Фотоэмиссионный пирометр для измерения температуры поверхности нагретого тела

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ФОТОЭМИССИОННЫЙ ПИРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕТОГО ТЕЛА(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белявин Климентий Евгеньевич Минько Дмитрий Вацлавович Кузнечик Олег Ольгердович Каспаров Константин Николаевич Краснобаев Александр Борисович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Фотоэмиссионный пирометр для измерения температуры поверхности нагретого тела, содержащий установленный внутри светонепроницаемой камеры фотоэлектронный умножитель с фотокатодом, модулятором и анодом, оптически связанную с фотокатодом систему фокусировки излучения поверхности исследуемого тела, генератор тактовых импульсов, формирователь видеоимпульсов, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход - к модулятору фотоэлектронного умножителя, устройство 10993 1 2008.08.30 преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, содержащее аналого-цифровой преобразователь, а также оперативное запоминающее устройство и усилитель анодного тока, вход которого соединен с анодом фотоэлектронного умножителя, а выход - с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что содержит контроллер устройства преобразования аналоговых сигналов, цифровой вход которого соединен с цифровым выходом оперативного запоминающего устройства, а выходы управления - с входом управления аналого-цифрового преобразователя, соединенного с оперативным запоминающим устройством, и с входом управления оперативного запоминающего устройства соответственно, связываемый с поверхностью исследуемого тела фотодиод, соединенный входом с источником постоянного стабилизированного напряжения,а выходом - с усилителем тока фотодиода, соединенным выходом с одним входом порогового устройства, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с одним из входов устройства логического умножения двух независимых величин, второй вход которого соединен с выходом генератора частоты дискретизации, а выход - со входами тактовой частоты аналого-цифрового преобразователя и оперативного запоминающего устройства, а также персональный компьютер, цифровой выход управления и обмена данными с внешними устройствами которого соединен с входом пересылки данных контроллера, при этом светонепроницаемая камера содержит регулируемую диафрагму, установленную перед фотокатодом фотоэлектронного умножителя. 2. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическая система фокусировки содержит фокусирующее устройство, нейтральный клиновидный светофильтр и установленный между ними револьверный барабан с плоскими нейтральными светофильтрами. 3. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что стенки светонепроницаемой камеры выполнены из материала, частично экранирующего магнитное поле случайных источников. 4. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что формирователь видеоимпульсов содержит светодиод, вход и выход которого подключены к выходу генератора тактовой частоты, и установленный напротив светодиода фотодиод, вход и выход которого подключены к усилителю-формирователю прямоугольных видеоимпульсов. 5. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что аналого-цифровой преобразователь устройства преобразования аналоговых сигналов выполнен с возможностью преобразования аналогового сигнала в параллельный цифровой код. 6. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что оперативное запоминающее устройство содержит электронную память, выполненную с возможностью последовательного запоминания цифровых кодов в определенных ячейках, представляющих собой регистры. Изобретение относится к измерительным приборам для измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения в быстропротекающих высокотемпературных процессах. Известно устройство для измерения температуры 1, включающее оптическую систему фокусировки, светонепроницаемую камеру с регулируемой диафрагмой для исключения попадания излучения от случайных источников света, фотоэлектронный умножитель(ФЭУ) с фотокатодом, модулятором и анодом для преобразования теплового излучения в анодный ток ФЭУ, установленный в светонепроницаемую камеру так, что фотокатод расположен за регулируемой диафрагмой, при этом анод ФЭУ соединен с усилителем анодного тока, формирователь видеоимпульсов, выполненный в виде электронного ключа и обеспечивающий вместе с модулятором модуляцию анодного тока ФЭУ, схемы для регистрации немодулированного и модулированного значений анодного тока ФЭУ. С помощью известного устройства можно в интервале времени 10-6 с регистрировать одиночные немодулированные и модулированные сигналы с анода ФЭУ, появляющиеся при измерении теплового излучения нагретых тел. 2 10993 1 2008.08.30 Недостатком этого устройства является то, что в нем отсутствуют возможности выполнять вычисления, с помощью которых можно рассчитать температуру автоматически отображать и запоминать результаты вычислений использовать устройства, с помощью которых можно автоматизировать процесс вычисления температуры по результатам регистрации немодулированных и модулированных сигналов с анода ФЭУ. Вышеуказанные недостатки делают процесс определения динамики изменения температуры поверхности нагретых тел с использованием известного устройства трудоемким. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является фотоэмиссионный пирометр для измерения температуры поверхности нагретого тела 2, который содержит оптическую систему фокусировки, светонепроницаемую камеру с регулируемой диафрагмой для исключения попадания излучения от случайных источников света, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с фотокатодом, модулятором и анодом для преобразования теплового излучения в анодный ток ФЭУ, установленный в светонепроницаемую камеру так, что фотокатод расположен за регулируемой диафрагмой, при этом анод ФЭУ соединен с усилителем анодного тока, формирователь видеоимпульсов, генератор тактовых импульсов, формирователь видеосигналов, устройства выборки и хранения (УВХ), цифровые вольтметры, включающие устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, а также устройства для синхронизации включения УВХ и цифровых вольтметров. Устройство преобразования аналоговых сигналов в цифровой код содержит аналогоцифровой преобразователь (АЦП) последовательного (как правило, используется несколько электрических импульсов от генератора частоты дискретизации) приближения аналоговых сигналов в цифровой код, генератор частоты дискретизации и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В известном устройстве время преобразования АЦП зависит от частоты дискретизации и величины сигнала с анода ФЭУ, поэтому оно превышает 10-6 с. Однако использование в конструкции известного устройства двух УВХ позволяет регистрировать температурное излучение поверхности нагретых тел в интервале времени 10-6 с за один акт измерения. Отсутствие в известном устройстве возможностей осуществлять координацию работы АЦП и ОЗУ в процессе определения динамики измерения теплового излучения определение момента начала процесса измерения после превышения минимально допустимого значения теплового излучения пересылку данных (цифровых кодов) из ОЗУ в вычислительное устройство для расчета температуры теплового излучения графическое отображение получаемых данных делают это устройство пригодным только для измерения и регистрации одного немодулированного и одного модулированного сигналов с анода ФЭУ, усиленных с помощью аналоговых усилителей анодного тока. Отсутствие в фокусирующей системе известного устройства нейтральных светофильтров ограничивает точность регулировки потока теплового излучения на фотокатод ФЭУ, что из-за возможного насыщения и возбуждения усилителя анодного тока ФЭУ в процессе измерений ограничивает устойчивость к возбуждению известного устройства. Использование электрических связей для передачи электрического сигнала от формирователя видеоимпульса на модулятор ФЭУ может привести к высоковольтному пробою изоляции, что в итоге ограничивает надежность известного устройства в целом. В ОЗУ известного устройства используется регистр данных, способный запоминать только одно значение цифрового кода, полученного с помощью АЦП. По этой причине известный фотоэмиссионный пирометр не может зарегистрировать несколько значений сигналов с анода ФЭУ, усиленных с помощью аналогового усилителя анодного тока. 3 10993 1 2008.08.30 В конструкции светонепроницаемой камеры известного устройства не предусмотрен материал, способный поглощать не только световые, но и магнитные излучения от случайных источников, что снижает чувствительность ФЭУ и известного устройства в целом. Вышеуказанные недостатки ограничивают чувствительность и надежность работы известного устройства, снижают устойчивость его к возбуждению и делают процесс измерения теплового излучения и определения динамики изменения температуры поверхности нагретого тела трудоемким, т.к. из-за вышеуказанных недостатков регистрация изменения теплового излучения поверхности нагретого тела с помощью известного устройства производится на основе многократного повторения эксперимента, в ходе выполнения которого за счет использования схем задержки электрического сигнала сдвигался момент начала измерения температуры теплового излучения относительно момента начала быстропротекающего высокотемпературного процесса. Температура процесса и динамика ее изменения определяется путем многократного выполнения расчетов с использованием одного и того же алгоритма 2. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании фотоэмиссионного пирометра с улучшенной чувствительностью, повышенной устойчивостью к возбуждению, надежностью работы, способного снизить трудоемкость измерения теплового излучения и определения динамики изменения температуры поверхности нагретых тел в быстропротекающих высокотемпературных процессах. Технический результат достигается тем, что фотоэмиссионный пирометр для измерения температуры поверхности нагретого тела, содержащий установленный внутри светонепроницаемой камеры фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с фотокатодом, модулятором и анодом, оптически связанную с фотокатодом систему фокусировки излучения поверхности исследуемого тела, генератор тактовых импульсов, формирователь видеоимпульсов,вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход - к модулятору ФЭУ, устройство преобразования аналоговых сигналов в цифровой код, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и усилитель анодного тока, вход которого соединен с анодом ФЭУ, а выход - с аналоговым входом АЦП, дополнительно содержит контроллер устройства преобразования аналоговых сигналов, цифровой вход которого соединен с цифровым выходом ОЗУ, а выходы управления - с входом управления АЦП, соединенного с ОЗУ, и с входом управления ОЗУ соответственно, связываемый с поверхностью исследуемого тела фотодиод,соединенный входом с источником постоянного стабилизированного напряжения, а выходом - с усилителем тока фотодиода, соединенным выходом с одним из входов порогового устройства, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с одним из входов устройства логического умножения двух независимых величин,второй вход которого соединен с выходом генератора частоты дискретизации, а выход со входами тактовой частоты АЦП и ОЗУ, а также персональный компьютер, цифровой выход управления и обмена данными с внешними устройствами которого соединен с входом пересылки данных контроллера, при этом светонепроницаемая камера содержит регулируемую диафрагму, установленную перед фотокатодом ФЭУ. Использование в конструкции заявляемого пирометра контроллера преобразования аналоговых сигналов позволяет координировать работу АЦП и ОЗУ в процессе измерения теплового излучения. Наличие фотодиода, источника постоянного стабилизированного напряжения, усилителя тока фотодиода, порогового устройства, источника опорного напряжения, устройства логического умножения двух независимых величин и персонального компьютера позволяют снизить трудоемкость процесса измерения теплового излучения и расчета температуры нагретого тела. Повышение устойчивости работы усилителя анодного тока ФЭУ и заявляемого устройства в целом достигается благодаря улучшению точности регулировки потока теплового излучения, попадающего на фотокатод ФЭУ. Для этого в оптическую систему заявляемого изобретения включены нейтральный клиновидный светофильтр (осуществляет 4(осуществляет ступенчатую регулировку), установленный между фокусирующим устройством и нейтральным клиновидным светофильтром, находящимся перед регулируемой диафрагмой светонепроницаемой камеры. Для повышения чувствительности ФЭУ, стенки светонепроницаемой камеры заявляемого изобретения выполнены с использованием пермаллойного железа, экранирующего помехи от случайных источников магнитного и электрического излучения. Формирователь видеоимпульсов заявляемого устройства содержит светодиод, вход и выход которого подключены к выходу генератора тактовой частоты, и фотодиод, установленный напротив светодиода, вход и выход которого подключены к формирователю прямоугольных видеоимпульсов, что повышает надежность работы пирометра путем снижения вероятности высоковольтного пробоя между выходом генератора тактовых импульсов и входом формирователя видеоимпульсов. Для обеспечения быстродействия 10-6 с и снижения трудоемкости измерений, в конструкции заявляемого устройства, в его устройстве преобразования аналоговых сигналов используется АЦП, осуществляющий параллельное (по первому электрическому импульсу от генератора частоты дискретизации) преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Для обеспечения возможности регистрировать несколько измеренных немодулированных и модулированных значений электрических сигналов с анода ФЭУ, усиленных с помощью усилителя анодного тока и преобразованных в цифровой код с помощью АЦП, в ОЗУ заявляемого изобретения содержится электронная память, способная последовательно запоминать цифровые коды в определенных ячейках, представляющих собой регистры. На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства, которая включает следующие элементы фокусирующую систему 1 светонепроницаемую камеру 2 с диафрагмой 3 ФЭУ 4 с фотокатодом 5, модулятором 6 и анодом 7 формирователь видеоимпульсов 8 генератор тактовых импульсов 9 усилитель анодного тока 10 устройство преобразования аналоговых сигналов 11, включающее с АЦП 12, ОЗУ 13 и контроллером 14 персональный компьютер 15 устройство логического умножения 16 генератор частоты дискретизации 17 пороговое устройство 18 источник опорного напряжения 19 усилитель тока фотодиода 20 фотодиод 21 источник постоянного стабилизированного напряжения 22 поверхность нагретого тела 23. Элементы блок-схемы устройства связаны между собой следующим образом. Оптическая фокусирующая система 1 и фотодиод расположены перед поверхностью нагретого тела 23. За фокусирующей системой 1 расположена диафрагма 3 светонепроницаемой камеры 2, внутри которой содержится ФЭУ 4, установленный так, что его фотокатод 5 расположен за диафрагмой 3. Модулятор 6 соединен с выходом формирователя видеоимпульсов 8, вход которого соединен с помощью электрического проводника с генератором тактовых импульсов 9. Вход усилителя анодного тока 10 соединен с помощью электрического проводника с анодом 7, а выход - с входом АПЦ 12 устройства преобразования аналоговых сигналов 11. Цифровой выход АЦП 12 соединен с помощью однонаправленной электрической шины с цифровым входом ОЗУ 13. Цифровой выход ОЗУ 13 соединен с помощью однона 5 10993 1 2008.08.30 правленной электрической шины с цифровым входом контроллера 14. Цифровой вход управления контроллера 14 соединен с помощью двунаправленной электрической шины с цифровым выходом управления персонального компьютера 15. Выходы управления контроллера 14 соединены с помощью электрической шины с входами управления АЦП 12 и ОЗУ 13. Входы тактовой частоты дискретизации АЦП 12 и ОЗУ 13 соединены с помощью электрического проводника с выходом устройства логического умножения 16. Входы устройства логического умножения 16 соединены с помощью электрических проводников с выходом генератора частоты дискретизации 17 и выходом порогового устройства 18. Входы порогового устройства 18 соединены с помощью электрических проводников с выходом источника опорного напряжения 19 и выходом усилителя тока фотодиода 20. Вход усилителя тока фотодиода 20 соединен с помощью электрического проводника с выходом фотодиода 21. Вход фотодиода 21 соединен с помощью электрического проводника с выходом источника постоянного стабилизированного напряжения 22. Устройство работает следующим образом. Световой поток теплового излучения с поверхности нагретого тела 23 попадает в оптическую систему фокусировки 1, проходит через диафрагму 3 светонепроницаемой камеры 2 и попадает на фотокатод 5. Под действием светового потока теплового излучения от поверхности нагретого тела 23 фотокатод 5 начинает испускать фотоэлектроны, образующие благодаря электростатическому полю внутри ФЭУ 4 электронный поток, направленный к аноду 7. Электронный поток внутри ФЭУ 4 формирует анодный ток, на который оказывает влияние напряжение на модуляторе 6, которое задается формирователем видеоимпульсов 8 с частотой электрических сигналов генератора тактовых импульсов 9. Благодаря генератору тактовых импульсов 9, формирователю видеоимпульсов 8 и модулятору 6 на выходе анода 7 появляется немодулированный и модулированный анодный ток, который усиливается усилителем анодного тока 10. Электрический сигнал с выхода усилителя анодного тока 10 поступает на вход АЦП 12. АЦП 12 по переднему фронту прямоугольного электрического импульса, поступающего с выхода устройства логического умножения 16, преобразует электрический сигнал с выхода усилителя анодного тока 10 в цифровой код, который по заднему фронту прямоугольного электрического импульса записывается в ОЗУ 13. Если с выхода логического устройства непрерывно поступают прямоугольные электрические импульсы с заданной частотой дискретизации, то процесс преобразования усиленных усилителем анодного тока 10 немодулированных и модулированных электрических сигналов ФЭУ 4 в цифровой код и его запоминание в ОЗУ 13 будет также непрерывным. Устройство логического умножения 16 обеспечивает непрерывную подачу прямоугольных электрических импульсов от генератора частоты дискретизации 17 на соответствующие входы АЦП 12 и ОЗУ 13 при появлении электрического сигнала с выхода порогового устройства 18. Появление электрического сигнала с выхода порогового устройства 18 выполняется при условии, что уровень сигнала от источника опорного напряжения 19 совпадает с уровнем электрического сигнала на выходе усилителя тока фотодиода 20. Уровень электрического сигнала на выходе усилителя тока фотодиода 20 зависит от электрического тока фотодиода 21, на величину которого при неизменном напряжении питания от источника постоянного стабилизированного напряжения 22 оказывает световой поток теплового излучения с поверхности разогретого тела 23. Для корректировки работы АЦП 12 и ОЗУ 13 используется контроллер 14, с помощью которого также осуществляется и пересылка цифровых кодов из ОЗУ 13 в персональный компьютер 15. После окончания пересылки данных из ОЗУ 13 в персональный компьютер 15, где с помощью электронной программы, в которой реализован алгоритм 2, вычисляется и 6 10993 1 2008.08.30 отображается динамика изменения температуры поверхности нагретого тела 23 в быстропротекающих высокотемпературных процессах за один акт измерения, что снижает трудоемкость этого процесса. Алгоритм расчета температуры включает в себя выполнение следующих функциональных операций. 1. Измерение модулированных и немодулированных сигналов с анода 7 ФЭУ 4, получаемых при облучении фотокатода 5 ФЭУ 4 эталонным источником теплового излучения при одновременной подаче тактовой частоты на вход модулятора 6. При этом получается массив данных М 1, в котором напротив каждого значения температуры Т теплового излучения эталонного источника записываются значения модулированных а и немодулированныхсигналов с анода 7 ФЭУ 4, усиленных усилителем анодного тока 10. 2. Преобразование полученного массива М 1 в массив М 2, в котором напротив каждого значения Т записывается определенное значение относительного напряженияа/. 3. Определение на основе анализа массива М 2 функциональной зависимости 00. 4. Измерение модулированных и немодулированных сигналов с анода 7 ФЭУ 4 при облучении фотокатода 5 ФЭУ 4 тепловым излучением с поверхности нагретого тела 23 при одновременной подаче тактовой частоты на вход модулятора 6 ФЭУ 4. При этом получается массив данных 3, в котором напротив определенного значения времени теплового излучениязаписываются значения модулированныхинемодулированных сигналов с анода 7 ФЭУ 4, усиленных усилителем анодного тока 10. 5. Преобразование массива М 3 в массив М 4, в котором напротивзаписывается определенное значение относительного напряжения р/. 6. Определение на основе анализа массива М 4 функциональной зависимости р. 7. Определение на основе анализа функций Т 00 и рзависимости Т. Для обеспечения работы элементов блок-схемы (фиг. 1) устройства используются следующие внешние источники электрического питания (на фиг. 1 не показаны) высоковольтный источник постоянного напряжения для подключения ФЭУ 4 источник постоянного напряжения для подключения источников опорного напряжения 19 и постоянного стабилизированного напряжения 22 источник постоянного напряжения для питания аналоговых схем усилителя анодного тока 10, АЦП 12 и усилителя тока фотодиода 20 источник постоянного напряжения для питания цифровых схем АЦП 12, ОЗУ 13, генератора тактовых импульсов 9, генератора дискретной частоты 17. На фиг. 2 представлена блок-схема фокусирующей системы 1 заявляемого устройства,которая имеет объектив 24, нейтральный плоский светофильтр 25, револьверный барабан 26 с нейтральными плоскими светофильтрами с различными коэффициентами поглощения светового потока и нейтральный клиновидный светофильтр 27. При этом объектив 24 расположен перед поверхностью нагретого тела 23, за объективом 24 расположен нейтральный плоский светофильтр 25, установленный в револьверный барабан 26 с другими нейтральными плоскими светофильтрами с различными коэффициентами поглощения светового потока. За нейтральным плоским светофильтром 25 установлен нейтральный клиновидный светофильтр 27, установленный перед диафрагмой светонепроницаемой камеры заявляемого устройства. Оптическая система фокусировки заявляемого устройства работает следующим образом. Световой поток теплового излучения с поверхности нагретого тела 23 попадает в объектив 24, проходит через нейтральный плоский фильтр 25, нейтральный клиновидный светофильтр 27, выходит из него и попадает через диафрагму 3 светонепроницаемой камеры 2 на фотокатод 5 ФЭУ 4. С помощью вращения револьверного барабана 26 с нейтральными плоскими светофильтрами 25 с различными коэффициентами поглощения светового потока и линейного перемещения нейтрального клиновидного светофильтра 27 устанавливается необходимый 7 10993 1 2008.08.30 поток теплового излучения с поверхности нагретого тела 23, который обеспечивает максимальную чувствительность заявляемого устройства, не вызывая при этом насыщение или возбуждение усилителя анодного тока 10 ФЭУ 4. Таким способом повышается устойчивость работы заявляемого устройства при измерениях температуры нагретого тела в целом. На фиг. 3 представлена блок-схема формирователя видеоимпульсов 8 заявляемого устройства, который имеет светодиод 28, фотодиод 29 и усилитель-формирователь прямоугольных импульсов 30. При этом светодиод 28 подключен к выходу генератора тактовых импульсов 9. Напротив светопередающей оболочки светодиода 28 на расстоянии, исключающем высоковольтный пробой между выходом генератора тактовых импульсов 9 и входом формирователя видеоимпульсов 8, установлен фотодиод 29 таким образом, что он способен воспринимать световой поток от светодиода 28. При этом светодиод 28 и фотодиод 29 находятся внутри светонепроницаемой оболочки формирователя видеоимпульсов 30,что исключает возможность попадания света от случайных источников. Фотодиод 29 соединен с входом усилителя-формирователя прямоугольных импульсов 30, выход которого соединен с фотокатодом 5 и модулятором 6 ФЭУ 4 заявляемого устройства. Формирователь видеоимпульсов 8 заявляемого устройства работает следующим образом. Электрические сигналы генератора таковой частоты 9 проходят через светодиод 28 и вызывают его пульсирующее свечение с частотой генератора тактовых импульсов 9. Пульсирующее свечение светодиода 28 воспринимается фотодиодом 29, внутри которого образуется пульсирующий электрический ток с частотой генератора тактовых импульсов 9. Пульсирующий электрический ток фотодиода 29 усиливается усилителем-формирователем прямоугольных импульсов 30. Электрические сигналы с выхода усилителя-формирователя прямоугольных импульсов 30 поступают на модулятор 6 ФЭУ 4 заявляемого устройства с частотой генератора таковых импульсов 9. Электрическое питание формирователя видеоимпульсов 8 заявляемого устройства осуществляется через делитель напряжения от источника высокого напряжения, питающего ФЭУ 4. Источники информации 1. А.с. СССР 756226. Опубл. 15.08.80 // Бюллетень 30. 2. Каспаров К.Н., Белозеров А.В. Измерение температуры быстропротекающих процессов // Измерительная техника. - 2002. -12. - С. 37. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8