів (або одного з елементів, наприклад, підсилювача) вимірювального каналу до значення k2, при якому забезпечується рівність зазначених результатів (1) і (7). Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (7). Формують нормований за розміром потік випромінювання F2(l 2), що відповідає нормований за розміром температурі Т21. Перетворюють потік випромінювання F’2=F2(l 2) в постійну напругу U’2=Sн(ln(F’2+F T)-ΙnF T) (8) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (8). Формують нормований за розміром потік випромінювання F’3=F 3(l 2), що відповідає нормований за розміром температурі Т22 ({Т22}