Устройство для бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел

В статье рассмотрено оригинальное устройство для бесконтактного из­мерения температуры поверхности нагретого тела.

Любая поверхность, температура которой выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. Измерительные приборы, которые могут по этому излучению определять температуру тела, называют пирометрами излучения. Зная законы излучения, температуру излучающей поверхности можно рассчитать по измеренному потоку излучения, приходящемуся на известную площадь приемника (датчика) [1].

Авторами предложено новое устройство бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел, основанное на использовании двух датчиков интенсивности теплового излучения на длинах волн λ1 и λ2 [2]. Функциональная схема пирометра приведена на рисунке.

Пирометр содержит вход (Вх) теплового излучения, два датчика (Д) уровня интенсивности теплового излучения на длинах волн λ1 и λ2 (в пленочном исполнении [3]), расположенные соответственно в фокальной плоскости и на оптической оси входа Вх, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), элемент сравнения (=), три элемента ИЛИ (1), пять групп эле- ментов И (n&), задатчик (ЗД) коэффициента пропорциональности, два арифметических блока (АБ), формирователь переднего фронта импульса (ФИ), элемент И (&), информационные выходы (ИВ) и контрольный выход (КВ).

Задатчиком ЗД устанавливается код значения коэффициента пропорциональности q, зависящего от значений длин волн λ1 и λ2 согласно выражению q=α|λ1-λ2|, где α – постоянный коэффициент размерности. Вход Вх ввода теплового излучения сориентирован на объект О, температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчики Д поступает излучение с поверхности объекта О. Датчики Д, обладая избирательностью для излучений с длинами волн λ1 и λ2 на своих выходах генерируют аналоговые сигналы соответственно U1=f(ελ1) и U2=f(ελ2), пропорциональные интенсивности излучения на этих длинах волн.

Аналого-цифровые преобразователи АЦП преобразуют аналоговые сигналы U1 и U2 в цифровые коды N1=f(U1) и N1=f(U2) соответственно. По результатам сравнения кодов N1 и N2 элемент сравнения (=) генерирует единичный потенциал на первом выходе (1) при N1>N2, на втором (2) – при N1=N2 или на третьем (3) выходе – при N1<N2. Первый арифметический блок (АБ) вычисляет значения кода Nа=N1/N2 или Nа=N2/N1, что соответствует Nа=ελ1/ελ2 или Nа=ελ2/ελ1, где ελ – коэффициент излучения [1].

Функциональная схема пирометра

Код Nз значения коэффициента пропорциональности q (Nз=α|λ1-λ2|) устанавливается задатчиком (ЗД), второй арифметический блок (АБ) вычисляет значения кода температуры NТ поверхности объекта О по выражению NТ=α|λ1-λ2|ελ1/ελ2 или по выражению NТ=NаNз=α|λ2-λ1|ελ2/ελ1 в градусах К. Код значения температуры поверхности объекта поступает на ин- формационные выходы (ИВ) пирометра и может индицироваться на дисплее или использоваться в АСУ ТП для управления технологическим процессом. Кроме того, по коду NТ повторно запрашиваются оба АЦП, что обеспечивает синхронизацию во времени измерения значений температуры поверхности объекта, а на контрольном выходе (KB) при N1>O и N2>0 генерируется высокий потенциал, если чувствительность обоих датчиков Д достаточна для измерения температуры поверхности объекта О. Периодическое появление сигнала на выходе КВ является признаком того, что оба датчика Д реагируют на тепловое излучение объекта О и пирометр готов к измерению температуры. При этом температура поверхности определяется из выражения: Т=qIλ1Т(λ1-λ2)/Iλ2Т или Т=qIλ2Т(λ2-λ1)/Iλ1Т.

При выборе λ1≈0.1 мкм и λ2≈100 мкм в качестве рабочих длин волн область применения пирометра по температурному диапазону находится в пределах от 300…400 до 10 000…15 000 К.

В этом пирометре совмещены достоинства яркостных (по высокой точности измерений), цветовых (по простоте алгоритма обработки исходной информации) и радиационных (по диапазону измеряемых температур) пирометров, а также за счет использования фото-электрических приемников излучения и цифровой об- работки информации повышено быстродействие, упрощена эксплуатация и с их применением может быть обеспечена автоматизация управления технологическими процессами в широком диапазоне температур.