Устройство бесконтактного измерения температуры

Устройство относится к области оптической пирометрии и может быть использовано в измерительной технике, метрологии, дистанционном зондировании в труднодоступных местах, в условиях агрессивных сред, при повышенной радиации, в условиях вакуума и сверхвысоких температур. Устройство для бесконтактного измерения температуры содержит оптическую систему, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок, причем оптическая система выполнена в виде оптического зонда, объектив которого направлен на измерительную площадку введенной близкорасположенной теплоизлучающей поверхности, а коннектор расположен на сфере Роуланда и направлен по оптической линии, на которой последовательно расположены блок спектрального разложения и расположенная на сфере Роуланда матрица приемников, выход/вход которой соединен с процессорным блоком, выполненным с возможностью вычисления температуры объекта и погрешности ее определения по методу спектральных отношений с учетом эквивалентной длины волны. Технический результат состоит в упрощении конструкции, расширении функциональных возможностей и повышении точности измерений.

Устройство относится к области оптической пирометрии и может быть использовано в измерительной технике, метрологии, дистанционном зондировании в труднодоступных местах, в условиях агрессивных сред, при повышенной радиации, в условиях вакуума и сверхвысоких температур.

Устройство содержит оптоволоконный зонд, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей и повышении точности измерений.

Известен спектральный пирометр [1], состоящий из электрического модуля и оптического модуля, который содержит передающий блок, блок спектрального разложения и блок детектора.

Известно устройство бесконтактного измерения температуры [2], содержащий оптическую систему, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство, реализующее способ бесконтактного измерения тепловых данных движущегося объекта [3], заключающийся в оптическом приеме сигнала теплового излучения объекта, в спектральном разложении сигнала и в формировании изображения спектра излучения на поверхности матрицы приемников, сигналы с выхода которых обрабатываются процессорным блоком. Процессорная обработка состоит в инвариантной к виду параметра объекта аппроксимации сигналов аппроксимантами банка данных каждого параметра объекта, выборе наиболее точной аппроксиманты и выводе соответствующего ей значения параметра и погрешности его определения.

Недостатками известных устройств является сложность конструкции при ограниченных возможностях применения и точности измерений.

Задачей является упрощение конструкции устройства до возможности мобильного применения для тепловых исследований поверхности объекта при повышении точности измерений.

Решение задачи достигается устройством, содержащем оптический зонд, объективом направленный на измерительную площадку близкорасположенной теплоизлучающей поверхности, а коннектором расположенным на сфере Роуланда и направленным по оптической линии, на которой последовательно расположены блок спектрального разложения и расположенная на сфере Роуланда матрица приемников, выход которой соединен с процессорным блоком, выполненным с соответствующим программным обеспечением.

Технический результат состоит в упрощении конструкции устройства до возможности мобильной реализации для тепловых исследований поверхности объекта при повышении точности измерений за счет применения процессорной обработки по методу спектральных отношений с учетом эквивалентной длины волны [4, 5].

Сущность предлагаемого устройства поясняются структурной схемой на фиг. 1.

Устройство содержит исследуемую излучающую поверхность 1 с измерительной площадкой, оптоволоконный зонд 2 с объективом и коннектором, расположенным на сфере Роуланда, вогнутую дифракционную решетку 3, матрицу 4 приемников, расположенную на сфере Роуланда, и процессорный блок 5.

Устройство работает следующим образом.

Тепловое излучение измерительной площадки поверхности 1 поступает посредством оптоволоконного зонда 2 на дифракционную решетку 3, с которой излучение в виде теплового спектра поступает на матрицу 4 приемников, на выходе которой формируются данные под управлением процессорного блока 5, в котором данные обрабатываются типовым методом спектральных отношений с введенным учетом эквивалентной длины волны. В результате получают температурную гистограмму статистического распределения, математическое ожидание и дисперсию измеренной температуры.

Устройство может быть выполнено из типовых модулей и на элементной базе, применяемых в измерительной технике и метрологии. Конструкции блоков очевидны из уровня техники и могут совпадать с аналогичными блоками прототипа. Конструктивы в рассматриваемом варианте применялись следующие. Диаметр измерительной площадки теплоизлучающей поверхности 5 мм, с расстоянием до объектива зонда 15 см. Диффракционная решетка Роуланда с плоскими штрихами с пространственной частотой 600 штрихов на миллиметр. Матрица приемников типа TCD1304AP на 3648 пикселей. Процессорный блок на базе микроконтроллера Atmega 2561. Устройство позволяет определять температуру на порядок точнее аналогов при возможности использования в условиях агрессивных сред и при повышенной радиации.

Литература

1. Патент US 4605314, G01J 5/24. Spectral discrimination pyrometer / Stenmark Lars // 12.08.1986.

2. Патент RU 2213942, G01J 5/60. Устройство бесконтактного измерения температуры / В.Н. Бодров, Б.С. Мельников, Г.И. Обидин // БИ. 10.10.2003.

3. Патент RU 2421695, G01J 5/60. Способ бесконтактного измерения тепловых данных движущегося объекта / В.Н. Бодров, Б.С. Мельников, Г.И. Обидин // БИ. 20.06.2011.

4. Бодров В.Н., Лебедев C.B. Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучательной способности. - Приборы, 2011. 11, с.51-55.

5. Лебедев C.B. Спектральное устройство определения температуры и излучательной способности пирометрируемой поверхности: автореф. дис. к.т.н.: 05.11.07 / НИУ «МЭИ». - Москва, 2013. - 20 с. - (Рук. проф. В.Н. Бодров).

Устройство для бесконтактного измерения температуры, содержащее оптическую систему, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок, отличающееся тем, что оптическая система выполнена в виде оптического зонда, объектив которого направлен на измерительную площадку введенной близкорасположенной теплоизлучающей поверхности, а коннектор расположен на сфере Роуланда и направлен по оптической линии, на которой последовательно расположены блок спектрального разложения и расположенная на сфере Роуланда матрица приемников, выход/вход которой соединен с процессорным блоком, выполненным с возможностью вычисления температуры объекта и погрешности ее определения по методу спектральных отношений с учетом эквивалентной длины волны.