Цифровий пірометр відношення

Цифровий пірометр відношення, що містить перше джерело монохроматичного випромінювання, сірий клин, канал візуалізації зображення об'єкта дослідження, який включає скляний об'єктив та перше відбивне дзеркало, перший оптичний канал, в якому послідовно розташовані на оптичній осі і оптично з'єднані між собою перша заслінка, яка екранує потік випромінювання, перша апертурна діафрагма, перша фокусуюча лінза, перше та друге напівпрозорі дзеркала, друга фокусуюча лінза, обтюраторний диск із синхронним двигуном, третю фокусуючу лінзу і фотоприймач-підсилювач, вихід якого через фільтр верхніх частот підключений до синхронного детектора, вихід якого з'єднаний через фільтр нижніх частот з аналогоцифровим перетворювачем, вхід керування синхронного детектора підключений до виходу підсилювача-формувача синхроімпульсів, до входу якого підключено фотодіод, вхід якого оптично зв'язаний через обтюраторний диск з світловипромінювальним діодом, та з'єднані між собою через загальну шину мікроконтролер, аналогоцифровий перетворювач, електронний стабілізатор температури, який має тепловий зв'язок з фотоприймачем-підсилювачем, оперативний запам'ятовуючий пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій, цифровий відліковий пристрій, перетворювач «код-струм», перетворювач «код-напруга», вихід якого підключений до входу керування синхронним двигуном, при цьому перша заслінка, яка екранує потік випромінювання, і сірий клин механічно з'єднані з виходами першого і п'ятого перетворювачів «код-переміщення» відповідно, входи ке 2 (19) 1 3 77840 Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути застосований для вимірювання температур важко доступних об'єктів (тіл чи середовищ). " Відомий пірометр відношення [див. Назаренко Л.А., Слипушенко В.П., Ромоданов И.С. і ін. // Український метрологічний журнал. - 1995. - вин. 1. -с.26-31], який містить оптичну систему, послідовно з'єднані фотоприймач, підсилювач та вольтметр, з'єднані відомим способом. Відомому пристрою властива недостатня точність вимірювання температури, обумовлена нелінійністю, довгостроковою і температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача. Останнє є причиною появи похибки від нелінійності, адитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки. Відомому пристрою також властива похибка, обумовлена впливом середовища на інтенсивність потоку випромінювання від досліджуваного об'єкта. Відомий пристрій не забезпечує визначення коефіцієнта перепускання середовища і його урахування при визначенні дійсного значення температури. Крім того всі фотоприймачі чутливі до впливу температури оточуючого середовища. Це призводить до появи додаткових адитивної, мультиплікативної і нелінійної складових похибки результату вимірювань. Термостатування фотоприймача частково забезпечує зменшення зазначених похибок, тому що створення термостатів з похибкою термостатування менше ніж ±0,1 °К практично ускладнено і потребує додаткових матеріальних затрат. Відомий пірометр відношення [див. А.с. СРСР № 1584530 А1, кл. G01J5/22, бюл. №34, 1995], що містить оптично зв'язані оптико-механічну систему і приймач випромінювання, вихід якого через підсилювач і синхронний детектор з'єднаний з регістратором, а також блок синхронізації, зв'язаний з оптико-механічною системою, і фазозсувн у схему, вихід якої приєднаний до входу керування синхронного детектора, а вхід - до першого виходу блока синхронізації, причому пірометр містить опорне джерело випромінюваня, оптично спряжене з оптико-механічною системою, і блок пошуку екстремуму, а фазозсувна схема виконана керуючою, вхід керування якої з'єднаний з виходом блока пошуку екстремуму, чий вхід приєднаний до виходу синхронного детектора, а вхід керування - до другого виходу блоку син хронізації. Відомому пристрою властиві нелінійність, довгострокова і температурна нестабільність функції перетворення фотоприймача. Нелінійність характеристик призводить до появи похибки від нелінійності, аддитивної і мультиплікативної складових систематичної похибки результату вимірювання. Поряд з цим в даному пристрої не виключається вплив зовнішніх дестабілізуючих факторів, які призводять до зміни його спектральних характеристик, що також обумовлює додаткові частотні похибки вимірювання. Крім того, не вказується яким чином враховується коефіцієнт, який залежить від параметрів пристрою і середовища. 4 Відомий також пірометр відношення [див. патент України №66084, кл. G01J5/20, бюл.№4, 2004], що містить перше джерело монохроматичного випромінювання, сірий клин, канал візуалізації зображення об'єкта дослідження, який включає скляний об'єктив та перше відбивне дзеркало, перший оптичний канал, в якому послідовно розташовані на оптичній осі і оптично з'єднані між собою перша заслінка, яка екранує потік випромінювання, перша апертурна діафрагма, перша фокусуюча лінза, перше та друге напівпрозорі дзеркала, друга фокусуюча лінза, обтюраторний диск із синхронним двигуном, третю фокусуючу лінзу і фотоприймач-підсилювач, вихід якого через фільтр верхніх частот підключений до синхронного детектора, вихід якого з'єднаний через фільтр нижніх частот з аналого-цифровим перетворювачем, вхід керування синхронного детектора підключений до виходу підсилювача-формувача синхроімпульсів, до входу якого підключено фотодіод, чий вхід оптично зв'язаний через обтюраторний диск з світловипромінюючим діодом, та з'єднані між собою через загальну шину мікроконтролер, аналогоцифровий перетворювач, електронний стабілізатор температури, який має тепловий зв'язок з фотоприймачем-підсилювачем, оперативний запам'ятовуючий пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій, цифровий відліковий пристрій, перетворювач «код-струм», перетворювач «код-напруга», вихід якого підключений до входу керування синхронним двигуном, при цьому перша заслінка, яка екранує потік випромінювання, і сірий клин механічно з'єднані з виходами першого і п'ятого перетворювачів «код-переміщення» відповідно, входи керування яких підключені через загальну шину з мікроконтролером. Відомий пірометр не забезпечує високоточне визначення коефіцієнта перепускання середовища. Крім того, пірометр реалізує спосіб надлишкових вимірювань при кубічній апроксимації функції перетворення фотоприймача і не забезпечує розширення діапазону вимірювання температури. Все це приводить до часткового зниження точності вимірювання температури і до обмеження діапазону вимірювання температури. В основу винаходу покладена задача створення такого цифрового пірометра відношення, в якому введення нових елементів та їх зв'язків, забезпечило б розширення діапазону вимірювання температури та підвищення точності результату вимірювання температури з будь-якими типами фотоприймачів. Поставлена задача вирішується тим, що в цифровий пірометр відношення, який містить перше джерело монохроматичного випромінювання, сірий клин, канал візуалізації зображення об'єкта дослідження, який включає скляний об'єктив та перше відбивне дзеркало, перший оптичний канал, в якому послідовно розташовані на оптичній осі і оптично з'єднані між собою перша заслінка, яка екранує потік випромінювання, перша апертурна діафрагма, перша фокусуюча лінза, перше та дру 5 77840 6 ге напівпрозорі дзеркала, друга фокусуюча лінза, вом каналу візуалізації. обтюраторний диск із синхронним двигуном, третю Запропоноване технічне рішення цифрового фокусуючу лінзу і фотоприймач-підсилювач, вихід пірометр відношення забезпечує виключення всіх якого через фільтр верхніх частот підключений до складових похибки вимірювання, а також похибки, синхронного детектора, вихід якого з'єднаний чещо обумовлена впливом коефіцієнта перепусканрез фільтр нижніх частот з аналого-цифровим пеня середовищем. Це досягається за рахунок вверетворювачем, вхід керування синхронного детекдення нової сукупності функціональних блоків та їх тора підключений до виходу підсилювачазв'язків між собою та з іншими функціональними формувача синхроімпульсів, до входу якого підблоками. В результаті забезпечується досягнення ключено фотодіод, чий вхід оптично зв'язаний четехнічного результату. рез обтюраторний диск з світловипромінюючим Особливістю запропонованого технічного рідіодом, та з'єднані між собою через загальну шину шення є введення в цифровий пірометр відношенмікроконтролер, аналого-цифровий перетворювач, ня другого оптичного каналу, першого та другого електронний стабілізатор температури, який має опорних каналів та обтюраторного диска з такою тепловий зв'язок з фотоприймачем-підсилювачем, формою вікон, при якій забезпечується в кінцевооперативний запам'ятовуючий пристрій, постійний му випадку, тобто на ви ході фільтра верхніх часзапам'я товуючий пристрій, цифровий відліковий тот, формування гармонічного сигналу, амплітуда пристрій, перетворювач «код-струм», перетворюякого дорівнює різниці інтенсивностей потоків вач «код-напруга», вихід якого підключений до першого і другого оптичних каналів. Завдяки апровходу керування синхронним двигуном, при цьому ксимації логарифмічної функції перетворення фоперша заслінка, яка екранує потік випромінювання, топриймача поліномом третього ступеня досягаі сірий клин механічно з'єднані з виходами першоється розширення діапазону вимірювання го і п'ятого перетворювачів «код-переміщення» температури в 6,8 раз. відповідно, входи керування яких підключені через На рисунку 1 показана структурна схема цифзагальну шину з мікроконтролером, згідно з винарового пірометра відношення, де 1, 2 і 3 - перше, ходом додатково введені другий оптичний канал, в друге і третє джерела монохроматичного випроміякому послідовно розташовані на оптичній осі і нювання, 4, 5, 6 і 7 - перша, др уга, третя і четверта оптично з'єднані між собою друга заслінка, яка оптичні призми, 8,9, 10, 11 і 12 - перше, друге, треекранує потік випромінювання, друга апертурна тє, че тверте і п'яте відбивні дзеркала, 13, 14 і 15 діафрагма, четверта фокусуюча лінза, третє та перша, друга і третя заслінки, що екранують потік четверте напівпрозорі дзеркала і п'ята фокусуюча випромінювання, 16, 17 і 18 - перша, друга і третя лінза, перша оптична призма, вхідна грань якої апертурні діафрагми, 19 - скляний об'єктив, 20, 21, оптично з'єднана з досліджуваним об'єктом і вста22, 23 і 24 - перша, друга, третя, четверта і п'ята новлена між двома оптичними каналами, перша і фокусуючі лінзи, 25, 26, 27, 28 і 29 - перше, друге, друга ви хідні грані якої оптично зв'язані через друтретє, четверте і п'яте напівпрозорі дзеркала, ЗО ге, третє і четверте, п'яте відбиваючи дзеркала з складена напівпрозора пластина, 31 - складений першою і другою вхідними гранями другої оптичної світлофільтр, 32 - сірий клин, 33 - обтюраторний призми відповідно, вихідна грань якої оптично диск, 34 -синхронний двигун, 35, 36, 37, 38, 39 і 40 з'єднаний через складений світлофільтр з третьою - перший, другий, третій, четвертий, п'ятий і шосфокусуючою лінзою і входом фотоприймачатий перетворювачі «код-переміщення», 41 - електпідсилювача, перший опорний канал, що містить ронний стабілізатор температури, 42 - фотоприйоптично з'єднані між собою перше джерело мономач-підсилювач, 43 - фільтр верхніх частот, 44 хроматичного випромінювання та третю оптичну синхронний детектор, 45 - фільтр нижніх частот, 46 призму, перша вихідна грань якої безпосередньо, - аналого-цифровий перетворювач, 47 - підсилюа друга - через складенену напівпрозору пластину вач-формувач синхроімпульсів, 48 - фотодіод, 49 оптично з'єднані через перше та третє напівпрозосвітловипромінюючий діод, 50 - перетворювач рі дзеркала з першим і другим оптичними канала«код-напруга», 51 - перетворювач «код-струм», 52 ми відповідно, другий опорний канал, який містить - оперативний запам'я товуючий пристрій, 53 - пооптично з'єднані між собою друге джерело моностійний запам'я товуючий пристрій, 54 - мікроконтхроматичного випромінювання та четверту оптичролер, 55 - цифровий відліковий пристрій, 56 - зану призму, перша вихідна грань якої безпосередгальна шина. ньо, а друга - через третю заслінку, що екранує В цифровому пірометрі відношення канал віпотік випромінювання, оптично з'єднані через друзуалізації зображення об'єкта дослідження містить ге та четверте напівпрозорі дзеркала з першим та скляний об'єктив 19 та перше відбивне дзеркало 8. другим оптичними каналами відповідно, причому В першому оптичному каналі послідовно роздруга і третя заслінки, складена напівпрозора платашовані на оптичній осі і оптично з'єднані між стина, складений світлофільтр механічно з'єднані собою перша заслінка 13, яка екранує потік виз другим і четвертим, третім та п'ятим перетворюпромінювання, перша апертурна діафрагма 16, вачами «код-переміщення» відповідно, виходи перша фокусуюча лінза 20, перше та друге напівяких підключені через загальну шину до мікроконпрозорі дзеркала 25 та 26, друга фокусуюча лінза тролеру, з яким з'єднаний перетворювач «код21, обтюраторний диск 33 із синхронним двигуном струм», вихід якого підключений до другого дже34, який підключено до виходу а перетворювача рела монохроматичного випромінювання, а третє «код-напруга» 50. джерело монохроматичного випромінювання опКрім того цифровий пірометр відношення містично з'єднано через третю апертурну діафрагму тить третю фокусуючу лінзу 22, фотоприймачта п'яте напівпрозоре дзеркало з скляним об'єктипідсилювач 42, вихід якого через фільтр верхніх 7 77840 8 частот 43 синхронного детектора 44, фільтр нижтра верхніх частот 43 змінної напруги, амплітуда ніх частот 45 підключений до аналого-цифрового якої пропорційна інтенсивності потоку оптичного перетворювача 46. випромінювання. Вхід керування синхронного детектора 44 підРозглянемо роботу цифрового пірометра відключений до виходу підсилювача-формувача синношення. хроімпульсів 47, до входу якого підключено фотоПо результатах калібрування цифрового піродіод 48. Вхід цього фотодіоду оптично зв'язаний метра відношення за допомогою стандартних через обтюраторний диск 33 з світловипромінююджерел білого світла з нормованими характерисчим діодом 49. тиками в постійній запам'ятовуючій пристрій 53 Через загальну шину 56 з'єднані між собою мізаписують коди чисел N1, NI1, NI2 і NNj. кроконтролер 54, аналого-цифровий перетворюКод числа N1 відповідає каліброваному за знавач 46, електронний стабілізатор температури 41, ченням інтенсивності потоку випромінювання {Ф0}, який має тепловий зв'язок з фотоприймачемщо випромінює перше джерело 1 монохроматичпідсилювачем 42, оперативний запам'ятовуючий ного випромінювання. пристрій 52, постійний запам'ятовуючий пристрій Коди чисел NI1 і NI2 вибирають і встановлюють 53, цифровий відліковий пристрій 55, перетворютакими, що забезпечують формування на виході вач «код-напруга» 50, перетворювач «код-струм» перетворювача «код-струм» 51 струмів І1 і I2, які 51, вихід b якого підключений до другого джерела подаються на друге джерело 2 монохроматичного 2 монохроматичного випромінювання. випромінювання. Значення цих струмів дорівнюДругий оптичний канал містить послідовно ють відповідно каліброваним за значенням інтенрозташовані на оптичній осі і оптично з'єднані між сивності потоків випромінювання {ΔФ} і2{ΔФ}. собою другу заслінку 14, яка екранує потік випроКод числа NN0 відповідає каліброваному за мінювання, другу апертурну діафрагму 17, че тверзначенням інтенсивності потоку випромінювання ту фокусуюча лінза 23, третє і четверте напівпроФх0 на довжині хвилі λз, який випромінює третє зорі дзеркала 27 і 28 та п'яту фокусуючу лінзу 24. джерело 3 монохроматичного випромінювання. Перша оптична призма 4 встановлена між Цей потік відповідає наперед заданому значенню двома оптичними каналами. Вхідна грань призми 4 температури Т0. оптично з'єднана з досліджуваним об'єктом. ПерЗаздалегідь у пам'ять мікроконтролера 54 заша і друга ви хідні грані цієї призми оптично зв'язаписується програма виконання заданої послідовні через друге 9, третє 10 і четверте 11, п'яте 12 ності операцій вимірювання та перетворення. Вовідбиваючи дзеркала з першою і другою вхідними на забезпечує функціонування цифрового гранями другої оптичної призми 5 відповідно. пірометра відношення як єдиного програмноПерший опорний канал містить оптично з'єдтехнічного засобу вимірювання, а також обробку нані між собою перше джерело 1 монохроматичнорезультатів проміжних вимірювань по заданому го випромінювання та третю оптичну призму 6, рівнянню числових значень. перша вихідна грань якої безпосередньо, а друга Пристрій працює наступним чином. через складенену напівпрозору пластину 30 оптиПісля включення живлення включаються перчно з'єднані через перше та третє напівпрозорі ше і друге джерела монохроматичного випромінюдзеркала 25 і 27 з першим і другим оптичними кавання 1 і 2 відповідно. По команді з мікроконтроналами відповідно. лера 54 перша, друга і третя заслінки 13, 14 і 15 , Другий опорний канал містить оптично з'єднані що екранують потік випромінювання, встановлюміж собою друге джерело 2 монохроматичного ються в закрите положення. З ви ходу а перетвовипромінювання та четверту оптичну призму 7, рювача «код-напруга» 50 на вихід керування синперша вихідна грань якої безпосередньо, а друга хронного двигуна 34 поступає напруга, в через третю заслінку 15, що екранує потік випрорезультаті чого починає обертатися обтюраторний мінювання, оптично з'єднані через друге та четведиск 33. За допомогою п'ятого перетворювача рте напівпрозорі дзеркала 26 і 28 з першим та дру«код-переміщення» 39 між другою призмою 5 і гим оптичними каналами відповідно. третьою фокусуючою лінзою 22 встановлюється Перша, друга і третя заслінка 13, 14 і 15, що складений світлофільтр 31 з довжиною хвилі λ1. екранують потік випромінювання, складена напівОдночасно, за допомогою третього та шостого прозора пластина 30, складений світлофільтр 31 перетворювачів «код-переміщення» 37 та 40 склата сірий клин 32 механічно з'єднані з першим 35, дена напівпрозора пластина 30 та сірий клин 32 другим 36 і четвертим 38, третім 37, п'ятим 39 та встановлюються, відповідно, в крайнє ліве та шостим 40 перетворювачами «код-переміщення» крайнє праве положення. За командою з мікроконвідповідно. Виходи цих перетворювачів підключені тролера 54 перетворювач «код-струм» 51 також через загальну шин у 56 до мікроконтролера 54. встановлюється у ви хідний стан. Цифровий відліТретє джерело монохроматичного випромінюковий пристрій 55 показує нульовий результат вання 3 оптично з'єднано через третю апертурну вимірювання. діафрагму 18 та п'яте напівпрозоре дзеркало 29 з Після виходу електронного стабілізатора темскляним об'єктивом 19 каналу візуалізації. ператури 41 на робочий режим за час Δt, по коОбтюраторний диск 33 виконаний таким чиманді з мікроконтролера 54 здійснюється процес ном, що у перший півперіод він пропускає на фозрівнювання коефіцієнтів перепускання першого та топриймач-підсилювач 42 потік випромінювання другого оптичних каналів. Для цього на вхід перетільки першого каналу, а в др угий півперіод - тільтворювача «код-струм» 51 подається код числа ки другого каналу. Це забезпечує за один період NI1, при якому на його виході формується струм I1. Тоб обертання диску 33 отримання на виході фільЦей струм забезпечує формування на виході дру 9 77840 10 гого джерела монохроматичного випромінювання ровий пірометр відношення готов до вимірювання. 2 каліброваного за значенням інтенсивності потоку Після натискання кнопки «Пуск» (на рисунку 1 випромінювання ΔФ. По команді з мікроконтролене зображено), на мікроконтролер 54 надходить ра 54 на четвертий перетворювач «кодсигнал початку процесу вимірювання температури переміщення» 38 подається код числа, при якому досліджуваного нагрітого об'єкта. здійснюється відкриття третьої заслінки 15, яка При обертанні обтюраторного диска 33 форекранує потік випромінювання. В результаті калібмується сигнал керування синхронним детектором ровані за значенням інтенсивностей потоки ви44. Сигнал керування роботою синхронного детекпромінювання Ф0 і ΔФ від першого і другого джетора 44 формується за допомогою світловипромірел монохроматичного випромінювання 1 і 2 нюючого діоду 49 і фотодіоду 48, які розташовані поступають на третю і четверту оптичні призми 6 і по різні сторони обтюраторного диска 33. Потік 7 відповідно. оптичного випромінювання від світловипромінююЗа допомогою цих призм зазначені потоки почого діоду 49 перетворюється в змінну електричну діляються на пари ідентичних потоків з зменшенапругу. З ви ходу фотодіоду 48 електричний сигною удвічі інтенсивністю. Ці потоки відбившись від нал поступає на підсилювач-формувач синхроімпершого, третього і другого, четвертого напівпропульсів 47. За допомогою блоку 47 формуються зорих дзеркал 25, 27 і 26, 28 відповідно, фокусусинхроімпульси, що керують роботою синхронного ються за допомогою другої і п'ятої фокусуючих детектора 44. лінз 21 і 24 відповідно. Одночасно вони модулюУ першому такті вимірювання потік випроміються обтюраторним диском 33 і поступають на нювання від досліджуваного об'єкта на фотоприйтретє і п'яте відбивні дзеркала 10 і 12 відповідно. мач-підсилювач 42 не надходить. По команді з Відбиті від них модульовані потоки оптичного вимікроконтролера 54 на вхід третього перетворюпромінювання почергово поступають через другу вача «код-переміщення» 37 поступає код числа, оптичну призму 5, складений світлофільтр 31 і при якому складена напівпрозора пластина 30 третю фокусуючу лінзу 22 на фотоприймачвстановляється в положення, що зображено на підсилювач 42. рисунку 1 пунктирною лінією, при якому інтенсивЗмінний вихідний сигнал фотоприймачаність потоку оптичного випромінювання від другої підсилювача 42, фільтрується за допомогою фільвихідної грані третьої оптичної призми 6 послабтра верхніх часто т 43, синхронно детектується за люється на ΔФ2 (причому вибирають {ΔФ2}=2 допомогою синхронного детектора 44 і усередню{ΔФ}). ється за допомогою фільтра нижніх частот 45. В Одночасно мікроконтролер 54 видає команду результаті на вхід аналого-цифрового перетворюна встановлення на вході перетворювача «кодвача 46 поступає напруга, пропорційна різниці інструм» 51 коду числа NI2, при якому на вхід друготенсивностей зазначених потоків оптичного виго джерела 2 монохроматичного випромінювання промінювання. Ця напруга за допомогою блока 46 поступає струм I2. Друге джерело 2 монохроматиперетворюється у відповідний код числа. чного випромінювання генерує калібрований за За допомогою мікроконтролера 54 здійснюєтьзначенням інтенсивності потік оптичного випроміся порівняння цього коду з кодом нуля. За резульнювання ΔФ2 ({ΔФ2}=2 {ΔФ}). татом порівняння формується код числа, що, за У першому оптичному каналі в непарний півдопомогою шостого перетворювача «кодперіод обертання обтюраторного диску 33 потік переміщення» 40, змінює положення сірого клину оптичного випромінювання від першого джерела 1 32 до моменту часу, при якому встановлюється монохроматичного випромінювання через першу нульове значення вихідної напруги аналоговихідну грань третьої оптичної призми 6, перше та цифрового перетворювача 46. друге напівпрозорі дзеркала 25 і 26 поступає на Про готовність пірометра до вимірювання свідругу фокусуючу лінзу 21, на яку одночасно постудчить звуковий чи цифровий сигнал (генератор пає і потік випромінювання від другого джерела 2 звукового сигналу на рисунку 1 не показано). через першу ви хідну грань четвертої оптичної приПісля закінчення процесу вимірювання та зрізми 7 та друге напівпрозоре дзеркало 26. Далі вняння коефіцієнтів перепускання оптичних канапотоки оптичного випромінювання модулюються лів пірометр направляють на досліджуваний об'за допомогою обтюраторного диску 33. Модульоєкт. По команді з мікроконтролера 54 на перший і ваний потік через третє відбивне дзеркало 10, печетвертий перетворювачі «код-переміщення» 35 і ршу вхідн у грань другої оптичної призми 5, третю 38 подаються коди чисел, при яких, відповідно, фокусуючу лінзу 22, складений світлофільтр 31 перша заслінка 13, що екранує потік випромінюпоступають на фотоприймач-підсилювач 42 (див. вання, відкривається, а третя заслінка 15, яка екрис.2, а, І такт). В результаті за допомогою обтюранує потік випромінювання, закривається. Потік раторного диску 33 модулюється потік оптичного випромінювання від досліджуваного об'єкта постувипромінювання Ф11 ({Ф 11}={Ф 0}+2{ΔФ}). пає на скляний об'єктив 19 через першу оптичну У другому оптичному каналі в парний півперіпризму 4, друге відбивне дзеркало 9, першу засліод обертання обтюраторного диску 33 потік винку 13, що екранує потік випромінювання, першу промінювання від першого джерела 1 монохромаапертурну діафрагму 16, першу фокусуючу лінзу тичного випромінювання поступає на п'яте 20, перше напівпрозоре дзеркало 25, перше відвідбивне дзеркало 12 через другу ви хідну грань бивне дзеркало 8 і п'яте напівпрозоре дзеркало 29. третьої оптичної призми 6, складену напівпрозору Після закінчення процесу направлення пірометра пластину 30, третє і четверте напівпрозорі дзеркана досліджуваний об'єкт, закривається перша зала 27 і 28, п'яту фокусуючу лінзу 24 і обтюраторслінка 13, що екранує потік випромінювання. Цифний диск 33. Відбившись від дзеркала 12 модульо 11 77840 12 ваний потік оптичного випромінювання через другу і другого оптичних каналів відповідно (рис.2, а, І вхідн у грань другої оптичної призми 5, складений такт). За допомогою фільтра верхніх частот 43 із світлофільтр 31 і третю фокусуючу лінзу 22 поступочергово слідуючих з частотою обертання обтюпає на фотоприймач-підсилювач 42. В результаті раторного диску 33 напруг виділяється гармонічза допомогою обтюраторного диску 33 модулюний сигнал частоти модуляції (рис.2, б, І такт). Гається потік оптичного випромінювання Ф12 рмонічний сигнал u1(t), підсилений у kycl раз у ({Ф12}={Ф 0}-2{ΔФ}). блоці 43, демодулюється за допомогою синхроТаким чином, в непарний і парний півперіод нного детектора 44 та усереднюється за допомочастоти обертання обтюраторного диску 33 на гою фільтра нижніх частот 45 (чи інтегратора). В виході фо топриймача-підсилювача 42 з'являютьрезультаті на аналого-цифровий перетворювач 46 ся, почергово, напруги uн11 та uн12, що відповідапоступає постійна напруга U1 (рис.2, в, І такт): ють потокам оптичного випромінювання з першого U1 = Tyc 1 Tyc ò u1 ~( t )dt = k yc 2 (S `í 2 (Ô 0 + k 2 D Ô )3 + S 'í 1 (Ô 0 + k 2 D Ô )2 + S 'ë (Ô 0 + k 2 DÔ )) 0 (1) - k yc 2 (S ` 2 (Ô 0 - k 2 D Ô )3 + S 'í 1 (Ô 0 - k 2 D Ô )2 + S 'ë (Ô 0 - k 2 D Ô )), í де Туc - час усереднення чи постійна фільтру нижніх частот 45; S'н2 , S'н1, S'л - крутість перетворення двох нелінійних і лінійної складових функції перетворення фотоприймача-підсилювача 42; Ф0 і ΔФ - калібровані за значенням інтенсивностей потоки випромінювання; kyc2 - результуючий коефіцієнт підсилення; k2=2. Причому ' { Tyc } = (1 ...10 ){ Tоб }; { S 'н2 } = { S н2 }(1 + g`H ); {S н1 } = {S л }(1 + g H ); Напруга (1) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 46 перетворюється в код числа N1 (N1 = SпрU1, де Sпр - крутість перетворення напруги в код) і запам'ятовується в оперативній пам'яті 52 мікроконтролера 54. У другому такті вимірювань в непарний півперіод обертання обтюраторного диску 33 по команді з мікроконтролера 54 перша 13 і третя 15 заслінки відкриваються, а складена напівпрозора пластина 30 переміщується в крайнє ліве положення (див. рис.1). В результаті в першому оптичного каналу до каліброваних потоків випромінювання Ф0 і ΔФ через першу вихідн у грань першої оптичної призми 4 і друге відбивне дзеркало 9 додається потік випромінювання від досліджуваного об'єкта. В результаті за допомогою обтюраторного диску 33 модулюється потік оптичного випромінювання Ф21 ({Ф21}={Ф х}+{Ф 0}+2{ΔФ}). В парний півперіод обертання обтюраторного диску 33 потоки оптичного випромінювання від першого джерела 1 монохроматичного випромінювання через другу ви хідну грань третьої оптичної призми 6, третє та четверте напівпрозорі дзеркала U2 = 1 T yc T yc ò 27 та 28 поступають на п'яту фокусуючу лінзу 24, на яку одночасно поступає і потік оптичного випромінювання від другого джерела 2 монохроматичного випромінювання, який поступає через другу вихідн у грань четвертої оптичної призми 7, відкриту третю заслінку 15 і четверте напівпрозоре дзеркало 28 на п'яту фокусуючу лінзу 24. Вихідний потік від п'ятої фокусуючої лінзи 24 моделюється, поступає на п'яте відбивне дзеркало 12, відбивається від нього і через другу вхідну грань другої оптичної призми 5, складений світлофільтр 31 і третю фокусуючу лінзу 22 поступає на фотоприймач-підсилювач 42. В результаті за допомогою обтюраторного диску 33 модулюється потік оптичного випромінювання Ф22 ({Ф22}={Ф0}+2{ΔФ}). В результаті, в непарний і парний півперіоди обертання обтюраторного диску 33 на виході фотоприймача-підсилювача 42 почергово з'являються напруги uн21 та uн22, що відповідають потокам оптичного випромінювання з першого та другого оптичних каналів відповідно (рис.2, а, II такт). За допомогою фільтра верхніх частот 43 із зазначених напруг виділяється гармонічний сигнал частоти модуляції (рис.2, б, II такт). Гармонічний сигнал u2~(t) підсилений у kyc1 раз у фільтрі верхніх частот 43, демодулюється за допомогою синхронного детектора 44 та усереднюється за допомогою фільтра нижніх частот 45. В результаті на аналогоцифровий перетворювач 46 поступає постійна напруга U2 (рис.2, в, II такт): u2~(t)dt=kyc2(S`н2(Фx + Ф0 +k2DФ)3 + S'н1(Фx +Ф0 + k2DФ)2 + S'л(Фх + Ф0 + k2DФ)) 0 -kyc2(S` 2(Ф0 +k2DФ)3 + S'н1(Ф0 +k2D )2 +S'л(Ф0 + k2DФ)). Ф н Напруга (2) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 46 перетворюється в код числа N2 (N2 = SпpU2) і запам'ятовується у оперативній пам'яті 52 мікроконтролера 54. В третьому такті вимірювань по команді з мікроконтролера 54 друга заслінка 14 відкривається, а третя 15 заслінка закривається. Складена напівпрозора пластина 30 встановляється в положення, що зображене на рисунку 1 пунктирної лінією, при якому інтенсивність потоку оптичного випромінювання Ф0 від другої вихідної грані третьої оптичної призми 6 послаблюється на ΔФ2. Причому вибирають {ΔФ2} =2 {ΔФ}. В непарний півперіод обертання обтюраторно (2) го диску 33 потік випромінювання по першому оптичному каналу залишається незмінним, тобто Ф31= Ф 21 ({Ф31}=Ф х}+{Ф0}+2{ΔФ}). В парний півперіод обертання обтюраторного диску 33 формується калібрований за значенням інтенсивності потік оптичного випромінювання Ф30 шляхом послаблення інтенсивності потоку випромінювання Ф0 від другої ви хідної грані третьої оптичної призми 6 за допомогою складеної пластини 30. В результаті маємо {Ф30}={Ф0}-2{ΔФ}. До цього каліброваного потоку оптичного випромінювання Ф0, що проходить через другий оптичний канал, додається потік випромінювання Фх від досліджуваного об'єкта, який також поступає цей канал че 13 77840 14 рез другу вихідн у грань першої оптичної призми 4 і нювання з першого та другого оптичних каналів четверте відбивне дзеркало 11. В результаті за відповідно (рис.2, а, III такт). За допомогою фільтдопомогою обтюраторного диску 33 модулюється ра верхніх частот 43 із зазначених напруг виділяпотік оптичного випромінювання Ф32 ється гармонічний сигнал частоти модуляції (рис.2, ({Ф32}={Ф x}+{Ф0}-2{ΔФ}). б, III такт). Гармонічний сигнал u3~(t), підсилений у Потоки оптичного випромінювання, що прохофільтрі верхніх частот 43 в kycl раз, демодулюєтьдять по першому і другому оптичним каналам в ся за допомогою синхронного детектора 44 та усеперший та другий півперіоди обертання обтюратореднюється за допомогою фільтра нижніх частот рного диску 33, почергово поступають на вхід фо45. В результаті на аналого-цифровий перетворютоприймача-підсилювача 42. На виході фотоприйвач 46 поступає постійна напруга U3 (рис.2, в, III мача-підсилювача 42 з'являються напруги uн31 та такт): uн32, що відповідають потокам оптичного випроміU3 = - k T yc 1 T yc 2 ò yc u 3~ ( t ) dt = k yc 2 ( S `í 2 (Ô x + Ô + k 0 2 D Ô )3 + S ` í 2 (S (Ô x + Ô 0 + k 2 DÔ ) 3 + S ' í 1(Ô õ + Ô 0 - k 2 Напруга (3) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 46 перетворюється в код числа N3(N3= SпрU3) і запам'ятовується у оперативній пам'яті 52 мікроконтролера 54.В четвертому такті вимірювання мікроконтролер 54 видає команду на встановлення на вході перетворювача «кодструм» 51 коду числа NI1. В результаті на ви ході перетворювача «код-струм» 51 з'являється струм I1. Др уге джерело монохроматичного випромінювання 2 генерує калібрований за значенням інтенсивності потік випромінювання ΔФ1 ({Δф1}={Δф}). Одночасно по команді з мікроконтролера 54 на вхід третього перетворювача «код-переміщення» 37 поступає код числа, при якому складена напівпрозора пластина 30 встановляється в положення, при якому інтенсивність потоку оптичного випромінювання Ф0 послаблюється на ΔФ1. Причому вибирають ΔФ1 таким, щоб виконувалась рівність {ΔФ 1}={ΔФ}.В непарний півперіод по першому оптичному каналу на другу фокусуючу лінзу 21 поступає потік оптичного випромінювання Ф4і, причому({Ф41}={Ф х}+{Ф0}+{ΔФ}).В парний півперіод на U4 = 1 Tyc Tyc ò 0 + k 2 D Ô )2 + S DÔ ) 2 + S ' ë (Ô õ + Ô 0 - k 2 ' ë (Ô õ + Ô 0 + k 2 D Ô )) (3) D Ô )). п'яту фокусуючу лінзу 24 поступає потік оптичного випромінювання Ф42. Причому {Ф42}={Ф x}+{Ф0}{ΔФ}.В результаті модульовані потоки Ф41 і Ф42 за допомогою обтюраторного диска 33, на третє і п'яте відбивні дзеркала 10 і 12 поступають модульовані потоки, які, після відбиття через першу і другу вхідні грані другої оптичної призми 5, поступають через складений світлофільтр 31 і третю фокусуючу лінзу 22 на фотоприймач-підсилювач 42. На виході фотоприймача-підсилювача 42 з'являються напруги uн41 та uн42, що відповідають потокам оптичного випромінювання з першого та другого оптичних каналів відповідно (рис. 2, а, IV такт). За допомогою фільтра верхніх частот 43 із зазначених напруг виділяється гармонічний сигнал частоти модуляції (рис.2, б, IV такт). Гармонічний сигнал u4~(t), підсилений за допомогою фільтра верхніх частот 43 у k ycl раз, демодулюється за допомогою синхронного детектора 44 та усереднюється за допомогою фільтра нижніх частот 45. В результаті на аналого-цифровий перетворювач 46 поступає постійна напруга U4, (рис. 2, в, IV такт): (4) 0 + Ф 0 - DФ ) 3 + S'н1( Ф х + Ф 0 - DФ ) 2 + S'л ( Ф х + Ф 0 - DФ )). Напруга (4) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 46 перетворюється в код числа N4 (N4 = SпрU4) і запам'ятовується у оперативній пам'яті 52 мікроконтролера 54.В п'ятому такті вимірювання по команді з мікроконтролера 54 складена напівпрозора пластина 30 переводиться у крайнє ліве положення, третя заслінка 15 відкривається, а друга заслінка 14 закривається. В результаті в непарний період обертання обтюраторного диска 33 потік оптичного випромінювання по першому оптичному каналу не змінюється. Тобто {Ф51}={Ф 41}.В парний півперіод потік випромінювання по другому оптичну каналу встановлюється рівним Ф52 (причому {Ф52}={Ф0}-{ΔФ}).За допомогою обтюраторного диска 33 потоки Ф51 і Ф52 модулюються. Ці потоки, відбиті від третього і п'ятого відбивних дзеркал 10 і 12, відповідно через першу і 1 Tyc + Ô u 4 ~ ( t )dt = k yc 2 (S`н2 (Ф x + Ф 0 + DФ )3 + S'н1 (Ф x + Ф 0 + DФ )2 + S'л (Ф х + Ф 0 + D Ф)) - k yc 2 ( S` 2 ( Ф x н U5 = ' (Ô í 1 x 0 другу вхідні грані другої оптичної призми 5, складений світлофільтр 31 і третю фокусуючу лінзу 22 поступають на фотоприймач-підсилювач 42. На виході фотоприймача-підсилювача 42 з'являються напруги uн51 та u н52 , що відповідають потокам оптичного випромінювання з першого та другого оптичних каналів відповідно (рис.2, а, V такт). За допомогою фільтра верхніх часто т 43 із зазначених напруг виділяється гармонічний сигнал частоти модуляції (рис.2, б, V такт). Гармонічний сигнал u5~(1) підсилений за допомогою фільтра верхніх частот 43 у k ycl раз, демодулюється за допомогою синхронного детектора 44 та усереднюється за допомогою фільтра нижніх частот 45. В результаті на аналого-цифровий перетворювач 46 поступає постійна напруга U5 (рис.2, в, V такт): Tyc òu 5 ~ ( t )dt 3 ' 2 ' = k yc 2 (S `н2 (Ф x + Ф 0 + DФ) + S н1(Ф x + Ф0 + DФ ) + S л (Ф х + Ф 0 + DФ )) 0 - k yc 2 (S ` 2 (Ф x + DФ) 3 + S 'н1(Ф 0 - DФ )2 + S 'л ( Ф0 + DФ )). н Напруга (5) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 46 перетворюється в код числа N5 (N5 = SпрU5) і запам'ятовується у оперативній па (5) м'яті 52 мікроконтролера 54.По одержаним значенням напруг визначають дійсне значення потоку випромінювання Фх(λ1) згідно із рівнянням надли 15 77840 16 ного об'єкта. Останній поступає в канал візуалізашкових вимірювань N x = .Далі ції через першу ви хідну грань першої оптичної 3 (N 3 - 2N 4 ) призми 4, друге відбивне дзеркало 9, першу засліаналогічним чином здійснюється визначення дійснку 13, першу апертурну діафрагму 16, першу фоного значення температури Т0. Для цього, по кокусуючу лінзу 20 і перше напівпрозоре дзеркало манді з мікроконтролера 54, що поступає на п'ятий 25. При розбіжності кольорів, змінюють інформаперетворювач «код-переміщення» 39, складний тивний потік випромінювання Фх(λ2) від досліджусвітлофільтр 31 на довжину хвилі λ2 встановлюваного нагрітого об'єкта шляхом, наприклад, пеється між другою оптичною призмою 5 і третьою реміщення фотометричного клину, який є фокусуючою лінзою 22. В результаті з потоку опскладовим елементом складного світлофільтру 31 тичного випромінювання Фх виділяється потік виз змінною частотною характеристикою. Зміну довпромінювання Фх(λ2), який відповідає температурі жини хвилі потоку випромінювання Фх(λ2) здійснюТ0, (наприклад 100 С) на границі "об'єктють до моменту рівності зазначених кольорів, тобсередовище".Потім, по команді з мікроконтролера то до {Фх(λ2±Δλ)}={Ф х0}. В результаті отримують 54 включається третє джерело З монохроматичнопотік випромінювання Фх0 заданої інтенсивності, го випромінювання, яке формує потік випромінющо відповідає температурі Т0.Далі, по команді з вання, що відповідає нормованій за значенням мікроконтролера 54, виключається третє джерело температурі Т0. В результаті формується калібро3 монохроматичного випромінювання і аналогічваний за значенням інтенсивності потік випроміним чином повторюють другий, третій, четвертий нювання Фх0.Потік Фх0 через третю апертурну діата п'ятий такти вимірювання. Епюри напруг для фрагму 18 поступає на п'яте напівпрозоре цих тактів такі, як епюри, наведені на рисунку 2 дзеркало 29, відбивається від нього і через склядля другого, третього, четвертого і п'ятого тактів, ний об'єктив 1 поступає на око оператора. Операякщо замість Фх підставити Фх0. В результаті цього тор порівнює кольори штучного потоку випромінюотримують наступні постійні напруги U20, U 30, U 40, вання Фх0, сформованого зазначеним вище чином, U50: з потоком випромінювання Фх(λ2) від досліджуваN 3 - N1 - 4(N 2 - N 5 ) U 20 = 1 Tyc Tyc ò u 20 ~ ( t )dt = k yc 2 (S`н2 (Ф x0 + Ф 0 + k 2 DФ) 3 + S 'н1(Ф x0 + Ф 0 + k 2 DФ) 2 + S 'л (Ф х 0 + Ф 0 + k2 DФ )) 0 - k yc 2 (S ` 2 ( Ф 0 н U 30 = (6) + k 2 DФ) 1 Tyc Tyc ò 1 T yc 1 Tyc 2 + k 2 DФ ) + S 'л (Ф 0 - k2 DФ )). (7) 0 Tyc ò 3 + Ô0 - k 2DÔ ) + Sí' 1( Ôõ0 2 + Ô0 - k 2 DÔ) + S'ë(Ô õ0 + Ô0 3 - k 2D Ô)). ' 2 ' u40 ~ ( t )dt = k yc 2 ( S`н2 ( Ф x 0 + Ф0 + D Ф) + Sн1(Ф x 0 + Ф 0 + k 2 D Ф) + S л (Ф х 0 + Ф 0 + D Ф)) 0 - k yc 2 (S ` 2 (Ф x 0 н U50 = + S 'н1(Ф 0 u30~ (t )dt = k yc 2 (S`í 2 (Ôx 0 + Ô0 + k 2D Ô)3 + S 'í 1(Ôx 0 + Ô0 + k 2DÔ )2 + S 'ë( Ôõ0 + Ô0 + k 2 DÔ)) - k yc 2 (S` 2 (Ôx 0 í U40 = 3 Tyc ò + Ф 0 - D Ф) 3 ' + Sн1(Ф х 0 + Ф 0 - D Ф) 2 + S 'л (Ф х 0 3 (8) + Ф 0 - D Ф)). ' 2 ' u 50~ (t )dt = k yc 2 ( S`н2 ( Ф x0 + Ф0 + DФ ) + S н1(Ф x 0 + Ф 0 + DФ) + S л (Ф х 0 + Ф 0 + D Ф)) 0 (9) - k yc 2 (S ` 2 (Ф 0 + D Ф)3 + S'н1(Ф0 + D Ф)2 + S 'л ( Ф0 + DФ )). н Напруги (6) - (9) за допомогою аналогоцифрового перетворювача 46 перетворюються в коди чисел N6,..., N9 (N 6= SпрU20,..., N 9 = SпрU 50) і запам'ятовуються у оперативній пам'яті 52 мікроконтролера 54.По одержаним значенням напруг визначають дійсне значення потоку випромінювання Фх0(λ2) згідно із рівнянням надлишкових N N Tx = N T0 4 {N x } =N {N x 0 } T0 4 N 30 3 - N 1 - 4 (N 2 - N 5 ) 3 (N 3 - 2N 4 ) - N 1 - 4 ( N 20 - N 50 ) 3 ( N 30 - 2 N 40 ) Код числа NTх (10), який дорівнює дійсному значенню температури T х об'єкта, висвітлюється цифровим відліковим пристроєм 55.Особливістю схемотехнічного рішення цифрового пірометра відношення є те, що результат обчислення безпосередньо характеризує дійсне значення тем вимірювань N x 0 = N 30 - N1 - 4(N 20 - N 50 ) У деся3 (N 30 - 2N 40 ) тому такті, за допомогою мікроконтролера 54 проводиться обробка результатів проміжних вимірювань по обом каналам згідно з рівнянням числових значень (10) ператури. Виключаються всі систематичні похибки вимірювання, а також похибка від впливу перепускання середовищем. Запропоноване технічне рішення цифрового пірометр відношення забезпечує виключення всіх складових похибки вимірювання, а також похибки, що обумовлена 17 77840 18 впливом коефіцієнта перепускання середовинійності, аддитивної і мультиплікативної щем. Це досягається за рахунок введення нової складових систематичної похибки результату сукупності функціональних блоків 2 - 7, 9 - 12,14, визначення дійсного значення температури нагрі15, 17,18, 23, 24, 27 - 31, 36 - 39 та їх зв'язків між того об'єкта. Крім того, в запропонованому технісобою та з іншими функціональними блоками чному рішенні автоматично, за рахунок обчисцифрового пірометра відношення. В результаті лення по рівнянню числових значень (10), забезпечується досягнення технічного результавиключається вплив перепускання середовищем ту. Завдяки використанню апроксимації логарина похибку результату вимірювання. Завдяки фмічної функції перетворення фотоприймача цьому майже на порядок підвищується точність поліномом третього ступеня досягається розшивимірювання температури важкодоступних тіл чи рення діапазону вимірювання температури в 6,8 середовищ та розширюється діапазону її вимірюраз. Таким чином, запропоноване технічне ріваня. шення цифрового пірометра відношення забезпечує автоматичне виключення похибки від нелі Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 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