Пирометр с подавлением помех от биений модулятора
Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры (пирометрам). Пирометр содержит входной объектив, заслонку, снабженную тепловым излучателем, модулятор с датчиком фазы вращения диска, двигатель модулятора, оптическую систему, приемник излучения с охладителем и микропроцессор обработки сигнала. Тепловым излучатель может быть выполнен в виде нагревателя с графитовым выравнивателем температуры поверхности. Увеличение точности измерения температуры происходит путем компенсации паразитной модуляции сигнала, возникающей при биении диска модулятора, при сопоставлении измеряемых сигналов с соответствующей матрицей коэффициентов от теплового излучателя, фазированной с помощью датчика фазы вращения модулятора.
Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для бесконтактного измерения температуры (пирометрам).
Существенной проблемой, возникающей при создании пирометров, особенно низкого температурного диапазона, использующих, как правило, оптическую схему с промежуточным изображением, является борьба с помехами, связанными с биениями оси вращения механического модулятора, который устанавливается в плоскости промежуточного изображения. Сложность заключается в том, что входной сигнал от излучения объекта дополнительно модулируется периодическим смещением диска модулятора в процессе его вращения относительно плоскости изображения. Такую паразитную модуляцию построением узкополосного электрического фильтра отделить от полезного сигнала не удается, поскольку она является амплитудной. Последнее означает, что полоса такого фильтра, причем по уровню соответствующему отношению шума к сигналу, должна быть меньше частоты вращения модулятора, что практически неосуществимо.
Известны пирометры, исключающие механические биения применением электромагните- и акустооптических (см. Справочник по лазерам/под ред. акад. А.М.Прохорова. Т.Н. - М.: Сов. Радио, 1978 г.). Такого вида модуляторы обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, они работают, как правило, с поляризованным и монохроматическим светом, что ограничивает область применения такой конструкции. Кроме того, глубина модуляции оптического сигнала при их использовании значительно меньше единицы, что снижает температурную чувствительность пирометра, а главное не обеспечивает привязку к температуре окружающей среды. Все это делает указанные модуляторы малоэффективными для низкотемпературной пирометрии.
Известны пирометры, использующие оптическую схему с промежуточным изображением, где уменьшение помех, связанных с биениями оси вращения модулятора, достигается размещением оси вращения диска модулятора в независимых шарикоподшипниковых опорах с передачей вращающего момента от двигателя гибким валом (см. Путевой датчик АСДК-Б, проспект фирмы ООО «ДСКТБ-СКАТ», Киев, Украина, 2005 г.). Однако использование независимой подвески оси вращения диска модулятора усложняет механическую схему пирометра и, главное, не позволяет полностью исключить биение плоскости вращения диска относительно оси вращения.
Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройство для бесконтактного контроля температуры (пирометр), содержащее входной объектив, заслонку, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптическую систему и приемник излучения с охладителем, в котором значительно снижены и габариты системы охлаждения (см. патент РФ 
45698, опубл. 27.12.2005 г.). Устройство использует одноканальную схему с промежуточным изображением, где установлен модулятор с отражающими в сторону приемника (зеркальными) секторами. Охлаждение приемника излучения и зеркальный модулятор существенно увеличивают глубину модуляции сигнала, однако не подавляют помех от биений модулятора.
Задачей, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является уменьшение влияния биения модулятора на отношение сигнал/шум.
Техническим результатом при ее использовании - увеличение точности измерения температуры низкотемпературных объектов.
Технический результат достигается тем, что в пирометре, содержащем входной объектив, заслонку, модулятор в виде диска с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, двигатель модулятора, оптическую систему, приемник излучения с охладителем и микропроцессор обработки сигнала, модулятор снабжен датчиком фазы вращения диска, а заслонка содержит тепловой излучатель. В частном случае тепловой излучатель может быть выполнен в виде нагревателя с графитовым выравнивателем температуры поверхности.
Наличие датчика фазы вращения обеспечивает возможность подавления паразитной модуляции сигнала за счет биения модулятора путем парафазного изменения коэффициента усиления измерительного тракта, осуществляемого микропроцессором обработки сигнала.
Заслонка с тепловым излучателем позволяет создать на приемнике тест-изображение объекта, энергетические и пространственно-частотные характеристики которого не изменяются за время проведения корректировки коэффициента усиления измерительного тракта. Причем тепловой излучатель, выполненный в виде нагревателя с графитовым выравнивателем температуры поверхности, обеспечивает равномерную засветку приемников излучения по полю зрения, создавая тем самым условия более точной корректировки биений.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показана принципиальная схема пирометра.
Пирометр, определяющий температуру объекта измерения 1, содержит входной объектив 2, поворачивающую заслонку 3 с тепловым излучателем, модулятор 4 с двигателем 5 и датчиком фазы вращения диска модулятора 6, оптическую систему 7, приемник излучения с охладителем 8, усилитель измерительного тракта 9, микропроцессор обработки сигнала 10.
Работа устройства поясняется на примере контроля температуры букс напольной камерой при прохождении подвижного состава на железных дорогах. После поступления сигнала от перегонного оборудования о подходе поезда, включается модулятор 4. Излучение от нагретого излучателя заслонки 3 объективом 2 проецируется в плоскость модулятора 4, модулируется им и фокусируется оптической системой 7 на приемник излучения 8. Продольные (вдоль оси) колебания диска модулятора 4, приводят к амплитудной модуляции сигнала с выхода приемника излучения 8. Соответствующие значения модулированных сигналов усиливаются усилителем измерительного тракта 9 и совместно с показаниями датчика фазы вращения диска модулятора 6, поступают в микропроцессор обработки сигнала 10. Паразитная модуляция сигнала компенсируется за счет парафазного изменения коэффициента усиления измерительного тракта, осуществляемого микропроцессором обработки сигнала. Соответствующая матрица коэффициентов усиления с привязкой к фазе вращения диска модулятора используется для корректировки текущих показаний при измерении темпераратуры объектов.
Предложенная конструкция реализована при построении напольной камеры системы контроля температуры букс подвижного состава железных дорог и успешно прошла испытания в течение года. Оптические элементы устройства выполнены из германия. Диск модулятора изготовлен из сапфира с нанесенными зеркальными секторами. В качестве приемника излучения использовался приемник на основе CdHgTe, чувствительный в диапазоне 3-5 мкм, снабженный термоэлектрическим холодильником. Тепловой излучатель заслонки может быть выполнен в виде нагревателя с графитовым выравнивателем температуры поверхности, например, плоского металлического нагревательного элемента с прикрепленным к нему керамическим диском, на обращенную к приемнику излучения поверхность которого нанесен слой графита. В качестве датчика температуры на заслонке установлен термоэлемент, обеспечивающий измерение абсолютной температуры заслонки, например, термистор ТРА-1. Датчик фазы вращения модулятора выполнен на оптронной паре.
Таким образом, по сравнению с прототипом предложенное устройство позволяет, путем парафазного изменения коэффициента усиления измерительного тракта, осуществляемого микропроцессором обработки сигнала, практически полностью подавить помехи от биений модулятора, что увеличивает точность измерения температуры низкотемпературных объектов.
1. Пирометр, содержащий входной объектив, заслонку, модулятор в виде диска с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, двигатель модулятора, оптическую систему, приемник излучения с охладителем и микропроцессор обработки сигнала, отличающийся тем, что приемник излучения подключен к микропроцессору обработки сигнала через усилитель измерительного тракта, модулятор снабжен датчиком фазы вращения диска, подключенным к микропроцессору обработки сигнала, а заслонка содержит тепловой излучатель.
2. Пирометр по п.1, отличающийся тем, что тепловой излучатель выполнен в виде нагревателя с графитовым выравнивателем температуры поверхности.
