Пирометр спектрального отношения

(51) 5 0 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ отношения). При яемого поддиапаизких температур вской системе пименты, ограничиетового потока и т,д.). рометров спектрального переходе от одного измер зона к другому(от более н к более высоким) в оптич рометра применяются эле вающие величину св (диафрагмы, поглотители Известны пиро том числе пирометшения, в которых дл Го потока использ непосредственно эа с калиброванными еерстиями. При переходе к зону изменения (бометры излучения (1), в ы спектрального отноя регулировки световоуются установленные объективом диафрагмы или регулируемыми отследующему поддиапалее высокотемпературК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Использование: для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах. Сущность: апертурная диафрагма выполнена в виде диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, приИзобретение относится к технике измерений температуры по излучению и можетбыть использовано в промышленности и научных исследованиях для измерения температуры, изменяющейся в широкихпределах,Величиной, зависящей от температурыобъекта и непосредственно измеряемой пирометром излучения, является электрический сигнал приемника излучения,возникающий при попадании на его светочувствительную поверхность светового потока в более или менее широкой областиспектра (для пирометров суммарного и частичного излучения) либо отношение сигна. лов, пропорциональных световым потокамразличного спектрального состава (для пичем суммарная площадь Яе 1 отверстий диафрагмы предыдущего диапазона выбирается из условия Я 1=Явахте( Ьв одоп), а суммарная площадь Я 2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона из соотно 6 ШЕНИЯ Ъ 2 -Е н 1 н 2, Гдв ЯвахТ - наибольшая площадь отверстий, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерения уровня яркости Ь меньше допустимого значения погрешности Адов во всем диапазоне; А,- эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра; Тн 1 - начальное значение температуры предыДУЩего Диапазона измеРениЯ; Тн 2 - начальное значение температуры последующего поддиапазона измерения; С 2 - пирометрическая константа. 5 ил, 1800295ному) диаметр калиброванного отверстия уменьшается.Недостатком подобного решения применительно к пирометрам спектрального отношения является влияние хроматиче ских аберраций в выходном зрачке оптической системы, включающей обьектив и апертурную диафрагму (в плоскости апертурной диафрагмы), В результате этого явления распределение спектрального "0 состава излучения в плоскости апертурной диафрагмы меняется, обогащаясь, например, более коротковолновыми лучами в направлении от оптической оси к периферии, что приводит к увеличению погрешности. 15 Известен также пирометр спектрального отношения (2), который можно считать прототипом .предлагаемого устройства, содержащий объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устрой . ство, приемники излучения, измеритель отношения сигналов, индикатор результата измерения, В этом пирометре для обеспечения необходимого исходного значения светового потока, обеспечивающего линейный 25 режим работы приемников излучения в данном поддиапаэоне измерения, непосредственно после объектива устанавливается материальная апертурная диафрагма с калиброванным отверстием. Центр отверстия З 0 находится на оптической оси объектива.При переходе к следующему поддиапазону измерения (более высокие температуры) диаметр отверстия также соответственно уменьшается (см. фиг.5, поз.17 и 18). Этот З 5 пирометр обладает тем же недостатком, т,к, уменьшение диаметра апертурной диафрагмы при переходе к более высокомутемпературному поддиапазону измерения приводит, вследствие хроматизма оптиче ской системы, к изменению спектрального состава излучения, попадающего на. фотоприемники, к относительному увеличению эффективных длин волн пирометра и, в сочетании с более высокими температурами, к 45 ослаблению зависимости спектрального отЬЛ 1 ТношениЯ от темпеРатУРы (й(Т)= - ) и, в коЬлгТнечном счете, к увеличению погрешностей, связанных с воздействием влияющих факторов (изменение уровня яркости, окружающей темперагуры и т.д,).Особенно существенно этот недостатокпроявляется в пирометрах с широкими поддиапазонами измерения, т.к. с одной стороны, возрастает динамический диапазон изменения сигналов и увеличивается отклонение световой характеристики от линейной зависимости, с другой - увеличиваетсязначение д ВIОТг - вторая производная спектрального отношения от температуры, Эта последняя особенность иллюстрируется данными, приведенными в таблице, где указаны значения изменения спектрального отношения в начале и конце двух поддиапазонов измерения (на 100 ОС), Т.е, произошло изменение чувствительности спектрального отношения от температуры более чем в 2 раза.Цель изобретения - повышение точности измерений температуры с расширением диапазона ее измерений,Поставленная цель достигается тем, что в пирометре, содержащем оптически связанные объектив, апертурную и полевую диафрагмы, светоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем отноШения сигналов. входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь ф отверстий диафрагмы предыдущего поддиапазона выбирается иэ условияЪ 1= Звахт( ЛйАоп), а суммарная площадь Зг отверстий диафрагмы последующего поддиапазона - из соотношенияЯяг.=Я;е 1 8 т,1.тнг (") где Ящахт - максимальная суммарная площадь отверстий диафрагмы, при которой обеспечивается необходимая линейность сигналов, соответствующих конечному значению температуры первого поддиапаэона измерения (т,е. при котором погрешность от двухкратного изменения уровня яркости Л, не превышает допустимого значения Л доп 1,Л - эффективная длина волны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;Тн 1 - начальное значение температуры предыдущего поддиапазона измерения;Т,г - начальное значение температуры последующего поддиапазона изменения; Сг - пирометрическая константа,На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг, 2 - виды диафрагмы для и И поддиапаэонов измерения; на фиг. 3 - относительное (приведенное к 1) спектральное распределение получения на входе оптической системы и в плоскости апертурной диафрагмы; на фиг,4 - разновидность предлагаемой апертурнойдиафрагмы; на фиг. 5 - виды апертурнойдиафрагмы пирометра-прототипа для двухсмежных поддиапазонов измерений,Предлагаемый пирометр (фиг,1) содержит объектив 1,. апертурную диафрагму 2,полевую диафрагму 3, светоделительное устройство 4, приемники излучения 5 и 6, измеритель 7 отношения сигналов, индикатор8 ре эул ьтата измерен ий.Апертурная диафрагма (фиг,2) содержитряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от оптической оси отверстий, общая площадь которых дляпредыдущего и последующего поддиапазонов определяется в соответствии с формулами, приведенными выше. Дляподдиапазонов с относительно низкой начальной температурой (Т 1000 С) отверстия диафрагмы выполняются в видеусеченных секторов (фиг,4).В любом варианте отверстия удаленыот центра на максимально возможное расстояние, но не выходят за расчетный диаметр апертурной диафрагмы оптическойсистемы.Предлагаемый пирометр работает следующим образом,Излучение от объекта измерения, собранное объективом 1, проходит черезапертурную диафрагму 2, которая компен, сирует влияние хроматических аберраций,и фокусируется в плоскости полевой диафрагмы 3.Излучение передается через светоделительное устройство 4 на приемники излучения 5 и 6, которые преобразуют дваразличных по спектральному составу световых потока в электрические сигналы, Измеритель отношения 7 производит измерениеотношения этих сигналов, несущих информацию о цветовой температуре обьекта,значение которой отображается на индикаторе результата измерения 8. На входе оптической системы спектральный составвоспринимаемого от объекта излучения зависит от температуры и излучательной способности объекта и одинаков, независимоот удаления от оптической оси (равномерная засветка объектива). После объектива вплоскости апертурной диафрагмы из-захроматических аберраций происходит перераспределение лучей различных длинволн, в результате чего спектральный состав излучения изменяется по сравнению сисходным (фиг.З поясняет это явление), Пооси абсцисс отложено относительное расстояние в плоскости, перпендикулярной оптической оси па направлению от оптическойоси к периферии. По оси ординат - относительное (приведенное на входе системы к30 уменьшение светового потока при переходе на более высокотемпературный второй под 35 40 45 50 К 544 УД 1 А. 55 5 10 15 20 25 единице) значение спектрального отноше. ния, Линия 11, параллельная оси з;абсцисс. отображает значение спектрального атно. шения на входе системы, линия 12 - в плоскости апертурной диафрагмы. Как видно из фиг,З, спектральный состав излучения вблизи оптической оси (область по стрелкам 13) обеднен коротковол новой составл я ющей. что и приводило в прототипе к увеличению погрешности (увеличению эффективных длин волн),В предлагаемом устройстве применены апертурные диафрагмы, изображенные на фиг, 2,4; Для первого поддиапазона измерения использована диафрагма вида 9, а при переходе к более высокотемпературному поддиапазону - диафрагма вида 10. На фиг.З спектральный состав излучения, проходящий через эти диафрагмы, характеризу. ется стрелками 14 и 15 соответственно. Как видно из рисунка, при переходе от первого поддиапазона ко второму суммарное спектральное распределение изменяется в пользу более коротковолнового излучения, благодаря чему и исключаются описанные выше дополнительные погрешности. Меньший диаметр отверстий диафрагмы 10, по сравнению с диафрагмой 9, обеспечивает диапазон измерения. Соотношение суммарных площадей отверстий в апертурных диафрагмах, обеспечивающий одинаковый уровень излучения на предыдущем и последующем поддиапазонах, определяется по формуле (1),Предложенное изобретение реализовано в пирометре спектрального отношения "Спектропир 12", В пирометре использован четырехлинзовый объектив, проектирующий изображение объекта в плоскости полевой диафрагмы, Светоделение осуществляется с помощью установленного под углом к оптической оси светофильтра, а в качестве приемников используются фотодиоды ФД 24 К (коротковолновый интервал спектра) и ФД 10 Г (длинноволновый интервал), В качестве измерителя отношения сигналов используется аналого-цифровой преобразователь фототоков приемников излучения по методу двойного интегрирования, собранный на микросхемах типа К 561 ИЕ 80, К 561 ЛА 7, К 561 ТМ 2, К 561 ТМЗ,Индикатор результата измерения собран на четырех цифровых индикаторах типа АОС 324.8 качестве апертурной диафрагмы для поддиапазона 900-2200 С применена диаф 1800295рагмэ вида, представленного на фиг.Л, с параметрами:удален. ность отверстийот центра (по осевой линии) 10 мм количество отверстий Л 5 ширина (в радиальномнаправлении) Лмм Для поддиапазона 1200-3000" С применена диафрагма 10 вида, представленного на фиг.2, с параметрами: 10удаленность отверстийот центра 10 мм количество отверстий 10диаметр отверстий 2 ммФормула изобретения 15 Пирометр спектрального отношения, содержащий оптически связанные обьектив, апертурную и полевую диафрагмы, све. тоделительное устройство и приемники излучения, соединенные с измерителем от ношения сигналов, входы которого подключены к выходам приемников излучения, а выход соединен с входом индикатора результата измерения, о т л и ч а 1 о щ и й с я тем, что, с целью повышения точности изме рения температуры, апертурная диафрагма выполнена в виде круглого диска, содержащего ряд равноудаленных на максимально возможное расстояние от центра отверстий, причем суммарная площадь 51 отверстий диафрагмы предыдущего поддиапазонэ выбирается из условия51=3 макстк( ЛаЛ доп),а суммарная площадь Бя.2 отверстий диафрагмы последующего поддиапазона - из соотношения6 Тн 2 - Тн 1)ЯЙ 2=3 Е 1 8 Т 1 Тн 2гДе Бмакстк - наибольшаЯ плоЩаДь отвеР- стий диафрагмы, обеспечивающая линейный режим работы приемников излучения, когда погрешность от влияния измерений уровня яркости Ля меньше допустимого значения погрешности Лдоп во всем диапазоне измерения;1 - эффективная длина долны более длинноволнового рабочего интервала спектра пирометра;Тн 1 - НаЧаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ тЕМПЕРатУРЫ предыдущего диапазона измерения;Тн 2 - НаЧаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ тЕМПЕРатУРЫ последующего поддиапазона измерения;С 2 - пирометрическая константа,1800295 Составитель Е,Трубициехред М,Моргентал Редактор Корректор Д.Козори ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 Заказ 1158 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Рау