Пирометр спектрального отношения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.372 542 л. д. БАБИКОВ

В. А. ЗАХАРЕНКО

Омский государственный технический университет

ПИРОМЕТР

СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ_

Описаны функциональная схема и конструкция пирометра спектрального отношения. Представлены аналитические выражения для расчета функциональных зависимостей выходных сигналов пирометра от температуры контролируемой поверхности в диапазоне от 900 до 2500 'С. Приведены полученные расчетные и экспериментальные зааисимости. Ключевые слова: пирометр, спектральное отношение, температура.

Задача измерении термодинамической температуры н пирометрии при неизвестной излучательной способности является наиболее трудной. В этой связи для всего разнообразия пирометров частичного, суммарного излучений и яркостного типа стоит проблема неопределенности измерений, связанная с большим расхождением между заявленной инструментальной погрешностью(доли процентов) и методической (десятки и сотни процентов), обусловленной неопределенностью коэффициентов излучения и прозрачности промежуточной среды| 1).

Выбор в качестве основы функциональной схемы пирометра принципа отношения сигналов двух фото-приемников, обладающих спектральными чувстви-гельностями в различных диапазонах длин волн I теплового излучения в ряде случаев позволяет отстро-

иться от изменений излучательной способности объектов контроля и изменений прозрачности среды. Кроме того, у пирометров этого типа уменьшается влияние на результат измерений от расстояния до объекта контроля и площади его излучающей поверхности.

Функциональная схема пирометра спектрального отношения, разработанного в Омском государственном техническом университете, приведена на рис. I

Поток излучения от объекта контроля попадает на приемник излучения(ПИ), содержащий два чувствительных элемента. Приемник излучения преобразует энергию падающего на него потока излучения в электрические сигналы пропорциональные температуре объекта контроля и спектральным диапазонам чувствительностей чувствительных элементов.

0...5 (4...20) мЛ

Рис. I. Функциональная схема пирометра спектрального отношения: Ф - поток излучения от объекта; ПИ - приемник излучения; ДТ - датчик температуры; ПТ111, ПТ112 - прсобра юватели ток-напряжение; МК - микроконтроллер; ШИМ - широтно-импульсный модулятор;

ПУ - панель управления; ( К - силовой коммутатор

Рис. 2. Графики зависимостей выходных сигналов ПИ от температуры для фотодиодов па основе 81 и 1пСаЛя: и, - для фотодиода на основе в!; II, - для фотодиода на основе 1пСаА.ч

Рис. 3. График зависимости отношения сигнала фотодиода на основе 81 к сигналу фотодиода на основе 1пОаЛя от температуры

Полученные сигналы оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем АЦП и обрабатываются микроконтроллером МК.

В качестве приемника излучения используется двухспектральный приемник излучения К1713-09 фирмы Наттатаии(Япония), состоящий из двух фотодиодов:

— фотодиода на основе 51, обладающего спектральной чувствительностью в диапазоне 0.4 . .. 1.1 мкм;

— фотодиода на основе 1пСаАз, обладающего спектральной чувствительностью в диапазоне 0.9.. . 1.8 мкм.

Приемники излучения включены в режиме генерации фототока. Преобразователи ток —напряжение выполнены на прецизионных операционных усилителях АЭ8552.

Температурная стабилизация приемника излучения выполнена путем термостатирования, это позволило минимизировать дополнительную погрешность измерений, связанную с изменением чувствигель-постей фотодиодов под воздействием температуры окружающей среды. Схема термостатирования обеспечивает поддержание температуры на заданном уровне с точностью ±0 ГС. Стабилизатор температуры термостата — цифровой, пропорциопально-интегральноготипа, реализован программно на основе базового микрокон троллера пирометра. Измерение темпера туры в термостате осуществляется интегральным датчиком ТМР37, а в качестве нагревателя Н - используется транзистор КТ814, размещенный в термостате на одной подложке с фотоприемником.

Интенсивность излучения «серого» излучателя л(Х,Г). учитывающая коэффициенты излучения и

поглощения представляется как

г(к,Т) = ер гп(\,Т).

где г(Х, Т) — функция Планка спектральной плотности энергетической светимости АЧТ; е — коэффициент излучения; р - коэффициент поглощения.

Долю полной энергетической светимости, преобразуемую фотоприемником в электрический сигнал, для кремниевого чувствительного элемента можно рассчитать как

1,110'*

и,(Т)шК ¡5„(Х)-г(КТН\. («I

0 4 10 '

где Б^) - функция спектральная чувствительности кремниевого фотоприемника; К — коэффициент, учитывающий тип и геометрию оптической системы пирометра.

Аналогично для фотоприемника на основе 1пСаАя

I на *

и,(Т) = К ¡8М1аЛ,(\)-г(Х,Т) с1Х, (2)

0.1М0 •

где ВЫлАг(К) - функция спектральной чувствительности фотоприемника на основе 1пСаАя.

Расчетные зависимости выходных сигналов от температуры в логарифмическом масштабе для фотодиодов на основе и 1пСаД8, рассчитанные по формулам (1) и (2), для оптической системы диафраг-менного типа с показателем визирования 1:20, приведены на рис. 2.

900 1100 1300 ISOC 1700 1900 3100 3300 3500

Рис. 4. Экспериментальная зависимость ныхолного сигнала пирометра от температуры

KT)

900 иоо 1300 1J00 1700 1900 3100 3300 3i0O т

Рис. 5. Экспериментальная зависимость ныхолного сигнала пирометра от температуры с промежуточным смотровым стеклом (крнпая 1) и без него (крнпая 2)

Выходной сигнал пирометра U(T) рассчитывается как отношение:

U(T)=UJI1. (3)

U,(T)

Очевидно, что при этом с и р сокращаются, что приводит к независимости выходного сигнала пирометра от коэффициентов излучения поглощения и геометрии оптической системы.

График зависимости отношения выходных сиг-палов фотодиодов оттемпературы, рассчитанный по формуле (3), представлен па рис. 3.

Результаты расчетов позволили разработать схему обработки сигнала с фотоприемника, выполненную на основе м икроконтроллера MSC1210Y5 фи рмы Texas Instruments, имеющего встроенный 24-разрядный сигма-дельта АЦП. На этом же микроконтроллере реализована и схема стабилизации температуры.

В пирометре предусмотрена возможность работы в нескольких режимах:

1. Одноканальный режим на I -м канале как пиро-метр частичного излучения в спектральном диапазоне 0.4. ..1.1 мкм;

2. Одноканальный режим на 2-м канале как пирометр частичного излучения в спектральном диапазоне 0.9... 1.8 мкм;

3. Режим спектрального отношения.

Режим работы пирометра устанавливается с помощью кнопок панели управления прибора.

Работа пирометров в режимах I и 2 целесообразна в тех случаях, когда значение е и р в спектральных диапазонах 0,4... 1,1 мкм и 0,9... 1,В мкм не совпадают.

На основе этих технических решений создан пирометрический преобразователь, обладающий следующими техническими характеристиками:

Диапазон измерений,'С 900 ..2500

Разрешение, 'С 0.5

Показатель визирования 1:20

Время измерения, с 0.02

Выходной сигнал, аналоговый, мА 0...5(4.. 20)

Цифровой сигнал, интерфейс 1*5232(1*5485)

Потребляемая мощность, Вт б

На рис. 4 приведена экспериментальная зависимость выходного сигнала пирометра оттемпературы, полученные при помощи модели АЧТ марки АЧТ-16/900/2500 Омского НПП «Эталон».

На рис. 5 приведены зависимости выходных сигналов с промежуточным смотровым стеклом марки КВ (кривая 1) и без него(кривая 2). Из этой зависимости следует что погрешность от введения смотрового стекла не превышает 0,1 %. В то же время экспериментальные исследования показали, что введение стекла при использовании только кремниевого или только фотоприемника на основе 1пСаАя дает погрешность около 10%.

Конструктивно пирометр представляет собой цилиндр длиной 230 мм и диаметром 55 мм. В передней торцевой части расположена апертурная диафрагма, а в тыльной части установлен разъем для съема электрических сигналов и подачи питания.

Опытный образец пирометра в 2008 году прошел натурные испытания на Омском заводе технического углерода на реакторах в производстве ииролиги-ческого углерода.

Библиографический список

I. СветД.Я. Оптические методы измерения истинных температур - М. : Наука, 1982. - 296с.

БАБИКОВ Андрей Анатольевич, инженер кафедры «Технология электронной аппаратуры». ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология электронной аппаратуры».

Статья поступила к редакцию 29.12.08 г. © Д. А. Вабиком, В. Л. Захаренко