close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3134

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3134
(13)
C1
6
(51) G 01J 5/22
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
(21) Номер заявки: 960480
(22) 1996.09.25
(46) 1999.12.30
(71) Заявитель: Белорусский
государственный
университет (BY)
(72) Авторы: Козлов В.Л., Чубаров С.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский
государственный университет (BY)
(57)
Устройство для бесконтактного измерения температуры, содержащее обтюратор с двигателем, последовательно соединенные приемник ИК-излучения и первый синхронный детектор, первый усилитель, сумматор, а также термодатчик, оптически связанные светодиод и фотодиод, который через усилительформирователь соединен с тактовым входом первого синхронного детектора, отличающееся тем, что в него
введены фазовращатель, регулируемый усилитель, первый интегратор и последовательно соединенные второй синхронный детектор, второй интегратор и второй усилитель, причем первый синхронный детектор,
первый интегратор и первый усилитель соединены последовательно, а выход последнего подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя, выход приемника ИКизлучения соединен с входом второго синхронного детектора, тактовый вход которого связан через фазовращатель с выходом усилителя-формирователя, а выход термодатчика через регулируемый усилитель соединен с третьим входом сумматора.
BY 3134 C1
(56)
1. А. с. СССР 1373095, МПК G01J 5/14, 1990.
2. А. с. СССР 1105763, МПК G01J 5/20, 1984, (прототип).
Фиг. 1
Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в системах автоматического контроля и регулирования температуры поверхностей.
BY 3134 C1
Известен пирометр [1] содержащий оптическую систему с приемником излучения, усилитель, суммирующий усилитель, датчик температуры фона, делитель напряжения, коммутатор. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерений, обусловленная обработкой информационного сигнала на
нулевой частоте (по постоянному току), в связи с чем снижается отношение сигнал/шум и невозможно применение оптимальных методов обработки, повышающих отношение сигнал/шум.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пирометр [2], содержащий оптическую систему с приемником ИК-излучения, обтюратор, двигатель, оптронную пару (светодиод-фотодиод) для формирования опорного тактового сигнала, термодатчик температуры окружающей среды, синхродетектор с
интегратором, сумматор.
Недостатком прототипа является ограниченная точность измерений, обусловленная тем, что в нем не
производится компенсация нелинейности характеристики преобразования приемника излучения.
Задача изобретения - повышение точности при измерениях в широком диапазоне температур. При этом
происходит компенсация нелинейности характеристики преобразования энергии теплового излучения в
электрический сигнал в приемнике излучения, а также расширяются функциональные возможности прибора.
Поставленная задача решается путем того, что в устройство [2], содержащее обтюратор, двигатель, последовательно соединенные приемник ИК-излучения, первый синхродетектор, первый усилитель, сумматор,
а также термодатчик, оптически связанные светодиод и фотодиод, соединенный через усилительформирователь с тактовым входом первого синхродетектора, вводятся фазовращатель, регулируемый усилитель, первый интегратор и последовательно соединенные второй синхродетектор, второй интегратор и второй усилитель, причем первый синхродетектор, первый интегратор и первый усилитель соединены
последовательно, а выход последнего соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен
с выходом второго усилителя, выход приемника излучения соединен со входом второго синхродетектора,
тактовый вход которого связан через фазовращатель с выходом усилителя-формирователя, а выход термодатчика через регулируемый усилитель соединен с третьим входом сумматора.
Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1, а временные диаграммы, поясняющие его работу, на фиг. 2.
Устройство содержит приемник ИК излучения 1, обтюратор 2, двигатель 3, первый синхродетектор 4,
первый интегратор 5, первый усилитель 6, сумматор 7, светодиод 8, фотодиод 9, усилитель-формирователь
10, термодатчик 11, регулируемый усилитель 12, фазовращатель 13, второй синхродетектор 14, второй интегратор 15, второй усилитель 16.
Устройство работает следующим образом.
Для модуляции потока теплового излучения от измеряемого объекта, поступающего на приемник излучения 1, используется обтюратор 2, управляемый двигателем 3. С помощью оптически связанных светодиода 8 и
фотодиода 9 (излучение светодиода прерывается обтюратором 2), формируются тактовые синхроимпульсы,
совпадающие по фазе с информационным сигналом с приемника 1. Усилитель-формирователь 10 формирует
стандартные импульсы для управления синхродетектором 4 (фиг. 2а) с частотой, равной частоте модуляции
оптического излучения. На выходе приемника излучения 1 будет сформирован сигнал, пропорциональный
разности мощностей теплового излучения от измеряемого объекта и обтюратора (фиг. 26).
U = A(εT 4 + (1 − ε)TФ4 − TK4 ) sin ωt ,
(1)
где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от чувствительности, крутизны преобразования приемника излучения и др. параметров;
ε - коэффициент излучения измеряемого объекта;
Тф - температура фона (окружающей среды);
Т - температура измеряемого объекта;
Тк - температура корпуса прибора (обтюратора);
ω - частота вращения обтюратора.
Далее переменный сигнал (1) с частотой ω поступает на вход синхродетектора 4, управляемого тактовым
сигналом с блока 10. Синхродетектор 4 выполняет операцию двухполупериодного детектирования сигнала
(1) таким образом, что его выходной сигнал имеет вид, представленный на фиг. 2в. С выхода синхродетектора преобразованный сигнал (1) поступает на вход интегратора 5. Операции, выполняемые синхродетектором
4 и интегратором 5 за один период модуляции можно выразить следующим образом:
π
³
U = U1 sin t dt −
0
2π
³ U 2 sin t
dt = 2U1 + 2U 2 ,
(2)
π
где U1, U2 - амплитуды положительной и отрицательной полуволны сигнала (1) (фиг. 2б, в).
Если температура объекта не выходит за пределы линейного участка характеристики преобразования
приемника излучения, то амплитуды полуволн будут равны между собой U1 = U2 и U = U1 + U2.
2
BY 3134 C1
В интеграторе 5 происходит когерентное накопление информационного сигнала за определенное (целое)
число периодов модуляции. Число периодов накопления учитывается в дальнейшем при расчете температуры объекта по мощности его теплового излучения. Затем накопленный интегратором 5 информационный
сигнал через согласующий усилитель 6 поступает на первый вход сумматора 7.
Если мощность теплового излучения измеряемого объекта достаточно велика, то приемник излучения
будет выходить за пределы линейного участка своей характеристики преобразования, при этом амплитуды
полуволн сигнала (1) не будут равны U1 ≠ U2 (фиг. 2б, в штриховая линия) и U1 - U2 = ∆U. Величина ∆U характеризует отклонение от линейности характеристики приемника излучения 1. Для определения величины
∆U и ее последующей компенсации, что повысит точность измерений, в устройство вводятся блоки 13, 14,
15 и 16. Это осуществляется следующим образом. Информационный сигнал (фиг. 2б) подается на вход второго синхродетектора 14. Тактовые импульсы с усилителя-формирователя 10 через фазовращатель 13 подаются на синхровход детектора 14. Фазовращатель 13 обеспечивает фазовый сдвиг на π/2 (фиг. 2г) по
сравнению с фазой информационного сигнала (фиг. 2а, б). При таком фазовом сдвиге тактовой частоты на
выходе синхродетектора 14 будет сформирован сигнал, представленный на фиг. 2д. После обработки этого
сигнала интегратором 15 за один период тактовой частоты будем иметь
π
Ud =
³
π/2
3π / 2
U 2 sin t dt +
³
π
2π
U1 sin t dt +
³
5π / 2
U1 cos t dt +
3π / 2
³ U 2 cos t
dt = 2U1 − 2 U 2 = 2∆U .
(3)
2π
Таким образом, на выходе интегратора 15 при работе приемника 1 на линейном участке, когда U2=U1 будет присутствовать нулевой сигнал Ud=0. Если приемник излучения будет выходить за пределы линейного
участка, U1≠U2, то на выходе интегратора будет сигнал Ud=2 ∆U, характеризующий отклонение от линейности характеристики преобразования приемника 1. Далее сигнал (3) через согласующий усилитель 16 поступает на второй вход сумматора 7, где складывается с сигналом (2) и таким образом осуществляется
компенсация погрешности измерения информационного оптического сигнала за счет нелинейности характеристики приемника.
При измерениях в реальных условиях температура корпуса прибора практически всегда равняется температуре окружающей среды Тф = Тк, поэтому формулу (1) можно преобразовать к виду
U c = A1 (εT 4 + εTK4 ) .
(4)
Величина сигнала (4) представляет собой суммарное значение сигналов (2) и (3) после интегрирования,
учитывающее компенсацию нелинейности приемника излучения. Коэффициент пропорциональности А1 учитывает также число периодов когерентного накопления в синхродетекторах 4 и 14.
Сигнал с контактного термодатчика 11, измеряющий температуру корпуса прибора, через регулируемый
усилитель 12 поступает на третий вход сумматора 7. Коэффициент передачи усилителя 12 выбирается равным - А1ε, и таким образом в результате сложения с сигналом (4) на выходе сумматора будет сигнал U =
А1εТ4, зависящий только от температуры измеряемого объекта.
Таким образом, использование в устройстве дополнительных синхродетектора, интегратора и согласующего усилителя, а также фазовращателя, сдвигающего тактовую частоту синхродетектора на π/2, позволяет
скомпенсировать нелинейность характеристики преобразования энергии теплового излучения в электрический сигнал, за счет чего повышается точность при измерениях в широком диапазоне температур .
3
BY 3134 C1
Фиг. 2
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
164 Кб
Теги
by3134, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа