Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению объекта

(5)5 6 01 О ОПИСА К АВТОРСКОМ ТЕНИ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ЛУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЧЕНИЮ ОБЬЕКТА(57) Изобретение относится к радиационнойпирометрии, в частности к устройствам длябесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системахавтоматического контроля и регулированиятемпературы. Целью изобретения являетсярасширение функциональных воэможностей устройства и повышение точности изИзобретение относится к радиационной пирометрии, в частности к устройствам для бесконтактного измерения температуры нагретых объектов по инфракрасному излучению, и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования температуры.Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей устройства и повышение точности измерения температуры за счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промерения температуры эа счет автоматического определения и учета при расчете температуры степени черноты поверхности объекта контроля, степени поглощения инфракрасного излучения промежуточной средой и эквивалентной температуры фона, В устройстве процесса измерения последовательно производится измерение излучения от эталонного источника излучения, от объекта измерения с наложенным на него фоновым излучением, от обьекта с фоновым излучением и отраженным от него излучением эталонного источника и от объекта-свидетеля, расположенного вблизи объекта измерения, с наложенным на него фоновым излучением. По измеренным сигналам вычисляются действительная температура обьекта измерения, а также коэффициент излучения контролируемой поверхности, степень поглощения промежуточной средой и эквивалентная температура фона.1 з.п. ф-лы, 6 ил. межуточной средой и эквивалентной температуры фона.На фиг, 1 показано предлагаемое устройство в начальной фазе его работы, разрез; на фиг. 2 . - устройство с одним приемником излучения и сканирующим устройством, вид сверху; на фиг. 3 - то же, с двумя приемниками излучения; на фиг. 4 и 5 - другие фазы работы устройства; на фиг, 6 - прерыватель излучения (вид А-А на фиг, 1).Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению обьекта содержит эталонный источник 1 излучения, представляющий собой полость с регулиру 16208605 10 15 20 25 30 40 50 емой температурой и встроенным термопреобразователем, оптическую систему 2, прерыватель 3 излучения с чередующимися прозрачными 4 и зеркальными непрозрачными 5 секторами, включающий привод 6 для осуществления вращательного движения, компенсирующее устройство 7 в виде зачерненной пластины, установленной так, что она частично перекрывает исследуемое поле зрения с возможностью регулирования степени этого перекрытия, объект-свидетель 8 с излучательной способностью поверхности ео0,5 и регулируемой температурой, снабженный встроенным термопреобразователем 9, сканирующее устройство в виде клиновидного двухстороннего зеркала 10, снабженного приводом 11 для осуществления возвратно- вращательных движений вокруг оптической оси, приемник 12 излучения. Если используется второй приемник 13 излучения (фиг, 3), то клиновидное зеркало 10 не имеет привода 11 и установлено неподвижно,Клиновидное двухстороннее зеркало 10 установлено симметрично относительно оптической оси, Оси симметрии приемника 12 излучения (когда он один) и эталонного источника 1 излучения расположены в плоскости, проходящей через оптическую ось,и наклонены к оптической оси под углом, равным углу при вершине клиновидного зеркала 10. В варианте исполнения с двумя приемниками излучения (12 и 13) оси симметрии приемников излучения раСположены в плоскости, наклоненной к оптической оси под тем же углом. Зеркальные непрозрачные сектора 5 прерывателя 3 излучения установлены под углом, близким к половине угла при вершине клиновидного зеркала 10 к плоскости, перпендикулярной оптической оси, Объект-свидетель 8 установлен вблизи объекта 14 контроля.Устройство работает следующим образом.Привод 6 вращает прерыватель 3 излучения, при этом перед окном оптической системы 2 поочередно устанавливаются прозрачные 4 и зеркальные непрозрачные 5 сектора, В зависимости от положения секторов прерыаателя излучения относительно окна оптической системы и от положения клиновидного зеркала 10 можно выделить шесть последовательных фаэ работы устройства.В первой фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 полностью перекрывает окно оптической системы, а клиновидное зеркало 10 расположено в нейтральном положении, т,е, перпендикулярно плоскости, в которой находятся оси симметрии приемника 12 излучения и эталонного источника 1 излучения (фиг, 1, 2), При этом излучение эталонного источника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемник 12 излучения, поэтому его выходной сигнал пропорционален потоку излучения эталонного источника 1 излучения,Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4), При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в такое положение, что в поле зрения приемника 12 излучения находится объект 14 контроля, поэтому выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектом 14 контроля, равному сумме его собственного излучения и отраженного от него излучения окружающих предметов фона).В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения (фиг, 5), а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и во второй фазе. При этом излучение эталонного источника 1, отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, равному сумме собственного инфракрасного излучения объекта 14контроля и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.В четвертой фазе, длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз, расположение зеркального непрозрачного сектора 5 в клиновидного зеркала 10 такое же, как в первой фазе, т,е. излучение эталонного источника 1 попадает на приемник 12 излучения.В пятой фазе, как и во второй, зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излучения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2, т.е. излучение эталонного источника 1 перекрыто. Но клиновидное зеркало 10 с помощью привода 11 повернуто в противоположное положение по сравнению с второй фазой, поэтому в поле зрения приемника 12 излучения находится объект-свидетел ь 8 и выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, испускаемому объектом- свидетелем 8, равному сумме его собствен 162086045 50 55 ного излучения и отраженного от него излучения фона.В шестой фазе, как и в третьей, перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектор 4 прерывателя 3 излучения, а клиновидное зеркало 10 остается в том же положении, что и в пятой фазе. При этом излучение эталонного источника 1, как и в третьей фазе, направлено одновременно и на объект 14 контроля и на обьект-свидетель 8, а выходной сигнал приемника 12 излучения пропорционален потоку излучения, равному сумме собственного инфракрасного излучения объекта-свидетеля 8 и отраженных от него излучений фона и эталонного источника 1.Далее вновь наступает первая фаза, длительность которой равна суммедлительностей пятой и шестой фаз,Когда устройство выполнено с двумя приемниками 12 и 13 излучения, а привод 11 клиновидного зеркала 10 отсутствует (фиг, 3), в зависимости от положения секторов прерывателя излучения относительно окна оптической системы можно выделить три характерные последовательные фазы работы устройства,В первой фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 полностьк перекрывает окно оптической системы 2 (фиг, 1). При этом излучение эталонного истоцника 1, отражаясь от зеркального сектора 5, попадает на приемники 12 и 13, поэтому их выходные сигналы пропорциональны потоку излучения эталонного источника 1 излучения.Во второй фазе зеркальный непрозрачный сектор 5 прерывателя 3 излуцения перекрывает нижнюю часть окна оптической системы 2 (фиг. 4). При этом излучение эталонного источника 1 перекрыто, а в поле зрения первого и второго приемников 12 и 13 находятся соответственно объект 14 контроля и объект-свидетель 8, Выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, испускаемым соответственно объектом 14 контроля и объектом-свидетелем 8, равным сумме их собственных излучений и отраженных от них излучений фона,В третьей фазе перед окном оптической системы 2 расположен прозрачный сектоо 4 прерывателя 3 излучения (фиг. 5), При этом излучение эталонного источника 1, отразившееся от клиновидного зеркала 10, через оптическую систему 2 направлено одновременно и на объект 14 контроля, и на объект- свидетель 8 (фиг. 3), а выходные сигналы приемников 12 и 13 излучения пропорциональны потокам излучения, равным сумме собственных инфракрасных излучений со 5 10 15 20 25 30 35 40 ответственно объекта 14 контроля и обьекта-свидетеля 8 и отраженных от них излучений фона и эталонного источника 1.Далее вновь наступает первая фаза, длительность которой равна сумме длительностей второй и третьей фаз,Отметим, что при перекрытии окна оптической системы 2 зеркальным непрозрачным сектором 5 прерывателя 3 излучения приемник 12 излучения (или приемники 12 и 13 излучения) получает не только излучение полости эталонного источника 1, но и собственное излучение зеркального сектора 5 преры вателя 3, завцсящее от его температуры, в то время, как при установке прозрачного сектора 4 перед окном оптической системы 2 приемник 12 излуцения (приемники 12 и 13 в исполнении с двумя приемниками) практически "не видит" прерыватель, Для компенсации влияния этого фактора на результат измерения устройства содержит компенсирующее устройство 7 в виде зачерненной пластинки, установленное вблизи прерывателя 3 излучения таким образом, что она частично перекрывает исследуемое поле зрения. Степень этого перекрытия устанавливается такой, цтобы площадь перекрытия сегмента равнялась произведению площади поля зрения на излучательную способность Езп зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. Таким образом. и при установке перед окном оптической системы - прозрачного сектора 4 прерывателя 3 на приемник 12 излучения попадает, как и при закрытом окне, дополнительный поток излучения, равный собственному излучению зеркального сектора 5 прерывателя 3 излучения. При выделении разностных сигналов их составляющие, пропорциональнь 1 е указанным дополнительным потокам излучения, взаимно компенсируются. Таким образом, на выходе приемника 12 излучения (соответственно приемников 12 и 13 в исполнении по фиг, 3) получаются комбинированные выходные сигналы, из которых можно выделить в виде переменных сигналов: сигналы, амплитуды которых пропорциональны разности лучистых потоков, испускаемых эталонным источником 1 и объектом контроля или эталонным источником 1 излучения и объектом-свидетелем 8, а также сигналы, амплитуды которых пропорциональнь приращениям лучистых тепловых потоков, исходящих от объекта 14 контроля или обьекта-свидетеля 8, произошедших вследствие отражения от них части теплового потока, направленного на них от эталонного источника 1 излучения, 1620860Используя полученные разностные информационные сигналы, а также сигналы от второго термопреобраэователя, пропорциональные температуре приемников излучения; от третьего термопреобразователя, 5опгрциональнь 1 е температурам обьекта- с етеля, и от четвертого термопреобразоват я, пропорциональные температурецтйе го источника излучения по извест"о,"ньнэфмулем можно получить коэффици. 10ентф 1 лучения поверхности объекта, ейфЬциент пропускэник среды, экэиэе. л тную температуру фона и действительну температуру объекта, Формула изобретения 15 1. Устройство для измерения температуры по инфракрасному излучению обьекта, содержащее приет чик излучения, эталонный источник излучения, представляющий собой полость с регулируемой температу рой и встроенным терь опреобразователем, оптическую систему, прерыватель излучения с чередующимися прозрачными и зеркальными непоозрачными секторами, установленными так, что при расположении 25 перед окном оптической системы зеркальных непрозрачных секторов в поле зрения приемника излучения находится эталонный источник излучения, и компенсирующее устройство в виде зачерненной пластины, ус тановленной так, что она частично перекрывает контролируемое поле зрения с возможностью регулирования степени этого пеоекрытия, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воз можностей и повышения точности измерения, устройство дополнительно содержит2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю е с я тем, что оно в качестве сканирую устройства дополнительно содержит вт приемник излучения, установленный что в поле его зрения находится эталон источник излучения при расположени ред окном оптической системы эеркаль непрозрачного сектора прерывателя чений или объект-свидетель при распол нии там же прозрачного сектора, а в зрения первого приемника излучения, ветственно находятся эталонный изл тель или только объект контроля,щего орой так, ный и пеного излу- ожеполе соот- учапреобразователь температуры приемника излучения, объект-свидетель с иэлучательной способностью поверхности ео ( 0,5 и с регулируемой температурой, установленный вблизи объекта контроля и снабженный встроенным термопреобразователем, а также сканирующее устройство, установленное в оптической системе так, что при расположении перед окном оптической системы прозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, при этом излучение от эталонного источника направлено и на объект контроля, и на объект-свидетель, а при расположении перед одной частью окна оптической системы прозрачного сектора и перед другой частью - непрозрачного сектора прерывателя излучения в поле зрения приемника излучения находится поочередно то объект контроля, то объект-свидетель, а излучение от эталонного источника перекры 16208601620860 иг с ставитель.В,Зуев ред М.Моргентал Заказ 4239 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарин Соедактор М.Келемеш Тех Корректор М.Шароши