Двухканальный пирометр спектрального отношения

Полезная модель относится к радиационной пирометрии и может быть использована в металлургии для измерения температуры расплавленного металла.

Сущность полезной модели заключается в том, что для повышения точности измерений температуры пирометр содержит объектив, оптически сопряженный с диафрагмой, на оптической оси которой последовательно установлены первый рассеиватель, полый световод, второй рассеиватель, проектирующая линза и фотоприемное устройство.

Кроме того, внутренняя поверхность световода имеет зеркальное покрытие, световод имеет прямоугольное сечение, а отношение длины световода к поперечному размеру составляет не менее 10.

2 з.п., 2 фиг.

Полезная модель относится к радиационной пирометрии и может быть использована в металлургии для измерения температуры расплавленного металла.

Известен двухканальный пирометр спектрального отношения [Пирометр "Спектропир 6". Приборы и методы температурных измерений. - М.: Из-во стандартов, 1987, с.254-255.], содержащий расположенные на одной оптической оси отражающие поверхности, расположенные за объективом, диафрагмой, проектирующей линзой, отражающую поверхность, расположенную под углом к оптической оси, при этом один из приемников воспринимает отраженное излучение, а другой приемник излучение, прошедшее сквозь отражающую поверхность, оба приемника связаны с устройством, регистрирующим отношение фототоков приемников излучения.

Недостатком аналога является то, что пирометр имеет низкий КПД преобразования из-за больших потерь, что при определенных условиях может привести к большой инструментальной погрешности.

Известен также двухканальный пирометр спектрального отношения [патент RU 2095765 дата публ. 1997-11-10, кл. G01J 5/00], выбранный за прототип и содержащий объектив, диафрагму, проектирующую линзу, приемные площадки и сопряженные с ними отражающие поверхности, причем оптическая ось пирометра, проходящая через объектив и диафрагму, смещена относительно оптической оси проектирующей линзы, с одной стороны которой установлена отражающая поверхность, а с другой стороны одна из приемных площадок, воспринимающих отраженное излучение, при этом хотя бы одна из приемных площадок, воспринимающих отраженное излучение, оптически сопряжена с задней поверхностью проектирующей линзы.

Недостатком прототипа является большая погрешность измерений, связанная с неравномерной засветкой фотоприемников при измерении температуры удаленных объектов. Объект, температура которого измеряется, должен находиться на оптической оси пирометра, вблизи центра зоны чувствительности фотоприемника.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в повышении точности измерений температуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном двухканальном пирометре спектрального отношения содержащим объектив, оптически сопряженный с диафрагмой, и проектирующую линзу, оптически сопряженную с фотоприемным устройством, на оптической оси диафрагмы последовательно установлены первый рассеиватель, полый световод, второй рассеиватель и проектирующая линза.

Тот же результат достигается тем, что внутренняя поверхность световода имеет зеркальное покрытие.

Тот же результат достигается тем, что световод имеет прямоугольное сечение, а отношение длины световода к поперечному размеру составляет не менее 10.

По сравнению с прототипом полезная модель имеет новую совокупность существенных признаков, т.е. отвечает критерию новизны.

Сущность полезной модели заключается в том, что по сравнению с прототипом обеспечивается равномерная засветка выходного диафрагмированного отверстия прямоугольного световода, а, следовательно, и следующих за ним фотоприемников. Тем самым исключается влияние неравномерности зонной чувствительности фотоприемников. Равномерность засветки достигается увеличением расстояния между первым и вторым рассеивателем. Но, поскольку при этом излучение теряется пропорционально квадрату данного расстояния, между рассеивателями устанавливается зеркальный прямоугольный световод, обладающий интегрирующим свойством.

Освещенность в некоторой точке А (фиг.2) в плоскости выходного окна прямоугольного световода, создаваемая, например, светящимся диском, расположенным на входном окне световода, может быть определена следующим образом.

Построим матрицу мнимых изображений святящегося диска в зеркалах световода. Матрицу располагаем в плоскости, совпадающей с входным окном световода. Центр входного окна световода также дает матрицу своих мнимых изображений.

Введем декартову систему координат, поместив ее начало в центр входного окна световода, ось «y» направим вверх, ось «x» - вправо, ось «z» - на нас, если смотреть на матрицу изображений со стороны выходного окна световода. Координаты каждого мнимого изображения центра входного окна могут быть описаны следующими формулами:

У₀(n_y)=b·n_y,

x₀(n_x)=a·n_x,

где a - ширина входного окна световода, b - высота входного окна световода, n_y и n_x - номера строки и столбца, соответственно, на пересечении которых находится данное изображение центра входного окна световода, для строк выше (ниже) средней, n_y>0, (n_y<0), для столбцов, находящихся справа (слева) от осевого столбца n_x>0 (n_x <0).

Координаты центра каждого мнимого изображения светящегося диска могут быть описаны следующими формулами:

y_ц(n_y)=b·n_y +y_ц·(-1)^|n_y^|,

x_ц(n_x )=a·n_x+x_ц·(-1)^|n_x^|,

где х_ц и у_ц - координаты центра светящегося диска.

Индикатриса силы излучения мнимого источника в виде светящегося диска будет:

1. равна исходной индикатрисе светящегося диска (ИСД) для четных и ,

2. зеркальным отображением ИСД в плоскости XOZ для нечетного и четного _,

3. зеркальным отображением ИСД в плоскости YOZ для четного и нечетного ,

4. зеркальным отображением ИСД в плоскости YOZ и в плоскости XOZ для нечетных и .

Потери излучения на зеркалах для мнимого светящегося диска составят

_п=^|n_x^|+|n_y^|, где - коэффициент отражения зеркал световода.

Полученная модель световода со светящимся диском на входе в виде матрицы изображений диска без световода позволяет рассчитать поле освещенности в пределах выходного окна.

Например, если мнимый светящийся диск находится на пересечении строки и столбца с номерами =3 и =3, соответственно, и =0.98, тогда потери составят _п=0.98^|3|+|3|=0.886, т.е. менее 12%.

По мнению авторов, приведенный анализ позволяет утверждать, что техническое решение для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена оптическая схема пирометра, содержащего объектив 1, оптически сопряженный с диафрагмой 2, на оптической оси которой последовательно установлены первый рассеиватель 3, полый световод 4, второй рассеиватель 5, проектирующая линза 6 и фотоприемное устройство 7. На фиг.2 представлена схема замещения световода 4 с источником на входе матрицей источников без световода.

Работа пирометра состоит в следующем. Измеряемое излучение через объектив 1 диафрагму 2 и первый диффузный рассеиватель 3 попадает на зеркальные грани отражающей полости световода 4. После многократных переотражений через второй прозрачный рассеиватель 5 и через проектирующую линзу 6 попадает на фотоприемное устройство 7.

Конкретная реализация световода 4 может быть осуществлена из четырех плоских зеркал (10×10×100 мм), соединенных между собой вдоль наибольших сторон, перпендикулярно одно другому, образуя при этом параллелепипед с внутренней зеркальной поверхностью, гранями которой и являются отражающие поверхности зеркал. Рассеиватели 3 и 5 могут быть выполнены из матированного флюорита, а диафрагма 2 диаметром 10 мм может быть приклеена к рассеивателю 3.

Фотоприемное устройство 7 может быть выполнено по различным схемам, например, как в [Патент RU 2290614, кл. G01J 5/60, публ. 2006.12.27], когда первый фотоприемник выполнен в виде фильтра, пропускающего излучение с длиной волны более 800 нм, а второй фотоприемник расположен за первым так, что на него попадает излучение, прошедшее через первый фотоприемник. По другому варианту, показанному на фиг.1 один фотоприемник, например кремниевый фотодиод, установлен как наклонное зеркало, отражающее излучение на второй фотоприемник, например, германиевый фотодиод. Обработка сигналов с фотоприемников может осуществляться по схеме, предложенной в [Патент RU 2290614].

В приведенном пирометре можно обеспечить неравномерность по чувствительной площади приемника излучения, размером 10×10 мм не более 0,5%.

1. Двухканальный пирометр спектрального отношения, содержащий объектив, оптически сопряженный с диафрагмой, и проектирующую линзу, оптически сопряженную с фотоприемным устройством, отличающийся тем, что на оптической оси диафрагмы последовательно установлены первый рассеиватель, полый световод и второй рассеиватель, оптический выход которого сопряжен с проектирующей линзой.

2. Двухканальный пирометр спектрального отношения по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность полого световода имеет зеркальное покрытие.

3. Двухканальный пирометр спектрального отношения по п.2, отличающийся тем, что полый световод имеет прямоугольное сечение, а отношение длины полого световода к поперечному размеру составляет не менее 10.