Пирометр

01 21/66 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Скубилин Михаил Демьянович Поляков Вадим Витальевич Скубилин Игорь Михайлович(72) Авторы Скубилин Михаил Демьянович Поляков Вадим Витальевич Скубилин Игорь Михайлович(73) Патентообладатель Скубилин Михаил Демьянович Поляков Вадим Витальевич Скубилин Игорь Михайлович(57) Пирометр, содержащий вход оптической связи, выполненный из материала, прозрачного в рабочем спектральном диапазоне, отличающийся тем, что содержит первый и второй селективные датчики мощности теплового излучения разных длин волн, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), элемент сравнения, первый и второй элементы ИЛИ, группы первых, вторых, третьих, четвертых, пятых и шестых элементов И, первый и второй арифметические блоки, задатчик коэффициента пропорциональности,формирователь переднего фронта импульса, причем первый и второй селективные датчики мощности теплового излучения разных длин волн расположены на оптической оси со входом оптической связи, выходы датчиков соединены с информационными входами первого и второго АЦП соответственно, элемент сравнения соединен первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, первый и второй элементы ИЛИ соединены входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами - с первым выходом элемента сравнения, группа 6285 1 вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами - с вторым выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами - с третьим выходом элемента сравнения, группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами - с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок соединен поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами - поразрядно с выходами второй и третьей групп элементов И, группа пятых элементов И соединена первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами - с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами - поразрядно с выходами первого арифметического блока, второй арифметический блок соединен первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и задатчика коэффициента пропорциональности соответственно, а выходами - поразрядно с группой информационных выходов устройства,третий элемент ИЛИ соединен поразрядно с выходами второго арифметического блока,формирователь переднего фронта импульса соединен входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом - со входами управления первого и второго АЦП, шестой элемент И соединен первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом - с выходом устройства.(56)2149366 1, 2000.3134 1, 1999.3142 1, 1999.2046306 1, 1995.01012235 , 1989.3616505 1, 1987.0216458 1, 1987.55144514 , 1980. 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 пирометр (см.., . , 1959, В. 30,3, . 131-135),содержащий на оптическом входе пирометра поляроид и датчик интенсивности излучения, усилитель постоянного тока и индикатор. Этим пирометром 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. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения). Недостатки известного пирометра ограниченность функциональных возможностей,т.к. известный пирометр применим для измерения температур 1000-2000 С, когда отраженное от образца излучение фона пренебрежимо мало по сравнению с собственным излучением, и невысокие точность и быстродействие за счет влияния субъективного фактора. Известен пирометр (см.С.Р.,Н., , 1962, . 3,, . 483486), содержащий поляроид, с углом поворота в 90 относительно оптической оси, датчик излучения, усилитель и два индикатора. Этот пирометр по измерению отношения двух ортогонально поляризованных компонент излучения поглощающей поверхности под углом 45 к ней с последующим определением соотношения 2, гдеикоэффициенты отражения ортогонально поляризованных компонент теплового излучения 2 6285 1 при углах визирования 45 и 90 Соответственно, позволяет определить (рассчитать) температуру поверхности. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения). Недостатки известного пирометра - использование видимого диапазона спектра, в котором анализируемые объекты (например, металлы) непрозрачны и дают достаточно яркое излучение, по сравнению с которым отраженное поверхностью излучение фона пренебрежимо мало, при углах визирования, отличающихся от 45, допускает нарушение приведенного выше соотношение и, соответственно, оказывается невозможным расчет температуры поверхности, кроме того, из-за субъективного фактора он обеспечивает ограниченную точность измерения в узком диапазоне температур и низкое быстродействие. 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 и пирометр (см. Гордов А.Н., Жугалло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. -М. Наука, 1992, с. 232-243), содержащий расположенные на оси оптического входа оптический фильтр, модулятор излучения, датчик интенсивности излучения, источник эталонного излучения, усилитель, детектор переменной составляющей сигнала с выхода усилителя. Этим пирометром, по результатам приема излучения объекта оптической системой, спектральной фильтрации этого излучения и модуляции,включающей последовательную коммутацию на датчик, с заданной частотой, двух потоков излучения, от объекта и эталонного источника, преобразования в электрический сигнал,его усиления и выделения в этом сигнале переменной составляющей, пропорциональной разности коммутируемых сигналов, по величине (интенсивности) этого сигнала и известным характеристикам эталонного излучения, оператор определяет условную температуру объекта, а истинная температура находится по известной калибровочной зависимости с учетом независимо измеренной температуры стенок реактора или конструктивных элементов технологического оборудования. (Выделенное жирным шрифтом - признаки, присущие предмету изобретения). Недостатками известного пирометра, являются необходимость применения эталонного источника теплового излучения, что существенно увеличивает аппаратурную избыточность пирометра, повышает его габаритно-весовые и энергетический показатели, усложняет эксплуатацию, снижает точность и быстродействие пирометра. Известен, как более близкий по технической сущности к предмету изобретения, пирометр (см. патент 2149366, кл.015/58,0121/66, б. 14, 2000 г.), содержащий вход (канал из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала) оптической связи объекта с пирометром, полосовой фильтр, поляризатор, объектив, диафрагму, датчик (детектор) теплового излучения модулятор, детектор, усилитель, детектор переменной составляющей и индикатор (блок регистрации), в нем полосовой фильтр и датчик расположены на оси оптического входа. Этот пирометр использует прием теплового излучения объекта, спектральную фильтрацию, его модуляцию, детектирование, усиление на частоте модуляции, выделение переменной составляющей, регистрацию излучения под углом от нормали к поверхности излучения равном главному углу падения луча, и выделение в детектируемом сигнале разности ортогонально поляризованных компонент излучения, по которой определяется температура поверхности объекта. (Выделенное жирным шрифтом признаки, присущие предмету изобретения). Недостатки известного пирометра - необходимость модуляции излучения и выделения переменной составляющей детектирования, значительная алгоритмическая сложность определения температуры и, как результат, значительная аппаратурная избыточность, низкая 3 6285 1 надежность в работе и значительная эксплуатационная сложность. Кроме того, известный пирометр обладает общим недостатком, состоящим в критичности к углам визирования,расстоянию от объекта до приемника излучений, неприменимостью для измерения температуры в широком, от сотен до десятков тысяч градусов по Цельсию, диапазоне температур, низкими точностью и быстродействием. Задача изобретения - расширение функциональных возможностей пирометра за счет обеспечения измерения температуры при нефиксированных углах визирования и расстояниях между объектом, температура поверхности которого измеряется, и датчиками пирометра,повышение точности, исключение субъективизма в результатах измерения и снижение инерционности. Технический результат достигается тем, что в пирометр, содержащий вход, из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала, оптической связи и датчик излучения нагретого тела, расположенный на оптической оси с входом, введены, взамен датчика излучения нагретого тела, первый и второй селективные датчики мощности теплового излучения разных длин волн, расположенные на оптической оси с входом, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами первого и второго датчиков соответственно, элемент сравнения, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого и второго датчиков соответственно, первый и второй элементы ИЛИ, соединенные входами поразрядно с выходами первого и второго АЦП соответственно, группы первых, вторых, третьих и четвертых элементов И, причем группа первых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, группа вторых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с вторым выходом элемента сравнения, группа третьих элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами первого АЦП, а вторыми входами с вторым выходом элемента сравнения, и группа четвертых элементов И первыми входами соединена поразрядно с выходами второго АЦП, а вторыми входами с первым выходом элемента сравнения, первый арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами групп первых и четвертых элементов И, а вторыми входами поразрядно с выходами групп вторых и третьих элементов И, группа пятых элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго элемента ИЛИ, а третьими входами поразрядно с выходами первого арифметического блока, задатчик коэффициента пропорциональности, второй арифметический блок, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами группы пятых элементов И и задатчика соответственно, а выходами поразрядно с первым,многоразрядным, выходом пирометра, третий элемент ИЛИ, соединенный входами поразрядно с выходами второго арифметического блока, формирователь переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего элемента ИЛИ, а выходом со входами управления первого и второго АЦП, и шестой элемент И, соединенный первым и вторым входами с выходами первого и второго элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра. Схема пирометра приведена на фиг. 1. Пирометр содержит вход 1 теплового излучения, первый 2 и второй 3 селективные датчики мощности теплового излучения разных длин 1 и 2 волн соответственно, первый 4 и второй 5 аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соединенные информационными входами с выходами датчиков 2 и 3 соответственно, элемент сравнения 6, соединенный первыми и вторыми входами поразрядно с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, первый 7 и второй 8 элементы ИЛИ, соединенные входами с выходами первого 4 и второго 5 АЦП соответственно, группу первых 9, вторых 10, третьих 11 и четвертых 12 элементов И, первые входы группы первых 9 и группы третьих 11 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 4, первые входы группы вторых 10 и группы четвертых 12 4 6285 1 элементов И поразрядно соединены с выходами АЦП 5, вторые входы групп 9 и 12 элементов И соединены с первым выходом элемента 6 сравнения, вторые входы групп 10 и 11 элементов И соединены с вторым выходом элемента 6 сравнения, первый 13 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми входами с выходами первых 9 и четвертых 12 элементов И, а его вторые входы поразрядно соединены с выходами групп вторых 10 и третьих 11 элементов И, группу пятых 14 элементов И, соединенных первыми входами с выходом первого 7 элемента ИЛИ, вторыми входами с выходом второго 8 элемента ИЛИ,а третьими входами поразрядно с выходами первого 13 арифметического блока, задатчик 15 коэффициента пропорциональности, второй 16 арифметический блок, соединенный поразрядно первыми и вторыми входами с выходами группы пятых 14 элементов И и задатчика 15 соответственно, а выходами с первым, многоразрядным, выходом 17 пирометра,третий 18 элемент ИЛИ, соединенный входами с выходами второго 16 арифметического блока, формирователь 19 переднего фронта импульса, соединенный входом с выходом третьего 18 элемента ИЛИ, а выходом со входами управления АЦП 4 и 5, и шестой 20 элемент И, соединенный входами с выходами первого 7 и второго 8 элементов ИЛИ, а выходом со вторым выходом пирометра. Пирометр работает следующим образом. Задатчиком 15 устанавливается код значения коэффициентапропорциональности,зависящего от значений длин волн 1 и 2 по 1-2, где- постоянный коэффициент размерности, вход 1 теплового излучения устанавливается в направлении на объект О,температура поверхности которого подлежит измерению, при этом на датчики 2 и 3 по входу 1 поступает излучение с поверхности объекта О. Датчики 2 и 3, обладая избирательностью на излучения с 1 и 2 соответственно, на своих выходах генерируют аналоговые сигналы 2(1) и 3(2), а АЦП 4 и 5 преобразуют аналоговые сигналы 2 и 3 в цифровые коды 4(2) и 5(3) соответственно. По результатам сравнения кодов 4 и 5 на первом выходе элемента 6 сравнения генерируется единичный потенциал при 45, а на втором выходе элемента 6 сравнения генерируется высокий потенциал, при 45. На выходах элементов 7 и 8 ИЛИ устанавливаются высокие (единичные) потенциалы тогда и только тогда, когда 40 и 50. Высоким (единичным) потенциалом с первого выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 9 и 12 элементов И, а высоким (единичным) потенциалом с второго выхода элемента 6 сравнения по вторым входам открываются группы 10 и 11 элементов И, при этом содержимое выходов АЦП 4 (4) и АЦП 5 (5) поступает на первые и вторые, или на вторые и первые, соответственно, входы первого 13 арифметического блока, который определяет коды значений 134/5 или 135/4, что однозначно соответствует 131/2 или 132/1. Код 13 поступает на третьи входы группы 14 элементов И, которые открываются при единичных потенциалах на первых и вторых их входах. Содержимое выходов первого 13 арифметического блока 13 через группу 14 элементов И поступает на первые входы второго 16 арифметического блока, на вторые входы которого поступает код 15 значения коэффициентапропорциональности (151-2), при этом на выходах арифметического блока 16 генерируется код 16 пропорциональный 1613151-21/2 или 1-22/1 в градусах К. Этот код поступает на первый, многоразрядный, выход 17 пирометра и может индицироваться дисплеем или использоваться в технологических нуждах для управления технологическим процессом. Кроме того, содержимое выходов арифметического блока 16 16 через третий 18 элемент ИЛИ поступает на формирователь 19 переднего фронта импульса, коротким импульсом высокого потенциала с выхода формирователя 19 повторно запрашиваются АЦП 4 и АЦП 5, что обеспечивает синхронизацию во времени отсчетов значений 16 в градусах К, кроме того, элемент И 20 на своем выходе генерирует высокий потенциал при 40 и 50, т.е. когда чувствительность датчиков 2 и 3 и мощность падающих на них тепловых излучений от объекта О достаточны 5 6285 1 для измерения температуры объекта О, этот сигнал с выхода элемента И 20 поступает на выход 21 пирометра и может служить признаком приемлемой наводки оптического входа 1 пирометра на объект О, т.е. при периодическом появлении сигнала на выходе 21 оба датчика (2 и 3) реагируют на тепловое излучение объекта О и пирометр способен (или готов) к выполнению функционального назначения. Известно, что лучеиспускательная способность нагретого тела ЕТ при температуре Т по закону Кирхгофа определяется из ЕТАТТ, где АТ - его поглощательная способность, а Т - величина постоянная при данной температуре для всех тел мощность излученияпо закону Стефана-Больцмана определяется изТ 4, где- постоянная Больцмана наибольшая излучательная способность приходится на определенную длину волны , для которой по закону смещения Вина справедливо соотношение,где- постоянная величина и излучательная способность тела определяется по формуле Планка, как 22/5//, где с - скорость света в вакууме,- длина волны,постоянная Больцмана,- постоянная Планка,- коэффициент пропорциональности. Тогда, поскольку значенияне зависят ни от угла визирования, ни от расстояния от объекта до приемника излучений, в пределах чувствительности приемников, показания пирометра остаются справедливыми и стабильными в широком диапазоне углов визирования и расстояний между объектом и приемниками излучений. Кроме расширения функциональных возможностей пирометр, 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 пирометра по температурному диапазону простирается от 300400 К до 1000015000 К. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.