Спосіб надлишкових вимірювань дійсного значення температури

Спосіб надлишкових вимірювань дійсного значення температури, який полягає у направленні на чутливий елемент фотоприймача потоку випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкта, розділенні потоку оптичного випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкта на два інформативні потоки, які обмежені заданим діапазоном довжин хвиль з максимумом спектральної щільності потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі l1 , і визначенні місцеположення досліджуваного нагрітого об'єкта по першому потоку, виключенні дії другого інформативного потоку випромінювання Fx на поверхню чутливого елемента фотоприймача, додатковому формуванні у тому ж діапазоні довжин хвиль першого та другого каліброваних за значеннями інтенсивності потоків випромінювання F1 і F 2 , що відповідають нормованим за значенням температурам Т1 і Т2, перетворенні інтенсивності потоку випромінювання F1 в постійну напругу U1, вимірюванні її і запам'ятовуванні отриманого значення, відновленні дії інформативного потоку випромінювання F x , що відповідає температурі Тx, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, зміні значення інтенсивності інформативного потоку випромінювання F x на значення інтенсивності першого потоку випромінювання F1 , перетворенні інтенсивності отриманого першого сумарного потоку випромінювання F å 1( F å 1 = F x + F1) в постійну напругу Uå1 , вимірюванні її і запам'ятовуванні отриманого значення, зміні значення інтенсивності інформативного потоку випромінювання F x на значення інтенсивності 2 (19) 1 3 78064 4 вання Ф3 в постійну напругу U3, вимірюють її і задалі змінюють значення інтенсивності інформатипам'ятовують отримане значення, формують четвного потоку випромінювання F x0 на значення вертий калібрований за значенням інтенсивності інтенсивності третього потоку випромінювання Ф3, потік випромінювання Ф4, що відповідає нормоваперетворюють сьомий сумарний потік випромінюній за значенням температурі Т4 , інтенсивність вання F å 7 ( F å 7 = F x0 + F 3 ) в постійну напругу якого дорівнює сумі каліброваного за значенням Uå 7 , вимірюють її і запам'ятовують отримане знаінтенсивності потоку випромінювання F 0 і подвочення, змінюють значення інтенсивності інформаєного значення інтенсивності потоку випромінютивного потоку випромінювання F x0 на значення вання DF0 , тобто ( F 4 = F0 + 2DF0 ) , перетворюють інтенсивності четвертого потоку випромінювання потік випромінювання Ф4 в постійну напругу U4, Ф4, перетворюють восьмий сумарний потік випровимірюють її і запам'ятовують отримане значення, змінюють значення інтенсивності інформативного мінювання F å 8 ( F å 8 = F x0 + F 4 ) в постійну напрупотоку випромінювання F x на значення інтенсивгу Uå 8 , вимірюють її і запам'ятовують отримане ності третього потоку випромінювання Ф3, перезначення, а дійсне значення температури Tx дотворюють п'ятий сумарний потік випромінювання сліджуваного нагрітого об'єкта визначають відпоF å 5 ( F å 5 = F x + F 3 ) в постійну напругу Uå 5 , вивідно до рівнянь надлишкових вимірювань: мірюють її і запам'ятовують отримане значення, (Uå 6 - Uå 5 ) - (U4 - U3 ) - n4 ((Uå 6 - U4 ) - (Uå1 - U1)) змінюють значення інтенсивності інформативного n3 ((Uå 6 - Uå 5 ) - n 2 (Uå1 - Uå 2 )) , Tx = T0 4 потоку випромінювання F x на значення інтенсив(Uå 8 - Uå 7 ) - (U4 - U3 ) - n 4((Uå 8 - U4 ) - (Uå 3 - U1)) ності четвертого потоку випромінювання Ф4, переn3 ((Uå 8 - Uå 7 ) - n 2 (Uå 3 - Uå 4 )) творюють шостий сумарний потік випромінювання де n2=2, n3=3, n4=4. F å 6 ( F å 6 = F x + F 4 ) в постійну напругу Uå 6 , вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, Винахід відноситься до області вимірювальної техніки, зокрема до оптико-електронних способів надлишкових вимірювань температури при нелінійній функції перетворення фотоприймача і може бути використаний для створення високоточних оптичних пірометрів відношення. Відомий оптико-електронний спосіб визначення температури [див. Назаренко Л.А., Ромоданов И.С., Кисіль О.М., Сергієнко П.П. Еталонний оптичний пірометр ЕОП-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 сфокусованих потоки, візуалізації зображення об'єкта по одному з потоків, направленні другого потоку випромінювання на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного потоку випромінювання Φх(l) у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворенні його у постійну напругу шля хом низькочастотної модуляції потоку, перетворенні в 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 вимірювання температури, яка обумовлена нелінійністю, а також довгостроковою і температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача. Це 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. Не урахування коефіцієнта поглинання середовища обумовлює додаткову похибку вимірювання, що впливає на точність кінцевого результату. Відомий спосіб визначення дійсного значення температури [(див. деклараційний патент України №56614 А, МПК G01R7/02, бюл.№5, 2003], який полягає у тому, що приймають потік випромінювання на довжині хвилі l1 від центральної частини досліджуваного об'єкта, розділяють потоки випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, визначають місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключають дію другого потоку випромінювання Φх на поверхню чутливого елемента фотоприймача, перетворюють у постійну напругу U1 темповий потік Φ1 при температурі Т1 навколишнього середовища, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують перший нормований за розміром потік випромінювання Ф2, що відповідає першій нормованій за розміром температурі T2 та перетворюють його в постійну напругу U2, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують другий нормований за розміром потік випромінювання Ф3, що відповідає другій нормованій за розміром температурі T3, близькій за розміром температурі Т2 та перетворюють його в постійну напругу U3, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, діють потоком випромінювання Φx , що відповідає вимірювальній температурі Tx, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, збільшують розмір потоку випромінювання Φx на розмір першого потоку випромінювання Ф2, перетворюють перший сумарний потік випромінювання Ф4 в постійну напругу U4, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, збільшують розмір потоку випромінювання Φx на розмір другого потоку випромінювання Ф3, перетворюють другий сумарний потік випромінювання Ф5 в постійну напругу U5, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, по одержаних значеннях напруг визначають дійсне значення потоку випромінювання Φx. 5 78064 6 Відомий спосіб забезпечує високоточне виміза значенням інтенсивності потоку випромінюванрювання потоку випромінювання Φx, але потребує ня Φ1, перетворенні третього сумарного потоку використання таблиць відповідності. Записані в випромінювання ФΣ3({ФΣ3}={Ф x0}+{Ф 1}) в постійну цих таблицях значення температур мають кінцеву напругу UΣ3, вимірюванні її і запам'ятовуванні дискретність, що обумовлює виникнення похибки отриманого значення, зміні значення інтенсивності дискретності. Використання таблиць відповідності потоку випромінювання Φx0 на значення інтенсивз малою дискретністю значень температури менності другого потоку випромінювання Ф2, перетвоших, ніж похибка вимірювання, потребує великого ренні інтенсивності отриманого четвертого сумароб'єму пам'яті, що не завжди доцільно. Крім того, ного потоку випромінювання ФΣ4({ФΣ4}={Ф x0}+{Ф 2}) в відомий спосіб потребує використання додаткових постійну напругу UΣ4, вимірюванні її і запам'ятовуапаратних затрат на вирішення проблеми впливу ванні отриманого значення з подальшим визнакоефіцієнта поглинання середовища. Все це приченням дійсного значення температури згідно з водить до часткового зниження точності вимірюрівнянь надлишкових вимірювань. вання температури. В основу винаходу покладена задача створенВідомий також оптико-електронний спосіб ня такого способу надлишкових вимірювань дійснадлишкових вимірювань температури [див. деного значення температури, в якому шляхом ввеклараційний патент України №66299 А, МПК дення нових операцій вимірювання, порядки і умов G01J5/00, G01J5/10 бюл.№4, 2004], який засноваїх проведення, забезпечилось би розширення діаний на направленні на чутливий елемент фотопазону вимірювання температури та підвищення приймача потоку випромінювання від досліджуваточності результату вимірювання температури при ного нагрітого об'єкта, розділенні потоку оптичного апроксимації логарифмічної функції перетворення випромінювання від досліджуваного нагрітого об'фотоприймача поліномом третього ступеня. єкту на два інформативні потоки, які обмежені заПоставлена задача вирішується тим, що в опданим діапазоном довжин хвиль з максимумом тико-електронному способі надлишкових вимірюспектральної щільності потоку оптичного випромівань температури, який заснований на направленні на чутливий елемент фотоприймача потоку нювання на довжині хвилі l1 і визначенні місцеповипромінювання від досліджуваного нагрітого об'ложення досліджуваного нагрітого об'єкта по першому потоку, на виключенні дії другого єкта, розділенні потоку оптичного випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкту на два інфорінформативного потоку випромінювання Φx на помативні потоки, які обмежені заданим діапазоном верхню чутливого елемента фотоприймача, додадовжин хвиль з максимумом спектральної щільнотковому формуванні у тому ж діапазоні довжин сті потоку оптичного випромінювання на довжині хвиль першого та другого каліброваних за значеннями інтенсивності потоків випромінювання Φ1 і хвилі l 1 і визначенні місцеположення досліджуваФ2, що відповідають нормованим за значенням ного нагрітого об'єкта по першому потоку, на витемпературам Т1 і Т 2 перетворенні інтенсивності ключенні дії другого інформативного потоку випотоку випромінювання Φ1 в постійну напругу U1, промінювання Φx на поверхню чутливого елемента вимірюванні її і запам'ятовуванні отриманого знафотоприймача, додатковому формуванні у тому ж чення, відновленні дії інформативного потоку видіапазоні довжин хвиль першого та другого калібпромінювання Φx, що відповідає температурі Tx, на рованих за значеннями інтенсивності потоків виповерхню чутливого елемента фотоприймача, промінювання Φ1 і Ф2, що відповідають нормовазміни значення інтенсивності інформативного поним за значенням температурам Т1 і Т2, току випромінювання Φx на значення інтенсивності перетворенні інтенсивності потоку випромінюванпершого потоку випромінювання Φ1, перетворенні ня Φ1 в постійну напругу U1, вимірюванні її і запаінтенсивності отриманого першого сумарного пом'ятовуванні отриманого значення, відновленні дії току випромінювання ФΣ1 ({ΦΣ1}={Φ x}+{Φ1}) в поінформативного потоку випромінювання Φx, що стійну напругу UΣ1, вимірюванні її і запам'ятовувідповідає температурі Tx, на поверхню чутливого ванні отриманого значення, змінені значення елемента фотоприймача, зміни значення інтенсиінтенсивності інформативного потоку випромінювності інформативного потоку випромінювання Φx вання Φx на значення інтенсивності другого потоку на значення інтенсивності першого потоку випровипромінювання Ф2, перетворенні інтенсивності мінювання Φ1, перетворенні інтенсивності отримаотриманого другого сумарного потоку випромінюного першого сумарного потоку випромінювання вання ФΣ2 ({ФΣ2}={Фx}+{Ф 2}) в постійну напругу UΣ2, ФΣ1({ΦΣ 1}={Φ x}+{Φ1}) в постійну напругу UΣ1, вимівимірюванні її і запам'ятовуванні отриманого знарюванні її і запам'ятовуванні отриманого значення, змінені значення інтенсивності інформативного чення, виділенні потоку випромінювання Ф(l2) на потоку випромінювання Φx на значення інтенсивдовжині хвилі l 2, який відповідає температурі Т0 на ності другого потоку випромінювання Ф1, перетвограниці "об'єкт-середовище", порівнянні кольору ренні інтенсивності отриманого другого сумарного одержаного потоку випромінювання з кольором потоку випромінювання ФΣ2({ΦΣ2}={Φ x}+{Φ 2}) в поштучно формованого потоку випромінювання (костійну напругу UΣ2, вимірюванні її і запам'ятовульором порівняння), що відповідає нормованій за ванні отриманого значення, виділенні потоку визначенням температурі Т0, при розбіжності кольопромінювання Ф(l2) на довжині хвилі l2, який рів змінюють інтенсивність потоку випромінювання відповідає температурі Т0 на границі "об'єктФ(l2) від досліджуваного нагрітого об'єкта до рівсередовище", порівнянні кольору одержаного поності зазначених кольорів і формуванні потоку току випромінювання з кольором штучно формовипромінювання Φx0 заданої інтенсивності, зміні ваного потоку випромінювання (кольором порівзначення інтенсивності потоку випромінювання Φx0 няння), що відповідає нормованій за значенням на значення інтенсивності першого каліброваного 7 78064 8 температурі Т0, при розбіжності кольорів змінюють ного нагрітого об'єкта визначають згідно з рівнянь надлишкових вимірювань інтенсивність потоку випромінювання Φ(l2) від досліджуваного нагрітого об'єкта до рівності за(Uå 6 - Uå 5 ) - (U4 - U3 ) - n 4 ((Uå 6 - U4 ) - (Uå1 - U1)) значених кольорів і формуванні потоку випромінюn 3 (( å 6 - Uå 5 ) - n2 (Uå 1 - Uå 2 )) U Tx = T0 4 вання Φх0 заданої інтенсивності, зміні значення (Uå 8 - Uå 7 )(U4 - U3 ) - n 4((Uå 8 - U4) - (U3 - U1)) інтенсивності потоку випромінювання Φx0 на знаn3 (( å 8 - Uå 7 ) - n2 (Uå 3 - Uå 4 )) U чення інтенсивності першого каліброваного за де n2=2; n3=3; n4=4. значенням інтенсивності потоку випромінювання В запропонованому способі надлишкових виΦ1, перетворенні третього сумарного потоку вимірювань дійсного значення температури при аппромінювання ФΣ3({ΦΣ3}={Φ x0}+{Φ1}) в постійну нароксимації логарифмічної функції перетворення пругу UΣ3, вимірюванні її і запам'ятовуванні отрифотоприймача поліномом третього ступеня для маного значення, зміні значення інтенсивності розширення діапазону вимірюваних температур та потоку випромінювання Φxo на значення інтенсивпідвищення точності вимірювання запропоновано ності другого потоку випромінювання Ф2, перетвоформування двох додаткових каліброваних за ренні інтенсивності отриманого четвертого сумарзначенням інтенсивності потоків випромінювання, ного потоку випромінювання ФΣ4({ΦΣ4}={Φ x0}+{Φ2}) які відповідають каліброваним за значенням темв постійну напругу UΣ4 , вимірюванні її і запам'ятоператур T3 і T4 . Це забезпечує одержання високовуванні отриманого значення з подальшим визнаточного результату визначення температури об'єкченням дійсного значення температури згідно з ту в широкому діапазоні температур. рівнянь надлишкових вимірювань, згідно з винахоНа рисунку наведена структурна схема придом, до відновлення дії інформативного потоку строю, що реалізує зазначений спосіб, де 1 - довипромінювання Φx, що відповідає температурі Tx, сліджуваний об'єкт, 2 - заслінка з входом ручного на поверхню чутливого елемента фотоприймача, керування, 3 - оптико-механічний канал, 4 - світформують третій калібрований за значенням інтелофільтр з входом ручного керування, 5, 6 і 7 нсивності потік випромінювання Ф3, що відповідає напівпрозорі дзеркала; 8 - апертурна діафрагма, 9 нормованій за значенням температурі T3 і доріві 10 - перше і друге керовані джерела каліброваних нює різниці каліброваного за значенням інтенсивза значенням інтенсивності потоків оптичного виності потоку випромінювання Ф0 і подвоєного знапромінювань, 11- відбивне дзеркало, 12 - окуляр, чення інтенсивності потоку випромінювання ΔΦ0, 13 - обтюраторний диск, 14 - фотоприймач, 15 тобто ({Φ3}={Φ0}-2{ΔΦ0}), перетворюють потік виМДМ-підсилювач, 16 - світло випромінюючий діод, промінювання Ф3 в постійну напругу U3, вимірюють 17 -фотоприймач-формувач імпульсів, 18 - цифроїї і запам'ятовують отримане значення, формують вий вольтметр. четвертий калібрований за значенням інтенсивноПричому на одній оптичній осі послідовно розсті потік випромінювання Ф4, що відповідає нормоташовані та оптично з'єднані між собою досліджуваній за значенням температурі Т4 , і інтенсивність ваний об'єкт 1, заслінка 2, оптико-механічний каякого дорівнює сумі каліброваного за значеннями нал 3, світлофільтр 4, напівпрозорі дзеркала 5 і 7, інтенсивності потоку випромінювання Ф0 і подвоєобтюраторний диск 13, і фотоприймач 14, вихід ного значення інтенсивності потоку випромінюванякого підключений до МДМ-підсилювача 15, до ня ΔΦ 0, тобто ({Φ4}={Φ0}+2{ΔΦ0}), перетворюють виходу якого підключений цифровий вольтметр потік випромінювання Ф4 в постійну напругу U4, 18, вхід керування МДМ-підсилювача 14 з'єднаний вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, з виходом фотоприймача-формувача імпульсів 17, змінюють значення інтенсивності інформативного вхід якого через отвори обтюраторного диска 13 потоку випромінювання Φx на значення інтенсивоптично з'єднані з світловипромінюючим діодом ності третього потоку випромінювання Ф3, пере16. Друге кероване джерело 10 каліброваних за творюють п'ятий сумарний потік випромінювання значенням інтенсивності потоків випромінювань ФΣ5({ΦΣ 5}={Φ x}+{Φ3}) в постійну напругу UΣ5, виміоптично зв'язане через напівпрозоре дзеркало 7 і рюють її і запам'ятовують отримане значення, зміобтюраторний диск 13 з фотоприймачем 14. Оснонюють значення інтенсивності інформативного вний оптичний канал через напівпрозоре дзеркало потоку випромінювання Φx на значення інтенсив5, відбивне дзеркало 11 і напівпрозоре дзеркало 6 ності четвертого потоку випромінювання Ф4, переоптично зв'язаний з окуляром 12, з яким оптично творюють шостий сумарний потік випромінювання зв'язане через напівпрозоре дзеркало 6 і апертурφσο ФΣ6({ΦΣ 6}={Φ x}+{Φ4}) в постійну напругу UΣ6, ну діафрагму 8 перше джерело 9 каліброваних за вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, значенням інтенсивностей потоку випродалі змінюють значення інтенсивності інформатимінювання. вного потоку випромінювання Φx0 на значення інВ основу запропонованогоспособу вимірютенсивності третього потоку випромінювання Ф3, вання температури покладена залежність потоку перетворюють сьомий сумарний потік випромінювипромінювання від температури T x, яка описуєтьвання ФΣ7({ΦΣ7}={Φ x0}+{Φ3}) в постійну напругу UΣ7 вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, змінюють значення інтенсивності інформативного потоку випромінювання Φx0 на значення інтенсивності четвертого потоку випромінювання Ф4, перетворюють восьмий сумарний потік випромінювання ФΣ8({ΦΣ8}={Φ x0}+{Φ4}) в постійну напругу UΣ8, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, а про дійсне значення температури Tx досліджува ся законом Стефана-Больцмана: Ф x = A¢s Tx4 , де A¢ = Atl c , A¢ - коефіцієнт, який залежить від коефіцієнта використання потоку від об'єкта А і коефіцієнта поглинання середовищем tl c . Аналогічну залежність має інтенсивність потоку оптичного випромінювання Φx0 при вимірюванні температури 9 78064 4 T0, тобто Ф x0 = A ¢sT0 . Якщо розділити аналітичний вираз для Φx на вираз для Φx0 і розв'язати відносно Tx, то отримаємо рівняння вимірювання температури виду (для пірометрів відношення) Tx = T0 4 Фx (1) Ф0 Відомо, що функція перетворення фотоприймача на базі фотодіоду має логарифмічний характер і описується рівнянням величин виду Ux = æS Ф ö 1nç i x + k1 ÷ + D Uзм , ç I ÷ è s ø kT q де k - стала Больцмана; k=1,38.10-23Дж/К; T абсолютна температура; q - заряд електрона; q=l,60.10-19Кл; Φ - потік оптичного випромінювання, що потрапляє на фотодіод; Si - струмова чутливість фотодіода; Is - темновий струм фотодіода; ΔUзм - напруга зміщення. Для розширення діапазону вимірювання температури апроксимуємо цю функцію поліномом третього степеня Ux ( Ф х ) = k1 3 2 kT Si 3 kT Si 2 kT Si Фx + k 2 Ф x + k1 Ф x + DU . q I3 q I2 q Is s s де k1, k2, k 3 - вагові коефіцієнти. Для спрощення вигляду цієї функції запишемо її наступним чином Ux( Ф х ) = Sн2Ф3 + Sн1Ф2 + S¢лФ x + D Uзм , ¢ ¢ x x ¢ ¢ ¢ де Sн 2 , Sн1 , S л - крутість перетворення двох нелінійних і лінійної складових функції перетворення фотоприймача, причому {S¢н2 } = {Sн2 }(1 + g¢H ) ; ¢ ¢ {Sн1} = {Sн1}(1 + gH ) ; ¢ {S¢л } = {S л }(1 + gH ) ; Sн2 = k1 3 kT Si ; q I3 s Sн1 = k 2 kT q S л = k3 S2 i I2 s ; kT Si , q I s g - відносна зміна крутості перетворення двох нелінійних і лінійної складових функції перетворення фотоприймача відповідно, яка обумовлена дією дестабілізуючих факторів навколишнього середовища і старінням елементів фотоприймача. Розглянемо сутність процесу вимірювання температури запропонованим способом. Спочатку на чутливий елемент фотоприймача направляють потік випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкта. Розділяють потік випромінювання від досліджуваного нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, які обмежені заданим діапазоном довжин хвиль з максимумом спектральної щільності потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі l1. Місцеположення досліджуваного нагрітого об'єкта визначають по першому потоку. Виключають дію другого інформативного потоку випромінювання Φx на поверхню чутливого елемента фотоприймача. 10 У тому ж діапазоні довжин хвиль і максимумом спектральної щільності потоку оптичного випромінювання додатково формують перший нормований за розміром потік випромінювання Φ1, причому ({Φ1}={Φ0}+{ΔΦ0}). Цей потік відповідає першій нормованій за значенням температурі Т1. Перетворюють інтенсивність потоку випромінювання Φ1в постійну напругу ¢ U1 = Sн2 (Ф0 + D Ф)3 + ¢ + Sн1(Ф 0 + D Ф)2 + S¢л (Ф0 + DФ) + DUзм (2) де Ф0 – калібрований за значеннями інтенсивності потоків випромінювання, ΔΦ - зміна (приріст) каліброваного за значеннями інтенсивності потоку випромінювання. Вимірюють і запам'ятовують отримане значення постійної напруги (2). Формують третій калібрований за значенням інтенсивності потік випромінювання Ф3, що відповідає нормованій за значенням температурі T3 і дорівнює різниці каліброваного за значенням інтенсивності потоку випромінювання Ф0 і подвоєного значення інтенсивності потоку випромінювання ΔΦ0, тобто ({Ф3}={Ф 0}-2{ΔΦ 0}). Перетворюють потік випромінювання Ф3 в постійну напругу U3 = S¢ 2 (Ф0 - 2DФ )3 + н ¢ ¢ + Sн1(Ф 0 - 2DФ )2 + S л (Ф 0 - 2DФ ) + D U зм (3) вимірюють її і запам'ятовують отримане значення. Формують четвертий калібрований за значенням інтенсивності потік випромінювання Ф4, що відповідає нормованій за значенням температурі Т4, і який дорівнює сумі каліброваного за значеннями інтенсивності потоку випромінювання Ф0 і подвоєного значення інтенсивності потоку випромінювання ΔΦ 0, тобто ({Φ4}={Φ0}+2{ΔΦ0}). Перетворюють потік випромінювання Ф3 в постійну напругу U4 = S¢ 2 (Ф 0 + 2DФ )3 + н + S¢ 1(Ф0 + 2D Ф)2 + S¢ (Ф 0 + 2DФ ) + D Uзм н л (4) вимірюють її і запам'ятовують отримане значення. Відновлюють дію інформативного потоку випромінювання Фx, що відповідає невідомій температурі Tx, на поверхню чутливого елемента фотоприймача. Змінюють значення інтенсивності потоку випромінювання Φx на значення інтенсивності першого каліброваного за значенням інтенсивності потоку випромінювання Φ1. В результаті отримують перший сумарний потік випромінювання. Перетворюють перший сумарний потік випромінювання ФΣ1, значення інтенсивності якого дорівнює {ФΣ1}={Φ x}+{Φ 1}, в постійну напругу Uå1 = S¢ 2 (Ф x + Ф 0 + DФ )3 + н + S¢ 1(Фx + Ф0 + D Ф)2 + S¢ (Ф x + Ф 0 + DФ ) + D Uзм н л (5) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення напруги (5). Змінюють значення інтенсивності потоку випромінювання Фx на значення інтенсивності другого каліброваного за значенням інтенсивності потоку випромінювання Ф2, що відповідає другій нормований за розміром температурі T2. Цей потік дорівнює різниці каліброваного за значенням інте 11 78064 12 нсивності потоку випромінювання Ф0 і подвоєного 3 2 Uå 3 = S¢ 2 (Ф x 0 + Ф0 + DФ ) + S ¢ 1(Ф x0 + Ф 0 + DФ ) + н н (10) значення інтенсивності потоку випромінювання + S¢л(Ф x0 + Ф 0 + DФ ) + DUзм ΔΦ0, тобто його інтенсивність дорівнює {Φ2}={Φ0}Постійну напругу (10) вимірюють, а отримане {ΔΦ0}. В результаті отримують другий сумарний значення запам'ятовують. потік випромінювання. Перетворюють другий суЗмінюють значення потоку випромінювання марний потік випромінювання ФΣ2({ФΣ2}={Φ x}+{Φ2}) Φ x0 на розмір другого каліброваного за значенням в постійну напругу інтенсивності потоку випромінювання Ф2 і отримуUå 2 = S¢ 2 (Ф x + Ф0 - DФ)3 + S¢ 1(Фx + Ф0 - D Ф)2 + н н ють четвертий сумарний потік випромінювання. (6) + S¢л (Ф x + Ф0 - DФ ) + D Uзм Перетворюють інтенсивність четвертий сумарний потік випромінювання ФΣ4({ФΣ4}={Фx0}+{Ф2}) в поПостійну напругу (6) вимірюють, а отримане стійну напругу значення запам'ятовують. 3 2 Змінюють значення інтенсивності інформативUå 4 = S ¢ 2 (Ф x 0 + Ф 0 - DФ ) + S ¢ 1(Ф x0 + Ф 0 - DФ ) + н н (11) ного потоку випромінювання Фx на значення інтен+ S¢л(Ф x0 + Ф 0 - DФ ) + DUзм сивності третього каліброваного за значенням інПостійну напругу (11) вимірюють, а отримане тенсивності потоку випромінювання Ф3, і значення запам'ятовують. отримують п'ятий сумарний потік випромінювання. Змінюють значення потоку випромінювання Перетворюють п'ятий сумарний потік випроміню= Фx0 на розмір третього каліброваного за значенням вання ФΣ5({ФΣ5} {Фx}+{Ф 3}) в постійну напругу інтенсивності потоку випромінювання Ф3. В ре3 2 ¢ ¢ Uå 5 = Sн2 (Ф x + Ф0 - 2DФ ) + S н1(Ф x + Ф0 - 2DФ ) + зультаті отримують сьомий сумарний потік випро(7) + S¢л (Ф x + Ф0 - 2 DФ) + DUзм мінювання. Перетворюють сьомий сумарний потік випромінювання ФΣ7({ФΣ7}={Ф x0}+{Ф 3}) в постійну Постійну напругу (7) вимірюють, а отримане напругу значення запам'ятовують. Змінюють значення інтенсивності інформативUå 7 = S¢ 2 (Фx 0 + Ф0 - 2DФ)3 + S¢ 1(Ф x0 + Ф 0 - 2 DФ)2 + н н (12) ного потоку випромінювання Фx. на значення інте+ S ¢ (Ф x0 + Ф0 - 2DФ ) + DUзм л нсивності четвертого каліброваного за значенням Постійну напругу (12) вимірюють, а отримане інтенсивності потоку випромінювання Ф4 і отримузначення запам'ятовують. ють шостий сумарний потік випромінювання. ПеЗмінюють значення потоку випромінювання ретворюють шостий сумарний потік випромінюФx0 на розмір четвертого каліброваного за значенвання ФΣ6({ФΣ6}={Фx}+{Ф4}) в постійну напругу ням інтенсивності потоку випромінювання Ф . В ¢ ¢ Uå 6 = S н2(Ф x + Ф0 + 2DФ ) + Sн1(Ф x + Ф0 + 2DФ ) + 3 2 + S¢л (Ф x + Ф 0 + 2 DФ) + DUзм 4 (8) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення напруги (8). Дійсне значення інформативного потоку випромінювання Ф х (l1 ) визначають згідно із рівнянням надлишкових вимірювань (U 6 - Uå 5 ) - (U4 - U3 ) - n 4 ((Uå6 - U4) - (Uå 1 - U1 )) Ux = å n3 ((Uå 6 - U å5 ) - n2 (Uå 1 - U å 2 )) (9) де n2=2; n3=3; n 4=4. Далі виділяють потік випромінювання Ф х (l2 ) на довжині хвилі l2 який відповідає температурі Т0, (наприклад 100°С) на границі "об'єкт-середовище". Порівнюють колір одержаного потоку випромінювання з кольором штучно з формованого потоку випромінювання (кольором порівняння), що відповідає нормованій за значенням температурі Т0. При розбіжності кольорів змінюють інтенсивність потоку випромінювання Ф х (l2 ) від досліджуваного нагрітого об'єкта до рівності зазначених кольорів. Це здійснюється одним з відомих способів, наприклад, шляхом зміни інтенсивності потоку випромінювання чи подстройки довжини хвилі l2 потоку випромінювання на ±Δl 2. В результаті отримують потік випромінювання Φx0 заданої інтенсивності, що відповідає температурі Т0. Змінюють значення інтенсивності отриманого потоку випромінювання Φ x0 на значення інтенсивності першого каліброваного за значенням інтенсивності потоку випромінювання Φ1. В результаті отримують третій сумарний потік випромінювання. Перетворюють третій сумарний потік випромінювання ФΣ3({ФΣ3}={Ф x0}+{Ф1}) в постійну напругу результаті отримують восьмий сумарний потік випромінювання. Перетворюють восьмий сумарний потік випромінювання ФΣ8 ({ФΣ8}={Фx0}+{Ф 4}) в постійну напругу Uå 8 = S¢ 2 (Ф x0 + Ф0 + 2D Ф)3 + S¢ 1(Фx 0 + Ф0 + 2D Ф )2 + н н + S¢л(Фx 0 + Ф 0 + 2 DФ ) + D Uзм (13) Вимірюють і запам'ятовують отримане значення напруги (13). По одержаним значенням напруг визначають дійсне значення потоку випромінювання Ф0(l2) згідно із рівнянням надлишкових вимірювань U0 = (Uå 8 - Uå 7 )(U4 - U3 ) - n4 ((Uå 8 - U4 ) - (U3 - U1)) n3 ((Uå 8 - Uå 7 ) - n 2(Uå 3 - Uå 4 )) (14) де n2=2; n3=3; n4=4. Дійсне значення температури T x об'єкта визначають згідно з рівняннями надлишкових вимірювань Tx = T0 4 (U å 6 - U å 5 ) - (U 4 - U 3 ) - n4 ((Uå 6 - U4) - (U å 1 - U1 )) n3 ((Uå 6 - Uå 5 ) - n2 ( å 1 - Uå 2 )) U (U å 8 - U å 7 )(U 4 - U 3 ) - n4 ((Uå 8 - U4) - (U3 - U1 )) n3 ((Uå 8 - Uå 7 ) - n2 ( å 3 - U å 4 )) U (15) де n2=2; n3=3; n4=4, Ux - напруга, пропорційна потоку випромінювання Ф х (l1 ) , U0 - напруга, пропорційна потоку випромінювання Ф0 (l 2 ) . Не важко показати, що обробка результатів проміжних вимірювань згідно з рівнянням надлишкових вимірювань (15) забезпечує автоматичне виключення впливу абсолютних значень параметрів функції перетворення фотоприймача та їх нестабільності під дією дестабілізуючих факторів, тобто систематичних та випадкових складових похибки вимірювання, а також впливу коефіцієнта поглинання середовищем на результат вимірю 13 78064 14 вання температури. за допомогою МДМ-підсилювача 15. Одержана Для цього в рівняння надлишкових вимірювань постійна напруга U3 (3) вимірюється за допомогою (15) підставимо різниці напруг, які описуються цифрового вольтметра 18. Отриманий код числа аналітичними виразами (2)-(8) і (10)-(13): N3, (N3=SпрU3) запам'ятовують. В третьому такті аналогічним чином на виході (Uå 6 - Uå5 ) - (U4 - U3 ) - n 4 ((Uå6 - U4) - (Uå 1 - U1 )) другого джерела 10 каліброваних потоків випроміn3 (( å 6 - Uå 5 ) - n 2 (Uå 1 - U å 2 )) U Tx = T0 4 нювань встановлюють четверте I4 задане значен(Uå 8 - Uå7 )(U4 - U3 ) - n 4 ((Uå8 - U4) - (U3 - U1 )) = ня струму і здійснюють вимірювання четвертого n3 ((Uå 8 - Uå 7 ) - n2 (Uå 3 - U å 4 )) каліброваного за значенням інтенсивності потоку (16) ¢ 36Sн 2D Ф2Ф x випромінювання Ф4. Отримане значення напруги ¢ 3 × 12Sн2 D Ф2 Фх U4, (4) вимірюється за допомогою цифрового = T0 4 = T0 4 Ф0 ¢ 36Sн 2D Ф2Ф 0 вольтметра 18, а отриманий код числа N 4 (N4=SпрU4) запам'ятовують. 3 × 12S¢ 2 D Ф2 н У четвертому такті відкривають заслінку 2, яка Пояснимо сутність запропонованого способу екранує потік випромінювання Φx. На виході другона прикладі роботи пристрою, наведеному на риго джерела 10 каліброваних потоків випромінюсунку. вань встановлюють перше задане значення струПристрій на рисунку, що реалізує зазначений му I1. В результаті формується перший спосіб працює наступним чином. калібрований за значенням інтенсивності потік Припустимо, що об'єкт дослідження 1, темпевипромінювання Φ1. На чутливий елемент фоторатур у T x якого необхідно визначити, формує інприймача 14 поступає перший сумарний потік виформативний потік оптичного випромінювання Φx. промінювання ФΣ1. Він складається з інформативЗгідно з запропонованим способом, у першому ного потоку випромінювання Φx від такті вимірювання відкривають заслінку 2, що екдосліджуваного нагрітого об'єкта і з потоку випроранує потік випромінювання Φx. В результаті чого мінювання Φ1 від другого джерела 10 калібровапотік випромінювання Φx від досліджуваного нагріних потоків випромінювань. Вихідна постійна натого об'єкта 1 через заслінку 2, оптико-механічний пруга фо топриймача 14 підсилюється за канал 3 і напівпрозоре дзеркало 4 поступає на допомогою МДМ-підсилювача 15. Вихідну напругу напівпрозоре дзеркало 5. За допомогою останньоUΣ1 (4) МДМ-підсилювача вимірюють за допомогою го потік випромінювання від досліджуваного нагріцифрового вольтметра 18. Отриманий код числа того об'єкту розділяється на два інформативні поN4 (N4=SпрU 4) запам'ятовують. токи. В п'ятому, шостому та сьомому тактах за доПерший потік випромінювання, що відбився помогою другого джерела 10 каліброваних потоків від напівпрозорого дзеркала 5, поступає на відбивипромінювань встановлюють відповідно друге, вне дзеркало 11. Потім відбитий від відбивного третє та че тверте задане значення струму I 2, I 3 та дзеркала 11 цей потік через напівпрозоре дзеркаI4,. На ви ході другого джерела 10 каліброваних ло 6 потрапляє на окуляр 12, за допомогою якого потоків випромінювань формуються відповідно здійснюється направлення пристрою на об'єкт другий, третій та че твертий калібровані за значендослідження 1 і визначення його місцеположення. ням інтенсивності потоки випромінювання Ф2, Ф3 Встановлюють світлофільтр 4 з максимумом та Ф4. На фотоприймач 14 поступають відповідно спектральної щільності потоку оптичного випромідругий, п'ятий та шостий сумарні потоки випромінювання на довжині хвилі l1. Закривають заслінку нювання ФΣ2, ФΣ5 та ФΣ6 . За допомогою фотоприй2, що екранує потік випромінювання Φx. На ви ході мача ці потоки перетворюються в постійні напруги другого джерела 10 каліброваних потоків випроміUΣ2 (6), UΣ5 (7) та UΣ6 (8) відповідно. Ці напруги нювань встановлюють перше задане значення підсилюють за допомогою МДМ-підсилювача 15 і струму I 1. В результаті формується перший калібвимірюють за допомогою цифрового вольтметра рований за значенням інтенсивності потік випромі18. Отримані коди чисел N5 (N5=SпрUΣ2), N6 нювання Φ1. Цей потік через напівпрозоре дзерка(N5=SпрUΣ5) та N7 (N5=S прUΣ6) запам'ятовують. ло 7 і обтюраторний диск 13 поступає на По результатам проміжних вимірів N1...N5 , фотоприймач 14. Вихідну напругу фотоприймача отриманим в кожному з п'яти тактів вимірювань, 14 підсилюють за допомогою МДМ-підсилювача визначають дійсне значення потоку випроміню15. Синхроімпульси, що керують роботою МДМвання Φ1(l1) згідно із рівнянням числових значень підсилювача 15 формують за допомогою фотопиS пр ((N7 - N6 ) - (N3 - N2 ) - 4((N7 - N3 ) - (N4 - N1 ))) рймача-формувача імпульсів 17, світловипроміNx = (17) 3 Sпр ((N7 - N6 ) - 2(N4 - N5 )) нюючого діоду 16 і обтюраторного диску 13. Вихідну напругу МДМ-підсилювача U1 (2) вимірюють за Як видно з рівняння числових значень (17), допомогою цифрового вольтметра 18. Отриманий воно відповідає рівнянню надлишкових вимірюкод числа N1 (N1=SпрU1 де Sпр - коефіцієнт перевань (9). Отриманий результат (17) запам'ятовутворення напруги в код) запам'ятовують. ються. У другому такті на виході другого джерела 10 Далі виключають друге джерело 10 калібровакаліброваних потоків випромінювань встановлюних потоків випромінювань. Встановлюють світють третє I3 задане значення струму. Це забезпелофільтр 4 з довжиною хвилі l 2 і приймають потік чує формування третього каліброваного за знавипромінювання Ф0(l2), який відповідає темпераченням інтенсивності потоку випромінювання Ф3. турі Т0 на границі "об'єкт-середовище". Включають Цей потік через напівпрозоре дзеркало 7 і обтюраперше джерело 9 каліброваних за значенням інтеторний диск 13 поступають на фотоприймач 14. нсивності потоку випромінювання, шляхом подачі Вихідна напруга фотоприймача 14 підсилюється на нього заданого значення струму I0 . В результаті 15 78064 16 формується калібрований за значенням інтенсивметра 18. Отримані коди чисел N8(N8=SпрUΣ3), ності потік випромінювання Ф0. Цей потік через N9(N9=SпрUΣ4), N10(N10=S прUΣ7) та N11(N11=S прUΣ8) апертурну діафрагму 8 поступає на напівпрозоре запам'ятовують . дзеркало б, відбивається від нього і поступає на За результатами проміжних вимірів N8...N11 окуляр 12. Оператор порівнює колір одержаного визначають дійсне значення потоку випромінюпотоку випромінювання Φx0, що відображається на вання Ф0(l2) згідно із рівнянням числових значень напівпрозорому дзеркалі 6, з кольором штучно Sпр ((N11 - N10 ) - (N3 - N2 ) - 4((N11 - N3 ) - (N8 - N1 ))) N0 = (18) сформованого в першому 9 джерелі каліброваного 3Sпр ((N11 - N10 ) - 2(N 8 - N9 )) за значенням інтенсивності потоку випромінюванпісля визначення значень інтенсивностей поня потоку випромінювання Ф0 (кольором порівнянтоків випромінювання Φx і Ф0 про дійсне значення ня), що відповідає нормованій за значенням темтемператури Tx об'єкта судять згідно з рівняннями пературі Т0. При розбіжності кольорів, змінюють числових значень (15) інформативний потік випромінювання Ф0(l2) від Sпр ((N7 - N6 ) - (N3 - N 2 ) - 4((N7 - N3 ) - (N4 - N1))) досліджуваного нагрітого об'єкта шляхом, напри3Sпр ((N7 - N 6 ) - 2(N4 - N5 )) Tx = T0 4 = клад, переміщення фотометричного клину, який є Sпр ((N11 - N10 ) - (N3 - N 2 ) - 4((N11 - N3 ) - (N8 - N1))) складовим елементом світофільтру 4 з змінною 3Sпр ((N11 - N10 ) - 2(N8 - N 9 )) (19) характеристикою. Зміну інтенсивності потоку ви((N7 - N 6 ) - (N3 - N2 ) - 4((N7 - N3 ) - (N4 - N1))) промінювання Ф0(l2)=Ф x0 здійснюють до моменту 3((N7 - N6 ) - 2(N 4 - N5 )) T0 4 рівності зазначених кольорів. ((N11 - N10 ) - (N3 - N2 ) - 4((N11 - N3 ) - (N8 - N1 ))) В восьмому, дев'ятому, десятому та одинад3((N11 - N10 ) - 2(N8 - N9 )) цятому тактах вимірювання за допомогою другого Таким чином, зазначена сукупність та послідо10 джерела каліброваних потоків випромінювань вність запропонованих та відомих суттєви х ознак встановлюють відповідно перше, друге третє ті забезпечує розширення діапазону та підвищення четверте задане значення струмів I1, I 2, I3 та I4. точності вимірювання температури. Тим самим змінюють значення інтенсивності потоОбробка результатів проміжних вимірювань ку випромінювання Φx0 на значення інтенсивності згідно з рівняннями числових значень (19) забезвідповідно першого, другого та третього калібропечує виключення впливу на результат вимірюваних за значенням інтенсивності потоків випромівання температури Τx абсолютних значень паранювання Φ1, Φ 2, Ф 3 та Ф4 . На фо топриймач 14 пометрів (ΔUсм , Sн, Sл) нелінійної функції ступають відповідно третій, четвертий, сьомий та перетворення фотоприймача та їх відхилень від восьмий сумарні потоки випромінювання ФΣ3, ΦΣ4, номінальних значень і забезпечує системну лінеаΦΣ7 та ΦΣ8. За допомогою фотоприймача ці потоки ризацію загальної (результуючої) нелінійної функперетворюються в постійні напруги UΣ3, (9), UΣ4 ції перетворення пристрою. (10), UΣ7 (11) та UΣ8 (12) відповідно. Зазначені наВ цілому, запропонований спосіб забезпечує пруги підсилюють за допомогою МДМ-підсилювача вирішення поставленої задачі. 15 і вимірюють за допомогою цифрового вольт Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева Підписне Тираж 26 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