Устройство для бесконтактного измерения температуры поверхности

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белоруский государственный университет(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. 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. 3142 1 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 резисторпопадает излучение объекта, произойдет разбаланс моста и на выходе ДУ появится напряжение , характеризующее температуру объекта (фиг. 2 б). При изменении питания моста на противоположное на выходе ДУ появится напряжение -(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 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. 2 а) 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. 2 б) с амплитудой, равной 4 4(1)4(1),где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от чувствительности, крутизны преобразования приемника излучения и др. параметров- коэффициент излучения измеряемого объекта - температура окружающей среды в условиях измерений Т - температура измеряемого объекта- 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. 2 3142 1 Синхродетектор 2 работает таким образом, что коммутирует фазу измеряемого сигнала в соответствии си на интегратор поступают только положительные полупериоды с амплитудой(фиг. 2 в). Выходной сигнал синхродетектора с интегратором за один период интегрирования будет иметь следующий вид где Т - период тактового генератора ш- шумовой сигнал. Как видно из (2), при использовании времени интегрирования впериодов 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.Т, поэтому формулу (1) можно преобразовать к виду 4(3)4. 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 равнымА , и, таким образом, на выходе сумматора будет сигналАТ 4, 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. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4