Устройство для бесконтактного измерения температуры

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для бесконтактного измерения температуры, содержащее приемник ИКизлучения на основе балансного моста, соединенный с разделительным конденсатором,который подключен к первому входу синхродетектора с интегратором, выход которого подключен к входу усилителя, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, стабилизированный двухполярный источник питания, соединенный с коммутатором, выходы которого соединены с приемником ИК-излучения, а вход - с тактовым генератором, выход которого соединен со вторым входом синхродетектора, и термодатчик, соединенный через регулируемый усилитель со вторым входом вычислительного блока, отличающееся тем, что входы управления тактового генератора и коммутатора соединены с соответствующими выходами вычислительного блока, при этом балансный мост выполнен с возможностью осуществления раздельного динамического питания каждого из плеч или к выходу опорного плеча балансного моста подключен интегрирующий конденсатор, соединенный с общей шиной питания. 6217 1 Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в системах бесконтактного измерения и автоматического контроля температуры. Известен пирометр 1, содержащий оптическую систему с приемником 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. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пирометр 2, содержащий оптическую систему с приемником ИК-излучения, синхродетектор с интегратором, усилитель, вычислительный блок, термодатчик, регулируемый усилитель, тактовый генератор, стабилизированный двухполярный источник питания, коммутатор, разделительный конденсатор. В 2 используется динамический режим питания балансного моста, в плечо которого включен приемник излучения. Это позволяет получить переменный информационный сигнал, аналогичный сигналу в 1 при использовании механического обтюратора с двигателем, причем в предлагаемом устройстве амплитуда сигнала имеет в два раза большую величину, что обеспечивает более высокую точность измерений. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная погрешностями, связанными с возможной разбалансировкой измерительного моста. Задача изобретения - повышение точности измерений за счет обеспечения возможности контроля правильности балансировки измерительного моста в режиме измерения температуры и учета величины возможной разбалансировки при измерении температуры. Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1, а временные диаграммы,поясняющие его работу, на фиг. 2. Схемы включения приемника излучения представлены на фиг. 3. Устройство содержит приемник ИК излучения 1, синхродетектор с интегратором 2,усилитель 3, вычислительный блок 4, термодатчик 5, регулируемый усилитель 6, тактовый генератор 7, стабилизированный двухполярный источник питания 8, коммутатор 9,разделительный конденсатор 10, интегрирующий конденсатор С (фиг. 3 б). Динамическое питание приемника излучения используется в устройствах, где приемник излучения включается в плечо балансного моста, подключенного к входам дифференциального усилителя. Схемы построения блока приемника ИК излучения 1 представлены на фиг. 3. Такую структуру имеет, например, серийно выпускаемый приемник ИК излучения болометр БП-2. При балансировке моста подстроечным резисторомна входах дифференциального усилителя устанавливаются 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 резисторпопадает оптическое излучение от объекта, изменится его омическое сопротивление и на выходе ДУ появится напряжение , характеризующее температуру объекта (фиг. 2 б). При изменении питания моста на противоположное на выходе ДУ появится напряжение -с (фиг. 2 б). 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,однако амплитуда сигнала будет в два раза больше. Устройство работает следующим образом. В начале производится балансировка моста приемника излучения 1. Тактовая частота генератора 7 (рис. 2 а) управляет коммутатором 9,обеспечивающим динамический режим питания балансного моста приемника излучения 1. При отсутствии входного оптического сигнала на выходе ДУ находится нулевой уровень. При попадании в поле зрения измеряемого объекта на выходе приемника 1 появится сигнал (фиг. 2 б), обусловленный оптическим излучением объекта, с амплитудой, равной 2(1)4(1-)4 - 4 к,где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от чувствительности, крутизны преобразования приемника излучения и др. параметров- коэффициент излучения измеряемого объекта Тос - температура окружающей среды в условиях измерений Т - температура измеряемого объекта Тк - температура корпуса прибора. Далее переменный сигнал с частотой , равной частоте генератора 7, и амплитудой,равной удвоенному значению , через разделительный конденсатор 10 поступает на вход синхродетектора 2. Так как информация о температуре объекта заложена только в переменном сигнале , то для исключения влияния дрейфа нуля дифференциального усилителя и других смещений по постоянному току в устройстве используется разделительный конденсатор 10. Синхродетектор 2 работает таким образом, что коммутирует фазу измеряемого сигнала в соответствии с частотойи на интегратор поступают только положительные полупериоды с амплитудой(фиг. 2 в). При использовании интегрирования запериодов тактового генератора будет происходить когерентное накопление полезного сигнала, при этом шумы будут складываться в противофазе, за счет чего достигается значительное улучшение отношения сигнал/шум. При измерениях в реальных условиях температура корпуса прибора практически всегда равняется температуре окружающей среды ТкТос, поэтому формулу (1) можно преобразовать к виду(2)А (Т 4 - 4 к),Сигнал (2) с учетом числа периодов когерентного накопления в синхродетекторе 2 поступает на первый вход вычислительного блока 4. Сигнал с контактного термодатчика 5, измеряющий температуру корпуса прибора, через регулируемый усилитель 6 поступает на второй вход блока 4. Коэффициент передачи усилителя 6 выбирается равным А и таким образом на выходе усилителя будет равен(3)АТ 4 к В вычислительном блоке 4 сигналы (2), (3) суммируются, и в результате получается сигнал, определяемый только температурой измеряемого объекта. Если вследствие каких либо причин, например, при изменении условий окружающей среды, температуры, влажности, давления, а также при изменении напряжения питания,нагреве при протекании электрического тока и т.п. произошел разбаланс измерительного моста, то в выходном сигнале появится ошибка(фиг. 2,б, в штриховые линии), обусловленная величиной разбаланса. Для измерения величиныпредлагаются два варианта построения системы. В первом варианте (фиг. 3 а) обеспечивается возможность раздельного динамического питания каждого из плеч балансного моста. В режиме измерения температуры напряжения питания обоих плеч совпадают 11, 22 (фиг. 3 а). Затем для измерениядинамическое питание на плечи подается в противофазе 1-1, 2-2. Если разбаланс измерительного моста отсутствует, то величина выходного сигнала синхродетектора 3 не изменится. Если произошел разбаланс моста (на инвертирующем входе дифференциального усилителя появилось напряжение ), то в зависимости от знакавеличина выходного сигнала синхродетектора 3 увеличится или уменьшится на 2. Таким образом, в режиме одинакового питания плеч моста выходной сигнал будет равенс, в режиме противофазного питания- , где- величина сигнала,обусловленная только температурой объекта. Искомый сигнал, обусловленный только температурой объекта, будет равен 6217 1 Сигнал переключения режима питания моста подается с вычислительного блока на вход управления коммутатора 7. Однако не всегда имеется возможность обеспечить раздельное динамическое питание каждого из плеч балансного моста, например в случае гибридно-интегрального исполнения моста. Для измерения величиныв этом случае предлагается второй вариант (фиг. 3 б) решения этой задачи. К выходу опорного плеча балансного моста подключается интегрирующий конденсатор С (фиг. 3 б). С начала используется низкая частота 1 динамического питания моста, удовлетворяющая условию 11/. При этом интегрирующий конденсатор С не будет оказывать влияния на работу системы, так как постоянная времени интегрирующей цепочкибудет значительно меньше периода динамического питания Т,поэтому система будет работать, как описано выше, и выходной сигнал будет равен. Затем сигналом с вычислительного блока тактовый генератор увеличивает частоту динамического питания до уровня 21/. В этом случае итегрирующий конденсатор С будет оказывать влияние на работу системы, интегрируя величину разбаланса , так как постоянная временибудет больше периода динамического питания. Так как в зависимости от полярности питания величина разбаланса может быть илив первый полупериод динамического питания, или - во второй полупериод, то на выходе опорного плеча моста будет среднее интегрированное нулевое значение. Следовательно,выходной сигнал системы в этом режиме будет. Как следует из алгоритма работы,если разбаланс отсутствует (0), то показания вычислительного блока в обоих режимах будут одинаковые. Если разбаланс присутствует, то его величина будет равна разности результатов вычислений в обоих режимах. Таким образом, использование режима раздельного динамического питания обоих плеч балансного моста или использование интегрирующего конденсатора на выходе опорного плеча позволяет производить проверку правильности балансировки измерительного моста, не прерывая процесса непрерывного измерения температуры. При этом определяется величина разбалансировки (если она присутствует), и ее значение учитывается при вычислении температуры. За счет этого достигается повышение точности при непрерывных долговременных измерениях температуры. Источники информации 1. А.с. СССР 1105763, кл.01 5/20, 1984. 2. Патент РБ 3142, кл.01 5/22, 1999. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.