Пирометр

(21 (22 (46 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) ПИРОМЕТР, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной идополнительный термодатчики, формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и синхронный детектор,согласующий каскад и регистрирующееустройство, причем управляющий входсинхронного детектора соединен с выходом формирователя Опорного сигнала,а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход последнегосоединен с регистрирующим устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения. точности измерения и уменьшения энергопотребления,в устройство введены преобразовательсигнала постоянного тока, соответствующего температуре окруюащей среды,в переменный, первый резистивный делитель, сумматор переменных сигна" лов, второй резистивный делитель, вычитающее устройство переменных сиг" налов, третий резистивный делитель, коммутатор, механический пружинный привод и тахогенератор с ротором, причем выход дополнительного термодатчика соединен с преобразователем, управляющий вход которого соединен с формирователем опорного сигнала, выход преобразователя соединен с пер" вым резистивным делителем, выход этого делителя соединен с одним из входов сумматора, второй вход которо" го соединен с выходом основного термодатчика, а выход этого сумматора . ЕО соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго резистивного делителя, вход которого соединен с выходом формирователя опорного сигнала, выход вычитающего устройства соединен с третьим резистивным делителем,выход которого соединен с усилителем, управляющие входы второго и третьего резистивных делителей соеди- а иены с коммутатором, а обтюратор ки- пффф нематически соединен с механическим ф пружинным приводом и ротором тахоге" нератора.ОЪИзобретение относится к радиационной пирометрии и может быть использовано для бесконтактного дистанционного контроля температуры объектов в широком диапазоне температур.В медицинской практике, в сельском 5 хозяйстве, в частности, животноводстве, в ряде условий для технических измерений температуры особую важность имеют устройства, позволяющие оперативно измерять температуру объекта без непосредственного с ним соприкосновения.Основной сложностью при разработкетакого типа приборов является удовлетворение ряда трудно совместимых требований, в частности высокая точность должна сочетаться с высокой оперативностью в работе, удобством в использовании, высоким энергетическим ресурсом при автономном питании,20 а также повышенными требованиями к окружающей среде.Известен, например, электронный дистанционный инфракрасный термометр фСус 1 ора" фирмы Ьапй (Англия), имею щий пироэлектрический чувствительный элемент с инфракрасным фильтром и обладающий портативностью, оперативностью в работе и необходимой эргономикой для современного промышленного 30 применения 1.Недостаток этого пирометра заключается в том, что он не обеспечивает достаточной точности измерений.Наиболее близким по технической З 5 сущности к изобретению является пирс метр, содержащий оптическую систему, обтюратор, основной и дополнительный термодатчики, Формирователь опорного сигнала, соединенные усилитель и синхронный детектор, согласующий каскад и регистрирующее устройство, причем управляющий вход синхронного детек" тора соединен с выходом формирователя опорного сигнала, а выход его соединен с входом согласующего каскада, выход оследнего соединен с регистрирующим устройством 2 .Работа пирометра заключается в попеременном преобразовании тепловых излучений от объекта (через оптичес кую систему 1) и поверхности обтюратора, принимаемого за излучение окружающей среды, в разностный электрический сигнал с помощью радиационного пироэлектрического )датчика, усиле ние этого сигнала с помощью избира" тельного усилителя и детектирования его с помощью синхронного детектора, на вход которого подается управляющий сигнал от формирователя опорного 60 сигнала, состоящего из светового излучателя, фотоприемника и усилителя, имеющего частоту, синхронную с частотой сигнала, снимаемого с радиациОнного датчика. Одновременно с по" умощью другого контактноготеплово"го датчика формируется сигнал постоянного тока, пропорциональный температуре корпуса прибора, которая принимается за температуру окружающей среды, затем этот сигнал складываетсяна сумматоре с сигналом, полученнымпосле синхронного детектирования скоэффициентом преобразования, учитывающим нелинейную зависимость аналогового сигнала от температуры объекта. Поскольку известно, что выходнойсигнал с датчика линейно пропорционаен мощности излучения объекта, точее разности мощностей излучения отобъекта и окружающей среды, а мощность излучения пропорциональна. температуре объекта в четвертой степени, то усиленный сигнал 0 с пироэлектрического датчика после детектирования соответствует выражению0 КЙ Ат лтгде Р, А - коэффициенты преобразования теплового пироэлектрического датчика при приемеизлучения от объекта и поверхности обтюратора (окружающей среды ), обусловленной геометрией излученияи приема энергии;коэффициент усиления усилительно-преобразовательноготракта;6 - постоянная Больцмана;Т - температура объекта, К;Та - температура внешней среды,К.Далее, как видно из формулы, для получения выходного аналогбвого сигнала,соответствующего только температуреобъекта, сигнал суммируют с аналоговым сигналом 0 , полученным с преобразователя внешней температуры окружающей среды, предварительно преобразовав его с помощью преобразователя к виду"вн" онгде к - коэффициент пропорциональности,При суммировании необходимо очевидно обеспечить равенство коэффициентможет быть выполнено с помощью дополнительного усилителя. Таким образомна выходе измерительной схемы получают аналоговый сигнал в виде:Ь= г огде К - коз ффицйейт пропорциональности.В отличие от рассмотренного. аналога данный пирометр характеризуетсяпростотой, сравнительно малым .энергопотреблением, незначительными аппараттурными затратами, а также использованием элементов широкого применения.Кроме того, схема предусматриваетавтоматический учет температуры внеш 110576 3литудной характеристикиосновного термодатчика взависимости от температурывнешней среды;а и Ь - весовые коэффициенты 0или 1); 5 Т . и Т, - начальные значения абсолют 0) 6ной температуры объекта ивнешней среды в начальныхточках )-го и )-го линейныхучастков соответственно; )Ов - число линейных участков; аТ иаТ - линейные интервалы температур на каждом участке;5, и . - погрешность аппроксимациина линейных участках; 15и ) - номера выбираемых линейныхучастков на амплитудных ха"рактеристиках основного термодатчика в зависимости оттемпературы объекта и окружа.ющей среды в момент измерения.цреобразуют с помощью контактного дополнительного термодатчика температуру внешней окружающей среды в электрический сигнал переменного тока, синхронный по частоте с сигналом основного термодатчика,В общемслучае нелинейную амплитудную характеристику этого преобразователя можно .также аппроксимировать кусочно-линейной зависимостью,ЗО которую можно записать в видегде т - крутизна преобразования на)-том участке амплитуднойхарактеристики этого термодатчика в соответствии стемпературой окружающей сре дыепогрешность аппроксимации.Выбирают линейные участки на амплитудных характеристиках обоих датчиков в соответствии с температурой окружающей среды в момент измерений и производят фазное суммирование сигналов в термодатчиков. После суммирования получат измерительный сигнал, соответствующий виду50или без учета погрешностей аппрокси" мации, поскольку теоретически ее можно сделать как угодно малой, получимс а. Тф ьт )з)р ш 160 Весь диапазон измеряемой температуры разбивают на поддиапазоны в соответствии с линейными участками амплитуд" ной характеристики основного термо датчика. И для каждого поддиапаэонаустанавливают соответствующий множительный коэффициент. Формируют длякаждого поддиапаэона опорные компенсирующие сигналы той же частоты, нопротивоположной фазы, и по величинесоответствующие началу подциапазонов.При этом опорные компенсационные сигналы можно записать в видеО: Ц 5 Р(р 31 ФО)где О .:с Т . - амплитудное значениеоопорного сигнала, соответствующее началу 1-гоподдиапазона,Выбирают поддиапазон измеряемой температуры и производят суммирование1 фаэное вычитание ) измерительного исоответствующего выбранному поддиапа"зону опорного сигнала. После суммирования, последующего усиления и детектирования получают аналоговый сигнал,пропорциональный температуре объекта,который можно считать по шкале регистрирующего устройства с учетом множителя М, соответствующего выбранному поддиапазону (М=1, ,и))вых=о с,где К - коэффициент преобразованияизмерительного тракта.С целью согласования выходногоаналогового сигнала со шкалой считы"вающего прибора одновременно с фазным вычитанием производят корректировку крутизны линейных участков,например, путем изменения коэффициента передачи измерительного сигнала.Таким образом, повышение точностиможет быть достигнуто за счет того,что измерительный сигнал формируетсяна входе измерительного тракта и ведется обработка переменного сигнала,получаемого с основного термодатчика( разбивка на поддиапазоны, суммирование, вычитание и т.д ) и тем самым нетребуется дополнительного усилительного тракта для формирования аналогового сигнала, соответствующего внешней температуре окружающей среды, ине требуется последующей обработкианалогового выходного сигнала, соотетствующего измеряемой температуре,оскольку в пределах каждого из поддиапаэонов обеспечивается линейнаязависимость электрического сигналаот измеряемой температуры.Работа устройства заключаетсяв следующем.С помощью оптической системы 1 фокусируется ИК-излучение от объектана приемную площадку основного термодатчика (например, пироэлектрического) 2С целью преобразования постоянного действующего теплового потокав переменный используется обтюратор3, кинематически связанный с механическим приводом ( пружи ным двигателем ) 20. С помощью фотоприемника б видимого излучения, например фоторе1105763 20 25 35 40 45 50 55 60 зистора, установленного таким образом по отношению к обтюратору, чтовидимый лучевой поток света, поступающий на него, прерывается синхронно )как и поток ИК-излучения), иусилителя-формирователя 7 формируется опорный сигнал, синхронный почастоте с информационным сигналом,снимаемым с основного термодатчика 2. С целью получения переменного сигнала, синхронного по частоте с сигналом основного термодатчика от контактного термодатчика температуры окружающей среды 8, например терморе.зистора, используется преобраз ователь 9, на вход которого поступаетсигнал с этого датчика, а управление производится от формирователя опорного,сигнала 5. Сигнал с преобразователя 9 подают на первый делитель 12,который предназначен для формирования сигнала, соответствующего температуре окружающей среды в момент измерения, равного по величине амплитудному значению основного датчика,имеющего зависимость от этой же температуры соответствующей излучениюповерхности обтюратора ). С делителя 12 и датчика 2 сигналы подают на сумматор 10, который производит Фазноесуммирование этих сигналов, послечего с выхода сумматора снимают изме-З 0рительный сигнал, зависящий толькоот температуры объекта.Практически выравнивание передаточных характеристик датчиков в зависимости от температуры окружюащей среды осуществляется следующим образом.Исключается сигнал с основного датчика, например, путем подсоединения выхода этого датчика к корпусу итем самым на выходе регистрирующегоустройства производится индикация температуры внешней среды, Если измерительный прибор зашкаливает или не соответствует установленным пределам калибровки, тогда выставляется делитель 12 до тех пор, пока показания на шкале не установятся в заданные пределы. Па второй делитель 13 поступает сигнал с усилителя-формирователя 7.С помощью делителя 13 произ в одится формирование дополнительных опорных сигналов, которые соответствуют началам измерительных поддиапазонов,С целью выбора необходимого измерительного поддиалазона с помощью этого делителя 13 сигналы подаются, например, с помощью коммутатора 15 последовательно на вход вычитаю- щего устройства 11,на второй вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 10. При этом операция фазиого вычитания измерительного сигнала с опорными сигналами производитсядо тех пор, пока выходной сигнал несоответствует установленным пределам шкалы регистрирующего устройства. Одновременно с переключением опор. ных сигналов ичи поддиапазонов с помощью коммутатора 15 производится коррекция выбранного поддиапазона с помощью третьего делителя 14.Далее измерительный сигнал поступает на усилитель 16, который, как правило, выполняется избирательным с целью повышения помехоустойчивости измерительной схемы, Сигнал с выхода усилителя 15 поступает на сигнальныйвход синхронного детектора 17, на управляющий вход которого поступаетсигнал с формирователя опорного напряжения 5. Далее аналоговый сигнал с синхронного детектора 17 поступает на входсогласующего каскада 18, выход которого соединен с аналоговым регистрирующим устройством 19, например малогабаритным микроамперметром или вольтметром.С целью обеспечения полного автономного питания измерительной схемы для получения необходимой ЭДС используют тахогенератор 21, который кинематически связан с обтюратором 3 и механическим двигателем 20 с пружинным заводом.Предлагаемое устройство с точки зрения точностных характеристик, энергопотребления и удобства использования выгодно отличается от прототипа. Поскольку сигналы с датчиков поступают на один измерительный тракт, то тем самым уменьшаются требования к усилительно-преобразовательным блокам и соответственно гарантируется более высокая точность при измерениях. Кроме того, в схеме устройства используется меньшее число активных узлов, требующих существенного энергопотребления (не требуется активного усилительного тракта для сигнала с датчика внешней температуры ).В схеме производится решение необходимых алгоритмов в процессе измерений с малыми сигналами на уровнепервичного преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и, тем самым, требуется меньшеэнергопотребления при Формированииопорных сигналов и сигнала, соответствующего температуре окружающейсреды. Поскольку регистрирующее устройство работает на одном пределе шкалы, которая имеет линейную зависимость от измеряемой температуры, уменьшаются аппаратурные затраты при преобразовании аналогового сигнала с помощью АЦП в цифровой отсчет,/32 Тираж 82 ВНИИПИ Государствпо делам изобр 113035, Москва, ЖПодписноиного комитета СССРтений и открытийРаушская наб. д. 4/