close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6044

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6044
(13) C1
(19)
7
(51) G 01J 5/58,
(12)
H 01L 21/66
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
(21) Номер заявки: a 20001120
(22) 2000.12.19
(46) 2004.03.30
(71) Заявители: Скубилин Михаил Демьянович; Письменов Дмитрий Александрович (RU)
(72) Авторы: Скубилин Михаил Демьянович; Письменов Дмитрий Александрович (RU)
(73) Патентообладатели: Скубилин Михаил
Демьянович; Письменов Дмитрий Александрович (RU)
(57)
Способ дистанционного измерения температуры, включающий прием и спектральную
фильтрацию теплового излучения объекта, отличающийся тем, что осуществляют измерение интенсивности излучений на двух отличающихся фиксированных длинах волн, а
температуру объекта определяют по отношению разности измеренных интенсивностей к
разности этих длин волн.
BY 6044 C1
(56)
RU 2149366 C1, 1998.
RU 98107404 A, 2000.
RU 2086935 C1, 1997.
SU 1717976 A1, 1988.
SU 1563361 A2, 1994.
JP 07159246 A, 1995.
US 4498765 C1, 1985.
DE 4110535 A1, 1991.
Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике,
а в частности к средствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых
тел, в т.ч. полупроводниковых пластин в технологических установках, изделий из металлов, керамики, пластмасс при их термообработке, расплавов металлов в металлургии.
Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе)
(Pepperhof W., Arch. Eisehuttenwes, 1959, В. 30, № 3, p. 131-135), заключающийся в том,
что излучение поверхности регистрируют под углом визирования 80° от нормали к поверхности излучения. В излучении выделяется компонента, поляризованная в плоскости
наблюдения, и по интенсивности излучения этой компоненты определяется температура
поверхности.
Известные способ и пирометр применимы для измерения температур в интервале
1000-2000 °С, когда отраженное от образца излучение фона пренебрежимо мало по сравнению с собственным излучением.
BY 6044 C1
Известен способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе)
(Tingwaldt C.P., Magdeburg H., TMCSI, 1962, v. 3, part 1, p. 483 -486), заключающийся в
измерении отношения двух ортогонально поляризованных компонент излучения поглощающей поверхности под углом 45° к ней. При этом выполняется соотношение
Rq(λ) = Rk2(λ), где Rq(λ) и Rk(λ) - коэффициенты отражения ортогонально поляризованных
компонент теплового излучения при углах визирования q = 45° и k = 90° соответственно,
что позволяет определить (рассчитать) температуру поверхности.
В данном способе, как и в предыдущем, используется видимый диапазон спектра, в
котором анализируемые объекты (например, металлы) непрозрачны и дают достаточно
яркое излучение, по сравнению с которым отраженное поверхностью излучение фона
пренебрежимо мало. Кроме того, при углах визирования, отличающихся от 45°, нарушается приведенное выше соотношение и, соответственно, оказывается невозможным расчет
температуры поверхности.
В диапазоне температур поверхности объектов 0÷650 °С, которые используются в
технологических установках осаждения и эпитаксии, видимые диапазоны излучений неприменимы из-за недостаточной яркости излучения, а в среднем инфракрасном диапазоне
излучение фона (конструкции оборудования, стенок реактора), отраженное поверхностью
объекта, сопоставимо с собственным излучением объекта и вносит существенную погрешность в измерения.
Известен способ дистанционного измерения температуры поверхности объектов (и
пирометр на его основе) (Гордов А.Н., Жугалло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. - М.: Наука, 1992. - С. 232-243), состоящий в приеме излучения объекта оптической системой пирометра, спектральной фильтрации этого излучения и модуляции, включающей последовательную коммутацию на датчик (детектор, приемник излучений) с заданной частотой двух потоков излучения - от объекта и эталонного источника,
преобразовании в электрический сигнал, его усилении и выделении в этом сигнале переменной составляющей, пропорциональной разности коммутируемых сигналов, по величине (интенсивности) этого сигнала и известным характеристикам эталонного излучения определяется условная температура объекта, а истинная температура находится по известной калибровочной зависимости с учетом независимо измеренной температуры стенок
реактора или конструктивных элементов технологического оборудования.
Недостатком известного способа, и пирометра, является необходимость применения
эталонного источника теплового излучения, что существенно увеличивает аппаратурную
избыточность пирометра, повышает его габаритно-весовые и энергетический показатели,
усложняет эксплуатацию.
Известны, как более близкие по технической сущности к предмету изобретения, способ бесконтактного измерения температуры (и пирометр на его основе) (патент RU
2149366, МПК G 01J 5/58, Н 01L 21/66, 2000), использующий прием теплового излучения
объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте
модуляции, выделение переменной составляющей, регистрацию излучения под углом к
нормали к поверхности излучения, равном главному углу падения луча, и выделении в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по
которой определяют температуру поверхности объекта.
Недостатки известного способа - необходимость поляризации излучения, его модуляции и детектирования, значительная алгоритмическая сложность определения температуры и, как результат, значительная аппаратурная избыточность, низкая надежность в работе и значительная эксплуатационная сложность.
Кроме того, известные способы бесконтактного измерения температуры и пирометры
обладают общим недостатком, состоящим в критичности к углам визирования, расстоя2
BY 6044 C1
нию от объекта до приемника излучений, неприменимостью для измерения температуры в
широком, от сотен до десятков тысяч градусов по Цельсию, диапазоне температур.
Известно, что лучеиспускательная способность нагретого тела ЕλТ при температуре Т
по закону Кирхгофа определяется из Еλт = АλТελТ, где АλТ - его поглощательная способность, a ελТ - величина, постоянная при данной температуре для всех тел; мощность излучения ε по закону Стефана-Больцмана определяется из ε = σT4, где σ - постоянная Больцмана; наибольшая излучательная способность приходится на определенную длину волны
λmах, для которой по закону смещения Вина справедливо соотношение λmax T = d, где d постоянная величина; и излучательная способность тела определяется по формуле Планка
как ελТ = 2bπс2/λ5 = bh/ehc/kλT, где с - скорость света в вакууме, λ - длина волны, k - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка, a b - коэффициент пропорциональности. Тогда,
поскольку значения ελT не зависят ни от угла визирования, ни от расстояния от объекта до
приемника излучений, в пределах чувствительности приемников, показания пирометра по
отношению разности измеренных интенсивностей тепловых излучений на двух фиксированных длинах волн к разности этих длин волн остаются справедливыми и стабильными в
широком диапазоне углов визирования и расстояний между объектом и приемниками излучений.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей пирометра на основе приведенного выше способа за счет обеспечения измерения температуры при нефиксированных углах визирования и расстояниях между объектом, температура поверхности
которого измеряется, и датчиками пирометра.
Технический результат достигается тем, что способ дистанционного измерения температуры, включающий прием и спектральную фильтрацию теплового излучения, предписывает измерение интенсивности излучений на двух отличающихся фиксированных длинах волн, а температура объекта определяется по отношению разности измеренных
интенсивностей к разности длин этих волн.
В пирометре, работающем по "способу дистанционного измерения температуры", устанавливается код значения коэффициента q пропорциональности, зависящего от значений длин волн λ1 и λ2, по q = α λ1 − λ 2 , где α - постоянный коэффициент размерности,
вход приемника теплового излучения устанавливается в направлении на объект, температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчики приемника тепловых излучений поступает излучение с поверхности объекта. Датчики, обладая избирательностью на излучения с длинами волн λ1 и λ2 соответственно, на своих выходах
генерируют аналоговые сигналы U1 = f(ελ1) и U2 = f(ελ2) соответственно, аналоговые сигналы U1 и U2 преобразуются АЦП в цифровые коды N3 = f(U1) и N4 = f(U2) соответственно. По результатам сравнения, элементом сравнения, кодов N3 и N4 на первом его выходе
генерируется единичный потенциал при N3 > N4, на втором его выходе генерируется высокий потенциал при N3 = N4, а на третьем его выходе генерируется единичный (высокий)
потенциал при N3 < N4. Первым арифметическим блоком определяются коды значений
N5 = N3/N4 = ελ1/ελ2 или N5 = N4/N3 = ελ2/ελ1. Содержимое выходов первого арифметического блока поступает на первые входы второго арифметического блока, на вторые входы которого поступает код N6 значения коэффициента q пропорциональности
(N 6 = α N ελ1 − N ελ 2 ) , при этом на выходах второго арифметического блока генерируется
код N7 ( N 7 = N 5 N 6 = α λ1 − λ 2 ε λ1 / ε λ 2 или N 7 = α λ1 − λ 2 ε λ 2 / ε λ1 ) в градусах К. Этот
код поступает на выходы пирометра и может индицироваться дисплеем или использоваться в технологических нуждах для управления технологическим процессом. Передним
фронтом содержимого выходов второго арифметического блока обеспечивается синхронизация отсчетов значений температуры объекта при изменениях температуры объекта.
3
BY 6044 C1
Кроме того, пирометр по описанному выше "способу дистанционного измерения температуры" генерирует информацию, на соответствующем индикаторе, о достаточной чувствительности приемника тепловых излучений (датчиков) и мощности падающих на них
тепловых излучений от объекта для измерения его температуры, этот сигнал может служить признаком приемлемой наводки оптического входа пирометра на объект, т.е. признаком способности (или готовности) пирометра к выполнению его функционального назначения.
Кроме расширения функциональных возможностей способ (и пирометр - устройство
для бесконтактного измерения температуры), за счет использования фотоэлектрических
преобразователей тепловых излучений в электрические сигналы, обеспечивает исключение субъективизма, а за счет цифровой обработки информации, повышение точности измерений и возможность его использования в автоматических средствах сбора информации
о состоянии объектов в широком диапазоне их динамичности по параметру температуры,
а также в автоматических дистанционных средствах управления (регулирования) технологическими процессами. А если еще учесть возможность использования в качестве
рабочих длин волн их ультрафиолетовые и инфракрасные области, то область применения способа (и пирометра) по температурному диапазону простирается от 300÷400 К до
10000÷15000 К.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
140 Кб
Теги
by6044, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа