close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 03142

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3142
(13)
C1
(51)
(12)
6
G 01J 5/22
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
ПОВЕРХНОСТИ
(21) Номер заявки: 960481
(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: Белоруский
государственный университет (BY)
(57)
Устройство для бесконтактного измерения температуры поверхности, содержащее приемник ИКизлучения, синхронный детектор, усилитель, сумматор, коммутатор и термодатчик, отличающееся тем, что
в него введены стабилизированный двухполярный источник питания, тактовый генератор, регулируемый
усилитель и разделительный конденсатор, включенный между приемником ИК-излучения и синхронным детектором, при этом синхронный детектор выполнен совместно с интегратором и соединен через усилитель с
первым входом сумматора, ко второму входу которого через регулируемый усилитель подключен термодатчик, первый выход тактового генератора соединен с синхровходом синхронного детектора, а второй - с первым входом коммутатора, второй и третий входы которого связаны с первым и вторым выходами стабилизированного двухполярного источника питания, а первый и второй выходы подключены к соответствующим
входам питания приемника ИК-излучения.
(56)
1. А. с. СССР 1365868, МПК G01J 5/00, 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 температуры.
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 по
постоянному току, в связи с чем снижается отношение сигнал/шум и невозможно применение оптимальных
методов обработки, повышающих отношение сигнал/шум.
BY 3142 C1
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пирометр [2], содержащий оптическую систему с приемником ИК-излучения, обтюратор, двигатель, оптронную пару, термодатчик температуры окружающей среды, синхродетектор с интегратором, сумматор.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, большие габаритные размеры и большое
энергопотребление, обусловленные использованием механического обтюратора, электродвигателя и оптронной пары.
Задачи изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции прибора. Решение поставленных задач позволит использовать предлагаемое изобретение при создании миниатюрных бесконтактных измерителей температуры в гибридно-интегральном исполнении с минимальным энергопотреблением и
расширенными функциональными возможностями.
Поставленные задачи решаются путем того, что в устройство [2], содержащее последовательно соединенные приемник ИК-излучения, синхродетектор, усилитель, сумматор, а также коммутатор и термодатчик,
вводятся стабилизированный двухполярный источник питания, тактовый генератор, регулируемый усилитель и разделительный конденсатор, включенный между приемником излучения и синхродетектором, при
этом синхродетектор выполнен совместно с интегратором и соединен через усилитель с первым входом
сумматора, ко второму входу которого через регулируемый усилитель подключен термодатчик, первый выход тактового генератора соединен с синхровходом синхродетектора, а второй - с первым входом коммутатора, второй и третий входы которого связаны с первым и вторым выходами стабилизированного двухполярного источника питания, а первый и второй выходы соединены со входами питания приемника
излучения.
Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1, а временные диаграммы, поясняющие его работу, - на фиг. 2. Схема включения приемника излучения представлена на фиг. 3.
Устройство содержит приемник ИК-излучения 1, синхродетектор с интегратором 2, усилитель 3, сумматор 4, термодатчик 5, регулируемый усилитель 6, тактовый генератор 7, стабилизированный двухполярный
источник питания 8, коммутатор 9, разделительный конденсатор 10.
Наиболее целесообразно использовать предлагаемое изобретение в устройствах, где приемник излучения
включается в плечо балансного моста, подключенного ко входам дифференциального усилителя. Схема построения такого блока 1 представлена на фиг. 3. Такую структуру имеет, например, серийно выпускаемый
приемник ИК-излучения болометр БП-2. При балансировке моста на входах дифференциального усилителя
находятся нулевые уровни, и на выходе, соответственно, также "ноль". Если поменять питание резистивного
балансного моста (БМ) на противоположное (при этом питание дифференциального усилителя (ДУ) остается
неизменным), разбаланса моста не произойдет и на выходе ДУ будет также "ноль". Если же на фоточувствительный резистор Rt попадает излучение объекта, произойдет разбаланс моста и на выходе ДУ появится напряжение Uc, характеризующее температуру объекта (фиг. 2б). При изменении питания моста на противоположное на выходе ДУ появится напряжение - Uc (фиг. 2б). Таким образом, при периодическом изменении
напряжения питания БМ на противоположное на его выходе будет переменный сигнал с амплитудой, характеризующей температуру измеряемого объекта. Динамический режим питания балансного моста позволяет
получить переменный электрический сигнал, пропорциональный температуре объекта, аналогичный сигналу
с использованием механического обтюратора в прототипе [2], однако в предлагаемом изобретении амплитуда сигнала будет в два раза больше.
Устройство работает следующим образом. В начале производится балансировка моста приемника излучения 1 при закрытой крышке приемного объектива, причем для повышения точности измерений термодатчик устанавливается прямо на крышке объектива. Тактовая частота генератора 7 (фиг. 2а) управляет коммутатором 9, обеспечивающим динамический режим питания балансного моста приемника излучения 1. При
отсутствии входного сигнала разбаланса моста не происходит. При попадании в поле зрения измеряемого
объекта произойдет разбаланс моста и на выходе приемника 1 появится сигнал (фиг. 2б) с амплитудой, равной
(1)
U c = A εT 4 + (1 − ε )To4.c. − Tk4 ,
где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от чувствительности, крутизны преобразования
приемника излучения и др. параметров;
ε - коэффициент излучения измеряемого объекта;
(
)
To.c. - температура окружающей среды в условиях измерений;
Т - температура измеряемого объекта;
Tk- температура корпуса прибора.
Далее переменный сигнал с частотой ft, равной частоте генератора 7, и амплитудой, равной удвоенному
значению Uc, через разделительный конденсатор 10 поступает на вход синхродетектора 2. Так как информация о температуре объекта заложена только в переменном сигнале Uc, то для исключения влияния дрейфа
нуля дифференциального усилителя и других смещений по постоянному току в устройстве используется разделительный конденсатор 10.
2
BY 3142 C1
Синхродетектор 2 работает таким образом, что коммутирует фазу измеряемого сигнала в соответствии с
ft и на интегратор поступают только положительные полупериоды с амплитудой Uc (фиг. 2в). Выходной сигнал синхродетектора с интегратором за один период интегрирования будет иметь следующий вид:
T/2
U=
³
T
U c dt −
o
T/2
T/2
= U cT +
T/2
³ (− U c )dt + ³
³
U ш (t )dt −
o
U ш (t )dt −
o
T
³ U ш (t )dt =
T/2
(2)
T
³ Uш (t )dt
,
T/2
где Т - период тактового генератора;
Uш- шумовой сигнал.
Как видно из (2), при использовании времени интегрирования в N периодов тактового генератора, будет
происходить когерентное накопление полезного сигнала, при этом шумы будут складываться в противофазе,
за счет чего достигается значительное улучшение отношения сигнал/шум и вклад шумовых членов в формуле (2) становится пренебрежимо малым.
При измерениях в реальных условиях температура корпуса прибора практически всегда равняется температуре окружающей среды То.с.=Тk, поэтому формулу (1) можно преобразовать к виду:
(3)
U c = A εT 4 + εTk4 .
Сигнал (3) с учетом числа периодов когерентного накопления в синхродетекторе 2 поступает на первый
вход сумматора 4.
Сигнал с контактного термодатчика 5, измеряющий температуру корпуса прибора, через регулируемый усилитель 6 поступает на второй вход сумматора 4. Коэффициент передачи усилителя 6 выбирается равным – А ε, и, таким образом, на выходе сумматора будет сигнал Uc=N А ε Т4, зависящий только от температуры измеряемого объекта.
Таким образом, использование динамического режима питания балансного моста в приемнике излучения
позволяет получить переменный информационный сигнал, аналогичный сигналу в прототипе [2] при использовании механического обтюратора с двигателем, причем в предлагаемом устройстве амплитуда сигнала
имеет в два раза большую величину. Это дает следующие преимущества заявляемого устройства перед известными:
по сравнению с [1], где обработка сигнала производится по постоянному току, в предлагаемом изобретении сигнал обрабатывается на переменном токе, что позволяет использовать оптимальные методы, в частности синхронное детектирование и когерентное накопление, значительно улучшающие отношение сигнал/шум, повышающие чувствительность и точность измерений прибора;
по сравнению с прототипом [2] значительно упрощается конструкция и уменьшаются габаритные размеры прибора, а также уменьшается энергопотребление за счет исключения механического обтюратора, двигателя с тахогенератором, светодиода и фотодиода. Это позволит использовать предлагаемое изобретение при
разработке и создании миниатюрных бесконтактных измерителей температуры в гибридно-интегральном
исполнении;
кроме того, по сравнению с [2] заявляемое устройство имеет более высокую точность измерений, обусловленную тем, что в прототипе [2] невозможно точно измерить температуру вращающегося обтюратора,
которая может изменяться вследствие трения, нагрева измеряемым источником и др., и она только приблизительно считается равной температуре корпуса. В заявляемом устройстве температура крышки объектива,
при балансировке приемника излучения, определяется с более высокой точностью, соответствующей погрешности измерений термодатчика.
(
)
3
BY 3142 C1
Фиг. 2
Фиг. 3
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
142 Кб
Теги
03142, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа