ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

А.А.ПОСКАЧЕЙ Е.П. ЧУБАРОВ

ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫЕ

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

А А. ПОСКАЧЕМ Е. П. ЧУБАРОВ

оптикоЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

2-е издание, переработанное и дополненное

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1988

ББК 32.965 П 61

УДК 681.518.3:681.586’36

Рецензент В. А. Строков

Поскачем А. А., Чубаров Е. П.

П 61 Оптико-электронные системы измерения температуры.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энерго- атомиздат, 1988. — 248 с.: ил.

ISBN 5-283-01477-0

Изложены принципы построения оптико-электронных систем измерения температуры. Приведены методы расчета оптических и фотоприемных элементов, а также измерительных схем. Описаны промышленные разработки систем. По сравнению с изданием 1979 г. материал значительно обновлен.

Для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и применением средств измерения и контроля температуры объектов.

П

2404000000-513051(01)-88

258-88

ББК 32.965

ISBN 5-283-01477-0ISBN 5-283-01477-0

ISBN 5-283-01477-0

ISBN 5-283-01477-0

© Энергия, 1979

© Энергоатомиздат, 1988, с изменениями

ПРЕДИСЛОВИЕ

Потребность в быстром бесконтактном контроле и измерении температуры непрерывно расширяется. Основными средствами для удовлетворения этой потребности являются оптико-электронные системы измерения температуры (ОЭСИТ), которые объединяют широкий ряд приборов: оптические пирометры, измерительные пирометрические системы, тепловизоры, сканирующие пирометры, анализаторы температурного поля и г. д. Высокие технико-эксплуатационные характеристики ОЭСИТ в сочетании с их широким серийным освоением позволяют применять их в самых различных отраслях хозяйства, науки и техники.

Прежде всего необходимо отметить применение ОЭСИТ в технологических процессах, таких как непрерывная выплавка слитков, обработка давлением, электронно-лучевая и лазерная термообработка, сушка, термоупрочнение и др. Здесь ОЭСИТ обычно входят в состав автоматических или автоматизированных систем управления. Перспективно применение ОЭСИТ при исследовании, отработке и регулировании режимов работы различных механизмов и установок, например газотурбинных двигателей.

Расширяется потребность в дистанционном контроле низких температур и температурных полей объектов по их инфракрасному излучению. Оптико-электронные системы этого типа необходимы для медицины, метеорологических и космических исследований, для технической диагностики и т. д.

Данная книга является систематизированным изложением материалов, посвященных оптико-электронным методам и.систе- мам измерения температуры и температурных полей. В ней

обобщен многолетний опыт работы авторов в области оптикоэлектронных систем. Рассмотрены измерительные схемы различных типов систем и даны методы расчета их основных компонентов. Большое внимание уделено методическим погрешностям измерения температуры и способам и средствам их уменьшения.

Подробно описаны сканирующие оптико-электронные системы контроля и измерения температурных полей. Эти системы, обладая широкими функциональными возможностями, позволяют намного повысить качество и скорость анализа состояния различных теплоэнергетических систем.

Во второе издание данной книги включены современные материалы по цифровой обработке информации в ОЭСИТ (гл. 9), а также материалы по особенностям измерения температуры при наличии поглощения излучения в промежуточной среде и оптических помех (гл. 8). Исключены некоторые материалы, имеющие частный характер, и описание неперспективных систем. В целом структура и основное содержание книги соответствуют первому изданию.

Авторы надеются, что книга будет полезна широкому кругу специалистов, связанных с разработкой оптико-электронных средств измерения температуры, а также специалистов, работающих с теплоэнергетическими процессами и системами. Книга может быть полезна также студентам и аспирантам, специализирующимся в области оптико-электронного приборостроения.

Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатом- издат.

Авторы

ГЛАВА 1

ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

Оптико-электронные методы позволяют измерить температуру объекта путем анализа параметров потока теплового излучения от объекта [1.1 —1.5].

/>ХГ = СД 5/>ХГ = СД 5В основе этих методов лежит зависимость величины и спектрального распределения плотности энергии излучения ^т — объекта от его температуры, определяемая для «черного» тела формулой Планка:

/>ХГ = СД 5

/>ХГ = СД 5

(1.1)

гдегдеС2 =С2 =Т—температура, К; Cv =3,7413 • 10 12 Вт - см2;

где

где

С2 =

С2 =

= 1,436 см • град; X—длина волны излучения, мкм.

С относительной погрешностью 8 = ^^ = ехр ( — ^)' фор- мула Планка может быть аппроксимирована формулой Вина:

(1.2)(1.2)^^СД^ехр!

(1.2)

(1.2)

а с погрешностью

8=1-8=1-ехрехрТХС^ТХС^

8=1-

8=1-

ехр

ехр

ТХС^

ТХС^

— формулой Рэлея — Джениса:

(1.3)(1.3)Ьхт=^Х-*Т.

(1.3)

(1.3)

С2

Рис. 1.1. Погрешности при замене формулы Планка формулами Вина (а) и Релея — Джинса (б)Рис. 1.1. Погрешности при замене формулы Планка формулами Вина (а) и Релея — Джинса (б)

Рис. 1.1. Погрешности при замене формулы Планка формулами Вина (а) и Релея — Джинса (б)

Рис. 1.1. Погрешности при замене формулы Планка формулами Вина (а) и Релея — Джинса (б)

На рис. 1.1 приведены прямые, определяющие области, где 8 не превышает 0,5; 1; 5; 10 и 25%.

Непосредственной задачей ОЭСИТ, измеряющей температуру объекта по излучению, является дистанционное измерение параметров потока излучения, испускаемого объектом (или частью объекта). К параметрам, характеризующим поток излучения, относятся абсолютное значение этого потока и его спектральное распределение. В связи с этим ОЭСИТ делят на энергетические и спектральные отношения.

В энергетических ОЭСИТ осуществляется прием и измерение потока излучения от объекта в одном участке АХ спектра, в спектральных—в нескольких (двух и более) участках спектра: АХ, = 2, 3, ..., N. Соответствующие ОЭСИТ будем называть системами: 1) суммарного излучения (радиационными) при АХ-юо; 2) частичного излучения (монохроматическими) при АХ—>0, АХ = const; 3) спектрального отношения (цветовыми) при N=2; 4) многоспектральными (многоцветовыми) при 2V^3.‘

Абсолютное значение потока излучения Ф, преобразуемого ОЭСИТ в электрический сигнал, определяется коэффициентом А использования потока от объекта и коэффициентом спектрального пропускания оптической системы т^ т. е.

ф = А^ЬХГтхаХ.(1.4)

о

Из (1.1) и (1.4) следует, что для определения Ф = /(Т) необходимо вычислить интеграл 6

Г — I bXTTxdX.

о(1-5)

Если Ьхт задано формулой Планка, интеграл (1.5) аналитически не вычисляется и его определение возможно только графическим путем или с помощью таблиц и номограмм [1.2]. Следовательно, установить связь между Г и Ф в явном виде

Рис. 1.2 К определению потока, ограниченного фильтромРис. 1.2 К определению потока, ограниченного фильтромв общем случае нельзя. Лишь в случае, когда т^= 1, эта связь определяется в явном виде законом Стефана — Больцмана:

Рис. 1.2 К определению потока, ограниченного фильтром

Рис. 1.2 К определению потока, ограниченного фильтром

Ф = А<зТ4, (1.6)

где ст — постоянная Стефана — Больцмана; ст = 5,6687 • 10~12 Вт/ /(м2-К4).

Однако если используются ограниченный участок спектра излучения и диапазон температур, где справедлива формула Вина, выражение (1.4) может быть вычислено и при любой характеристике tv

Какой бы сложной ни была зависимость т=ДХ), ее можно разбить на ряд участков (рис. 1.2), для каждого из которых тх можно записать

(1.7)(1.7)тх = В1 + В2Хвз,

(1.7)

(1.7)

где

Хк и Xt+1— границы спектральных участков; TXt и тх t — коэффициенты спектрального пропускания системы ‘в области длин волн Хк, Хк+1.

При В3, равных — 1, 0, 1, 2 и 3, имеется возможность достаточно точно аппроксимировать любую зависимость /(X) на участке Хк — Xk + V Тогда на этом участке интеграл (1.5) может быть заменен на

Ч +1 Ч +1

ВХС2 J NdX+B2Ck J MdX, (1.8)

где

Таблица 11 Значения интегралов для зависимостей тх = Г(Х)

N=X 5ехр

^1; М=Х 5+взехр

Форма кривых пропускания

F=f^ Х^

Следовательно, вычисление (1.5) сводится к определению

Г =

4+1

Хвз_5ехр

dX.

/,0

0,5

Xt Л,г

Ci f хтГ/с2\3 /сЛ2 , с2 ,r=W — Г+3 — Г2 + 6—Г3 +)11/11/1

^2 (х^/x^Z/^Z

+ 6Г4 — е

Г+6—Г3

0

После преобразования получаем:

при В3 = 3

при В3 = 2

Г3= ^ехр

С2

г2г2= т^ехр

+ 6Т4

г / ^i

\Xi ~Х2// с\ ^

' (г \з(р \з

( — ) Т+3|—) Г2

\^'2/\^'2/

■2

при В3 = 1 Г,=

при В3 = 0 Го = + 6—+6;

7,0

0,5

Х2

^-з

+ 6^Т3 + бГ4

+ 6-^Г3 + 6Т4X*

— е

+ 2^JT2 + 2T3

с \3(с V

с+з(д) г2

Xi/\ х. /

1

^2 — ^1/ ^2

Г+2—Г2

с \2 г+

2 2/

_, „ т5 СЛ (сХ „(с\3

при В3=—1 Г , =?ехр — -— I — ) + 41 — ) + р 3\ ХТ)\\ХТ) \хт)

+ 12fe) +24^+24 .

\хт) XT

Вычисление интеграла во всей области может быть представлено в виде

г=Хтп(1.Ю)

к = 0

В табл. 1.1 приведены значения интегралов для некоторых зависимостей т\=/(М.

Как следует из (1.10), зависимость потока Ф от температуры Т имеет сложный вид. Однако в ограниченном интервале температур (7\ — Г2), что соответствует одному поддиапазону измерения температуры, можно заменить зависимость (1.4)

г=

сХ

Г

7,0 -

0,5 -

+6— Т3 + 6Т4^з

С2 ,

+ бД Г3 + 6Г4

*2

+2— Т2 + 2Т3Х3

с2

IV 1 \сД

J V2—^-3/С2[

— е

Г+2—Г2 х2

Рис. 1.3. Структурная схема ОЭСИТ:

1— оптическая система, 2—фильтры; 3 — модулятор, 4— приемник излучения. 5—усилительно-преобразовательное устройство, 6—согласующее устройство, 7—сканирующее устройство

более простыми зависимостями, определив по приводимым

ниже формулам коэффициенты этих зависимостей в ствии со значениями Ф для границ поддиапазона.

Введем понятие эффективной длины волны Хэф, коэффициент Q. В этом случае:

соответ-

а

также

где

Ф = еХэфехр1-^,

(1.11)

^эф ~С 2

/V -г21

Фт

In

ФТ2

; Q =;

>чфехр ( -

\ ^эф^ 1.

Возможна также заменаВозможна также замена(1.12)(1.12)

Возможна также замена

Возможна также замена

(1.12)

(1.12)

зависимостью Ф = qT^

где

1^Т1

и = 1п—

фТ2

ч= —

Г2 4 П

$T1п

Если п и q известны, то Хзф

и Q определятся по формулам

— - С

тТ -ту1

1 Г2

In

Q=- q

И

Хзф expl - —

При использовании в ОЭСИТ в качестве информационного параметра спектрального распределения потока излучения измеряется отношение потоков излучения в двух ограниченных различными фильтрами участках спектра:

у=ф^фА2. (1-13)

Следовательно, при известных параметрах оптической системы А и т> параметры потока ФА и у определяются температурой:

ФА=ДТ\, У=ДТ\ (1.14)

Для решения вопроса использования тех или иных участков спектра в спектральных ОЭСИТ необходимо провести анализ ю

зависимости y = f^ во всем заданном диапазоне измерения температуры.

Рассмотрим функциональные особенности элементов ОЭСИТ. В общем случае в ОЭСИТ осуществляется: 1) ограничение потока излучения от объекта определенным телесным углом (это определяет площадь нагретого тела, от которого воспринимается излучение); 2) выделение необходимых спектральных участков принимаемого излучения; 3) модуляция и преобразование потоков по определенному закону; 4) преобразование потоков в электрический сигнал; 5) проведение ряда математических операций над электрическим сигналом (вычисление отношения и т. д.); 6) формирование выходного сигнала; 7) сканирование.

Обязательным для ОЭСИТ является выполнение только первой и четвертой функций.

Обобщенная схема ОЭСИТ приведена на рис. 1.3.

Определение температуры в ОЭСИТ осуществляется по электрическому сигналу на выходе приемника излучения, который определяется параметрами приемника и потоком излучения, падающим на приемник.

Поток, поглощенный приемником и преобразованный в электрический сигнал, равен

Фп = Л| кпКс^о^Ти-^Тс)]^ + ^ । [Чп(1-^)^о]^ + ОО

+<115)

о

где тХп—спектральный коэффициент поглощения потока излучения приемником; тХо. тХс— спектральные коэффициенты пропускания излучения объективом и средой; Ьхт, Ьхт, 6хГп, ЬХти — спектральное распределение плотности энергии из'- лучения ” объектива, среды, приемника и изделия.

В случае, когда тХс = тХо = 1, минимальная температура изделия больше 500 К, а температуры среды и объектива равны и не превышают 300 К, (1.15) можно записать в виде

Ф„ = ^ J^^X.(1 16)

о

Для случая, когда в пределах чувствительности приемника Чп = «хЧмажс и тХмакс = const, в параметр А вводится тХмакс:

Фп —^i J bXTaxdX,о

где ах — относительная спектральная характеристика приемника излучения.

Ф = дХ”5ехрФ = дХ”5ехрС учетом (1.11) и (1.12) основное уравнение ОЭСИТ при использовании одного участка спектра (на участке Г, — Т2) имеет вид

Ф = дХ”5ехр

Ф = дХ”5ехр

(1.18)

СД^2 \41xvt)СД^2 \41xvt)(1-19)(1-19)при использовании двух участков спектра

СД

^2 \41

xvt)

СД

^2 \41

xvt)

(1-19)

(1-19)

QX. 5 exp

у2=

QX2 5 exp

(1-20)(1-20)Если ввести понятие эквивалентной длины волны Л [1.4] при аппроксимации (1.11) и эквивалентного показателя степени иэкв при аппроксимации (1.12), основные уравнения ОЭСИТ можно записать с помощью одного выражения

(1-20)

(1-20)

6=?ехр -2 =9зквТпэкВ,\ЛТ /

где для ОЭСИТ с одним участком спектра б^Ф; Л = Х; q3XB = q; пэкв = п; с двумя участками спектра 02=у2; Л = ХД2/(Х7-Х1); q9KB = qJq2; n3m = nv—n2.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры с помощью ОЭСИТ является косвенным методом определения температуры. При этом кроме температуры объекта на параметры потока излучения оказывают влияние следующие факторы:

излучательная способность объекта е15 зависящая от оптических свойств объекта, его электросопротивления, температуры, фазового состояния, вида механической обработки, степени шероховатости поверхности, наличия пленки окисла на поверхности и др. [1.6—1.10];

поглощение излучения промежуточной средой [1.11 — 1.12];

12

Рис. 1.4. Классификация погрешностей ОЭСИТРис. 1.4. Классификация погрешностей ОЭСИТ

Рис. 1.4. Классификация погрешностей ОЭСИТ

Рис. 1.4. Классификация погрешностей ОЭСИТ

отраженное объектом излучение сторонних источников Фс [1.13, 1.14]. Соответственно методические погрешности ОЭСИТ могут быть трех типов: 8Е, 8Т и 8ф. На их величины оказывают влияние факторы, приведенные на рис. 1.4.

Методическая погрешность 8Е возникает вследствие того, что в процессе измерения излучательная способность объекта отличается от излучательной способности образцового излучателя, по которому производилась градуировка прибора. Аналогичным образом возникают погрешности 8Г и 8ф, причем они аддитивны в пределах линейной системы. В связи с этим в дальнейшем будем пользоваться обобщенным коэффициентом е, учитывающим влияние ех, тх и Фс на точность измерения.

Вследствие влияния указанных выше факторов, учтенных посредством коэффициента е, ОЭСИТ измеряет некоторую условную температуру, которую принято называть радиационной или яркостной в энергетических ОЭСИТ или цветовой в спектральных ОЭСИТ.

Для энергетических ОЭСИТ общая методическая погрешность равна

(1.21)(1.21)8=1пЕ/ InS—— =1-лЖ

(1.21)

(1.21)

Ехт v

где Е = ех/е0, ех, £0— описанные выше коэффициенты, относя-

13

щиеся к объекту измерения и образцовому излучателю соответственно*.

Для спектральных ОЭСИТ, использующих два участка спектра, погрешность 8е определится выражением

8<2> =8<2> =ln(St/S2)ln(St/S2)In^/S,)-^-^х X2Xt тIn^/S,)-^-^х X2Xt т(1-22)(1-22)

8<2> =

8<2> =

ln(St/S2)

ln(St/S2)

In^/S,)-^-^

х X2Xt т

In^/S,)-^-^

х X2Xt т

(1-22)

(1-22)

где Ь^е^; х2 = 82/80.

Рассмотренные в данной главе методы измерения температуры являются основными (базовыми). Преимущество того или иного метода определяется рядом факторов, которые будут рассмотрены далее. Обоснование применения того или иного варианта ОЭСИТ с точки зрения уменьшения методической погрешности дано в [1.1, 1-13]. Некоторые способы измерения, обладающие меньшей методической погрешностью и полученные усложнением базовых методов измерения, рассмотрены в гл. 5.

Помимо методической погрешности ОЭСИТ обладают инструментальной погрешностью 8И, определяемой погрешностью измерения параметров потока излучения.

Для энергетический ОЭСИТ инструментальная погрешность равна

8И = ^8Ф = 1§Ф,С- 2 Д

где 8Ф— погрешность измерения потока излучения.

В спектральных ОЭСИТ инструментальная погрешность зависит от погрешности измерения отношения потоков и от участков спектра, в которых производится измерение потока излучения. При использовании двух участков спектра

^(2)^1^-2К

8« =Г 8Ь’

Х2 A-j ^2^’^2

где 8^2 — погрешность измерения отношения потоков излучения.

* В дальнейшем для упрощения будем считать, что £0=h тогда S = eK = e.

ГЛАВА 2

ОПТИЧЕСКИЕ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ОЭСИТ)

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

При разработке ОЭСИТ ставится задача выбора оптических материалов для объективов, фильтров, зеркал, защитных окон и т. д. Современные приемники излучения [21] позволяют использовать в ОЭСИТ наряду с видимой и инфракрасную область спектра. В видимой части спектра, занимающей сравнительно узкий диапазон длин волн, не возникает больших трудностей при выборе оптических материалов с требуемыми свойствами. Многие разновидности стекол и зеркал пригодны для этого. Спектр инфракрасного излучения занимает значительно более широкий диапазон длин волн во много раз шире видимой части спектра, и ни один материал не может быть полностью пригодным для всего инфракрасного диапазона [2.2].

Спектральные области пропускания оптического излучения большинства материалов показаны на рис. 2.1 в порядке возрастания длинноволновой границы пропускания. Диапазон пропускания определяется как область спектра, на границах которой пропускание составляет более 10% для образца толщиной 2 мм Пропускание оптического элемента зависит как от внутреннего поглощения, так и от потерь на отражение. Вещества с большим показателем преломления имеют более высокую отражательную способность, и в этом случае часто применяется покрытие, снижающее отражение. Показатели преломления некоторых материалов даны на рис. 2.2.

Следует отметить, что ряд материалов (из числа указанных на рис. 2.1) являются гигроскопичными. Это ограничивает их применение в ОЭСИТ. Хлористое серебро может выдержать влажность, если оно достаточно чисто и защищено соответствующим покрытием, но оно неоднородно и, кроме того, слишком мягко. Синтетический монокристалл (КР-5) имеет низкую температуру плавления (415 С), обладает холодной текучестью, также является неоднородным, до некоторой степени ядовит, дорогостоящ и имеет сравнительно большую плотность. Стекло из трехсернистого мышьяка значительно ухудшает пропускание в средней части диапазона (8—13 мкм) и размягчается с ростом температуры, которая является слишком низкой для многих случаев применения.

При использовании кристаллов германия следует учитывать, что пропускание германия быстро падает с увеличением температуры, начиная приблизительно с 100 С. Кремний можно использовать приблизительно до 300° С, хотя в диапазоне 8 13 мкм он не является полностью прозрачным для оптического излучения.

В области спектра 1—3 мкм можно использовать обычное оптическое стекло. Это должно быть специально обработанное стекло либо стекло с соответствующим отражающим покрытием; иногда используется и то и другое. Основным критерием при выборе стекла является высокая степень пропускания

-лРис 2 1 Спектральные области пропускания различных материалов

7- двукислый фосфат мышьяка (АР), 2—двукислый фосфат калия, 3—боросиликатное стекло (крон), 4—антимонид галлия 5 — кристаллический кварц, 6— плавленый кварц, 7—фосфид галлия 8 — стекло с добавлением алюмината галлия, 9—катьцит 70—шпинель //—рутил (двуокись тигана) 12—сапфир, 13 — титанат стронция, 14—титанат бария, 15 арсеиид индия 16 —сернистый свинец, 17—селенистый свинец 18 теллуристый свинец 19 — теллур 20— окись магния 21 фтористый литий 22 -арсенид халлия 23 — сгекло с добавлением трехсернистого мышьяка, 24 фтористый кальций, 25 -фтористый натрий, 26— кремний, 27—фтористый барий, 28— фтористый натрий, 29—антимонид индия, 30—сернистый кадмий, 31 фтористый свинец, 32—теллуристый кадмий 33—селеновое стекло с пр тмесью мышьяка, 34 — аморфный селей 35 германий 36 — хлористый натрий 37—хлористое серебро, 38—хлористый калий 39 бромид-иодид таллия 40 хлористый таллий, 41 — бромистый калий, 42 —бромид-иодид таллия (КР-5), 43 — бромистый таллии 44 —йодистый калий, 45 — бромистый цезий, 46—йодистый цезий

в инфракрасной части спектра и низкая в видимой части с резким переходом между ними Использующиеся для этого спектрального диапазона стекла обычно вполне удовлетворительны

В средневолновой области спектра (2 —8 мкм) можно также использовать указанные материалы Кроме того, оптические элементы для этой области можно изготовить из германия, кремния, рутила (окиси титана), сапфира, а также из селенового стекла с добавлением мышьяка Кремний и германий обладают большим показателем преломления и могут использоваться в качестве материалов для линз и призм большой оптической силы

В средневолновой области спектра находятся длины волн среза для различных полупроводников, поэтому необходимый спектр пропускания можно получить также с помощью комбинаций различных материалов

Спектральная область между видимой частью спектра и длиной волны 3 мкм с точки зрения оптических материалов является наиболее изученной Здесь можно использовать большую часть материалов, указанных на рис 2 1, а также плавленый кварц и некоторые оптические стекла Обычно выбирают плавленый кварц благодаря его устойчивости к высоким тепловым, химическим, механическим и оптическим воздействиям

Рис 2 2 Показатель преломления некоторых материалов

Использование покрытий на оптических деталях является установившейся практикой в оптической промышленности. Покрытия одного типа служат для защиты элементов от атмосферных явлений и действий окружающей среды (воды и водяных паров, истирания, воздействия солнечных лучей), покрытия другого типа в виде тонкой пленки используются для улучшения пропускания оптических элементов или отражения зеркал. Двуокись кремния и фтористый магний обычно наносят на поверхности линз, окошек или зеркал; двуокись титана и окись кремния используют для защиты посеребренных поверхностей отражателей; тонкие пластмассовые пленки наносят на хлористый натрий для защиты его от влаги, а покрытия из сульфида сурьмы или серебра наносят на‘ элементы хлористого серебра в качестве защиты от оптических помех.

Использование покрытий, снижающих или повышающих отражение, приобретает особенно большое значение в ОЭСИТ, работающих в инфракрасной области спектра. Критериями качества пленки, устраняющей отражение, являются равенство ее показателя преломления п корню квадратному из показателя преломления материала оптического элемента ло (объектива, защитного окна), а также нечетность^ и кратность л разности фаз падающей и отраженной волны Д(р, т. е. n = ^nQ и

(2.1)(2.1)(2.2)(2.2)г (1\

(2.1)

(2.1)

(2.2)

(2.2)

Дф = 4л«со5-=2л[ mA— .

X 2/

Второе из этих условий сводится к следующему:

Xndcosr=-(2m +1),4

где X — длина волны падающего излучения; d—толщина пленки; г—угол между лучом в пленке и перпендикуляром к поверхности пленки; т=\, 2, 3, — число отражений в пленке.

Поскольку показатель преломления в области пропускания незначительно меняется от длины волн, снижение отражения будет максимальным только для очень узкой полосы спектра при нормальном падении. Наилучшее снижение отражения достигается только при одном угле падения; при расчете обычно выбирается нормальное падение.

Наиболее широкая область спектра обеспечивается при т=Х; при т>3 — 4 пропускание имеет линейчатый спектр. Для выделения необходимых участков спектра в ОЭСИТ используются различного типа спектральные фильтры. Различают фильтры, которые пропускают все излучение с длинами волн, большими некоторой заранее выбранной величины; фильтры, которые пропускают все излучение с длиной волны, меньшей выбранной величины, и фильтры, которые пропускают излучения только между двумя выбранными длинами волн.

Некоторыми из физических свойств, на которых основано действие фильтров, являются поглощение, преломление, рассеяние и интерференция. Существует множество фильтров для видимой области, хотя возникают некоторые трудности в получении достаточно острых срезов. Фильтры для ближней инфракрасной области обычно являются фильтрами поглощающего типа. В качестве фильтров могут быть использованы некоторые пластмассы, являющиеся одновременно и подложкой, и поглотителем. 18

поглощения можно сдвинуть, хотя в менее резкой, а материал — болеепоглощения можно сдвинуть, хотя в менее резкой, а материал — болееРис. 2.3. Зависимость от X коэффициента отражения пленки из серебра и алюминия

поглощения можно сдвинуть, хотя в менее резкой, а материал — более

поглощения можно сдвинуть, хотя в менее резкой, а материал — более

Труднее получить фильтры, обеспечивающие пропускание длинноволнового излучения. Только ряд полупроводниковых кристаллов обладает пропусканием в длинноволновой области (см. рис. 2.1). При соответствующем легировании, т. е. введении известного количества примесей, положение границы этом случае граница обычно становитс:

непрозрачным по мере увеличения концентрации примеси.

Простейшим типом интерференционного фильтра являются фильтры типа Фабри —Перо. В фильтрах Фабри—Перо интерференция излучения между двумя параллельными полупосеребренными пластинами обеспечивает спектральную избирательность, при этом полоса пропускания фильтра определяется отражательной способностью пластин.

При изготовлении зеркал наиболее часто применяют напыление из алюминия или серебра. Серебряное покрытие обеспечивает более равномерное распределение по X коэффициента отражения (рис. 2.3), что дает ему преимущество в спектральной пирометрии.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОЭСИТ

Оптические системы ОЭСИТ в принципе не отличаются от оптических систем для других оптических приборов [2.4, 2.5].

Оптическая система ОЭСИТ характеризуется показателем визирования, коэффициентом использования потока объекта, спектральными и некоторыми другими характеристиками.

Оптическая система (рис 2.4, я), содержащая двояковыпуклую линзу диаметром Dx, толщиной /, выполненную из материала с коэффициентом преломления пх, является наиболее широко распространенной в ОЭСИТ. Радиус кривизны R считается положительным, если центр кривизны расположен справа от поверхности, и отрицательным, если слева.

Фокусное расстояние fx двояковыпуклой линзы определяется выражением [2.4]

(^-1)^2-^) + ^/

В большинстве случаев R»t (тонкая линза). Тогда можно считать, что (»x+l)f/«x«O.

Возможно применение в ОЭСИТ трех типов линз: собирающей двояковыпуклой, собирающей плосковыпуклой и собирающего мениска (рис. 2.4, я).

Обозначая ri = |^J и г2 = |Я2|, можно записать:

для двояковыпуклой линзы

К-ОЬ+Гг)’

для плосковыпуклой линзы

А=к^П;

для собирающего мениска

k-Oh-ri)'

Для тонкой линзы, как известно, справедливо выражение l/S+l/S^l/Д; s/S' = C/G,(2.4)

где S и S'—расстояния линзы до объекта визирования и его изображения, имеющих соответственно размеры С и G.

Для ОЭСИТ, использующих очень узкий участок спектра, (АХ/Х) <с 1 (АХ —полоса пропускания фильтра, X—эффективная длина волны используемого участка спектра) и показатель визирования р определяется как

p = DtiIS=dA\IR-XIS'\(15^

где Во—диаметр сфокусированного изображения полевой диафрагмы dn при эффективной длине волны X, D0 = C; dn = G (рис. 2.4,6), или же с учетом (2.4) p-DJS-dJS1.

Для оптических систем, где S»jx, p = D0IS^dnlfv

Коэффициент использования потока объекта может быть определен как А = Ф(В, где Ф— поток, проходящий через полевую диафрагму dn и равный

В—энергетическая яркостьВ—энергетическая яркостьобъекта. Так как полевая диафрагмаобъекта. Так как полевая диафрагма

В—энергетическая яркость

В—энергетическая яркость

объекта. Так как полевая диафрагма

объекта. Так как полевая диафрагма

находится в плоскости изображения, то можно записать [2.5]

£0 = лтл5т2 U—^,

где тл — коэффициент пропускания линзы; U— апертурный угол оптической системы.

Учитывая, что sin2Z7=—=г4S2 + Z)2Учитывая, что sin2Z7=—=г4S2 + Z)2ии^S (S'-А)2—♦ можно записать^п fl^S (S'-А)2—♦ можно записать^п fl

Учитывая, что sin2Z7=—=г

4S2 + Z)2

Учитывая, что sin2Z7=—=г

4S2 + Z)2

и

и

^S (S'-А)2

—♦ можно записать

^п fl

^S (S'-А)2

—♦ можно записать

^п fl

А = тл - D о —z.

4 °4S2 + £>2

Для тех случаев, когда 5»/л,

л 0,0»

(2.6)(2.6)(2.7)(2.7)Тл16 S2 '

(2.6)

(2.6)

(2.7)

(2.7)

Рис. 2.4. К определению параметров оптических систем

Приведенные соотношения получены в предположении, что линза не искажает фронта волны. Однако все реальные линзы искажают волновой фронт. Искажение вызывается ошибками фокусировки и различного рода аберрациями. Расчет оптических систем, учитывающих эти аберрации, дан в ряде работ [2.4, 2.5] и здесь не рассматривается.

Для ОЭСИТ, использующих излучение на значительном участке спектра, при определении показателя визирования необходимо учитывать хроматическую аберрацию линзы.

Определение показателя визирования для ОЭСИТ с учетом хроматической аберрации объектива рассмотрено в [2.6]. Там же показано, что для ОЭСИТ, работающих в диапазоне длин волн Хмакс —Хмин, показатель визирования рассчитывается по формуле

(2-8а) ^ \/Лмин /Хмакс/

За условный показатель визирования ру принято отношение диаметра полевой диафрагмы dn к ее расстоянию от линзы S'. Подставляя из (2.3) значения L-» и AMavr, в частном случае для плосковыпуклой линзы имеем

(2-8б) Л 2а

Из формул (2.8) следует, что реальный показатель визирования ОЭСИТ с учетом хроматической аберрации увеличивается на величину, прямо пропорциональную световому диаметру линзы Dn, дисперсии объектива в пропускаемом диапазоне длин волн (лЛМИН — икмакс) и обратно пропорциональную двойному радиусу кривизны линзы R.

Так, например, для ОЭСИТ с кварцевой плосковыпуклой линзой, имеющих ру=1/25, Пл=17мм, /? = 24мм, Хмин = 0,7 мкм, Хмакс = 3,6 мкм, л,мин= 1,455, nXMatL = 1,404, показатель визирования р^1/18.

В ОЭСИТ со светопроводной оптикой необходимые размеры оптической системы определяются параметрами светопровода и размерами полевой диафрагмы.

Схема оптической системы со светопроводом приведена на рис. 2.4, в, для нее справедливо (при dc>dn^ [2.7]

(2.9)(2.9)e=arctg2^±4^M^

(2.9)

(2.9)

где dnp—диаметр диафрагмы 1 (или диаметр зрачка приемника); dc—диаметр светопровода 2; lq—расстояние между диафрагмой и торцом светопровода; /с—расстояние между изделием 3 и торцом светопровода.

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ПРИЕМНИКЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим радиационный пирометр, в котором в качестве приемника излучения применена термобатарея При известном коэффициенте пропускания оптической системы, исходя из теплового баланса термобатареи, можно определить выходной сигнал ОЭСИТ. В стационарном режиме [1.3]

(2-10)(2-10)ЦЕ.П-Е3Т^

(2-10)

(2-10)

(i-E)(r2 + r3)(^ + ^)+—

где Е— ЭД С термобатареи; ^ — постоянная термобатареи; е-- излучательная способность обратной стороны термобатареи; Tv Т2, Т3— соответственно температуры излучателя, выделенной приемной части термобатареи и корпуса; fL и Г3— коэффициенты, определяемые свойствами оптической системы (для ряда оптических материалов их значения приведены в [13]); х —площадь выделенной приемной части термобатареи; а—постоянная Стефана — Больцмана; с—коэффициент теплоотдачи конвекцией и теплопроводностью от термобатареи.

В общем случае электрический сигнал на приемнике излучения ОЭСИТ определяется выражением

Е=А8Хм„Л bxTa.dk,(2.11)

О

где SkMaKC— максимальная спектральная чувствительность; Ь^т— спектральное распределение плотности энергии излучения; А —коэффициент, характеризующий оптическую систему ОЭСИТ (2.6); ик — относительная характеристика приемника.

Электрический сигнал, возникающий на приемнике, чаще всего выражается в миллиамперах. Однако для большинства электронных схем требуется электрический сигнал представить в виде напряжения

Для фотоэлементов, фотоумножителей, фоторезисторов, фотодиодов при малом значении фототока, т. е. при Uc Un и при Rt =const, напряжение электрического сигнала Сс однозначно определяется как

=(2.12)

R.+RJ

где Un — напряжение питания; Rt— внутреннее сопротивление приемника; Ян — сопротивление нагрузки.

Для фотодиодов, работающих в вентильном режиме, а также для фоторезисторов (flt/const) точное определение Uc аналитически невозможно; Uc определяется графоаналитическим способом. Рассмотрим, например, работу фотодиода. Основное уравнение фотодиода имеет вид [2.8]

/ф = //ехр^И;”1)+^’/ф = //ехр^И;”1)+^’(2.13)(2.13)

/ф = //ехр^И;”1)+^’

/ф = //ехр^И;”1)+^’

(2.13)

(2.13)

где Is—ток насыщения; /ф— фототок короткого замыкания; е—заряд электрона; иф—напряжение на фотодиоде; Т—температура фотодиода, К; As— коэффициент, зависящий от типа фотодиода, для кремниевого фотодиода Л8=1, для германиевого фотодиода ?ls = 4

Если RH=oo, то

AJcT (К \

Уф=14=—In т+1 .(2.14)

С\ ’/

Из (2.14) следует, что Ue является нелинейной функцией от 1ф. Если 1?н/оо, то уравнение (2.14) превращается в трансцендентное и определить Uc можно только графическим путем.

А кТ

Сопротивление р-и-перехода при £/ф = 0 обозначим как Ro=™—, примем a=RJR0, р—ZH//S; IH = U^/RH Тогда уравнение (2.14) запишется в виде Ш^М1'?), или

/ф^^р^РНТ^р)"(215)

И3'(2.15) следует, что —-/(—, а]

На рис. 2.5, а, б приведены зависимости

4/4 ПРИ 4/4= 1^

Wh/-W(°0 при 4/4=10-4 позволяющие быстро выполнить расчеты по определению оптимальных режимов работы и параметров схемы при заданных параметрах фотодиода 4 = ФН’ Uc=ut = WtRH-

Рассмотрим методику определения сигнала на фоторезисторе. Если RT — темновое сопротивление фоторезистора, то падение на его фотосопротивлении потока излучения можно представить как появление дополнительного сопротивления /?ф, уменьшающегося при увеличении мощности потока.

Тогда R^ = ^jU^ = S30aU^I иф = 8эФ^и^"г. Для большинства случаев (3 = 1 [2.8], следовательно,

Кф-5эФа,(2.16)

23

Рис. 2.5. К определению сигнала с фотодиода

где 5, —чувствительность фоторезистора к лучистому потоку. При использовании в ОЭСИТ спектрального отношения фоторезисторов необходимо, чтобы отношение их фотосопротивлений при различных потоках однозначно определялось отношением потоков Из (2.16) следует, что Яф2 / 2?ф1 =(Фт2/'Фт1),‘, т. е. необходимо, чтобы a=const.

Напряжение сигнала Uc определяется как параметрами фоторезисторов (7?ф, Ят) и напряжением на них, так и сопротивлением нагрузки RH.

При напряжении сигнала Uc, значительно меньшем U^, можно записать

яэ=*лФМ+ят) (2.17) или

и‘ (1-р)[1_7(1+р)]^’(2-18)

где ^RJR^; y = RJR„.

Величину б'ф выбирают, исходя из обеспечения длительной стабильной работы фоторезисторов и минимального уровня шумов. 24

Максимальное значение спектральной чувствительности 8Хмис определяется как отношение электрического сигнала, генерируемого фотоприемником, к мощности падающего на приемник монохроматического потока.

Измерение абсолютной спектральной чувствительности сопряжено с большими техническими трудностями, поэтому представляет интерес определение ее по чувствительности к лучистому S3 или световому SCB потоку (определяемому как отношение электрического сигнала, генерируемого приемником, к падающему на приемник потоку Ф, или Ф=в в ваттах или люменах), по относительной спектральной характеристике (OCX) чувствительности и по спектральному распределению коэффициента излучения источника излучения 8=/(Х).

Как правило, OCX определяется на монохроматоре. Определение SXMMC заключается в следующем: OCX разбивают на ряд участков ДХ и определяют Х(ЛХа,еД, где ах—среднее значение OCX в области ДХ, тогда

53Ф, ДСВФСВ, ,

SlM„c = ,(2.19)

^(ДХ^еД Е(ДХад)

Формула (2.19) позволяет определить 5\макс при любой температуре, а также установить связь между $э и SCB.

В литературе приводятся значения S3 при различных температурах. Для сравнения приемников надо S3 привести к одной температуре. Это необходимо также, когда при определении параметров приемника трудно получить высокую температуру источника излучения.

Для определения 5\макс при известных S3 и SCB необходимо знать для каждого приемника три постоянных коэффициента.

Я1^макс / Д^макс 2800, 92 Дз макс / Да 2800 ч Яз Д^макс/Дев 2800

и два коэффициента я» и я5, зависящих от температуры источника 7Д

^4 = 53/Да2800 =f^T"Y 95 = Дев/ Дсв28ОО=/(7’в)-

Тогда

Дк макс Я1 /94Т Да Я 2 / 95 Т Дев’

„94Т2 „„95Т2 „

ОЭТ2—О>ТН ОсвТ2 —ОсвТП

94ti9sTt

9з94Т1

где S2soo- Дп и Дт2—значение 5 при температурах источника, равных соответственно 2800 К, 7\ и Т2.

В табл. 2.1 приведены значения qx и q2 (<у3 = 21,4) для ряда приемников. В качестве излучателя использовалась вольфрамовая лампа. Спектральные характеристики приемников приведены на рис. 2.6. На рис. 2.7 приведены кривые q4 и q= для указанных приемников.

В большинстве фотоприемников чувствительный слой удален от входного окна, что приводит к потерям части лучистого потока при неперпендикулярном к поверхности падении лучей В ряде приемников входным окном является линза и сигнал фотоприемника зависит от угла падения параллельного пучка лучей.

25

Таблица 2.1 Значения коэффициентов

Тип приемника излучения

Номер приемника (рис 2 6, 2 7)

9.

?2

Фотоэлемент СЦВ-6

1

36

780

Фотоэлемент Ф-9

2

2,8

60

Кремниевый фотоэлемент

3

1,82

39

Германиевый фотоэлемент

4

1,53

33

Фоторезистор PbS

5

1,84

39

Фоторезистор TeS

6

20,6

440

Фоторезистор InSb

7

5,0

106

Неселективный термоэлемент

8

3,0

65

Неселективный термоэлемент с. оптикой из

9

2,96

63

стекла «пирекс»

Неселективный термоэлемент

10

Н,5

20

Неселективный термоэлемент с оптикой из

11

1,0

310

флюорита

Зависимость интегральной чувствительности фотоприемника от угла падения параллельного пучка лучей на его входное окно называется апертурной характеристикой Апертурную характеристику необходимо учитывать при согласовании фотоприемника с оптической системой [2.9]

На рис. 2.8, а приведены апертурные характеристики фотодиодов, на рис 2.8,6—апертурные характеристики фоторезисторов, здесь же для сравнения приведена апертурная характеристика чувствительного элемента'фоторезистора без конструктивных элементов (кривая 7).

При разработке спектральных ОЭСИТ необходимо преобразование в электрический сигнал потока излучения от объекта одновременно в различных областях спектра. До последнего времени это осуществлялось путем разделения

Для приемников б?7

Рис. 2.6. Спектральные характеристики некоторых фотоприемников 26

потока во времени или в пространстве, выделения необходимых участков спектра с помощью фильтров и дальнейшего преобразования потоков в шектрические сигналы с помощью нескольких приемников излучения При этом применялись комбинации приемников с различными спектральными характерна тиками

В последнее время появились многослойные приемники излучения [2 10— 2.13] с приемниками разной спектральной чувствительности, расположенными последовательно друг за другом, причем каждый более коротковолновый приемник для более длинноволновых служит фильтром, срезающим коротковолновую часть спектра. При этом поле зрения всех приемников практически одинаково, т. е. приемники воспринимают излучение одного и того же участка объекта, что весьма важно.

Применение твердых растворов РЬ^хЗпДе или CdxHg!-xTe позволяет менять спектральную чувствительность приемников излучения, выполненных на 27

30 72 54 ЗБ 18 0 18 36 54 72и.'6)30 72 54 ЗБ 18 0 18 36 54 72и.'6)

30 72 54 ЗБ 18 0 18 36 54 72и.'

6)

30 72 54 ЗБ 18 0 18 36 54 72и.'

6)

Рис 2 8 Апертурные характеристики фотоприемников

их основе Это дает возможность изготовлять многоспектральный приемник излучения на базе одного материала (с различных х) Чувствительный слой может быть выполнен как фоторезистор или фотодиод

На рис 2 9, а приведена спектральная характеристика трехспектрального приемника на основе фоторезистора CdxHgi хТе, работающего в диапазоне дчин both 2—14 мкм Он состоит из трех фоточувствительных слоев с различным содержанием Cd (с различным х), наложенных друг на друга При этом спектра 1ьная характеристика каждого слоя определяется пропусканием не только вышележащих слоев, но и защитного слоя (эпоксидной смолы)

а — фоторезисюра, б—фотодиода на основеа — фоторезисюра, б—фотодиода на основетвердых растворов CdxHg, хТе в — фото Те (кривая 2) г—фоторезистора на основе Siтвердых растворов CdxHg, хТе в — фото Те (кривая 2) г—фоторезистора на основе Siдиода на основе InSb (кривая /) и Pbn 7QSnn (кривая 3) и PbS — PbSe (кривая 4)диода на основе InSb (кривая /) и Pbn 7QSnn (кривая 3) и PbS — PbSe (кривая 4)

а — фоторезисюра, б—фотодиода на основе

а — фоторезисюра, б—фотодиода на основе

твердых растворов CdxHg, хТе в — фото Те (кривая 2) г—фоторезистора на основе Si

твердых растворов CdxHg, хТе в — фото Те (кривая 2) г—фоторезистора на основе Si

диода на основе InSb (кривая /) и Pbn 7QSnn (кривая 3) и PbS — PbSe (кривая 4)

диода на основе InSb (кривая /) и Pbn 7QSnn (кривая 3) и PbS — PbSe (кривая 4)

28

На рнс 2 9, б приведена спектральная характеристика трехспектрального риемника излучения, выполненного также на основе CdxHgi хТе, но работающего в фотодиодном режиме

Возможна разработка приемников и с использованием слоев из различных материалов (рис 2 9, в, г)

Многоспектральные приемники излучения с характеристиками, близкими к [редельно возможным, в настоящее время находятся в стадии серийного усвоения

МОДУЛЯТОРЫ И ДЕФЛЕКТОРЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В ОЭСИТ широкое применение находят средства управления оптическим излучением модуляторы и дефлекторы В соответстви i с общепринятой терминологией устройства, управляющие амплитудой, фазой, частотой и поляризацией потока оптического излучения (в том числе распределением параметров потока в пространстве), называют модуляторами, а устройства, управляющие направлением распространения потока излучения,—дефлекторами [2 14 2 18]

Модуляторы, управляющие одновременно изменением во времени амплитуды и других параметров потока оптического излучения, будем называть интегральными, или одноканальными, иногда просто модутяторами излучения

Мод} тяторы, управляющие распределением параметров излучения во времени и в пространстве, будем называть пространственно-временными модуляторами излучения (ПВМИ), или пространственными модуляторами света

Пространственно-временные модуляторы излучения могут быть динамическими, статическими и квазистатическими В динамических модуляторах функция преобразования Е^х, у, z, ?) интенсивности входного потока /0(х, у, z, t) может изменяться в процессе работы под действием электрического или иного управляющего сигнала, при этом интенсивность выходного излучения определится выражением

/(х, у, z, t)=i0(x, }, z, l)F(v, j, z, t)

Динамическими пространственно-временными модуляторами являются, например, электрически управляемые жидкие кристаллы В настоящее время в ОЭСИТ динамические модуляторы применяются для отображения информации о состоянии контролируемого теплового поля

В статических модуляторах Е^х, у, z, t)~E(x, i, z), они реализуются с помощью нереверсивных материалов, например фотопленок

Квазистатические пространственные модуляторы осуществляют единственное пространственно-временное преобразование параметров излучения Например, с помощью точечного отверстия во вращающемся с постоянной скоростью со диске, установленном в фокачьной плоскости объектива, осуществляется следующее пространственно-временное преобразование

Z(x, у, ?)=/0(^ У, t)46[x-x0(t), у-Уч)(/)] = ^/0[Л)(?), >о(0’ ?L

где xo(?)=tzsino)Z; у0(0~ЙСО8ю^ Л —степень пропускания излучения отверстием в диске (Л = const); 6 — «точечная» функция Дирака; а — радиус сканирования (а=const) Квазистатическое преобразование осуществляется также с помощью диска Нипкова.

Квазистатические пространственные модуляторы используются в ОЭСИТ для сканирования изображения анализируемого поля. Исторически первым сканирующим пирометром был прибор с квазистатическим модулятором типа диска Нипкова [2.19].

Прежде чем описывать конкретные типы модуляторов и дефлекторов, остановимся на некоторых общих для тех и других приборов вопросах.

Все устройства управления оптическим излучением делятся на две группы: внешние и внутренние (по отношению к излучателю). Внешнее управление связано с воздействием на уже сформированный оптический поток, внутреннее™ с непосредственным воздействием на источник излучения, т. е. является управлением процесса генерации излучения.

Первую группу внешних модуляторов и дефлекторов составляют оптикомеханические устройства. В них управление потоком излучения осуществляется в результате механического движения (вращения, возвратно-поступательного перемещения и т. д.) одного или нескольких оптических элементов (зеркал, призм, диафрагм с отверстиями, линз и т. п.). Движение оптических элементов может обеспечиваться с помощью различных приводов: электромеханического, электромагнитного, пьезоэлектрического и т. д.

Вторую, более перспективную группу составляют оптико-электронные устройства управления оптическим излучением. В них управление потоком осуществляется с помощью какого-либо одного или нескольких оптических элементов (кристаллов, жидкостных ячеек, полупроводников и т. д.), которые изменяют свои оптические свойства под действием напряжения (или тока), электрического или оптического луча и т. д. В этой группе для модуляции и отклонения оптического излучения используются различные физические явления и эффекты в твердых и жидких телах: электрооптические эффекты (Поккельса и Керра), магнитооптический эффект динамического рассеяния в жидких кристаллах, явление поглощения света свободными носителями р-и-перехода и др. [2.14, 2.16].

Устройства управления излучением первой и второй групп могут работать как на отражение, так и на пропускание излучения.

Практическое применение из второй группы устройств находят пока электрооптические и оптико-акустические модуляторы, которые используются для разделения и быстродействующей коммутации потоков в цветовых пирометрах, в пирометрах с оптической компенсацией и модуляцией сигналов, в сканирующих датчиках температуры и т. п. Однако преимущественным на сегодняшний день остается применение в ОЭСИТ оптико-механических модуляторов и дефлекторов.

Модуляторы оптического излучения. Основными характеристиками модуляторов, применяемых в ОЭСИТ, являются динамические, модуляционные и пространственные характерис гики. Динамические свойства модуляторов в общем случае характеризуются временем от одной функции преобразования ^1(х, у, ^) к другой—f2(x, у, z) (с заданной точностью). Для интегрального 30

Рйс. 2.10. Оптико-механические модуляторы излучения:

а — вращательный секторный одноканальный, б— вращательный секторный двухканальный; в — колебательный двухканальный с электромагнитным приводом

модулятора удобно пользоваться обыкновенной частотной характеристикой модулятора или понятием максимальной частоты модуляции (/м). Квазиста- тические (развертывающие) модуляторы характеризуются, кроме того, периодом кадра сканирования тк или частотой смены кадра сканирования /к=1/тк, т е. временем, в течение которого осуществляется развертка всего поля.

Модуляционная характеристика -статическая зависимость выходного параметра модулируемого излучения от управляющего воздействия, в частности — от электрического напряжения или тока в оптико-электрическом модуляторе.

Пространственные характеристики особенно важны для пространственных модуляторов, здесь их описывают оптической передаточной функцией и разрешающей способностью [2.18]. Интегральные модуляторы характеризуют размером сечения модулируемого потока излучения (dM). Модуляторы с пропусканием характеризуются также длиной рабочей зоны /м, через которую проходит излучение. Эта характеристика важна потому, что в ОЭСИТ модулируются существенно непараллельные потоки излучения, поэтому для того, чтобы расходящийся поток излучения проходил через модулятор без виньетирования, необходимо, чтобы его диаметр d при входе в модулятор был не более величины dM — Zмtgф, где ф— угол расходимости модулируемого потока.

Оптико-механические модуляторы используют два типа механического движения: вращательное и колебательное. Для большинства оптико-механических интегральных модуляторов справедлива обратно пропорциональная зависимость между /м и dM. Действительно, в распространенном модуляторе потока, выполненном в виде многосекторного диска диаметром D (рис. 2.10, a, 6),fM может быть повышена (при ®м = const и D = const) лишь путем увеличения числа секторов, что приводит к уменьшению dM. Аналогичным образом частота колебания модулирующей пластины (рис. 2.10,в) тем выше, чем меньше ее размеры.

При средних размерах секторного диска и при dM ^ 2 мм с помощью секторного модулятора можно получить /м ^ 5— 10 кГц. Используя пьезоэлектрический привод колеблющейся пластинки, можно промодулировать тот же пучок с частотой до 50—100 кГц. Электромагнитный привод более инерционен, чем пьезоэлектрический, поэтому он используется для низкочастотной модуляции при больших dM.

Рис. 2.11. Некоторые схемы установки от ико-механических модуляторов излучения в ОЭСИТ: а, б—с зеркальными секторными модуляторами; в — с двухканальным секторным модулятором (7 — приемная оптическая система ОЭСИТ; 2— модулятор излучения; 3—приемник излучения; 4 - оптическая система, формирующая эталонный поток; 5 - эталонный излучатель)Рис. 2.11. Некоторые схемы установки от ико-механических модуляторов излучения в ОЭСИТ: а, б—с зеркальными секторными модуляторами; в — с двухканальным секторным модулятором (7 — приемная оптическая система ОЭСИТ; 2— модулятор излучения; 3—приемник излучения; 4 - оптическая система, формирующая эталонный поток; 5 - эталонный излучатель)

Рис. 2.11. Некоторые схемы установки от ико-механических модуляторов излучения в ОЭСИТ: а, б—с зеркальными секторными модуляторами; в — с двухканальным секторным модулятором (7 — приемная оптическая система ОЭСИТ; 2— модулятор излучения; 3—приемник излучения; 4 - оптическая система, формирующая эталонный поток; 5 - эталонный излучатель)

Рис. 2.11. Некоторые схемы установки от ико-механических модуляторов излучения в ОЭСИТ: а, б—с зеркальными секторными модуляторами; в — с двухканальным секторным модулятором (7 — приемная оптическая система ОЭСИТ; 2— модулятор излучения; 3—приемник излучения; 4 - оптическая система, формирующая эталонный поток; 5 - эталонный излучатель)

Классическая схема установкиКлассическая схема установкисекторного модулятора с зеркальным

Классическая схема установки

Классическая схема установки

покрытием для поочередной коммутации рабочего Ф^ и эталонного Фэ потоков приведена на рис. 2 1 La. Реже встречается схема установки модулятора, показанная на рис. 2.11,5. В последней схеме на фотоприемник может попадать не только отраженное с помощью модулятора, но и прямое (фоновое) излучение от эталонного излучателя 5.

Модулятор, приведенный на рис 2.10, в, используется также для поочередной коммутации рабочего и эталонного потоков, которые, однако, поступают на приемник под разными углами, что не всегда приемлемо для ОЭСИТ.

Оптико-механические пространственные модуляторы, применяемые в ОЭСИТ, являются в большинстве случаев квазистационарными. Они обеспечивают развертку изображения температурного поля по какой-либо траектории сканирования [2.20—2.23]. Применяют для развертки вращательное движение диска или бесконечной ленты с отверстиями (рис. 2.12, а, 6) [2.19,2.22]. Получаемая траектория сканирования близка к построчной, разрешающая способность — до 25 000 элементов на поле, число строк- 20—50, преимущество —простота реализации, основной недостаток — большие габаритные размеры.

Используют также щели различной формы (рис. 2.12. в, г), совершающие вращательные или колебательные движения. Сочетание этих движений дает разнообразные траектории сканирования: построчные (рис. 2.12, в), спиральные (рис. 2.12, г), розеточные и т. д. [2.22]. Динамика и разрешающая способность таких модуляторов достаточно высокие (период кадра сканирования достигает 10’2 с, число строк—100), их основной недостаток — громоздкость.

Оптико-электронные модуляторы обладают большими динамическими возможностями и большей надежностью работы по сравнению с оптико-меха- 32

Рис. 2.12. Оптико-механические пространственно-временные модуляторы оптического излучения (развертывающего типа):

а диск Нипкова, б бесконечная лента с отверстиями, в -щелевой вращательно-колебательный модулятор, г -щелевой колебательно-колебательный модулятор (штрихиунктн- ром показаны траектории сканирования)

ническими модуляторами вследствие отсутствия механического движения элементов системы. Частота модуляции серийно выпускаемых отечественных 1 зарубежных интегральных модуляторов в настоящее время достигает Юн I09 Гц Вполне достижимыми считаются частоты 1010— 1011 Гц. К недостаткам оптико-электронных модуляторов необходимо отнести малые размеры модулируемого пучка и потребность в высоком управляющем напряжении UM, причем зависимость между dM и UM обратно пропорциональная. Так^ например, электрооптический модулятор с t/M = 3,5 мм требует £/м = 2500 В, а с </м = 1,0 мм -t/M = 180 В. Еще одним недостатком оптико-электронных модуляторов является большая длина их рабочей зоны: /м = 50 —200 мм. Во многих модуляторах увеличение /м связано с уменьшением прикладываемого напряжения UM.

Основными типами оптико-электрических модуляторов являются электрооптические (кристаллические и жидкостные), оптико-акустические и жидкокристаллические.

Электрооптические модуляторы используют для модуляции электрооптические эффекты в жидких и твердых средах, т. е. свойство среды изменять коэффициент преломления п под действием внешнего электрического поля Е. Различают линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), когда n = n0-\-kvEs и квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), когда п = п0А-к1Е1, где kv, кг = const Эффект Поккельса возможен лишь в твердых телах, эффект Керра —в жидкостях и твердых телах.

Управление коэффициентом преломления приводит к фазовой модуляции излучения. Перейти от фазовой модуляции к амплитудной можно при помощи пассивного преобразователя, в качестве которого используют двухлучевой или многолучевой дифракционный или интерференционный оптический прибор.

33 3 — 3219

Среди электрооптических материалов наибольшее распространение получили группы дигидрофосфатов NH4H2PO4(ADP) и KH2PO4(KDP), дейтерированные дигидрофосфаты калия и рубидия —KD2PO4 и RbD2PO4, дигидрофосфат рубидия RbH2PO4 и др Кристаллы этого класса отличаются высокой прозрачностью в области видимой и ближней инфракрасной частей спектра (Хм = 0,4 — 2,0 мкм) Электрооптические постоянные таких кристаллов слабо зависят от частоты внешнего поля вплоть до частот порядка нескольких десятков гигагерц Модуляторы светового луча поэтому могут работать в очень широком диапазоне частот вплоть до нескольких десятков гигагерц

Особый интерес представляет электрооптический эффект в кристаллах группы перовскитов, в которых наблюдается аномально высокий квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра в твердом теле) Наиболее ярко он проявляется в кристаллах танталата ниобата калия (KTN) и в монокристаллах титана бария (BaTiO3) Как показывают расчеты, при использовании монокристаллов KTN напряжение смещения может быть снижено до 3 —10 В, что на два порядка ниже напряжения в модуляторах, использующих линейный электрооптический эффект К сожалению, трудности, связанные с выращиванием достаточно больших и однородных монокристаллов типа KTN или BaTiO3, в значительной мере сдерживают процесс широкого технического использования твердотельных модуляторов Керра

К числу перспективных относят модуляторы на основе мелкозернистой керамики из цирконата-титаната свинца с примесью лантана [2 18] Они обладают низкой стоимостью изготовления и не требуют высокого модулирующего напряжения

Наиболее распространенная электрооптическая жидкость —нитробензол, имеющий наибольший (среди известных жидкостей) электрооптический коэффициент Нитробензол прозрачен в области 0,4—1,2 мкм К недостаткам этой жидкости нужно отнести значительные диэлектрические потери, особенно на высоких и сверхвысоких частотах, что исключает использование нитробензола в широкополосных и высокочастотных модуляторах Более перспективны с этой точки зрения неполярные жидкости, в частности сероуглерод, который хотя имеет меньшее значение постоянной Керра, но обладает и значительно меньшими диэлектрическими потерями

Один из простейших твердотельных электрических модуляторов излучения показан на рис 2 13, а [2 14] В нем установлена фазовая ячейка с так называемой поперечной геометрией (вектор поля совпадает с направлением распространения волны) Для преобразования фазовой модуляции в амплитудную служат поляризатор 2 и анализатор 5, главные плоскости которых скрещены и составляют с собственными направлениями осей электрооптического кристалла некоторый угол

В отсутствие управляющего поля излучение через такую систему не проходит Наличие двойного лучепреломления, возникающего при наложении управляющего поля, приводит к превращению плоскополяризован- ного света в эллиптически поляризованный При разности фаз лучей, равной л, световой поток, проходящий через такое устройство, будет максимальным

34

Рис 2 13 Электрооптический интегральный модулятор с базовой ячейкой поперечной геометрии и поляроидамиа—схема модулятора, б—модуляционная характеристика (/—оптическое излучение, 2—подяриза тор, 3 —электроды, 4—электрооптический кристалл 5— анализатор)Рис 2 13 Электрооптический интегральный модулятор с базовой ячейкой поперечной геометрии и поляроидамиа—схема модулятора, б—модуляционная характеристика (/—оптическое излучение, 2—подяриза тор, 3 —электроды, 4—электрооптический кристалл 5— анализатор)Рис 2 14 Жидкокристаллический интегральный модулятор излучения/ 5- прозрачные пластины 2- жидкий кристалл, 3 6—прозрачные электроды, 4 — герметизирующие прокладкиРис 2 14 Жидкокристаллический интегральный модулятор излучения/ 5- прозрачные пластины 2- жидкий кристалл, 3 6—прозрачные электроды, 4 — герметизирующие прокладкиМодуляционная характеристика такого модулятора имеет вид (рис 2 13,6)Модуляционная характеристика такого модулятора имеет вид (рис 2 13,6)/(z)=/0(?)sin2/(z)=/0(?)sin2»^Ц0 А )Жц 2 /»^Ц0 А )Жц 2 /

Рис 2 13 Электрооптический интегральный модулятор с базовой ячейкой поперечной геометрии и поляроидами

а—схема модулятора, б—модуляционная характеристика (/—оптическое излучение, 2—подяриза тор, 3 —электроды, 4—электрооптический кристалл 5— анализатор)

Рис 2 13 Электрооптический интегральный модулятор с базовой ячейкой поперечной геометрии и поляроидами

а—схема модулятора, б—модуляционная характеристика (/—оптическое излучение, 2—подяриза тор, 3 —электроды, 4—электрооптический кристалл 5— анализатор)

Рис 2 14 Жидкокристаллический интегральный модулятор излучения

/ 5- прозрачные пластины 2- жидкий кристалл, 3 6—прозрачные электроды, 4 — герметизирующие прокладки

Рис 2 14 Жидкокристаллический интегральный модулятор излучения

/ 5- прозрачные пластины 2- жидкий кристалл, 3 6—прозрачные электроды, 4 — герметизирующие прокладки

Модуляционная характеристика такого модулятора имеет вид (рис 2 13,6)

Модуляционная характеристика такого модулятора имеет вид (рис 2 13,6)

/(z)=/0(?)sin2

/(z)=/0(?)sin2

»^Ц0 А )

Жц 2 /

»^Ц0 А )

Жц 2 /

где 1^ и /о(0—интенсивности излучения на выходе и входе модулятора соответственно, UM^t) — амплитуда управляющего напряжения, L/x/2 = 2cZL0/^ Uo — параметр, зависящий от электрооптических характеристик кристалла и имеющий смысл полуволнового напряжения, d—расстояние между электродами, /—длина фазовой ячейки, Фо постоянный фазовый сдвиг, зависящий от естественной анизотропии среды Анизотропию среды компенсируют введением дополнительной фазовой ячейки, развернутой относительно первой на некоторый угол

Использование в данном модуляторе фазовой ячейки с поперечной геометрией связано с необходимостью снизить требуемое напряжение модули рующего сигнала по сравнению с обычной фазовой ячейкой (продольной) Для большинства веществ Uo равно нескольким киловольтам и более Например, при модуляпии с помощью KDP даже с глубиной 5% модулирующее напряжение должно быть порядка 750 В

Значительные напряжения, требуемые для модуляции, ведут к заметному увеличению массы аппаратуры и снижают ее экономичность Поэтому используют длинные модуляторы с поперечной геометрией, в которых по сравнению с продольными модуляторами напряжение снижено в 2l)d раз

В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию жидкокристаллических модуляторов —как интегральных, так и пространственных [2 18] Они обладают высокой надежностью, экономичностью, малыми габаритными

35

Таблица 22 Некоторые характеристики интегральных модуляторов, освоенных в серийном производстве

Типы модуляторов

Спектральный диа пазон модулируемо го излучения мкм

Максимальная частота моду ляции Гц

Управляющее напряжение или мощность

Электрооптические

0,11—7

6х 104

12 В

0,5- 19,8

3,7 х 104

0,25—1,15

3,5 х108

2000 В

2—16

109

1500 В

0,63

1,1 х 1010

8,8 В

08

1,7 х 1010

0,12 Вт

1,3

1010

40 В

3,39

1,8 х 109

31 В

10

7х 108

450 В

Акустооптические

0,3—0,55

15х 103

7,5 Вт

0,4 0,7

250х 103

1,5 Вт

0,6 1

500х 103

1 Вт

1,05—1,07

7х 103

3,5 Вт

2,5—11

5х 103

18 Вт

10,6

2х I03

1 Вт

размерами и массой, а также возможностью реализации широкоформатных экранов-модуляторов Динамические характеристики жидкокристаллических материалов зависят от состава вещества, приложенного напряжения и оцениваются временем переключения ячейки, равным 1 —100 мс Применяемые на практике жидкие кристаллы перекрывают спектральный диапазон Хм = 0,3 — 2 мкм и работают при окружающей температуре от —60 до +60° С

В жидкокристаллическом модуляторе (рис 2 14) используется в основном эффект динамического рассеяния излучения, возникающий при приложении к жидкому кристаллу 2 напряжения с помощью двух плоских прозрачных электродов 3 и б При увеличении напряжения UM кристалл мутнеет, становится матовым и рассеивает падающее излучение Такая ячейка может плавно ослаблять излучение на два порядка при изменении напряжения на электродах от 5 до 50 В Потери излучения в отсутствие напряжения на крист мд не превышают нескольких процентов

Оптико-электронные пространственные модуляторы в посч^ шее время развиваются бурными темпами Они используют описанные выше ячейки, а также ряд других эффектов физики твердого тела Для адресации используют электрическое напряжение, электронный и оптический лучи Подробное их описание дано в [2 18]

В заключение приведем основные характеристики некоторых типов интегральных (табл 2 2) и пространственно-временных (табл 2 3) модуляторов [2 24 ]

В ОЭСИТ используется также внутренняя моду гяцич излучения источников

Способ внутренней модуляции оптического излучения зависит от типа используемого излучателя Как известно, источники оптического излучения можно разделить на пять классов тепловые, газоразрядные, электролюминесцентные, полупроводниковые, инжекционные (световоды) и лазеры Наиболее высокими пространственными и динамическими характеристиками обладают 36

Таблица 23 Некоторые характеристики экспериментальных пространственно- временных модуляторов излучения

Типы модуляторов

Разрешающая способность

Оптический контраст

Период сканирова ния, с 1

Электрически управляемый

512x512 элементов

60

1/30

128 х 128 элементов

400

1

Оптически управляемый

100 линий/мм

—

1/60

15 линий/мм

—

0,001

лазеры однако они сравнительно дороги и громоздки (за исключением полупроводниковых лазеров) Среди остальных источников наибольшей мощностью обладают газоразрядные излучатели (до 100 кВт), однако ойи имеют плохие динамические характеристики (т^Ю 2 с) и сложные схемы управления излучением Инерционность тепловых источников зависит от параметров нити накаливания и колеблется от 10 1 до 10 "3 с, отдаваемый ими световой поток составляет 0,05—20 000 лм Электролюминесцентные излучатели выполняются на основе порошков ZnS + Cu или сублимированных пленок ZnS + Mn и могут быть изготовлены в виде плоских панелей Их яркость 102—103 кд/м2, время разгорания 10 2—10“3 с, время затухания свечения 10 4—10~5 с

Перспективный для ОЭСИТ класс источников излучения —светодиоды Выпускаемые отечественной промышленностью светодиоды имеют свечение в инфракрасной (0 9—1,2 мкм), красной (0,7 мкм), желтой (0,59 мкм), зеленой (0 56 мкм) и ряде других областей спектра Светодиоды обладают хорошими динамическими характеристиками процесса модуляции излучения (т=10 5 — 10 8 с) и простотой реализации (путем изменения рабочего тока от 10"1 до 10 2 А при L7ynp= 1 — 10 В) Яркостные параметры светодиодов лежат в пределах 10 600 кд/м2, долговечность 10 000 ч, габаритные размеры малы Светодиоды хорошо согласуются с интегральными схемами по питанию и с фотоприемниками из Si CdS и CdSe по спектральным характеристикам Однако светодиоды при изменении температуры заметно меняют свои спектральные и яркостные характеристики

Дефлекторы оптического излучения. Основными характеристиками дефлекторов оптического излучения являются максимальный угол отклонения (сканирования) потока в одной или в двух плоскостях фск, диапазон частот соответствующих отклонений/ск, максимальный диаметр отклоняемого пучка с/ек, спектральный диапазон отклоняемого потока Хск

К числу характеристик дефлекторов необходимо также отнести разрешающую способность, определяемую выражением уд = фск/0, где 9 — угол расходимости светового пучка после дефлектора, определяемый свойствами расходимости пучка на входе или его дифракцией С учетом дифракции оценка максимальной разрешающей способности может быть получена по формуле уд = фскс//1,2Х, где ^—диаметр пучка, определяемый дифракцией в дефлекторе

Как уже отмечалось, дефлекторы могут быть оптико-механическими и оптико-электрическими

Оптико-механические дефлекторы обеспечивают отклонение потока излучения с помощью колеблющихся или вращающихся зеркал, призм, пирамид 37

6—с качающимся зер- зеркалом; г—с качаю-6—с качающимся зер- зеркалом; г—с качаю-Рис. 2.15. Оптико-механические дефлекторы излучения: а—с качающимся зеркалом и электромагнитным приводом, калом и пьезоэлектрическим приводом, в—с вращающимсящимся и вращающимся зеркалом; д—с двумя качающимися с помощью специальных двигателей зеркалами, е— с зеркальной пирамидой, ж—с двумя зеркальными призмами; з — с зеркальным барабаном Вейлера, и—с двумя вращающимися клиньями, к—с призмой Дове, л—с двумя вращающимися призмами (штриховой линией показаны крайние положения отклоняемого луча, штрихпунктиром — траектория сканирования)Рис. 2.15. Оптико-механические дефлекторы излучения: а—с качающимся зеркалом и электромагнитным приводом, калом и пьезоэлектрическим приводом, в—с вращающимсящимся и вращающимся зеркалом; д—с двумя качающимися с помощью специальных двигателей зеркалами, е— с зеркальной пирамидой, ж—с двумя зеркальными призмами; з — с зеркальным барабаном Вейлера, и—с двумя вращающимися клиньями, к—с призмой Дове, л—с двумя вращающимися призмами (штриховой линией показаны крайние положения отклоняемого луча, штрихпунктиром — траектория сканирования)

6—с качающимся зер- зеркалом; г—с качаю-

6—с качающимся зер- зеркалом; г—с качаю-

Рис. 2.15. Оптико-механические дефлекторы излучения: а—с качающимся зеркалом и электромагнитным приводом, калом и пьезоэлектрическим приводом, в—с вращающимся

щимся и вращающимся зеркалом; д—с двумя качающимися с помощью специальных двигателей зеркалами, е— с зеркальной пирамидой, ж—с двумя зеркальными призмами; з — с зеркальным барабаном Вейлера, и—с двумя вращающимися клиньями, к—с призмой Дове, л—с двумя вращающимися призмами (штриховой линией показаны крайние положения отклоняемого луча, штрихпунктиром — траектория сканирования)

Рис. 2.15. Оптико-механические дефлекторы излучения: а—с качающимся зеркалом и электромагнитным приводом, калом и пьезоэлектрическим приводом, в—с вращающимся

щимся и вращающимся зеркалом; д—с двумя качающимися с помощью специальных двигателей зеркалами, е— с зеркальной пирамидой, ж—с двумя зеркальными призмами; з — с зеркальным барабаном Вейлера, и—с двумя вращающимися клиньями, к—с призмой Дове, л—с двумя вращающимися призмами (штриховой линией показаны крайние положения отклоняемого луча, штрихпунктиром — траектория сканирования)

и т. д. (рис. 2.15). На их основе строится в настоящее время большинство сканирующих ОЭСИТ. В некоторых системах их применяют для коммутации рабочего и эталонного потоков.

Дефлекторы, показанные на рис. 2.15, а—в, с, осуществляют отклонение потока в одной плоскости; на рис. 2.15, г, д, ж, з, л—в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В дефлекторах с вращающимися клиньями и с призмой Дове выходящий луч движется вдоль окружности, центр которой совпадает с их осью вращения.

Общим для оптико-механических дефлекторов, в том числе для дефлекторов, показанных на рис. 2.15 (которые далеко не исчерпывают множество оптико-механических дефлекторов), является обратно пропорциональная зависимость между dCK и /ск, а также между fcx и фск.

38

Быстродействие дефлекторов с качающимся зеркалом определяется ис- чользуемым приводом качания. Так, например, электромагнитный привод [рис. 2.15, а) обеспечивает /ск^ 50 Гц при фск=10° и <4к = 20 —30 мм, тогда как пьезоэлектрический (рис. 2.15, б)—/ск= Ю4—105 Гц при фск = 2 —5 и cZCK = = 3 —6 мм. Американская фирма «Дженерал Скэннинг» выпускает серии поворотных зеркал с гальванометрическим приводом (рис. 2.15,0). Максимальные частоты отклонения зеркал диаметром 3—5 мм, толщиной 0,5 мм составляют 3,2—2,1 кГц, <рск = 6—12° соответственно. С помощью Этого привода зеркала диаметром 25 мм (толщиной 1,5 мм) отклоняются с /ск= = 250 Гц на Фск = 8°, с /ск=150Гц на фск=15°, с /ск=120Гц на Фск —24°; прямоугольные зеркала размером 25 х 50 мм (толщиной 3 мм) отклоняются с £к = 200 Гц на 6°, с/ск = 100 Гц на 15°, с /ск = 80 Гц на 30°. Обеспечиваемая при этом с помощью катушек обратной связи линейность составляет менее 1%, а гистерезис—0,7% максимального угла [2.23].

Среди дефлекторов с вращательным движением зеркал представляет наибольший интерес дефлектор с барабаном Бейлера (рис 2.15, 0): В нем по образующей прямой призмы^ под разными углами к оси вращения устанавливаются зеркала с внешним покрытием. Угол между осями соседних зеркал обычно одинаков (кроме последнего) и составляет 1—2°. В результате при вращении барабана каждое зеркало отклоняет поток в горизонтальной плоскости, а при переходе потока с одного зеркала на другое поток отклоняется в вертикальной плоскости. Этот дефлектор реализует построчную траекторию сканирования Число строк определяется числом зеркал на барабане и зависит от допустимых размеров барабана и размеров отклоняемого потока, т. е. от ширины одного зеркальца. Обычно число зеркал на барабане равно 30—50, максимум 80—100. Этот дефлектор может быть очень быстродействующим (/к=103 Гц; /стр = 5 104 Гц), однако он требует тщательной юстировки [2.20].

Интересным свойством обладает также призма Дове (рис. 2.15, к). При вращении вокруг своей оси за счет преломления потока на границах призмы и полного внутреннего отражения на основании она вращает выходящий поток с удвоенной угловой частотой (не «перемешивая» его) вокруг оси, совпадающей с осью вращения призмы. Таким образом, призма Дове реализует круговую траекторию сканирования. На основе этой призмы (а также призмы Пехана, обладающей подобным свойством, но более сложной в юстировке) разработан цветовой пирометр, сканирующий круговое поле по кольцевым траекториям [2 21]

В оптико-электронных дефлекторах для отклонения оптического потока, так же как и для его модуляции, используются оптико-акустические и электрооптические явления в твердых телах и жидкостях, анизотропные свойства некоторых кристаллов и др. [2.14, 2.16]. Общий уровень развития дефлекторов отстает от уровня развития модуляторов На настоящий момент известно более 10 типов дефлекторов различного принципа действия, но ни один из них не удовлетворяет широким потребностям различных отраслей техники Углы отклонения, обеспечиваемые оптико-электронными дефлекторами, не превышают 6—8° при ограниченных размерах отклоняемого пучка (5—10 мм). К тому же рабочая длина /ск большинства дефлекторов велика (50—150 мм), так как в них резко выражена пропорциональная зависимость 39

Рис 2 16 Оптико-электронные дефлекторы а оптико-акустическая жидкостная ячейка b -с двумя электрооптическими кристаллами 6 с электрооптической призмой (7 пьезоизлучатель, 2—кювета с жидкостью, 3—отражатель ультразвука 4 — эгектроды 5 электрооптические кристаллы)

между углом отклонения q>CK и длиной /ск Высокие требования в этих дефлекторах предъявляются к степени параллельности отклоняемого пучка (при увеличении непаратлельности уменьшается разрешающая способность дефлектора)

Дефлекторы могут отклонять поток как непрерывно, так и дискретно в пространстве, а некоторые —и непрерывно и дискретно Однако дискретные дефлекторы, использующие анизотропию кристаллов, т е свойство смещать необыкновенный луч относительно обыкновенного, существенно искажают параметры отклоняемого потока (в том числе амплитуду и ее распределение в пространстве), поэтому они не находят применения в ОЭСИТ

В ОЭСИТ применимы оптико-электронные дефлекторы, принцип действия которых основан на изменении коэффициента преломления среды, через которую проходит отклоняемое излучение (рефракционные дефлекторы) Если в среде существует градиент показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению излучения, то нормально падающий луч будет отклоняться от своего первоначального направления в сторону возрастания показателя преломления Управлять градиентом п можно с помощью ультразвуковой бегущей или стоячей волны, используя электрооптические свойства кристаллов, обеспечивая температурный градиент в среде дефлектора и т д Во всех случаях угол сканирования q>CK = ЛДи/ск, где 4=const, Дм градиент показателя преломления, /ск — рабочая длина дефлектора

Кратко остановимся на наиболее изученных дефлекторах (рис 2 16) Оптико-акустический дефлектор представляет собой кювету, заполненную жидкостью, в которой возбуждается стоячая или бегущая ультразвуковая волна (рис 2 16, а) Периодическое изменений давления приводит к возникновению областей сжатия и разрежения среды Изменение плотности вызывает изменение показателя преломления среды в направлении, перпендикулярном направлению распространения света В жидкостных ультразвуковых дефлекторах получены максимальные углы отклонения, равные 6°, при частоте ультразвуковой волны 320 кГц и длине ячейки 100 мм Диапазон частот отклонения потока 40

2—105 кГц В [2 24] сообщается о четырех типах акустооптических дефлекторов, освоенных в серийном производстве за рубежом Фирма Harns (США) производит два типа дефлекторов для излучения с длиной волны 0,51 и 0,63 мкм обеспечивающих число разрешающих положений соответственно 1000 и 2000 при управляющей мощности 1 Вт Для отклонения излучения с К = 10,6 мкм фирмой Isomet создан дефлектор типа LS-50 с числом разрешаемых положений 50

Для отклонения излучения используют также твердотельные ультразвуковые дефлекторы Наиболее перспективными среди твердых материалов являются прозрачные пьезоэлектрические кристаллы с высокой механической добротностью Среди них выделяется кварц который хотя и имеет меньшее значение Ам, чем некоторые другие материалы (CdS и ZnO) но зато превосходит их по механическим и оптическим свойствам На кварце благодаря высокой добротности при сравнительно небольших электрических напряжениях можно получить сравнительно большие углы отклонения (до 1—2) Особенностью испо [ьзования твердотельных отклоняющих ячеек является наличие заметною двойного лучепреломления, которое возникает при распространении в них ультразвуковых волн

Оптико-акустическая ячейка позволяет при двух пьезоизлучателях реализовать некоторые варианты двухмерного сканирования потока (например, круговое) Однако удобнее двухмерное отклонение потока осуществлять с помощью двух ячеек, расположенных под углом 90 друг к другу (рис 2 16, б)

Перспективным является применение в качестве дефлекторов (как и в качестве модуляторов) кристаллов KTN, обладающих аномально большим квадратичным электрооптическим эффектом Один из таких дефлекторов (рис 2 16, в) выполнен в виде призмы, помещенной между обкладками конденсатора, к которым подводится управляющее напряжение Угол отклонения в таком дефлекторе достигает 1 при управляющем сигнале 10 В/см, диапазон частот отклонения 0107 Гц

Приведенные на рис 2 16, в и некоторые другие электрооптические дефлекторы могут быть применены как для статического (с использованием постоянного управляющего напряжения), так и для динамического непрерывного отклонения потока (с использованием переменных управляющих напряжений), тогда как приведенный ранее ультразвуковой (не брэгговский) дефлектор может работать лишь в динамическом режиме

Отклонение оптического луча на большие углы (до 80 ) с малыми частотами (УСК^Ю Гц) возможно с помощью жидких кристаллов [2 17] Здесь используется явление электрически управляемой дифракции света в жидкокристаллической ячейке (см рис 2 14), при этом искажается фронт волны отклоняемого потока

СКАНИРУЮЩИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Сканирующими приемниками оптического излучения являются приборы, в которых осуществляется последовательный пространственный съем оптической информации, одновременно поступающей на чувствительный к оптическому излучению слой прибора Сканирующие приемники излучения (СПИ) обладают 41

протяженным (вдоль одной или двух координат) фоточувствительным слоем и инструментом считывания (сканирования) состояния одного элемента слоя. Выходной сигнал СПИ (видеосигнал) соответствует распределению потока излучения вдоль траектории сканирования. Кроме того, видеосигнал зависит от распределения чувствительности вдоль этой траектории. Обычно распределение чувствительности стараются сделать равномерным, однако часто это не удается обеспечить технологией производства СПИ. Неравномерность распределения чувствительности СПИ является основным недостатком сканирующих приемников и основным препятствием к широкому применению СПИ в сканирующих ОЭСИТ.

Сканирующие приемники оптического излучения можно разделить на электронно-вакуумные и безвакуумные твердотельные.

Электронно-вакуумные СПИ. В электронно-вакуумных СПИ инструментом сканирования является пучок электронов, формируемый в вакуумной трубке прибора. Слой, чувствительный к оптическому излучению, может использовать различные физические явления: внешний фотоэффект, явление фотопроводимости, изменение диэлектрической постоянной под действием излучения и т. д.

Электронно-вакуумные СПИ, или, как их обычно называют, передающие телевизионные трубки, получили широкое применение в информационных системах. Одновременно с совершенствованием классических конструкций передающих трубок—диссекторов, супериконоскопов, суперортиконов и видиконов— появились новые классы трубок: видиконы с мишенью в виде матрицы из фотодиодов; суперортиконы с фотокатодами, чувствительными к ИК- излучению; видиконы с охлаждаемой фотомишенью (инфраконы); пироэлектрические видиконы, видиссекторы, диссекторы с канальным фотоумножителем и др. Большинство этих классов трубок подробно описано в литературе, например в [2.1, 2.22, 2.26—2.29]. Представляется целесообразным проанализировать общие возможности применения электронно-вакуумных СПИ в сканирующей пирометрии, оценить их предельные характеристики, сравнить их и подробно остановиться лишь на трех типах трубок — диссекторах, пировидиконах и инфраконах. Именно эти трубки используются в качестве приемников излучения в сканирующих ОЭСИТ.

В принципе на основе любой передающей телевизионной трубки может быть построен сканирующий пирометр как полного и частичного излучения, так и спектрального отношения. Основными достоинствами такой реализации являются: высокая пространственная разрешающая способность; высокая скорость сканирования; возможность реализации произвольной траектории сканирования (причем в диссекторе траектория сканирования может быть перестраиваемой от кадра к кадру) и достаточно высокая чувствительность (суперортиконы и суперизоконы удовлетворительно работают при освещенностях 10"3—10”5 лк). Кроме того, электронно-вакуумные СПИ достаточно долговечны, надежны в работе и дешевы.

Необходимо отметить и недостатки рассматриваемых приемников излучения. Общим трудноустранимым недостатком сканирующих приемников излучения, в том числе электронно-вакуумных, является неодинаковое распределение чувствительности как по мишени одного прибора, так и при переходе от одного экземпляра прибора к другому. Кроме того, вакуумные СПИ 42

88RhRh^а а,)^а а,)К динодамК динодам^вых ft)^вых ft)Рис. 2.17. Конструкция (а) и спектральные характеристики (о) диссектора:

8

8

Rh

Rh

^а а,)

^а а,)

К динодам

К динодам

^вых ft)

^вых ft)

объект; 2—объектив; 3— изображение объекта; 4 —фотокатод; 5—поток электронов, 6—диафрагма с диссектирую- щим отверстием; 7—диноды умножителя; 8—стеклянная колба диссектора, 9—делитель напряжения, 10—отклоняющие катушки, 11—фокусирующая катушка, 12—пластина электростатического фокусирования (ускоряющий электрод)

требуют высоких напряжений для питания элементов прибора, критичны к ударам и высоким температурам.

Сравнивая между собой отдельные типы электронно-вакуумных СПИ, отметим, что: 1) наибольшим быстродействием обладают диссекторы; 2) наибольшей чувствительностью к ИК-излучению обладают видиконы с охлаждаемой мишенью (инфраконы) и пировидиконы; 3) трубки с накоплением заряда имеют тем больший выходной сигнал, чем больше время накопления заряда, т. е. период сканирования поля; 4) диссектор в отличие от трубок с накоплением заряда Обладает способностью передавать постоянную составляющую видеосигнала; 5) наименьшие габаритные размеры имеют видиконы, наибольшие— иконоскопы и ортиконы.

Из приведенного сравнения следует, что диссекторы, пировидиконы и ИК-видиконы обладают комплексом качеств, необходимых при построении соответственно сверхбыстродействующих и низкотемпературных сканирующих ОЭСИТ, причем пировидиконы представляют особый интерес для ОЭСИТ, так как они обладают хорошей чувствительностью в ИК-области спектра и не требуют охлаждения мишени.

Диссекторы. Диссектор является исторически одной из первых передающих телевизионных трубок. Он построен на базе фотоумножителя и использует электронно-оптическую систему управления потоком электронов, 43

возникающих в результате внешнего фотоэффекта Сейчас имеется много модификаций диссектора, отличающихся типом фотокатода, количеством, размерами и формой диссектирующих отверстий, способом отклонения и фокусирования электронов, типом и количеством каналов умножения фотоэлектронов [2 1, 2 29 ] На рис 2 17, а показаны элементы классического варианта диссектора, а на рис 2 17, б — спектральные характеристики приборов (/ — спектральная чувствительность многощелочного катода для ЛИ-605-1, 2 —спектральная чувствительность кислородно-серебряно-цезиевого катода для ЛИ-605-11) На фотокатод 4 диссектора объективом проектируется изображение контролируемого температурного поля Падающие фотоны выбивают из каждой точки фотокатода электроны, которые фокусируются с помощью электромагнитного и электростатического полей и образуют в плоскости диафрагмы 6 электронное изображение поля В диафрагме 6 имеется диссектирующее отверстие, через которое пропускаются электроны от данной точки фотокатода к динодам канала умножения диссектора Таким образом выходной сигнал оказывается пропорциональным интенсивности облучения точки фотокатода, проектируемой на диссектирующее отверстие С помощью электромагнитной отклоняющей системы 10 (или электростатической системы отклонения) электронное изображение смещается относительно отверстия в диафрагме, в результате чего выходной сигнал <7ВыХ0) оказывается пропорциональным распределению температуры по полю вдоль траектории сканирования В свою очередь траектория сканирования определяется токами в электромагнитных катушках 1Х и 1у

Приведем основные данные диссекторов ЛИ-605-1 и ЛИ-605-11 и электромагнитной фокусирующей отклоняющей системы ФОС-120, используемой для управления этими диссекторами

Электрические данные диссектора рабочее напряжение на коллекторе 2200 В, размах видеосигнала 10 1000 мкА, темновой ток 5 10"7 А

Световые характеристики область спектральной чувствительности 0,3 0,75 мкм (для ЛИ-605-П 0,5—1,1 мкм), диапазон рабочих освещенностей 10—1000 лк (световая характеристика в этом диапазоне линейна), минимальная интегральная чувствительность фоюкатода 80 мкА/лм, плотность темнового тока при комнатной температуре 10"15 А/см2

Пространственные характеристики разрешающая способность в центре 300 линий (для ЛИ-605-11 150 линий), на краю —250 линий (для ЛИ-605-11 200 линий), рабочий размер чувствительной площадки фотокатода 0 25 мм, максимальная неравномерность тока сигнала в рабочей зоне фотокатода по полю 50%, в центре 20%, максимальный диаметр трубки 55 мм, длина (без выводов) 170 мм, масса 120 г

Электрические данные катушек ФОС-120 ток фокусирующей катушки 0,15 А, токи отклоняющих катушек 1хмаке и 7умакс, обеспечивающие сканирование всего фотокатода, 45 мА, омическое сопротивление и индуктивность каждой катушки 65 Ом и 58 мГн

Габаритные размеры современных диссекторов небольшие Например, диссектор ЛИ-616 имеет диаметр 30 мм, а длину 155 мм, диссектор ЛИ-488—18 и 108 мм соответственно, разрешающая способность последнего 450 линий Наработка на отказ этих диссекторов—не менее 10 000 часов 44

Спектральная чувствительность диссекторов определяется Материалом фотокатода Большинство материалов фотокатодов чувствительно к излучению в видимой части спектра Однако разработаны фотокатоды, чувствительные к ближнему ИК-из пучению Таким катодом является, например, кислородно- серебряно-цезиевый катод, применимый в диссекторах ЛИ-605-11 (рис 2 17, б^ Для ультрафиолетовой области спектра (0,1 —0,2 мкм) разработаны щелочные галоидные фотокатоды [2 29 ]

Известен вариант диссектора, отличающийся от описанного электронно- умножительной секцией, выполненной в виде канального умножителя [2 22] Эта трубка по чувствительности, размерам, весовым характеристикам и надежности значительно превосходит все предыдущие разработки этого типа Кроме того, в ней значительно уменьшено число электрических выводов (отсутствуют диноды) и мала потребляемая мощность

С целью повышения разрешающей способности и уменьшения геометрических искажений разработан диссектор с прифотокатодной сеткой, названный видиссектором Разрешающая способность видиссекторов достигает 3000 линий и более [2 20 ]

Большой интерес для разработчиков сканирующих ОЭСИТ спектрального отношения представляют многоканальные, в частности двухканальные, диссекторы [2 22] В них диафрагма имеет несколько (7V) диссектирующих отверстий и такое же число умножителей электронов Отклоняющая система электромагнитного типа—общая для всех канатов, за счет чего одновременно осуществляется N разверток изображения, спроектированного на фотокатод диссектора Если, например, на одну половину фотокатода диссектора спроектировать изображение температурного поля через красный светофитьтр, на другую— то же поле через синий светофильтр и просканировать оба изображения одновременно двумя апертурами, то, осуществляя операцию деления полученных видеосигналов, можно реализовать цветовой метод сканирующего измерения температуры При этом вместо операции деления сигналов (что довольно трудоемко) можно осуществлять операцию вычитания логарифмов этих сигналов, если обеспечить логарифмическую зависимость тока фотоумножителя от потока, воспринимаемого диссектором

Одним из преимуществ диссекторов (наряду с высоким быстродействием при достаточно высокой чувствительности и разрешающей способностью) является их работа без накопления, что дает возможность реализовать на них произвольные траектории сканирования и произвольную выборку точек контроля

ИК-видиконы Эффективными в ИК-области спектра являются ИК-ви- дикс хЫ с охлаждаемой мишенью, называемые иногда инфраконами [2 28 ] Чувствительность таких трубок лежит в красной и ИК-областях спектра 0 65 — 4 мкм Динамические свойства их почти не отличаются от динамических свойств обычных видиконов При испытании одной из таких трубок (инфракона) были получены результаты, свидетельствующие о возможности получения телевизионного изображения объектов, нагретых до температуры 125° С и выше [2 30] Пороговая мощность облучения при этой температуре составляла 0,1 мВт/мм2 Видеосигнал видикона определялся температурой излучателя и видом фильтра, установленного перед мишенью

Пространственная разретсшнцал! способность, линий /полеПространственная разретсшнцал! способность, линий /полеРис 2 18 Взаимосвязь температурной и пространственной разрешающих способностей пировидикона «Рупсоп 1» TGS Target (Thomson CSF) при раз; личной светосиле объектива 0 (/—50 мм)

Пространственная разретсшнцал! способность, линий /поле

Пространственная разретсшнцал! способность, линий /поле

В ИК охлаждаемых видиконах в качестве фотомишени, работающей по принципу накопления, используют различные полупроводниковые материалы Так, например, в качестве накопительной мишени инфракона применяют

монокристаллический кремний p-типа, легированный бором и цинком, который вводится методом диффузионного отжига [2 30 ] Преимущество кремниевой мишени—стабильность и повышенная чувствительность в диапазоне 2,2—

4,0 мкм Разработаны мишени из поликристаллического оксисульфида свинца и монокристаллического германия [2 30 ] Фотослой из оксисульфида свинца изготовлен на кремниевой подложке, выполняющей одновременно функции входного окна и сигнального электрода видикона Кремний хорошо отводит тепло для охлаждения фотослоя и, кроме того, действует как светофильтр, срезающий коротковолновое излучение, мешающее наблюдению ИК-изобра- жений Спектральная характеристика мишени имеет два максимума (0,9 и 1,7 мкм) и красную границу 2,5— 2,7 мкм При охлаждении до 77 К возможно воспроизведение объектов с собственной температурой 400 К при чувствительности 2 К, порог детектирования составляет 6 10-6 Вт/см2, инерционность—

5% через 200 мс после прекращения засветки

Пироэлектрические видиконы, образующие наиболее перспективную группу инфракрасных вакуумных СПИ, чувствительны к далекому и близкому инфракрасному излучению и, что особенно важно, не требуют охлаждения [2 31—2 33] Фоточувствительной мишенью в этих трубках является сегнетоэлектрик с пироэлектрическими свойствами Под действием

тепла меняется емкость сегнетоэтектрика, считывание электрических зарядов осуществляется, как в видиконе, электронным лучом Поверхность пироэлектрика покрывается поглощающим тепловое излучение слоем, обычно чернью из золота В целом конструкция аналогична видикону Специальные характеристики определяются оптическими свойствами поглощающего слоя и защитного окна, а также объектива, используемого в камере Обычно применяют германиевые сменные объективы с углами обзора от 10 до 50°

В качестве пироэлектрического материала в пировидиконах используют триглицинсульфат, а также дейтерированный триглицинфторберрилат Последний обеспечивает лучшее з емпературное разрешение Для уменьшения растекания теплового рельефа используют структурирование мишени и пленочные органические пироэлектрики Однако последние обладают меньшим температурным разрешением [2 32 ] В общем случае пространственная и

температурная разрешающие способности пировидикона находятся в обратно пропорциональной зависимости Кроме того, они зависят от светосилы используемого объектива На рис 2 К приведены эти взаимосвязи для промышленно выпускаемого пировидикона «Рупсоп 1» TGS Target (Thomson CSF), применяемого во французской камере ATS 625

При неподвижной тепловой картине на мишени пировидикона вследствие теплопроводности в пироэлектрике происходит исчезновение видеосигнала Поэтому в пировидиконы вводят динамический режим накопления заряда путем панорамирования, или прерывания Первое осуществляют легкими движениями камеры относительно объекта, второе — с помощью модулятора излучения Мишень пировидикона требует термостатирования Это осуществляется обычно с помощью системы регулирования и датчика температуры мишени В частности, английская портативная пировидиконная камера EEV Р4430 работает в режиме термостатирования при температуре окружающей среды от —10 до +40° С К недостаткам пировидиконов можно отнести высокую чувствительность к вибрациям и ударам

Несмотря на отмеченные недостатки пировидиконы обладают целым рядом положительных качеств, которые уже сейчас обеспечивают им широкое применение Многие зарубежные фирмы освоили серийный выпуск пировидиконов и тепловизоров на их основе В частности, французская фирма Thomson CSF серийно выпускает пировидикон TH 9873, чувствитетьный в диапазоне 0,6—50 мкм, с предельным температурным разрешением 0,1 К [2 24]

Безвакуумные твердотельные СПИ. В сканирующих приемниках оптического излучения этого класса используются для измерения интенсивности излучения и сканирования различные эффекты физики твердого тела Приборы этого класса обладают целым рядом преимуществ, которые открывают им широкую перспективу применения Они отличаются малыми габаритными размерами и массой, низкими используемыми напряжениями и потребляемой мощностью, высокой надежностью и долговечностью Однако в настоящее время безвакуумные твердотельные СПИ имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение в сканирующей пирометрии Это прежде всего неравномерность распределения интегральной и спектральной чувствительности по площади фотоприемника, а также сложность технологии производства, что делает эти приборы более дорогими

Безвакуумные твердотельные СПИ можно разделить на два типа многоэлементные с дискретным набором чувствительных элементов и одноэлементные с непрерывным сканированием Приборы первого типа обеспечивают как одномерное, так и двумерное сканирование, второго —только одномерное Большинство работ ведется с приборами первого типа

В многоэлементных приемниках чувствительный к излучению слой состоит из элементарных потупроводниковых фоторезисторов, фотодиодов или фототранзисторов Размеры элементарных фоточувствительных площадок лежат в пределах от 25x25 до 120x 120 мкм, расстояния между площадками примерно такие же

Многоэлементные приемники излучения охватывают широкий спектральный диапазон (от видимого до далекого инфракрасного), обладают высокими обнаружительной способностью (до 10й —1012 см Гц1/2 Вт"1) и быстро-

47

хействием (10~6—10"7 с), имеют большое число элементов в матрице (до 2000x2000 в приборах видимого диапазона и 100x100 — инфракрасного). Предпочтение отдается фотодиодам, так как они имеют меньшие темновые токи, что позволяет снижать нагрузку на систему охлаждения и повышать число элементов в матрице. Кроме того, для фотодиодов хорошо развита технология создания многоэлементных приемников, они менее критичны к чистоте материала и хорошо стыкуются с ПЗС и ПЗИ считывающими структурами* (вследствие емкостного характера выходного сопротивления) [2.36, 2.37].

Фоточувствительная матрица формируется на основе различных полупроводниковых материалов, в гом числе на основе Si, InSb, CdxHgt_xTe, Pb^-Sn^^e, PbTe, InAs, PbS, PbSe. Для ИК-диапазона наиболее перспективным материалом являются твердые растворы CdxHg1_xTe (KPT**), в которых ширина запрещенной зоны может меняться в пределах от 0 до 1,6 эВ, что обеспечивает чувствительность от ближней до дальней области ИК-диапазона спектра. Большинство приемников из КРТ разрабатываются на диапазоны длин волн 3—5 и 8—14 мкм, которые соответствуют окнам прозрачности атмосферы.

Одной из основных проблем, решаемых при создании многоэлементных приемников излучения, в том числе многоэлементных фотодиодов, является проблема считывания информации с элементов матрицы фотоприемников с одновременной предварительной обработкой сигналов при использовании единой криогенной системы Эту проблему -решают в основном с помощью ПЗС-структур (иногда с помощью ПЗИ-структур). Главным достоинством ПЗС-структур является возможность запоминания сигналов с приемников на время считывания и предварительной обработки этих сигналов. С связи с тем что ПЗС-структуры трудно реализуемы на основе КРТ (из-за больших туннельных токов и переполнения потенциальных ям), реализация считывания и обработки информации здесь осуществляется с использованием кремния. В результате в ИК многоэлементных приборах в основном формируются тибридные системы: фотоприемная часть на основе КРТ, считывающая—на основе кремния. При этом матрица фотоприемников изготавливается и проверяется отдельно от считывающей схемы, что повышает надежность всей системы.

Для предварительной обработки сигналов в гибридных системах обычно используют метод временной задержки и интегрирования, заключающийся в том, что сигназы, снимаемые при сканировании с элементов приемной матрицы в разные моменты времени, считываются одновременно. Для считывания в i 13С-приборах наиболее часто используют параллельно-последовательную структуру со сдвиговыми регистрами [2.37].

Для соединения матрицы фоточувствительных элементов со считывающей ПЗС-структурой используют преимущественно монтаж с помощью контактных столбиков (размером 5 -75 мкм) из мягкого металла, например индия (рис. 2.19). Существуют два способа этою соединения Первый применяют, если

* ПЗС—приборы с зарядовой связью; ПЗИ — приборы с инжекцией заряда.

** КРТ - кадмий-ртуть-теллур-подложки.

Рис. 2.19. Два типа соединения фоточувствительных элементов матрицы с кремниевой ПЗС-структурой при использовании прозрачной (а) или непрозрачной (б) для ИК-излучения подложки:

1— кремниевая ПЗС-сТруктура. 2— входы ПЗС, 3 — индиевые столбики; 4—фоточувстви- гельные элементы, 5 подложка матрицы фотоприемников, б — принимаемое ИК-излуче- ние, 7 — электрические контакты

подложка фотоприемника прозрачна для рабочего (ИК) излучения, второй — если непрозрачна. Чем больше различаются по значению коэффициента термического расширения материалы подложки фотоприемника и ПЗС- структуры, тем меньше элементов может быть смонтировано в матрицу. При использовании непрозрачной подложки электрические контакты к фогоприем- никам формируют на той же стороне подложки, на которую падает ИК-излучение (рис. 2.19, 6). Это уменьшает коэффициент использования площади матрицы фотоприемников. Кроме того, при втором способе соединения (рис. 2.19, 5) вследствие большего числа отражающих поверхностей больше оптические перекрестные помехи и их значение лежит в пределах 0,3—1,5% и зависит от размера элемента фотоприемника.

Работа многоэлементных приемников излучения осуществляется при низких температурах, в том числе при температурах жидкого азота (77 К). Для стабилизации температуры матрицы рядом с ней обычно размещается термочувствительный диод, включенный в цепь регулятора мощности, подводимой к термохолодильнику.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом освоено широкое серийное производство многоэлементных приемников излучения видимого диапазона и экспериментальное производство приемников ИК-диа- пазона. В серийных приборах видимого диапазона достшнута разрешающая способность 2048x2048 элементов при перепаде освещенности 104, а в экспериментальных образцах ИК-диапазона —разрешающая способность 160x244 [2.24].

Сообщается о разбросе параметров по площади KPT-матрицы, в том числе по химическому составу ±1%, по длине волны 2 — 10%, по квантовой эффективности ±4% [2.36, 2.37]

Среди одноэлементных СПИ полупроводниковых сканирующих приемников излучения можно выделить сканисторы и SPRITE-приемники (с внутренним интегрированием сигнала — ВИС-приемники)

Одна из наиболее распространенных схем сканистора с переходом показана на рис. 2.20. В нем слой полупроводника 1 (база) выполнен таким образом, чтобы образовались два параллельных перехода. Один из них—диод, другой—фотодиод. Полупроводниковый слой 1 обладает достаточно большим 49

Рис 2 20 Сканистор

1 — высокоомный полупроводниковый слой (база) с проводимостью р-типа, 2 3— области полупроводника с проводимостью п- и p-типа соответственно, 4—проводящее покрытие, 5—контролируемое излучение, 6—источник пилообразного напряжения

омическим сопротивлением К нему прикладывают постоянное напряжение Uo, образующее вдоль него линейно изменяющееся падение напряжения Поверхность слоя 3 покрыта прозрачным проводящим слоем, к которому прикладывается пилообразное напряжение (через сопротивление R относительно «земли»), изменяющееся от нуля до Uo При линейном нарастании этого напряжения точка, в которой оказываются равными потенциалы слоев 1 и 3, равномерно перемещается слева направо, открывая диоды р-м-перехода В результате этого на сопротивлении R выделяется видеосигнал, пропорциональный интегралу от распределения интенсивности падающего излучения вдоль фотоприемника

Дифференцируя этот сигнал во времени, получаем зависимость

/ х , xdxU(t)=kl(x)—,

где U^—сигнал с дифференцирующего устройства, к—коэффициент пропорциональности, /(х)— распределение интенсивности вдоль сканистора

Поддерживая постоянным dx/dt, что соответствует постоянству наклона пилы, можно получить сигнал, пропорциональный /(х)

Спектральные характеристики сканисторов определяются материалом, из которого они изготовлены В принципе для создания сканистора могут быть использованы любые полупроводниковые материалы, из которых изготавливают фотодиоды Наиболее распространены сканисторы из германия (чувствительность максимальна при kMaKL = 1,5 мкм, длинноволновая граница кгр=1,8мкм) и кремния (Х,макс = 0,9 мкм и кгр=1,1мкм)

Приведем некоторые характеристики освоенного отечественной промышленностью кремниевого сканистора напряжение питания 40 В, отношение сигнал/шум при освещенности 100 лк источником А-типа 25, разрешающая способность 300 элементов, длина чувствительности площадки 28 мм, габаритные размеры 42x12x5 мм без выводов, масса —около 50 г, ориентировочный срок службы 10 000 ч

Как видно из приведенных характеристик, сканисторы отличаются высокой разрешающей способностью, малым потреблением электроэнергии, малыми размерами и продолжительным сроком службы Они нечувствительны к электрическим магнитным полям рассеяния, требуют низких напряжений для питания и могут мгновенно приводиться в рабочее состояние При соответствующем выборе полупроводникового материала они могут работать в широком спектре излучений 50

Сканисторы имеют высокую интегральную чувствительность (10—15 А/Вт для германиевых образцов, 3—5 А/Вт для кремниевых) Постоянная времени составляет 10 7 -10 8 с [2 29]

- Однако практическая реализация в ОЭСИТ сканисторов сталкивается с серьезными трудностями во-первых, с нестабильностью работы сканистора (влияние температуры, старение и другие причины), во-вторых, с помехозащищенностью обработки видеосигнала, который приходится дифференцировать, чтобы выделить информацию об интенсивности падающего излучения

Широкие возможности для построения малогабаритных переносных низкотемпературных ОЭСИТ открывает применение новых ИК-приемников с интегрированием сигнала в монолитной структуре полупроводника (ВИС- или SPRITE-приемников) [2 36] Конструктивно они подобно сканисторам состоят из полоски фоточувствительного материала (длиной около 1 мм, шириной около 50 мкм и толщиной 10 мкм) с тремя электрическими контактами, два из которых обеспечивают нагрузочный ток через полоску, а третий (потенциальный)- съем сигнала В качестве фоточувствительной полоски может быть использован любой полупроводник с большим временем жизни и малой диффузионной длиной фотоносителей Последнее требуется для снижения размытия пакета фотоносителей, т е для улучшения пространственной разрешающей способности Наитучшими подобными свойствами обладают соединения типа CdxHgt_xTe Они обеспечивают в специальном диапазоне 8— 14 мкм разрешение примерно 50 мкм (серийные образцы), а в диапазоне 3—5 мкм — разрешение 100—120 мкм (экспериментальные образцы) [2 36] Простота конструкции SPRIT Е-приемников, содержащих всего три контакта и один предусилитель, и возможность пространственного объединения этих приемников на простейших подложках обеспечивают большую перспективу их применения

ГЛАВА 3

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОЭСИТ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ

ОДИН УЧАСТОК СПЕКТРА

Оптико-электронные системы измерения температуры можно разделить на две группы [3.1]: ОЭСИТ с компенсационной схемой измерения (рис 3.1, 3 2) и ОЭСИТ с непосредственным измерением сигнала на приемнике (рис. 3.3),

Оптико-электронные системы измерения температуры с компенсационной схемой могут быть выполнены с изменяющим температуру эталонным источником излучения и с эталонным источником, температура которого поддерживается постоянной.

В ОЭСИТ первой группы приемник излучения 4 попеременно воспринимает излучение от объекта, температура которого

51

Рис. 3.1. Компенсационная схема ОЭСИТ с эталонной лампой с изменяющейся температурой

Рис. 3.2. Компенсационная схема ОЭСИТ с эталонной лампой с постоянной температурой

измеряется, и от образцового излучателя (эталонной лампы) б (рис. 3.1, 3.2). Для переключения потоков используются вибратор 3 и кадровые окна 2.

Электрический сигнал на приемнике, пропорциональный разности потоков от объекта и излучателя, после усиления усилителем 5 воздействует на температуру излучателя и изменяет ее до такого значения, когда поток от излучателя сравнится с потоком от объекта. Температура объекта определяется по температуре излучателя или по параметру, пропорциональному температуре излучателя (например, если излучатель— эталонная электрическая лампа,— то по току лампы, измеряемому вторичным прибором 7).

По аналогии со статическими системами регулирования такие устройства будем называть ОЭСИТ со статической системой (ОЭСИТ с СС).

Обозначим поток, воспринимаемый приемником в зависимости от тока I через эталонную лампу, как Фэ = А1к11, а поток, воспринимаемый приемником от объекта,— как Фй = АгцТ", где Av и А 2 — коэффициенты, характеризующие оптическую систему ОЭСИТ по потокам от эталонной лампы и объекта; к, — коэффициент, связывающий 1 с потоком ее излучения. Коэффициент усиления усилителя 5 выбирается таким, что ф —Ф «Ф эгг

При этом ограничением увеличения коэффициента усиления усилителя является его устойчивость.

Тогда Фэ~Фп и ток через эталонную лампу будет

Для получения хорошет о быстродействия, а также для упрощения пирометра (эталонная лампа питается, как правило, от усилителя 4) применяются лампы с тонкой нитью накала. 52

55Рис. 3.3. ОЭСИТ с непосредственным измерением сигнала на приемнике излучения

5

5

Однако при этом для выполнения равенства Ф3 = ФП необходимо температуру нити лампы устанавливать большую, чем температура измеряемого тела, что ведет к сокращению диапазона измерения пирометра.

На рис. 3.4 приведена зависимость ФзТ/Ф3400 К-/(Т') В диапазоне 400—2000 К (127—1727° С) для лампы с вольфрамовой нитью; максимальное значение температуры нити лампы определяется стабильностью характеристики 1=ДТ\

Температура нити эталонной лампы, при которой на приемнике возникает необходимый сигнал (при оптической системе, аналогичной пирометру ФЭП-4), составляет 700— 800° С.

В ОЭСИТ, выполненных по компенсационной схеме, в которых температура эталонного излучателя поддерживается постоянной, потоки уравниваются с помощью редуцирующего устройства (сетки с переменной плотностью, клина, диафрагмы и др.), вводимого или между компенсационной лампой и приемником излучения, или в оптический поток исследуемого тела. Положение редуцирующего устройства пропорционально температуре объекта.

Такие устройства назовем ОЭСИТ с астатической системой (ОЭСИТ с АС).

Разностный сигнал, пропорциональный АФ = Ф3 —Фп, после усиления усилителем 5 поступает на двигатель 7, который через редуктор 8 перемещает редуцирующее устройство 9 до такого положения, когда АФ%0 (см. рис. 3.2).

Обозначим: x = l[L—относительное положение редуцирующего устройства (где /—абсолютное положение редуцирующего устройства); L—максимальное значение / и тх = кхх— коэффициент пропускания редуцирующего устройства; О^х^Т

Тогда "

где кх—коэффициент пропорциональности между положением редуцирующего органа и его прозрачностью; к3— коэффициент, характеризующий излучение эталонной лампы.

Выбирая необходимый закон изменения тк=/(х), можно получить любую зависимость х=/(Т).

В ОЭСИТ с АС основной проблемой является разработка редуцирующего устройства, плавно меняющего коэффициент редукции в широком диапазоне. Для уменьшения коэффициента редукции редуцирующие элементы можно использовать как в компенсационном, так и в основном канале, причем их работа

53

Рис. 3.4. Зависимость Ф^г'Ф,4оо

синхронизирована таким образом, что в начале диапазона редуцирующий элемент в компенсационном канале установлен на минимальное пропускание, а в основном канале—на максимальное. При увеличении температуры объекта коэффициент пропускания редуцирующего устройства компенсационного канала увеличивается, а основного канала—уменьшается.

Достоинствами такой схемы являются: меньший диапазон изменения редуцирующего устройства; более ши

рокая возможность изменения зависимости х=/(Т); меньший диапазон изменения сигнала на приемнике и на входе усилителя.

Основная причина появления погрешности в ОЭСИТ компенсационного типа — изменение характеристик компенсационной лампы во времени и от окружающей температуры.

Нестабильность параметров лампы требует применения специальных мер, уменьшающих ее влияние.

В ОЭСИТ с непосредственным измерением электрический сигнал на приемнике (рис. 3.3) равен

a.= UBm = kAQ\-5 e^^kAqT".(3.3)

Этот вариант ОЭСИТ является практически основным в системах, использующих весь спектр излучения или большую его часть (например, при использовании тепловых приемников излучения — термобатарей или болометров).

Особенностью ОЭСИТ с непосредственным изменением сигнала является нелинейный вид зависимости выходного сигнала Свых от температуры, что требует специальных схем линеаризации.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ В ОЭСИТ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ СИГНАЛА НА ПРИЕМНИКЕ

Существует несколько методов автоматической компенсации погрешности, возникающей при изменении окружающей температуры.

Метод биметаллической компенсации. Применение этого метода рассмотрим на примере ОЭСИТ с термобатареей [3.2].

Метод биметаллического компенсатора в принципе позволяет осуществлять более глубокую компенсацию, чем другие 54

методы, и дает возможность создавать ОЭСИТ для весьма тяжелых условий измерения температуры, где применять охлаждающие устройства нежелательно, а температура окружающей среды в месте установки ОЭСИТ может достигать 200° С (например, в металлургии).

(3.4)(3.4)Основное уравнение ОЭСИТ с биметаллическим компенсатором выводится из известного уравнения некомпенсированного ОЭСИТ этого вида [см. (2.10)] путем введения множителя 8/$0, представляющего собой отношение переменной площади ~ 5 апертурной диафрагмы пирометра к ее максимальной площади 80:

(3.4)

(3.4)

Е* = — Е,So

где Е и Е* — ЭДС на выходе соответственно без компенсации и с компенсацией.

Для полной компенсации статической ошибки, возникающей при нагревании корпуса пирометра, необходимо увеличивать площадь апертурной диафрагмы корпуса таким образом, чтобы термо-ЭДС пирометра определялась лишь температурой объекта и не зависела от температуры корпуса [см. (2.10)]. Аналитическое выражение для функции 8=Дту удовлетворя- юще"й этому условию, получено в [3.2].

Компенсация в ОЭСИТ с фотодиодами. Малые габаритные размеры и высокое быстродействие ОЭСИТ, в которых чувствительными элементами являются фотодиоды, дают возможность применять их в качестве датчиков систем автоматического регулирования и управления. Однако существенным недостатком таких ОЭСИТ является значительная температурная погрешность, возникающая при изменении температуры корпуса ОЭСИТ.

В [3.3] предложено для уменьшения температурной погрешности применять полупроводниковый терморезистор с добавочным резистором Ед в цепи нагрузки кремниевого фотодиода. При полной компенсации температурной погрешности параметры схемы должны определяться из выражения

(3-5)(3-5)П^27з+^д

(3-5)

(3-5)

[K(T-273)+lVl+^t^)~/т4\

^2 7 3 еХр(| +

где R213—сопротивление терморезистора при температуре 273 К; В—коэффициент, постоянный для данного экземпляра терморезистора; К—температурный коэффициент фототока, град'1; Т—температура фотодиода; Вд— сопротивление добавочного резистора.

Подробный анализ такой схемы дан в [3.3].

Другой вариант термокомпенсации был предложен в [3.4]. Он учитывает тот факт, что фототок фотодиода /ф увеличивается с увеличением температуры, а его внутреннее сопротивление уменьшается, т. е. в режиме короткого замыкания выходной сиграл с увеличением температуры увеличивается, а в режиме холостого хода уменьшается. Следовательно, при оптимальной нагрузке выходной сигнал не будет изменяться с изменением температуры. Методика выбора нагрузки дана в [3.4].

УСИЛЕНИЕ СИГНАЛА В ОЭСИТ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА

Основным ограничением, определяющим нижнюю границу измерения ОЭСИТ, является минимальный уровень сигнала, что требует введения специальных устройств, повышающих уровень сигнала и уменьшающих уровень шумов.

Рассмотрим два таких устройства.

Для улучшения отношения сигнал/шум на измерителе после усиления могут быть применены различные способы сужения полосы (контуры, усилители с обратной связью). Однако узкую полосу на звуковых частотах, сохраняющую постоянное значение в течение длительного времени, получить с помощью указанных средств затруднительно. Для уменьшения погрешностей, вызываемых плохим отношением сигнал/шум на приемнике, при определении потока излучения можно использовать синхронное детектирование с последующим интегрированием. Повышение отношения сигнал/шум на выходе синхронного детектора основано на совпадении фазы сигнала с фазой работы детектора.

Рассмотрим количественные соотношения, характеризующие работу устройства, состоящего из усилителя и синхронного детектора,— коэффициенты передачи по сигналу Кс, по шуму Кш.

На рис. 3.5, я приведена эквивалентная схема устройства. Сфокусированный поток от объекта попадает на приемник только при совпадении кадрового окна с окном, расположенным на обтюраторе. Дуги секторов на обтюраторе выбраны значительно больше диаметра сфокусированного потока, поэтому импульсы имеют трапецеидальную форму, возрастая по амплитуде по мере того, как обтюратор пересекает поток.

Обозначим: U^ — амплитуда импульсов на выходе усилителя; ти, тф — длительность импульсов по вершине и длительность фронта; Гп—период следования импульсов; Rt—внутреннее сопротивление усилителя; К—ключ, находящийся в замкнутом состоянии во время ти; U^ — амплитуда импульса, отсчитанная 56

Рис. 3 5. Эквивалентная схема устройств для выделения шума от среднего значения; Uc — напряженйе на конденсаторе при действии серии импульсов; иш —напряжение шума на конденсаторе; Кс—коэффициент передачи устройства для сигнала; Кш— коэффициент передачи устройства для шума; v— определенным образом заданный шум на входе.

Для шума с постоянной спектральной плотностью <т0 («белый шум») v==a0.

Для шума с переменной спектральной плотностью (полупроводниковый шум, шум фликкер-эффекта) v = a1//0,5, где о,—спектральная плотность на частоте 1 Гц.

Тогда погрешность измерения определяется как

— = 2Si.(3.6)

а и,кс

Эквивалентную схему на рис. 3.5, а можно заменить схемой на рис. 3.5, б, поскольку в большинстве случаев RH^R6 и R^RV

При применении усилителя переменного тока Uy = Uv~ UQ. Значение Uo определяется из условий равенства нулю среднего значения напряжения после разделительных конденсаторов:

Р/Й=0, 1/0 = (1-у5ф)Ц;(3.7)

^=ЗД + 5ф)>

где Ч = ч!Т^ ^ = ^^Тп.

Принципиально возможно использовать как механический ключ, так и электронный. Однако применение механического ключа делает схему ненадежной, поэтому целесообразно использовать электронный ключ на полупроводниковых диодах.

Коэффициенты передачи сигнала Кс и шума Кш можно определить, зная передаточную функцию синхронного детектора.

Для их определения для случая, когда Кг имеет небольшое сопротивление и R2«;R3, синхронный детектор представим как элементарную импульсную систему с изменяющимися параметрами, состоящую из импульсного элемента (в нашем случае — ключа К) и непрерывной части (ЛС-фильтра), что позволяет воспользоваться общими выражениями для передаточных функций импульсных систем.

Передаточная функция Цдс^ такой импульсной системыt( Q=1_2PW^Hexp(-pg

''ехр(9с)-ехр(-|3)

при 0 <£,< у;

t(^ = [1 ^хр (РГ)] exPh.) е [_рК_.Д

при y^^l,

где £— относительное время, отсчитываемое от начала действия импульса; р = Гп/тсд; тсд=Я3С3; qc=pTn; Тп —период следования импульсов.

Если Р «: 1, т. е. если постоянная времени ЛС-цепи тсд < 1 и Гп = 0,04 —0,01 с, то с достаточной точностью имеем 1—ехр( —Р) = Р, ехр( —р)=1 —р, sbP = P-

Тогда получим формулу, определяющую напряжение на конденсаторе:

Сс=С;{1-(1-у)(1-Р^) + Р(1-Р^)ехр[-р(пс + ^^

при О^^у;

Сс = С^у {(1 - ру) - [1 - р (^ - у)] exp [ - р (ис +1)]}

при у^^ 1; где ис—количество периодов, прошедших с начала процесса.

Установившееся напряжение на конденсаторе будет при /?с->оо:

ис^и;.

Следовательно, коэффициент передачи устройства ^с = у(у + §ф).

Коэффициент передачи устройства по шуму Кш определяется как параметрами синхронного детектора (тсд, у), так и полосой пропускания предварительного усилителя.

Если полоса пропускания определяется только постоянными времени анодной и сеточной цепей (та = RaCa и тд = R„Cg) одного из каскадов усилителя, то можно показать, что для «белого» шума

для полупроводникового шума

(з”

Полученные зависимости позволяют выбрать параметры синхронного детектора (если известны спектральная плотность шума и амплитуда сигнала) таким образом, чтобы погрешность измерения сигнала не превышала заранее заданной величины.

Для ОЭСИТ без модуляции (особенно для ОЭСИТ с фотодиодами [3.5]) весьма эффективным методом снижения нижней границы измерения температуры является использование интегральных схем — операционных усилителей, охваченных глубокой обратной связью [3.6]. При этом фотодиод работает как генератор тока, а операционный усилитель служит преобразователем этого тока в напряжение (рис. 3.6). Если операционный усилитель ОУ с разомкнутой петлей обратной связи имеет коэффициент усиления, равный К, и входное сопротивление RBX, то входное сопротивление усилителя с замкнутой петлей обратной связи уменьшается и становится равным RBX = RBXj К. Это сопротивление, являющееся нагрузкой фотодиода, может быть меньшим 10 Ом. Использование низкоомной нагрузки позволяет увеличить быстродействие ОЭСИТ, поскольку в этом случае исключается влияние емкости фотодиода. Уменьшение нагрузки также позволяет повысить линейность световой характеристики: при малой нагрузке нагрузочная характеристика фотодиода линейна.

Если коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи много больше единицы мС»1), то ток обратной связи становится равным фототоку. В этом случае напряжение на выходе усилителя равно

uMX=^R0.c.(3.10)

Важное преимущество пары фотодиод — операционный усилитель состоит в том, что путем изменения сопротивления обрашой связи от 100 Ом до 100 МОм удается регистрировать мощность потока излучения в диапазоне от 10 11 до 10"3 Вт.

Из уравнения (3.10) следует, что при заданном потоке излучения напряжение на выходе операционного усилителя зависит только от сопротивления обратной связи и чувствительности фотодиода. Поэтому при использовании в цепи обратной связи температурно-стабильного резистора требуется производить температурную компенсацию только в отношении чувствительности фотодиода.

Недостатком схемы на рис. 3.6 является то, что выходное напряжение присутствует даже при неосвещенном фотодиоде; это необходимо учитывать при работе с малыми потоками. Такое остаточное выходное напряжение обусловлено: наличием входного остаточного напряжения операционного усилителя Uon, которое по цепи обратной связи полностью передается на выход усилителя; наличием тока смещения на входе усилителя /в, протекающего по резистору обратной связи Rac. Полное 59

Рис 3.6 Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (первый вариант)Рис 3.6 Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (первый вариант)Рис. 3.7. Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (второй вариант)Рис. 3.7. Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (второй вариант)

Рис 3.6 Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (первый вариант)

Рис 3.6 Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (первый вариант)

Рис. 3.7. Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (второй вариант)

Рис. 3.7. Схема соединения фотодиода с операционным усилителем (второй вариант)

выходное остаточное напряжение определяется выражением ^.ых= ^оп + ^о.с4-

При измерении низких температур, когда приходится использовать резисторы обратной связи большого сопротивления, необходимо уменьшать входной ток смещения операционного усилителя, так как в противном случае возникает заметное выходное остаточное напряжение. В таких случаях следует использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входе, обладающие малой утечкой.

На рис. 3.7 приведена схема, в которой для уменьшения остаточного напряжения на вход операционного усилителя ОУ включен каскад на двух полевых транзисторах: Tv и Г2.

Как следует из гл. 1, зависимость выходного сигнала Е/вых=/(7) нелинейна. Одним из наиболее гибких методов ее линеаризации является коррекция характеристик путем последовательного соединения выхода или предварительного усилителя ОЭСИТ со вспомогательным нелинейным звеном.

Характеристика вспомогательного звена должна быть пропорциональна обратной функции характеристики ОЭСИТ.

Наиболее часто для получения заданной характеристики используется метод кусочно-линейной аппроксимации [3.7].

Этот метод заключается в составлении заданной кривой из отрезков прямых линий. Реализуется он путем последовательного соединения нескольких простых звеньев.

В частном случае простое звено состоит из диода и источника опорного напряжения (или тока). Когда входное напряжение (или ток) становится больше или меньше соответствующей опорной величины, возникает или исчезает ток через диод и соответственно меняется наклон рабочей части характеристики.

Разбив заданную характеристику на необходимое (исходя из допустимого отклонения выходного сигнала от линейного) число отрезков, можно получить необходимую линейность.

Рис. 3.8. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики пирометра

На рис. 3.8 для примера характеристика разбита на четыре участка: Лг—реальная зависимость выходного сигнала пирометра от температуры; Ли—кусочно-линейная аппроксимация характеристики пирометра; Б—сигнал на выходе линеаризующего устройства.

На рис. 3.9 приведена схема устройства линеаризации. Кроме датчика 1 и усилителя 2 она содержит: усилитель 3, резистор R3, определяющий начальный коэффициент передачи между усилителями 2 и 3, диоды Dv, D2—Dm, резистор R2 в цепи обратной связи усилителя 3 и резисторы R3, R4— R„, определяющие опорное напряжение на диодах Dv D2 — D^.

У ОЭСИТ с кремниевым фотодиодом выходной сигнал связан с температурой зависимостями, весьма близкими к экспоненциальной или степенной, линеаризованный выходной сигнал может быть получен с помощью преобразования с коэффициентом передачи [3.8]

Рис. 3.9. Схема электрическая функциональная линеаризующего устройства

61

Рис. 3 10 Схема электрическая структурная линеаризующего устройства.1— блок логарифмирования, 2- блок задания начального напряжения, 3 -блок возведения в квадрат, 4 -блок возведения в куб, 5, 6 7 9—нормирующие блоки с коэффициентами передачи Ах Аг 43 А4, 8 10 — сумматоры, 11— блок установки начального значенияРис. 3 10 Схема электрическая структурная линеаризующего устройства.1— блок логарифмирования, 2- блок задания начального напряжения, 3 -блок возведения в квадрат, 4 -блок возведения в куб, 5, 6 7 9—нормирующие блоки с коэффициентами передачи Ах Аг 43 А4, 8 10 — сумматоры, 11— блок установки начального значения

Рис. 3 10 Схема электрическая структурная линеаризующего устройства.

1— блок логарифмирования, 2- блок задания начального напряжения, 3 -блок возведения в квадрат, 4 -блок возведения в куб, 5, 6 7 9—нормирующие блоки с коэффициентами передачи Ах Аг 43 А4, 8 10 — сумматоры, 11— блок установки начального значения

Рис. 3 10 Схема электрическая структурная линеаризующего устройства.

1— блок логарифмирования, 2- блок задания начального напряжения, 3 -блок возведения в квадрат, 4 -блок возведения в куб, 5, 6 7 9—нормирующие блоки с коэффициентами передачи Ах Аг 43 А4, 8 10 — сумматоры, 11— блок установки начального значения

^ = У logU. V

где и = 0, 1, 2, 3, ..., L

Чем больше п, тем в большем динамическом диапазоне с большой точностью выходной сигнал будет линейно определяться температурой.

На рис. 3.10 приведена структурная схема такого преобразователя при н = 3. Выходное напряжение такой схемы можно представить как

^вых — a^~ ^o + ^4^вых — a^~ ^o + ^4^ilog^ + ^2log2-^ + ^3log3^ .(3.11) t^OL/oUq

^вых — a^~ ^o + ^4

^вых — a^~ ^o + ^4

В качестве примера на рис. 3.11, 3.12 приведены зависимости отклонения \T=f^ от линейной зависимости d=aT для пирометров прямого измерения с кремниевым фотодиодом для диапазонов от 500 до 1600° С и от 550 до 1100° С для случаев и = 1 (один блок логарифмирования); и = 2 (блок логарифмирования и блок возведения в квадрат) и и = 3 (блок логарифмирования и блоки возведения в квадрат и куб).

Рис. 3.11. Зависимость АТ от Т для диапазона 550 -1100 СРис. 3.11. Зависимость АТ от Т для диапазона 550 -1100 С

Рис. 3.11. Зависимость АТ от Т для диапазона 550 -1100 С

Рис. 3.11. Зависимость АТ от Т для диапазона 550 -1100 С

Рис 3 12 Зависимость АГ от‘Г для диапазона 500 —16G0°C

Как следует из кривых для диапазона 300—400° С, достаточно высокая линейность (отклонение не превышает 0,2%) может быть получена при и = 3.

Специфической особенностью такого преобразователя (ли- неаризатора) является наличие блока вычисления 1п(Сп/С0).

ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОЭСИТ

ОЭСИТ, использующие широкий спектр излучения. Пирометр РАПИР [3.9] предназначен для измерения и регулирования температуры поверхностей нагретых тел (печей, топок и т. д.) в диапазоне 400—2500° С. На блок термобатарей с помощью оптики визируется изображение исследуемого объекта. Пирометр может иметь два показателя визирования: 1/7 и 1/20, причем переход с одного показателя визирования на другой осуществляется сменой объективов. В том случае, когда температура окружающей среды превышает 60—100° С, пирометр должен быть размещен в специальном кожухе, имеющем водяное или воздушное охлаждение. При этом в случае выхлопов пламени автоматически действующая заслонка закрывает входное отверстие пирометра и специальное устройство (СУРП-55) сигнализирует о ее срабатывании.

Пирометр может работать в комплекте с одним или двумя вторичными измерительными приборами, в качестве которых могут быть применены электронные потенциометры и милливольтметры. При этом панель с уравнительными и эквивалентными резисторами (типа ПУЭС-54) обеспечивает независимость показаний телескопа при различных сочетаниях вторичных приборов.

Компенсированный пирометр ПРК-600 предназначен для измерения радиационной температуры поверхности тел от 600 до 2000° С при температурах окружающего воздуха от 0 до 63

Рис. 3.13. Пирометр с фотодиодом

200° С. Пирометр снабжен автоматической компенсацией погрешностей показаний, возникающих вследствие изменения температуры его корпуса [3.3]. Пирометр ПРК-600 предназначен для работы в комплекте с электронными потенциометрами ЭП-120, ЭП-107 или БП-102. Тепловая инерция пирометра не превышает 1,8 с, показатель визирования равен 1/18.

Пределы измерений и основная погрешность .пирометра ПРК-600 следующие:

Пределы изме

рения, °C . . . 600—1200700—1400900 -18001100—2000

Основная по

грешность, не

более, С . . .±12±14±18±22

ОЭСИТ с непосредственным измерением сигнала на приемнике излучения с ограниченным участком спектра. В качестве чувствительных элементов в пирометре с фотодиодом [3.10] используются фотодиоды типов ФД-3 и ФД-ЗА. Пирометр (рис. 3.13) состоит из тубуса 4 и крышки 8. В тубусе установлены защитное стекло 1, диафрагма 2. линза в оправе 3, зеркало 5, диафрагма 6, фотодиод с элементами электрической схемы 7. В крышке размещены линза окуляра 9 и малогабаритный штепсельный разъем 10.

Излучение от нагретой поверхности проходит через защитное стекло, входную диафрагму и фокусируется линзой в плоскости диафрагмы, расположенной перед фотодиодом. Для наводки на нагретую поверхность, температура которой должна быть измерена, в пирометре предусмотрена визирная система, состоящая из зеркала 5 и линзы 9. Изображение нагретой поверхности на диафрагме перед фотодиодом через зеркало и линзу попадает в глаз наблюдателя. При правильной наводке изображение нагретой поверхности полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед фотодиодом.

Нижний предел измерения температуры 800° С, основная погрешность + 10° С, показатель визирования 1/50.

Разновидности такого типа ОЭСИТ широко распространены.

В табл. 3.1 приведены характеристики ОЭСИТ комплекса АПИР-С с непосредственным измерением сигнала [3.11, 3.12]. 64

Таблица 3.1. Основные характеристики пирометров комплекса АПИР-С

Тип пирометра

Диапазон измеряемых гемпе- ратур, С

Используемый участок спектра, мкм

Показа- ( тель визирования

)сновная погреш- юсть, %

Воздействие, с

ППТ-121

400 - 1000

600 1200

700— 1500

900- 1800

1000— 2000 L

0 4—4,0

1:25

1,5

2,0

1:50

1400—2500

0,4—2,5

ППТ-131

100—400 300—600

ЛОЛ 1 ЛОО

0,4—8,0 0,4—0,8

1:15 1:25

2,0

600—1200 700—1500 900 -1800 1000—2000 1400- 2500

0 4- -4,0

1:50

1.5

2,0

1:100

0,4—2,5

ППТ-142

50—100

50—200

100—300

0,4—14,0

1:5

2,0

2,0

ПЧД-111

800- 1300

1000 1600 1100 -2000 1500—2200 2000—2500

700—1100 600—1300

1100 -1700

0,7—1,1

1:25

1:50

1:50

1:100

1:100

1,5

1,5 1,0 1,0

1,5

0,1

0,8—1,8

1:25

1:50

1:100

1,0

1,5

1,0

ПЧД-121

800—1300 1000- 1600 1100 - 2000 1500—2200 2000 - 2500

450—750 700-1100 600 -1300 1100—1700

0,7—1,1

1:50

1:100

1:100 1:200 1:200

1,5 1,5 1,0 1,0

1,5

0,1

0,8-1,8

0.8—1,8

1:25

1:50

1:100

1:200

1,5 1,0 1,5 1,0

ПЧД-131

800—1300 1000—1600 1100- 2000 1500 -2200 2000— 2500

450—750 700—1100 600 -1300 1100 -1700

0,7- 1,1

1:100 1:200

1 :200

1:300

1:300

1,5

1,5 1,0 1,0 1.5

0,1

0,8—1,8

1:50

1:100

1:200

1:300

1,5

1,0

1,5

1 ’’°

5-3210

65

Продолжение табл. 3.1.

Тип пирометра

Диапазон измеряемых температур, °C

Используемый участок спектра, мкм

Показатель визирования

Основная погрешность, %

Воздействие, с

„Смотрин-1”

100—200

2,5

1.50

1,0

150—350

2,4

1:150

0,5

300—700

2,3

1 150

1,о

0,025

500—1400

2,3

1-300

0,025

50—200

1.50

2,0

1,0

150—350

3,43

1:50

1,0

0,5

300—700

1:100

1,0

0,025

„Смотрич-2”

30—150

8—14

1:25

2,0

2,5

100—350

8—14

1:50

1.0

1,0

30—150

8,5

2,0

2.5

100—350

8,5

1:25

2,0

-

30—150

2,0

^

100—350

1,5

1 (1

300—1100

5,0

1:50

1,0

и,25

1000—1400

1.100

. 1,0

0,1

1400—2200

1:100

1,5

0,1

„Смотрич-3”

800—1200

1:25

1,0

1000— 1600

0,656

1:50

1,5

0,1

1200—1800

1:100

0,1

1400—2000

1,5

1700 -2600

1:200

2,0

0,05

2100—3500

2,0

В ОЭСИТ типа ППТ в качестве приемника излучения используется хромель-копелевая термобатарея из фольги. В ОЭСИТ предусмотрена температурная компенсация погрешности при изменении температуры окружающей среды.

В ОЭСИТ типа ПЧД в качестве приемников излучения используются германиевые и кремниевые фотодиоды. В ПЧД-121 и ПЧД-131 фотодиоды термостатированы. ОЭСИТ типов ППТ-131, ППТ-142 и ПЧД-131 имеют визирные устройства, в ОЭСИТ типов ППТ-121, ПЧД-111 и ПЧД-121 они отсутствуют и наводка на объект осуществляется с помощью визирных устройств монтажного комплекса. В ОЭСИТ типов ППТ и ПЧД модуляция потока излучения отсутствует.

В ОЭСИТ типа «Смотрич» в качестве приемников излучения используются вакуумные мультищелочные фотоэлементы, фоторезисторы на основе PbS и PbSe, а также пироэлектрические приемники излучения. Фоторезисторы и пироэлектрические приемники излучения термостатированы. Спектральные диапазоны определяются обычными и интерференционными светофильтрами. Поток излучения модулируется механическим обтюратором.

В большинстве ОЭСИТ комплекса — линзовая оптика. В ППТ-142 оптическая система зеркальная, зеркало от загрязне- 66

Таблица 3.2. Основные характеристики пирометров фирмы Chino (Япопня)

Тип пирометра

Диапазон измеряемых температур, С

Используемый участок спектра, мкм

Основная погрешность

Быстродействие, с

IR-SS; IR-SB

400- 600 500—750 600 -900 700—1100 800—1200 900—1400 1000—1600 1200—2000

0,7—1,1.

1% (в диапазонах 400— 800 и 1500—2000° С);

0,7% (в диапазоне 800— 1500° С)

0,001

IR-SP

100 —600

300—1000

±10' Ц

0,3

IR-STH

800—1200

900- 1400

1000 -1600

1200—2000

0,7—1,1

1,0%

—

IR-L

(Pyroscope-L)

-50—+ 100 0—200

50—300

100 - 400

150 500

200- 600

—

1,0%

IR-Q

(Pyroscope-P)

100- 3500 (13 поддиапа

зонов)

2% (в диапазонах 100—

200 и 2000—3 500 С);

1% (в диапазонах 200—

600 и 1500—2000° С);

0,5% (в диапазоне 600—

1500° С)

0,001

ния защищено лавсановой пленкой. В ОЭСИТ некоторых типов возможно использование светопроводов.

ОЭСИТ комплекса АПИР-С снабжены устройствами линеаризации и введения коррекции на определенное значение излучательной способности объекта. Некоторые модели имеют устройство запоминания максимальной температуры.

В табл. 3.2 приведены характеристики энергетических ОЭСИТ японской фирмы Chino [3.13]. В ОЭСИТ IR-SS, IR-SB, IR-STH модуляция отсутствует; в ОЭСИТ IR-S и IR-Q поток модулируется обтюратором. В приборах IR-SS, IR-SB, IR-STH в качестве приемника излучения используется кремниевый фотодиод; в приборах IR-SP — термобатарея, в приборах IR-L — термисторный болометр, в приборах IR-Q — фоторезисторы на основе PbSe (для диапазона измеряемых температур 100—500° С), PbS (для 7=150-1000 С) и Si (для Т= =600—3500° С).

ОЭСИТ компенсационного типа. Фотоэлектрический пирометр ФЭП-3 (ФЭП-4) [3.14] предназначен для измерения и записи температуры металла в процессе прокатки. В пирометре используется узкая спектральная область излучения — от 0,6 до 0,-7 мкм. Выделение рабочего участка спектра достигается применением вакуумного сурьмяно-цезиевого элемента и красного светофильтра.

Пирометр выполнен по схеме на рис. 3.1. Благодаря применению компенсационной схемы показания пирометра в этом случае мало зависят от изменений коэффициентов усиления отдельных каскадов, чувствительности фотоэлемента и изменений температуры прибора. /

Пирометр состоит из водоохлаждаемой визирной головки; силового блока; феррорезонансного стабилизатора (типа ЭПА-15); быстродействующего электронного потенциометра (типа БП-102); разделительного трансформатора (типа Т-74).

Визирная головка является основным узлом прибора. Внутри визирной головки установлены фотоэлемент, лампы и электромагнитный модулятор.

Пирометр ФЭП-3 имеет пять диапазонов измерения: 600— 1100, 800—1300, 900 1400, 1000—1700, 1100—1800° С (у ФЭП-4—до 4000° С). Переход с одного диапазона на другой осуществляется заменой диафрагмы в объективе.

Основная погрешность измерения составляет 1% верхнего предела шкалы прибора. Показатель визирования пирометра равен 1/20 При измерении температуры с расстояния 1 м диаметр визируемой поверхности составляет 5 см.

Быстродействие прибора такое, что его указатель при мгновенном изменении температуры проходит всю шкалу за 2,5 с (у ФЭП-4 — за 1 с).

Незначительная переделка пирометра ФЭП-3 (замена фотоэлемента германиевым фотодиодом или фоторезистором) [3.15] позволила снизить нижний предел до 200° С.

В пирометре ФЭП-8 [3.16] в качестве чувствительного элемента использован сернисто-свинцовый фоторезистор. Максимум чувствительности фоторезистора приходится на диапазон от 2,1 до 2,6 мкм, а весь диапазон спектральной чувствительности— от 1,8 до 3,5 мкм. Эффективная длина волны пирометра в зависимости от температуры контролируемой поверхности изменяется в пределах от 2,2 до 2,7 мкм.

В качестве эталойного источника сравнения в пирометре используется лампа накаливания типа СМ-37. Стабильность потока излучения лампы от тока достигается предварительным старением лампы и режимом включения, при котором вольфрамовая нить лампы не нагревается свыше 1500° С. Достаточно жесткая подвеска нити в лампе предохраняет ее от провисания и межвитковых закорачиваний при ударных нагрузках.

Рис 3 14 Схема пирометра с управляемым усилителем

/ объект, 2- оптическая система, 5—светофильтр, 4 - модулятор (диск с двумя рядами отверстий), 5 — полевая диафрагма, 6— приемник излучения, 7— управляемый усилитель, 8 частотный фильтр 9 выпрямитель, 10—блок сравнения, 11— стабилизированный источник напряжения 12— профилированная диафрагма 13 - лампа сравнения

Конструктивно пирометр ФЭП-8 состоит из визирной головки, электронного блока и электронного потенциометра, а также стабилизатора напряжения, электрически соединенных между собой. Все блоки пирометра, кроме визирной головки, смонтированы в общем шкафу.

Визирная головка устанавливается на расстоянии 0,5—10 м от контролируемой поверхности. Специальная подставка, обеспечивающая возможность поворота головки в горизонтальной (±180°) и вертикальной (±30°) плоскостях, позволяет точно свизировать визирную головку на требуемый участок поверхности. В визирной головке помещены фогочувствительный приемник, лампа обратной связи, модулятор потоков излучения, визирное устройство и предварительный усилитель. Визирная головка имеет объемную рубашку водяного охлаждения, которое необходимо включать при окружающей температуре свыше ±30° С.

В качестве регистратора в пирометре используется электронный потенциометр типа КСП-4. Потенциометр может быть снабжен трехпозиционным сигнальным устройством и 100%- ным дополнительным реостатом для включения пирометра в систему автоматического регулирования.

Допустимая основная погрешность показания пирометра ФЭП-8 — не более 1,5%. Воспроизводимость показаний пирометра составляет 1—2° С на всех точках шкалы. Время установления показаний в любой точке шкалы при мгновенном появлении визируемого тела — не более 1 с. Динамические характеристики пирометра позволяют измерять изменяющуюся температуру тела при скорости до 100° С в 1 с с точностью, не превышающей основной погрешности.

Показатель визирования пирометра составляет от 1/22 до 1/70 в зависимости от диапазона измерения.

Основным недостатком компенсационных ОЭСИТ является их малое быстродействие из-за использования в качестве 69

сравнивающего элемента лампы накаливания. Использование других источников сравнения пока не привело к успеху. Поэтому интерес представляет пирометр, в котором лампа сравнения служит лишь для получения сигнала, с помощью которого автоматически поддерживается постоянство коэффициента передачи усилительно-преобразовательного тракта [3.17].

В этом пирометре (рис. 3.14) на приемнике излучения 6 «смешиваются» два сигнала: опорный, модулируемый с частотой /о = 800 Гц, и рабочий, прерываемый этим же модулятором 4, с частотой ^ = 13 кГц. Суммарное напряжение с выхода приемника 6 разделяется на составляющие фильтром 8, и сигналом с частотой f0 регулируется на заданном уровне коэффициент усиления усилителя 7. Сигнал с частотой /t является выходным. В пирометре используется диафрагма 12 специальной (синусоидальной) формы для синусоидальной модуляции сигнала сравнения. Кроме того, введена монохрома- тизация светового потока лампы сравнения В для уменьшения влияния на фотоприемник (фотокатод) изменения температуры окружающей среды. Операционные усилители также устойчивы к колебаниям температуры и питающих напряжений. Пирометр разработан для измерения температур в диапазоне 1173— 2773 К с двумя поддиапазонами. Быстродействие оценивается в 10" 4 с. Инструментальная погрешность — не более 1%.

ГЛАВА 4

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОЭСИТ

Оптико-электронные системы измерения температуры, использующие спектральное распределение, по принципу измерения температуры разделяют на три группы:

ОЭСИТ, в которых излучение в двух участках спектра от измеряемого тела сравнивается с излучением от эталонного излучателя модели «черного тела» или температурой лампы. Температура эталонного излучателя контролируется термопарами или косвенным методом (для эталонных температурных ламп — по току накала).

Большая инерционность эталонных температурных источников препятствует распространению таких ОЭСИТ;

ОЭСИТ, у которых измерение отношения двух потоков излучения с различными спектральными составами осуще- 70

Рис. 4.1. Форма трапецеидального импульса

ствляется по положению редуцирующего устройства, вводимого в один из потоков;

ОЭСИТ, в которых непосредственно по излучению в двух участках спектра определяется отношение потоков, а следовательно, и температура.

По принципу измерения отношения двух потоков ОЭСИТ могут быть разделены на двухканальные и одноканальные. В двухканальных ОЭСИТ измеряемые потоки раздельно преобразуются в электрический сигнал приемниками, раздельно усиливаются усилителями (которые иногда отсутствуют) и подаются в вычислительное устройство, где и вычисляется их отношение. В одноканальных системах используется один приемник, на который поочередно падают измеряемые потоки, и один усилитель. Применение одноканального метода позволяет исключить влияние изменения коэффициента преобразования и коэффициента усиления усилителя.

При необходимости введения усилителя между приемником излучения и вычислителем отношения наиболее рациональной схемой ОЭСИТ является одноканальная схема. Однако при этом надо учитывать, что быстродействие одноканальных ОЭСИТ значительно хуже, чем двухканальных.

Рассмотрим некоторые из возможных вариантов преобразования отношения потоков (или непосредственно самих потоков) в электрический сигнал.

Преобразование потоков в поочередно следующие трапецеидальные импульсы.

Параметры импульсов определяются формой кадрового ;окна и окна на диске обтюратора. Если кадровые окна и окна на обтюраторе выполнены в виде секторов, то на приемнике излучения формируются трапецеидальные импульсы, имеющие форму, показанную на рис. 4.1.

В дальнейшем при анализе измерительных схем представят интерес параметры импульсов не относительно их начала, а относительно нулевой линии Со, определяемой выражением ^U-Uo)dU=0.

О

a)a)

a)

a)

Рис 4 2 Форма сигналов на выходе приемника излучения и узкополосного усилителя

Проведя интегрирование, получим

ио = ^2 [у (Y1 + 5J - (у2 + б2)];

[/'1=[71-бг0=[72[у(1-у1-81)-(у2 + 82)];

П2 — П2— Uo = По[1 ~J'(Yi — 81) —(у2 + 32)];

5'1 = 5!^[у(1-У1~61)-(у2 + 82)];

§2 = 32 [1 - у (у! + 62) - (у2 + 82)] и, наконец,

ич l-TtYi+Sj-^+Si)’

где у— отношение потоков и соответственно импульсов: y=^tl^2’ 81 = z‘3 — tv; 6i = ?3 —t2;

62 = ?g ?2; b^ — tg —t8.

Преобразование отношения потоков в синусоидальное напряжение, коэффициент модуляции которого пропорционален отношению потоков.

Если на приемник поочередно подаются предварительно промодулированные по синусоидальному закону два потока, то электрический сигнал на приемнике имеет вид. показанный на рис. 4.2, а, а после прохождения через узкополосный усилитель— вид, показанный на рис. 4.2,6, т. е. будет синусоидальным напряжением, модулированным по амплитуде. Коэффициент глубины модуляции этого напряжения пропорционален отношению потоков у;

U1A-U2 т + 1

Преобразование потоков в синусоидальное напряжение, фаза которого пропорциональна отношению потоков.

Поток от измеряемого объекта разделяется на два потока и модулируется. Форма кадровых окон на обтюраторе и неподвижные кадровые окна выбираются таким образом, чтобы потоки модулировались по синусоидальному закону: 72

Рис 4 3 Зависимость параметров сигнала при преобразовании отношения в фазу

^i - Фог sincoZ;

Ф2 = Фо281П (®Z —9).

Таким образом, на приемнике при действии первого и второго потоков возникают сигналы

U1 = ^макс sin WZ;

^^^MaKcSin^Z-e);

результирующий сигнал будет равен

[7р = ,/[/2 + [7^ + 2 U^U2 cos 9,

или в относительных единицах (относительно [/2)

— = ^/1 +y2 + 2ycos9.

Угол между [/р и U2 составляет

Ф = arcctg —— (у + cos 9), sin 6'

где 9 — фазовый сдвиг между модулированными потоками; у— отношение потоков.

Таким образом, угол ф при 9 = const однозначно определяет отношение двух потоков.

На рис. 4.3 приведены зависимости угла ф и относительной амплитуды Upl U2 от отношения потоков у и начального сдвига 9.

Рис. 4.4. Чувствительность фазового методаРис. 4.4. Чувствительность фазового метода

Рис. 4.4. Чувствительность фазового метода

Рис. 4.4. Чувствительность фазового метода

Аф = arctgАф = arctgОбозначим фн и ун— начальное значение фазы и отношения, а фх и ух— искомое значение отношения и фазы, тогда изменение фазы Аф = фх — фн равно

Аф = arctg

Аф = arctg

——— (у + COS 0) -Лф, sin 0''

где Лф = агсх^где Лф = агсх^——- (ун + COS 0) smO''——- (ун + COS 0) smO''

где Лф = агсх^

где Лф = агсх^

——- (ун + COS 0) smO''

——- (ун + COS 0) smO''

после преобразования

Аф = arcctg (Л-Ти)8Ш0

Зависимость ф от у наиболее полно характеризуется параметром

йу _(1 +>,2) + 2vcos0

8ф у sin 0

и приведена на рис. 4.4 (на рис. 4.4, а 8у/Л<р = Лу при заданном 0 и на рис. 4.4, б 8у/Аф=/(0) при заданном у).

Как видно из графиков, при 0= 130ч-140° значение 8у/8ф при изменении ф от 0,75 до 1,5 изменяется мало, при этом Up%U2. Следовательно, такой угол 0 наиболее оптимален.

Возможно также использование и других способов преобразования потоков (например, использование приемников, в 74

<оторых изменяется собственная емкость пропорционально мощности падающего потока, конденсаторных приемников, фотодиодов и др.).

Однако отмеченные способы являются наиболее простыми и конструктивно проще осуществимыми.

ОЭСИТ С УРАВНОВЕШИВАНИЕМ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ

Этот тип измерителей может быть выполнен по двум

схемам:

редуцирующий цветной клин может вводиться в общий поток, при этом он в значительно большей степени ослабляет поток на одном участке [1.4] спектра и незначительно на другом (по такой схеме выполнены ОЭСИТ типа «Веселка 1», «Веселка 2», «Веселка 3» [1.5]);

нейтральный редуцирующий клин может вводиться в один из потоков.

В первой схеме (рис. 4.5) поток от измеряемого объекта с помощью оптики 1 фокусируется на фотоприемник 2. Сфокусированный поток проходит через цветной клин 3 и прерывается обтюратором 4 (со светофильтрами Фх и Ф^, вращаемым электродвигателем 5.

Клин в значительной степени ослабляет поток, проходящий через фильтр Фх, и незначительно ослабляет поток, проходящий через фильтр Ф2; следовательно, с помощью клина всегда можно уравнять потоки, падающие на приемник излучения. Если потоки, проходящие через Фг и Ф2, не равны, то разность

потоков на приемнике вызывает появление электрического сигнала, который после усиления усилителем 6 приводит в действие электродвигатель 7. С помощью редуктора 8 клин

перемещается до такого положения, когда потоки, попадающие на фотоприемник, вызывают в его цепи одинаковые сигналы, т. е. положение клина пропорционально цветовой температуре.

Во второй схеме (рис. 4.6) поток от объекта разделяется на два. Фильтры Ф£ и Ф2 выделяют необходимые участки спектра. Обтюратор 4 модулирует оба потока (в противофазе). С помощью оптической системы 1 оба потока фокусируются на приемник 2.

В один из потоков с помощью редуктора 6, приводимого от

двигателя 5, вводится нейтральный клин 3. Напряжение на .двигатель подается через уси- ;литель 7 с приемника. Клин перемещается до тех пор, пока потоки, падающие на приемник, не станут равными.

Рис. 4.5. ОЭСИТ с цветным клином

Рис 4 6 ОЭСИТ с нейтральным клиномРис 4 6 ОЭСИТ с нейтральным клиномРис. 4.7 К работе ОЭСИТ с цветным клиномРис. 4.7 К работе ОЭСИТ с цветным клиномпользуется цветной селективныйпользуется цветной селективныйТак как вторая схема является частным случаем первой, то рассмотрим работу первой схемы. В качестве редуцирующего органа, который уравнивает спектральные потоки и определяет их отношение, ис- клин 3. Его положение в

Рис 4 6 ОЭСИТ с нейтральным клином

Рис 4 6 ОЭСИТ с нейтральным клином

Рис. 4.7 К работе ОЭСИТ с цветным клином

Рис. 4.7 К работе ОЭСИТ с цветным клином

пользуется цветной селективный

пользуется цветной селективный

момент равенства сигналов определяется цветовой температурой объекта. На рис. 4.7 схематически показаны спектральные характеристики 1 и 2 системы (излучатель + фотоэлемент + светофильтры) и семейство Z-образных линий пропускания идеализированного клина в трех положениях: I, II, III (штрихпунктир- ной линией IV показана одна из кривых пропускания реального клина). По оси ординат отложены относительные величины спектральной чувствительности, а по оси абсцисс — длины волн. Характеристика 1 соответствует коротковолновой части спектра, а характеристика 2—длинноволновой. При перемещении клина, например, в сторону увеличения оптической плотности его поглощение в красной области спектра больше, чем в синей,

что позволяет изменять величину отношения пропущенных на фотодетектор потоков излучения и сохранять при этом с достаточной степенью точности постоянство эффективных длин

волн.

Уравнение, описывающее зависимость положения (толщины) цветного клина х от измеряемой цветовой температуры Тц, определяется выражением

т, Ф . =Тп

Чх И ч2х к2

На основании закона Бугера—Ламберта

Чх = ехр (-«!%); тК2х = ехр(-й2х),(4.1)

где Й! и й2— соответственно показатели поглощения светофильтра клина в заданных участках спектра.

Из (4.1) получаем

ехр( —а2х) = ФиГо

ехр( —а2х) ФХ2То

или

х = —1—!пу,(4.2)

ИЛИ

где Л = Х1Х2/(Х2 —XJ—эквивалентная длина волны пирометра отношения

А = 51п — + In —; Ай = й< — й2.

Из (4.2) следует, что обратные значения цветовой температуры объекта излучения Тп связаны с соответствующей толщиной клина линейной зависимостью.

Дифференцируя и преобразуя (4.3), получаем уравнение пирометра в конечных приращениях:

ДаАг Т

Это напряжение подается на усилитель и далее на двигатель. Принцип работы второй схемы аналогичен описанному с учетом того, что ^=0 и Ай=й2.

ОЭСИТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Электронные устройства, позволяющие измерить отношение двух потоков при преобразовании их в трапецеидальные импульсы, можно разбить на четыре группы; устройства с логометрами, устройства со стабилизаторами, устройства с логарифмирующими элементами и устройства со следящей системой.

Рис 4 8. Устройство с логометром

Устройства с логометрами. Простейшим способом измерения отношения двух импульсов является использование электромеханических логометров. При этом один импульс подается на первую катушку логометра, другой—на вторую.

На рис. 4.8 приведены две схемы ОЭСИТ с логометрами: схема с восстановлением постоянной составляющей (рис. 4.8, а) и схема с ограничением (рис. 4.8, б).

Если после усиления восстанавливается постоянная составляющая диодом D (рис. 4.8, а), то показание логометра

Если переключение осуществляется после ограничения (диод Д) на рис. 4.8, б, то

^2 (72 + 8'2)

{г — [(71 ++) (71 + 31)- (72 + 32)]} {72 + 5 [1 - у (71 + 8,) - (72 + 82)]} ’

ОЭСИТ со стабилизаторами. В одноканальных ОЭСИТ со стабилизаторами коэффициенз передачи одного из блоков, например предварительного усилителя, изменяется при изменении потоков излучения таким образом, что один из импульсов, как правило меньший, поддерживается на строго постоянном уровне и измерение отношения заменяется измерением разности двух импульсов или амплитуды другого импульса:

U=Uv-U2=l-^-i)=k^-i)(4.5)

ИЛИ иг = U 21 (у— 1)— U2.

78

Рис. 4.10. Принципиальная схема логарифмического преобразователяРис. 4.10. Принципиальная схема логарифмического преобразователяРис. 4 9 К определению выходного сигнала ОЭСИТ со стабилизатором

Рис. 4.10. Принципиальная схема логарифмического преобразователя

Рис. 4.10. Принципиальная схема логарифмического преобразователя

В двухканальных ОЭСИТ—два идентичных блока с управляемым коэффициентом передачи, включенных в оба канала.

Одновременно изменяется коэффициент передачи обоих блоков таким образом, что один из сигналов поддерживается постоянным. Тогда сигнал второго канала определяется отношением потоков в двух участках спектра [1.5].

В [4.1] обобщен и развит метод измерения отношения двух импульсов, основанный на использовании инерционного стабилизатора, поддерживающего Сд = const (рис. 4.9), и показано, что измерение отношения может быть заменено измерением амплитуды Um (наибольшего из положительных импульсов UмакС — Uо, отрицательных импульсов Uo, суммы этих импульсов Uy), измерением среднего значения обоих положительных или, что то же самое, обоих отрицательных импульсов, или измерением среднего значения Ucp большего из положительных импульсов, лежащих выше определенного уровня (запирающего напряжения Сзап).

Каждому из этих случаев соответствуют определенная схема оконечного каскада и определенный характер шкгйы прибора при заданных форме, длительностях и скважности логометри- руемых импульсов. Подробный разбор этих вариантов проведен в [4.1].

ОЭСИТ с логарифмирующими преобразователями. Впервые такие ОЭСИТ были описаны в [4.2]. Рассмотрим варианты, в которых вычисление отношения импульсов осуществляется путем предварительного преобразования импульсов по логарифмическому закону с последующим измерением разности преобразованных импульсов:

A1=klnU1; A2 = k\nU2',, х и г (4-6)

а = к (A j — А 2) = /с In -у.

Здесь возможны два случая.

Характеристика преобразователя такова, что на его выходе амплитуда импульса пропорциональна логарифму амплитуды на входе при неизменной ширине: А = U=k\nUBX [4.3].

Характеристика преобразователя такова, что на его выходе ширина импульса пропорциональна логарифму амплитуды при неизменной выходной амплитуде: Л = т = /с1пСвх [4.4].

Различные способы получения зависимости 4=/clnL'BX рассмотрены в [4.4]. Здесь мы рассмотрим логарифмические преобразователи с использованием операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включен элемент с логарифмической характеристикой [4.5].

Основным элементом таких логарифмических преобразователей является биполярный транзистор, в котором соотношение между током коллектора и напряжением эмиттер — база изменяется по логарифмическому закону при токе от 1 • 1012 до 1 • 10-3 А. Для построения логарифмических преобразователей используются попарно подобранные биполярные транзисторы и операционные усилители. Принципиальная схема логарифмичес-’ кого преобразователя показана на рис. 4.10.

Транзистор 7\ является основным элементом цепи нелинейной обратной связи, охватывающей операционный усилитель УР Коллекторный ток транзистора Т\ равен току на резисторе RBX. Транзистор Г2 включен в цепь обратной связи операционного усилителя У2. Коллекторный ток транзистора Г2 равен току через резистор и составляет в рассматриваемой схеме с указанными параметрами около 10 мкА. Постоянство коллекторного тока транзистора Г2 обусловливает постоянное напряжение эмиттер — база этого транзистора, а в цепи транзистора Tv это напряжение изменяется при изменении входного тока. Выходное напряжение преобразователя является функцией разности АПБЭ напряжений база—эмиттер транзисторов Тх и Г2:

^вых = —^(^БЭ2—^БЭ1)'

Рис. 4.11 Принципиальная схема быстродействующего логарифмического преобразователяРис. 4.11 Принципиальная схема быстродействующего логарифмического преобразователя

Рис. 4.11 Принципиальная схема быстродействующего логарифмического преобразователя

Рис. 4.11 Принципиальная схема быстродействующего логарифмического преобразователя

Для пары транзисторов с согласованными характеристиками и разными коллекторными токами справедливо

ДС7БЭ=^1п^.

Таким образом, при (7вх>0 выходное напряжение пропорционально логарифму входного сигнала:

(4-7)(4-7)кТ Ri + R2 |п£м^зq R2 UbxRm

(4-7)

(4-7)

Здесь коэффициент при логарифме линейно зависит от абсолютной температуры, поэтому необходима температурная компенсация. Самый простой способ сделать резистор R2 также линейно зависящим от температуры.

Принципиальная схема логарифмического преобразователя с постоянной времени на два порядка выше, чем у предыдущего, представлена на рис. 4.11. Динамический диапазон этого преобразователя равен 80 дБ. Транзистор 7\ здесь включен в цепь положительной связи операционного усилителя для осуществления фазовой компенсации в диапазоне 3,5 МГц и снижения постоянной времени преобразователя.

Рассмотрим работу преобразователя, основанного на предварительном логарифмическом широтно-импульсном преобразовании каждого сигнала. Обобщенная структурная схема такого преобразователя приведена на рис. 4.12. Преобразователь состоит из датчика 7, в котором формируются трапецеидальные импульсы, отношение амплитуд которых определяет измеряемый параметр. После усилителя 2 импульсы поступают на блок формирования остроконечных импульсов 3 и далее на логарифмический широтно-импульсный формирователь 4. Блок 4 формирует импульсы с посто-

6-3219

Рис. 4.12. Обобщенная структурная схема логарифмического широтно-импульсного преобразователяРис. 4.12. Обобщенная структурная схема логарифмического широтно-импульсного преобразователя^ф ^ф. вх^ф ^ф. вхЦ 1п ехр [(<ф ю/та)—1JУ-т0 ехр(?ф.м/тс)-1Ц 1п ехр [(<ф ю/та)—1JУ-т0 ехр(?ф.м/тс)-1Рис. 4.13. К определению параметров логарифмического широтно-импульсного преобразователяРис. 4.13. К определению параметров логарифмического широтно-импульсного преобразователя

Рис. 4.12. Обобщенная структурная схема логарифмического широтно-импульсного преобразователя

Рис. 4.12. Обобщенная структурная схема логарифмического широтно-импульсного преобразователя

^ф ^ф. вх

^ф ^ф. вх

Ц 1п ехр [(<ф ю/та)—1J

У-т0 ехр(?ф.м/тс)-1

Ц 1п ехр [(<ф ю/та)—1J

У-т0 ехр(?ф.м/тс)-1

Рис. 4.13. К определению параметров логарифмического широтно-импульсного преобразователя

Рис. 4.13. К определению параметров логарифмического широтно-импульсного преобразователя

янной амплитудой, длительность которых пропорциональна логарифму амплитуды входных импульсов. На выходе блока 4 эти импульсы выделяются на резисторах Лвых1 и Явых2. Среднее значение разности этих импульсов после фильтра 5 пропорционально отношению амплитуд импульсов на входе.

Рассмотрим основные соотношения, характеризующие работу такого измерителя отношения.

Уравнение шкалы. Амплитуды С12 и фронт /ф импульса на резисторе R (рис. 4.13) при подаче на вход усилителя трапецеидального импульса с амплитудой <7вх1-2 и фронтом /фвх определяются выражениями

С1,2 — Свх12С1,2 — Свх12(4-8)(4-8)'с [ехр (гф.м/тс)—1]

С1,2 — Свх12

С1,2 — Свх12

(4-8)

(4-8)

Ч „ I ехр (Гф/тс)— 1]

(4.9)

82

Рис. 4.14. Структурная схема преобразователя с электрическим переключением диапазоновРис. 4.14. Структурная схема преобразователя с электрическим переключением диапазонов

Рис. 4.14. Структурная схема преобразователя с электрическим переключением диапазонов

Рис. 4.14. Структурная схема преобразователя с электрическим переключением диапазонов

где tc = RcCc — постоянная времени входной цепи блока 3 (рис. 4.12); Ta=RaCo—эквивалентная постоянная времени выходных цепей предварительного усилителя.

Далее импульсы с выхода блока 3 через диод Д заряжают конденсатор Сд до амплитудного значения импульса U12- В период отсутствия импульсов конденсатор Сд разряжается через резистор Ra. Экспоненциальные импульсы подаются на пороговое устройство с уровнем срабатывания Uep. В частном случае на пороговое устройство могут быть поданы непосредственно импульсы с блока 3. При таком варианте возможно применение пороговых схем с малым порогом ограничения.

Следует отметить, что для упрощения настройки, а также для обеспечения электрического переключения шкал возможно изменение амплитуды импульсов UY и С2, как показано на рис. 4.14, где они снимаются не со всего резистора Rc, а с его части.

Для упрощения анализа будем считать, что нарастание импульсов происходит по линейному закону. Тогда длительность импульсов на выходе блока 4 (см. рис. 4.12) на резисторах Явых1 и ^вых2 ПРИ подаче импульсов Ux и U2 равна

/ = т (4.10)

V1 ф\ иер v 7

Если период следования одинаковых импульсов равен Ти, то среднее значение последовазельности импульсов на резисторах ^выхз и Rbhx2 равно U1-2 = —^ tUi2. Так как амплитуды импульсов на Лвых1 и Двых2 равны иКвых1 = иКвых2 = U„ среднее значение разности импульсов длительностью 1и и tv определяется выражением

ТТ ^КвыхТТ ^Квыхalnj’-h — (-—-Л \ Valnj’-h — (-—-Л \ V(4-11)(4-11)

ТТ ^Квых

ТТ ^Квых

alnj’-h — (-—-

Л \ V

alnj’-h — (-—-

Л \ V

(4-11)

(4-11)

где y=UJU2; п=идиср; ^CaRa.

Из этого выражения следует, что логарифмическое широтно-импульсное преобразование может быть использовано также и для измерения логарифма отношения.

Максимальное значение постоянной времени амплитудного детектора (при условии, что расстояние между импульсами / = 0,5 Ти) определяется максимальными значениями Uv U2 и у из соотношения

^1 макс^1 макс— ^^2макс;— ^^2макс;0,5Гиехр —5а

^1 макс

^1 макс

— ^^2макс;

— ^^2макс;

где b = 0,7-?- 0,8 — коэффициент, учитывающий возможную нестабильность Ue , отсюда

«макс = 0,5Ти/1п^.(4.12)

Методическая погрешность определения отношения. Из выражения (4.11) следует, что при абсолютном изменении игг (при неизменном у) возникает погрешность измерения у. Погрешность определения отношения 5у образуется за счет того, что при одном и том же отношении у величина Up будет различна в зависимости от а и абсолютного значения U.

Погрешность от изменения абсолютных уровней сигналов будет различна при использовании логарифмического широтно-импульсного преобразования для измерения отношения или логарифма отношения. •

Для первого случая

учитывая, что а» —, получим »нУ

Lilу а у пн у

Для второго случаях =т Уу-^У Y-1 1|П)’* а1п>’ у пн

Из уравнения (4.13) следует, что если Uep увеличивать пропорционально U2, то при увеличении у будет увеличиваться п, а следовательно, погрешность б увеличиваться не будет ^=и2у;и2н, n^u2jucp\ 84

Рис. 4 15. Структурная схема ОЭСИТ с реохордом и следящей системойРис. 4 15. Структурная схема ОЭСИТ с реохордом и следящей системой

Рис. 4 15. Структурная схема ОЭСИТ с реохордом и следящей системой

Рис. 4 15. Структурная схема ОЭСИТ с реохордом и следящей системой

ОЭСИТ с реохордом и следящей системой. Рассмотрим ОЭСИТ, в которой вычисление отношения импульсов осуществляется с помощью следящей системы с реохордом.

Структурная схема устройства приведена на рис. 4.15. После усиления импульсы подаются на реохорд. При этом возможны два варианта: а) после усиления на реохорде восстанавливается постоянная составляющая импульсов; б) после усиления импульсы подаются на реохорд через диод, т. е. происходит их ограничение по минимуму.

Рассмотрим первый вариант. В момент времени, когда отсутствуют импульсы, синхропереключатель подключает вход усилителя следящей системы У2, то к делителю, состоящему из резисторов Rv и R2, то к движку реохорда Rp таким образом, что когда действует больший импульс, переключатель подключен к движку реохорда, когда меньший — к делителю.

Следящая система поддерживает постоянным отношение

где R' — сопротивление между верхним концом реохорда и движком; vr и v2 — коэффициенты передачи усилителя для первого и второго импульсов соответственно. С учетом обозначений R’/Rp = a. RJR2 = q, R2jRp = m, RyRp = n [a — положение движка реохорда (O^a^l)] выражение (4.14) можно записать как

1 -Vm—a v, g, +11 -Vm—a v, g, +1уI+m + w v2 qуI+m + w v2 q(4.15)(4.15)

1 -Vm—a v, g, +1

1 -Vm—a v, g, +1

у

I+m + w v2 q

у

I+m + w v2 q

(4.15)

(4.15)

Если равенство нарушается вследствие изменения отношения, то на вход усилителя У2 подается напряжение рассогласования

Это напряжение после усиления воздействует на двигатель М, который перемещает движок реохорда (т. е. изменяет а) до восстановления отношения (4.14), т. е. чтобы положение движка было пропорционально отношению

a = (l+w) —(1+w + n)—^—— v \','7 9+1 V,a = (l+w) —(1+w + n)—^—— v \','7 9+1 V,

a = (l+w) —(1+w + n)—^—— v \','7 9+1 V,

a = (l+w) —(1+w + n)—^—— v \','7 9+1 V,

Рис. 4.16 Зависимость выходного сигнала от параметров импульсов:

л=1

1...

71 =у2=0,2;

т=1,

и = 0

2.

■■71=72 = 0,2;

т = 0,

3...

7t =72=0,2;

т=1,

и=1

4.

.. у, =у2 = 0,3;

т = 0,

и=1

5...

71=72=0,3;

т=0,

л = 1

6.

•■У1=У2 = 0.3;

т=1.

и=1

7...

71=0,2; у2 = 0,3;

т=1.

и = 0

8.

71=0,2; у2 = 0,3,

№=1,

„=1

9...

71 = 0,3; у2=0,2;

т=1.

м = 0

10.

..71 = 0,3; у2=0,2;

т=0,

л=1

11...

71 = 0,3; у2=0,2;

т= 1,

п=1

(4-16)

Рассмотрим случай, когда усилитель У2 имеет узкую полосу и реагирует только на первую гармонику последовательности импульсов. Раскладывая последовательность трапецеидальных импульсов в ряд Фурье и ограничиваясь первой гармоникой, получаем

2. /. с. \ sinnS,

vt=- sin лу^^ ——1 ;

v2=;.

Подставляя значения v, и v2, получаем основное уравнение пирометра с узкополосным усилителем:

1\ 9 sin(ny2 + n§2) S.sinnSj

+ ml — (l+m + nl —^ -Ц—^y \

'9+1 sin(ny]+n81) o2sinn3i

Если Tt5^10°, то sinnS = л8, и, учитывая, что у» 8, получаем

а = (1 +m) — (1 +т+п)-^— у i!!^L(Zl±^.(4.17)

'’ '7 9i + l 81пл(у1 + 81)

На рис. 4.16 приведены построенные по формуле (4.17) кривые для различных значений параметров импульсов.

Для частного случая, если yt = y2, 81 = 82» выражение (4.17) упрощается: 86

Рис. 4.17 Автоматическое переключение диапазонов

а=(1 + ш)—(1 + т + и)—- у

Для варианта, когда происходит ограничение по минимуму,

« = Л[1+ИУ2+82Н82+У2)]япл{у2 + 82[1-у^^

' 'q+1[y(l~Yi-81)-(81+Yi)]sinnhi + 81>- *х

(+82)~(y2+82)] } х

x[(t-Yi-81)-(81 + 81)]}

SMnnf^J^^J^j^lWYl^^(4 18)

sinn [81у-1 [y-(Yi-81)-(YI+81)]}y8i [1 -т(72 + 82)-(72 + 82)] ’

и для случая, если тг8>10°,

'7 '’ q-H [y(l-Y2+82)-(Yi + 8i)]smn[Y1+81y *x

+ 82)~(y2 + 82)] }(4.19)

x [(v—Yi —8i)—(Yi+8i)] } "

Для случая, если 8 «у,

+>(4-20)

vv4 + 1 У-П1-Г2 S'n^Yi

а если у!=у2,

а=(1+/и)-(1+т + и)-^-(4.21)

Из (4.18) — (4.21) следует, что рассматриваемая схема весьма гибка и позволяет в широком пределе изменять характер- шкалы.

Для уменьшения погрешности отсчета при использовании следящей системы с реохордом рассмотрим многократное использование реохорда (переключение шкал) путем изменения (автоматического или ручного) значений п, т или q при подходе

87

Рис. 4.18 Структурная схема ОЭСИТ с бесконтактной обратной связью движка реохорда в крайнее положение таким образом [4.6], чтобы равновесие наступало в другом крайнем положении.

Переключение шкал осуществляется автоматически с помощью концевых выключателей 7L (контакты М\ и М"^ и П2 (контакты М'2 и М2) на рис. 4.17. Если пирометр выключен, то реле Pv и Р2 обесточены. Предположим, что движок реохорда находится в крайнем верхнем (по схеме) положении и нажимает на концевой выключатель ГЦ, контакт М\ которого разомкнут, a Mi замкнут. При включении пирометра реле Р2 срабатывает и контакты Крх закорачиваются и замыкают резистор Rv

Если отношение импульсов увеличивается (за счет изменения измеряемой температуры), то движок реохорда перемещается в нижнее положение. При этом контакты М2 замыкаются, а контакты М\ разомкнуты, однако это не изменяет режима работы реле.

Когда движок реохорда достигает крайнего нижнего положения, срабатывает концевой выключатель П2 ^М2 замыкается, М'2 размыкается и реле Р2 обесточивается). Контакты K'PY размыкаются, вводится резистор Rx и контакты Кр2 закорачивают резистор Rv Одновременно контакты П2 включают реле Pv, контакты К'Р2 которого дополнительно разрывают цепь реле Р2, а контакты ГЦ блокируют М2, так что при перемещении движка вверх режим работы реле не нарушится.

Соотношение сопротивлений резисторов Rt—R4 выбирается таким образом, что конец шкалы на первом диапазоне соответствует 15 — 20 делениям на втором диапазоне, а начало второго диапазона соответствует 80 — 85 делениям первого диапазона.

В [4.7] предложен пирометр со следящей системой без скользящего контакта, содержащий ь качестве исполнительного элемента подогревный терморезистор, включенный в одно

ис 4.19 Структурная схема ОЭСИТ о стабилизацией уровня сигнала

гз плеч мостовой схемы с микроамперметром в диагонали, икала которого проградуирована по температуре.

Структурная схема пирометра приведена на рис. 4.18.

С помощью оптической системы, состоящей из объектива 1, юлупрозрачного зеркала 2, зеркала 3, кадровых окон 4 и 5, юток от объекта подается поочередно на приемники 6 и 7. Применяя приемники с различной спектральной чувствитель- зостью, можно получить напряжение, пропорциональное мощности лучистой энергии в той или иной области спектра. Потоки модулируются обтюратором 8. Очевидно, при использовании в обтюраторе фильтров возможно применение одного приемника.

На резисторе Rx выделяются импульсы, амплитуда которых пропорциональна потокам. После усиления узкополосным усилителем 9 напряжение сигнала подается на делитель, состоящий из резистора R4 и терморезистора R5. С помощью синхронно работающих с обтюратором 8 ключей Клх и Кл2 на детектор Dx подается напряжение с выхода усилителя, когда действует напряжение с меньшей амплитудой, и напряжение с терморезистора Rs, когда действует напряжение с большей амплитудой.

Разность напряжений после усиления усилителем 10 подается на подогрев терморезистора и уменьшает его сопротивление. Коэффициент усиления усилителя 10 выбран таким образом, что абсолютное значение напряжения на выходе усилителя 9 не оказывает влияния на сопротивление резистора R5. Таким образом, по сопротивлению резистора R5 можно определить отношение потоков, а следовательно, и цветовую температуру.

Величина температуры отсчитывается по разбалансу моста, состоящего из резисторов R2 — R5 и питаемого через дроссель от стабилитрона D2. Для правильной работы пирометра необходимо, чтобы напряжение на одном из приемников всегда было больше, чем на другом.

Для нормальной работы приемника излучения, поддержания усилителя и измерителя отношения в линейном режиме в ОЭСИТ спектрального отношения применяются различные автоматические системы регулирования потока или коэффициента усиления предварительного усилителя в одноканальных ОЭСИТ с помощью регулирующих устройств, работающих аналогично системам регулирования усиления в радиоустройствах. Однако эти системы усложняют конструкцию, понижают ее надежность. Схема устройства для уменьшения изменения

амплитуды сигналов по сложности часто не уступает схеме измерителя отношения' (например, ЦЭП-3).

Рассмотрим структурную схему ОЭСИТ (рис. 4.19), в которой применен способ поддержания сигналов на одном уровне [4.8], характеризующийся тем, что коэффициент пропускания редуцирующего устройства 2 изменяют пропорционально положению указателя температуры 4. При этом с увеличением показания указателя температуры (вследствие увеличения температуры измеряемого объекта) изменяется коэффициент пропускания редуцирующего устройства с помощью блока 5, увеличивается оптическая плотность нейтрального поглотителя или коэффициент деления делителя и т. д. (см. рис. 4.22). Остальные элементы схемы (1—датчик; 3— измеритель отношения; 4—указывающий прибор) — обычные для приборов подобного типа. Подбором необходимой зависимости изменения коэффициента пропускания (с помощью редуцирующего устройства, оптической плотности поглотителя, коэффициента усиления усилителя и т. д.) достигают такого положения, когда абсолютный уровень сигнала по всему тракту пирометра остается постоянным. Изменением абсолютных уровней сигналов за счет изменения спектрального коэффициента излучения можно пренебречь, так как обычно это изменение не влияет на работу приемника, усилителя и измерителя отношения.

Связь указателя температуры с регулирующим устройством может быть как механической, так и электрической (например, с помощью сельсина).

Применение такого способа позволяет: упростить пирометр, так как исключается следящая система (усилитель, мотор, сравнивающее устройство), повысить надежность (упрощение пирометра также повышает и надежность) и быстродействие.

Время установления показания ОЭСИТ, в которой используется вспомогательная система регулирования, будет всегда больше времени установления схемы измерения отношения т15 так как точное измерение отношения возможно только после того, как вспомогательной системой абсолютный уровень потоков (или усиления) установится на определенном уровне (через время т2).

Если учесть, что т^т^ а часто т2>т1 (см., например, ЦЭП-3), то влияние т2 будет значительно.

При использовании предлагаемого способа отсутствует вспомогательная система регулирования, т. е. т2 = 0, а следовательно, время установления пирометра определяется только tv

ОЭСИТ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛОВ

В ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ

Рассмотрим несколько вариантов ОЭСИТ, в которых благодаря применению преобразования отношения потоков в изменение фазы совмещены элементы модуляции и измерения.

Цифровая ОЭСИТ спектрального отношения (рис. 4.20). В датчике поток измеряемого тела преобразуется в электрическое синусоидальное напряжение с частотой со, фаза которого изменяется с температурой объекта [4.9].

Поток от измеряемого объекта с помощью оптической системы, содержащей линзу 1 и полупрозрачное зеркало 3, разделяется на два потока. Светофильтр 2 ограничивает спектральный состав каждого потока областями АХ, и АХ2. С помощью обтюратора 4 и кадровых окон 5 каждый из потоков модулируется по синусоидальному закону, причем один из них сдвинут по фазе относительно другого на 9.

Одновременно в датчике с помощью системы, состоящей из лампы б, линз 7 и 8 и приемника излучения 9, генерируется вспомогательное напряжение с частотой /м.

После усиления предварительными усилителями 11 и 12 напряжение с приемника 10 и вспомогательное напряжение с приемника 9 подаются на усилительно-преобразовательное устройство, причем напряжение с усилителя 12 подается непосредственно на усилительно-преобразовательное устройство 14 (УПУ), а с усилителя 11— через регулирующее фазосдвигающее устройство 13, которым устанавливается необходимый сдвиг фаз между сигнальным и вспомогательным напряжениями.

На выходе УПУ формируются импульсы с периодом следования 2л/со и длительностью т, пропорциональной разности фаз между сигнальным и вспомогательным напряжениями.

Прямоугольные импульсы поступают на схему совпадения 15, которая пропускает за время действия импульса синусо-

Рис. 4.20. Цифровая ОЭСИТ с фазовым преобразованием

Рис. 4.21. Быстродействующая многоканальная ОЭСИТ с фазовым преобразованием

идальное напряжение с частотой /э от эталонного генератора 16 на электрический счетчик 17, который считает количество периодов, прошедшее за время т: и = /(т).

Быстродействующая многоканальная автоматическая ОЭСИТ. На рис. 4.21 приведена схема многоканального пирометра [4.10], позволяющего с большой скоростью осуществить запись на пленку показаний температуры нескольких датчиков (до 20). ОЭСИТ состоит из датчиков (7— объектив, 2—светоделительное устройство, 3, 6—светофильтры, 4,7— кадровые окна, 5—обтюратор, 8—приемник излучения), регулируемых фазосдвигающих устройств 9, маркирующих устройств 10, усилительно-преобразовательных устройств 11, стробоскопического устройства 12—14, кассеты с фотопленкой и протягивающим механизмом 15,

Датчики пирометров работают аналогично описанным. Напряжения с датчиков после прохождения через регулируемые фазосдвигающие цепочки 9 и маркирующее устройство 10 поступают на усилительно-преобразовательное устройство 11, где формируется остроконечный импульс в момент прохождения синусоидального напряжения через нулевое значение.

Импульсы после усиления импульсным усилителем 72, общим для всех каналов, подаются на точечную импульсную 92

Рис. 4.22. Переносная ОЭСИТ

лампу 13, которая зажигается на время действия импульса. С помощью оптики 14 и зеркала 16 светящийся элемент лампы проектируется на фоточувствительную пленку. Положение светового пятна на пленке зависит от угла поворота зеркала. Зеркало приводится во вращение от электродвигателя 17.

Пленка во время измерения перематывается с кассет. Таким образом, на пленке образуется ряд кривых, положение которых будет пропорционально цветовой температуре каждого из измеряемых объектов.

Регулируемое фазосдвигающее устройство устанавливает начальный сдвиг фазы на выходе каждого датчика (устанавливается начальное положение записи на пленке).

Маркирующее устройство закорачивает на очень короткий промежуток времени поочередно выход каждого из датчиков, что позволяет расшифровать запись на пленке.

Положение кривой на пленке определяется выражением х = /(Т) = 7^ф, где ф— угол, определяемый отношением у; L—минимальное расстояние зеркала от пленки.

Переносная ОЭСИТ спектрального отношения. Измерение отношения потоков с переносной ОЭСИТ на рис. 4.22 осуществляется стробоскопическим методом [4.11]. Результирующий поток после прохождения оптической системы I — 3 преобразуется в синусоидальное напряжение приемником излучения 4. Это напряжение усиливается, ограничивается и дифференцируется усилительно-преобразовательным устройством 5.

Остроконечные импульсы, временное положение которых зависит от фазы ф синусоидального напряжения на приемнике излучения, подаются на неоновую лампу 6, выполненную в виде кольцевой трубки.

Трубка устанавливается под прозрачной шкалой 7. Диск 8, имеющий узкую радиальную щель, приводится во вращение тем же электродвигателем 9, что и - обтюратор 3; диск установлен между трубкой и шкалой. Таким образом, во время действия импульса на шкалу проектируется узкий луч от лампы.

93

Рис. 4.23. Датчик цветовой температуры с радиоканалом

Благодаря стробоскопическому эффекту положение светового зайчика на шкале кажется неподвижным. Угловое положение светового индикатора на шкале 7 зависит от фазы синусоидального напряжения на приемнике излучения:

А<р = —— AV,п

где Аф — изменение положения светового пятна на шкале;

— изменение фазы напряжения на приемнике излучения; / частота синусоидального напряжения на приемнике излучения; п — частота вращения диска, об/мин.

Таким образом, увеличивая дробь ^f!n в кратное число раз, можно получить изменение Аф значительно большее, чем АТ.

Переносный пирометр позволяет осуществить одновременно с визуальным наблюдением запись и выдачу во внешнюю цепь тока, пропорционального температуре.

С этой целью с другой стороны лампы 6 устанавливаются второй диск с прорезью и потенциометр с фотоэлектрическим контактом.

Таким образом,

гДе ^макс — максимальное сопротивление потенциометра; Кх— сопротивление части потенциометра между его началом и контактом.

Датчик цветовой температуры (рис. 4.23). Рассмотрим работу предложенного в [4.12] датчика цветовой температуры, совмещенного с приемником излучения, модулятором и радиопередатчиком, обеспечивающим передачу температуры по радиоканалу.

Датчик содержит объектив 1, фокусирующий поток от объекта на приемник излучения 2, который изменяет свою емкость пропорционально мощности падающего потока. Приемником излучения может, например, служить фоточувстви- 94

тельный конденсатор или фотодиод. Приемник излучения является элементом контура передатчика 3. Датчик снабжен обтюратором 4 со светофильтрами 5 и 6. Девиация частоты передатчика пропорциональна мощности излучения, падающего на приемник излучения 2. В приемнике 7 сигнал с передатчика 3 усиливается и подается на частотный детектор 8, на выходе которого выделяются импульсы, с амплитудой, пропорциональной мощности излучения, падающего на приемник излучения 2. Для вычисления отношения импульсов используются обычные измерительные схемы.

Оценим возможности пирометров спектрального отношения (ПСО).

Цифровой ПСО. При разработке системы управления возникает необходимость в цифровом варианте ПСО, основанном на применении быстродействующей цифровой вычислительной машины. В настоящее время возможно построение цифровых пирометров на базе обычного пирометра и цифрового преобразователя отношения. Однако такое решение сложно.

Значительно проще пирометр, представленный на рис. 4.20: здесь не нужен усилитель с высокой линейностью, не нужна система АРУ; быстродействие такого пирометра определяется частотой обтюрации и может быть доведено до 0,01 с.

Если при применении вычислительной машины возникает необходимость в цифровом ПСО при низком уровне сигнала на приемнике излучения, необходимо использовать цифровой пирометр с накоплением сигнала.

Быстродействующий многоканальный пирометр спектрального отношения. В ряде областей новой техники требуется вести одновременную запись температуры различных участков объекта или нескольких объектов при большой скорости изменения температуры. В качестве примера можно указать на определение распределения температуры по слитку, определение распределения температуры в различного рода металлургических печах, определение температурного поля объекта при скоростном нагреве.

Быстродействущий многоканальный пирометр спектрального отношения фиксирует (записывает) температуру объекта. Запись производится дискретно, через каждые 1// с. Таким образом, при / = 500 Гц температура записывается через каждые 2 мс. Время единичной записи, меньшее 0,001 с, будет определяться шириной импульса, поступающего на импульсную лампу, и инерционностью лампы. Оно может быть уменьшено до нескольких микросекунд. Следовательно, предлагаемый многоканальный автоматический пирометр позволяет практически безынерционно (0,02 с) вести одновременно запись температуры нескольких объектов (до 20). Ни один из известных пирометров не обладает таким быстродействием при записи показаний.

Регистрирующее устройство пирометра по конструктивному оформлению аналогично конструкции осциллографа с записью на пленку. Следовательно, по габаритным размерам предлагаемый пирометр меньше, чем любой из существующих, использующих для записи осциллограф (если это только возможно). К тому же следует заметить, что вместо трех электродвигателей в регистрирующем устройстве может быть применен один с соответствующими редукторами.

Применение регулируемых фазовращателей позволяет свести операции согласования работы нескольких датчиков к операции, аналогичной юстировке вибраторов в обычном осциллографе.

Многоканальный автоматический пирометр проще, чем существующие пирометры, обладающие к тому же значительно большей инерционностью (0,5 — 5 с) и позволяющие регистрировать температуру только одного объекта.

Переносный пирометр спектрального отношения. Необходимость такого пирометра в заводской практике очевидна.

Переносный пирометр спектрального отношения позволит осуществить оперативный экспресс-контроль температуры непосредственно оператором.

Конструкция датчика переносного ПСО может быть взята за основу при разработке серии ПСО (переносный, цифровой, многоканальный и общепромышленного применения).

Датчик цветовой температуры. В ряде технологических процессов необходимо измерять температуру объектов в малодоступных, а также движущихся местах. Примером может служить измерение температуры металла в ковше при разливе.

Относительно большие расстояния, на которые перемещается ковш, исключают применение выносного датчика, соединенного кабелем с основным прибором. Очевидным решением является передача температуры по радиотракту. Для этого необходимо над ковшом установить пирометр с передатчиком. Однако такой вариант не может быть использован в заводских условиях из-за большой громоздкости, большой массы, необходимости подведения питающего кабеля, малой надежности (устройство состоит из нескольких сложных приборов).

В заводских условиях затруднен или практически невозможен доступ к подобным установкам для замены в процессе работы отдельных элементов. Поэтому несмотря на технологическую необходимость измерения температуры в ковше установки подобного рода из-за малой надежности не нашли применения.

Для измерения цветовой температуры можно рекомендовать датчик на рис. 4.23. Малая мощность потребления датчика (генератор может быть выполнен на одном-двух полупроводниковых приборах) позволяет использовать для питания кремниевую батарею, воспринимающую энергию потока излучения от объекта, т. е. от ковша, температура которого измеряется. 96

Высокая надежность (из-за простоты схемы и отсутствия химических источников тока) позволяет использовать датчик в течение длительного времени без замены отдельных элементов. Установив датчики на всех работающих в цеху ковшах (частоты разнесены), можно измерить температуру в нескольких ковшах с помощью одной стендовой установки.

ОЭСИТ ПРИ НИЗКОМ ОТНОШЕНИИ СИГНАЛ/ШУМ

НА ПРИЕМНИКЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

При измерении низких температур сигнал на приемнике становится соизмеримым с шумами приемника излучения и усилителя. Это затрудняет разделение сигналов и точное измерение их отношения.

Использование одноканальной схемы ОЭСИТ с предварительным преобразованием потоков в трапецеидальные импульсы, амплитуда которых пропорциональна потокам, требует применения усилителей с достаточно широкой полосой, что ухудшает отношение сигнал/шум, а следовательно, и увеличивает ошибку при измерении отношения известными методами, так как погрешность в изменении отношения амплитуд двух трапецеидальных импульсов в конечном счете зависит от отношения сигнал/шум на измерителе о [ношения.

Применение поочередного синхронного детектирования каждого из логометрируемых импульсов позволяет разделить и выделить из шума сигнал, пропорциональный амплитудам этих импульсов. Устройство для поочередного синхронного детектирования каждого из импульсов приведено на рис. 4.24.

Ключ Кх в момент времени t подключает фильтр RXCX к выходу усилителя / на время &1 = ЬхчхТх (УхЛ—продолжи- [ельность первого импульса С] по вершине, Ь^\\ В остальную часть периода фильтр отключен.

Ключ К2 подключает к усилителю фильтр R2C2 на время h2l2Tl-

Напряжение на конденсаторах Сх и С2 равно

Рис 4 24 Схема устройства для выделения и разделения импульсов при большом' уровне помех

где 8Lil =где 8Lil =У-^ш! X уи2КС1»У-^ш! X уи2КС1»у^ш2 . ^2 ^С20у^ш2 . ^2 ^С20

где 8Lil =

где 8Lil =

У-^ш! X уи2КС1»

У-^ш! X уи2КС1»

у^ш2 . ^2 ^С20

у^ш2 . ^2 ^С20

Рис 4 25 Отношение сигнал/шум при использовании синхронного детектирования

Номер кривой12345678

у20,10,10,10,20,20,20,30,3

а0.51,02,00,51,02,00,51,0

Uci VC10 ^1 И ^C2 = VC20^2’ где

vcio=>' 1b(1“Yi-81)-(y2 + 82)];

vC2o = [1-J'(Yi + 8i)-(Y2 + 82)].

Следовательно, отношение напряжений у0 = UCi0IUC20 равно

(4.22)(4.22)у 0 = аЬл М^2-82Нт2+82)]

(4.22)

(4.22)

[1-т(й72-81)-(у2+82 )]’

где a=^J^2; b3 = bjb2.

Таким образом, отношение напряжений на конденсаторах определяется отношением измеряемых импульсов.

При поочередном синхронном детектировании каждого импульса погрешность определения у состоит из погрешности измерения отношения у, определяемой несовершенством измерителя отношения (эта составляющая может быть сведена к нулю выбором параметров схемы), и погрешности за счет влияния шума бг

Максимальное значение погрешности равно

8у —8ui + 8i/2,

v — определенным образом заданное спектральное распределение шума (см. гл. 3); Кш1 и Кш2—коэффициенты передачи по шуму, определяемые по (3.8) или (3.9). Формулы позволяют выбрать постоянную времени синхронных детекторов таким образом, чтобы 8у не превышала величины, сказывающейся на точности определения температуры.

На рис. 4.25 приведена зависимость 5у: — S=/(yy),

гдегдеUi

где

где

^.,1 । ^ш2

^сю Кс10

Из кривых следует, что оптимальным является значение у = 0,2 при изменении у от 0,5 до 2,0.

Рассмотрим несколько схем ОЭСИТ, в которых используется синхронное разделение и выделение сигнала из шума.

В ОЭСИТ на рис. 4.26, а вычисление отношения напряжений на конденсаторах Cv, С2 осуществляется с помощью специального устройства, формирующею прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна отношению, с последующим измерением длительности обычной измерительной схемой [4.20].

Формирование импульсов, ширина которых пропорциональна отношению, производится следующим образом: ключом К3 конденсатор С3 подключается через резистор R3 к конденсатору С], при этом конденсатор С3 заряжается напряжением UC3. При переключении С2 на R4 конденсатор С3 разряжается до нуля. Напряжение на конденсаторе С3 определяется выражением и’=исз expf-^\

Одновременно ключом К4 конденсатор С4 подключается к конденсатору С2 и заряжается через резистор R6 напряжением UC4. Разряд конденсатора С4 происходит через резистор Rs. Напряжение на резисторе R6

U" = UC4 1-ехр(-^ .

Сравнивающее устройство СУ формирует импульс в момент, когда напряжение U'=U". Триггер Т запускается импульсом с резистора R^ а импульсом с СУ через время t, определяемое у, перебрасывается в исходное положение.

Измерительная схема ИС имеет два выхода — цифровой и аналоговый. Для формирования выходного сигнала в цифровой форме прямоугольные импульсы поступают на схему совпадения, пропускающую за время действия импульса синусоидальное напряжение от эталонного генератора на электронный счетчик, который считает число импульсов, прошедшее за

99

время t. Для формирования выходного сигнала в аналоговой форме прямоугольные импульсы поступают на ограничитель средний ток на выходе которого определяется выражением ’

I^RC^Vy(423)

Постоянная времени RC и период Т определяются из соотношений

где гмакс — максимальное отношение напряжений на конденсаторах; ZMaKC— постоянные времени разряда конденсаторов; А— коэффициент запаса, А = 1,1 -?1,2.

На рис. 4.26,6 приведена схема пирометра, в котором измерение отношения осуществляется с помощью реохорда и следящей системы. Импульсы напряжения и собственный шум фотодиодов с выхода датчика через делители R3, R4 и Rs, R6, Rp поступают на синхронные детекторы через ключи Kt и К2. Один синхронный детектор подключен к делителю R3, R4, а другой — к движку реохорда. Работа синхродетекторов синхронизирована таким образом, что когда действует импульс большой амплитуды, ключ Кх закорачивается, при импульсе меньшей амплитуды закорачивается ключ К2. На выходе синхронных детекторов имеются интегрирующие ЛС-цепи: RXCX и R2C2.

Таким образом, при постоянных R3, R4 и R5, R6 напряжение на интегрирующем конденсаторе первого синхродетектора пропорционально амплитуде импульсов, а на интегрирующем конденсаторе второго синхродетектора — амплитуде импульсов и положению движка. Напряжение с интегрирующих конденсаторов подается на сравнивающее устройство СУ. При неравенстве напряжений на конденсаторах Сх и С2 на выходе СУ появляется переменное напряжение рассогласования, амплитуда которого пропорциональна разности, а фаза зависит от знака разности и будет меняться на 180° при переходе от UX>U2 к их<и2.

Полученное на СУ напряжение рассогласования А17 усиливается усилителем у2. Усилитель управляет вращением электродвигателя М2, причем направление вращения меняется с изменением фазы.

Электродвигатель через редуктор перемещает движок реохорда до исчезновения напряжения рассогласования, тогда

а = (1+т) —(1+ш+п)^-уУо 1,

где q = R2]Rx, m = R4]Rp, или

а =(4.24)

'' ''9+1 »Ь3 Ег(1 —ау2—8,)—(т2+82)]

Из (4.24) следует, что, меняя величины ni, п, q, а и Ь3 в широких пределах, можно менять характер зависимости а = /(7), 101

ОС 0,8 0,6

а)а)0,2 0

а)

а)

ос 0,8 0,6 03 0,2 0

7i=0.2.

72=0,3,

т= 1,

п=0

2

71 =0,2,

72=0,3,

т=0.

п=1

7i=0,2,

72 = 0,3,

т= 1,

п=1

4

7, =0,3,

72=0,2,

т= 1,

п = 0

7i =0,3,

72 = 0,2,

w = 0,

И=1

6

7, =0,3,

72 = 0,2,

т = 1,

и = 1

Рис 4 27 Зависимость выходного сигнала от параметров схем

б)

1у,=у2 = о,22у,=у2 = о,5

3У, =0,2. 72=0,34у,=о,3, 72 = 0,2

что может быть использовано как для корректировки шкал, так и для электрического переключения (m, п, q\

На рис. 4.27, а приведена зависимость а (у) для различных значений т, п, q.

Рассмотрим применение синхронного детектирования при вычислении отношения с применением логарифмирующего преобразователя (рис. 4.26, в). Переключатель К3 поочередно подключает цепочку R3C3 к конденсаторам Cv и С2. Постоянная времени цепи R3C3 принята такой, чтобы на резисторе R3 выделялись остроконечные импульсы, амплитуда которых пропорциональна напряжению на конденсаторах С3 и С2. Эти импульсы подаются на логарифмирующее усилительно-преобразовательное устройство, вычисляющее отношение

а = Ып —.

U 2

Подставляя значение UVjU^, получаем

-(4.25)-(4.25)a = ^ In ^-^-М-Ь+Мl-jtYi+M-frz+Sz)

-(4.25)

-(4.25)

На рис. 4.27,6 приведены зависимости а=/(у) для различных значений у.

На рис. 4.26, г показана схема пирометра с предварительным преобразованием отношения импульсов в фазу электрического сигнала.

Предварительно усиленное напряжение с приемников 7 и 2 через регулируемые фазосдвигающие устройства 3 подается на фазовый детектор 4, на выходе которого напряжение равно нулю, если напряжения на его входах сдвинуто на ф = 90.

Если ф ^90°, то на выходе фазового детектора появляется напряжение рассогласования, которое после усиления подается на электродвигатель 5. Электродвигатель через редуктор перестраивает фазосдвигающее устройство 3 так, чтобы ф = 90°. Таким образом, положение регулируемого органа фазосдвигающего устройства пропорционально цветовой температуре объекта. Второе фазосдвигающее устройство служит для установки необходимого начального сдвига фаз.

Рассмотрим применение в качестве регулируемого фазосдвигающего устройства моста из RC. Как известно, фазовый сдвиг такой цепочки при R1 = R2

2a)C(jR3 + jR4)Ф = arctg—-2—Y & \-to2C^R3 + R4y

и коэффициент передачи к = Свых / UBX = 0,5.

Следовательно,

7? =—tg7? =—tg0,5 arcctg0,5 arcctgУхУ„+со80(ух+Ун)(Ун-Tx) sm 6

7? =—tg

7? =—tg

0,5 arcctg

0,5 arcctg

Возможность использования того или иного варианта ОЭСИТ для измерения низких температур зависит от двух факторов:

от коэффициента использования потока кп, проходящего через оптическую систему;

от помехоустойчивости измерительной системы.

Из рассмотренных схем ОЭСИТ спектрального отношения максимальным коэффициентом использования потока обладают схемы с преобразованием потоков в следующие друг за другом импульсы. Так как размеры входного окна фотодиода малы (0 2—3 мм), то кадровые окна можно не устанавливать. Следовательно, в таких схемах kn = 1.

В схемах с преобразованием изменения отношения потоков в изменение фазы общий поток необходимо разделить на два потока и использовать кадровые окна. При этом коэффициент использования потока будет £п % 0,25 — 0,4.

Наилучшей помехоустойчивостью обладают варианты ОЭСИТ, в которых используется синхронное детектирование, так как они позволяют исключить влияние помехи и получить эквивалентную полосу частот (по шуму) сколь угодно малой. Полоса частот ограничивается только быстродействием пирометра.

В ОЭСИТ с преобразованием отношения в коэффициент модуляции основными факторами, ограничивающими уменьшение полосы частот, являются нестабильность частоты модуляции и нестабильность элементов схемы, определяющих избирательность усилителя. Это не позволяет получить помехоустойчивость, соизмеримую с помехоустойчивостью ОЭСИТ с синхронным детектированием. Все остальные варианты ОЭСИТ требуют значительно большей полосы частот для получения неискаженной передачи сигнала, необходимого для нормальной работы измерителя отношений.

Наиболее простым способом электрическая корректировка шкал и их переключение осуществляются в ОЭСИТ, основанных на использовании для измерения отношения следящей системы и реохорда. В остальных схемах требуется добавление переключателя, изменение и усложнение схемы. В пирометрах со следящей системой с определением отношения потоков по положению движка реохорда функции регистрирующего, указывающего и записывающего устройств могут быть совмещены, что повышает надежность пирометров. В остальных схемах для этих целей необходимы различные приборы.

При разработке ОЭСИТ со следящей системой и реохордом могут быть использованы отдельные узлы (двигатель, реохорд, усилитель, механизмы указателя и регулятора и др.) серийных приборов типов КСП и др., а также узлы разработанных ПСО («Цветопир», ЦЭПИР, ЦЭП-3, «Спектропир», «Веселка»), ОЭСИТ спектрального отношения со следящей системой могут быть основой для датчиков регуляторов спектрального отношения. Недостатками схемы ОЭСИТ со следящей системой и с цветным клином являются ограниченный выбор фильтров, пропускающих один поток и ослабляющих другой, сложность датчика (в датчике — измерительная схема, состоящая из двигателя, редуктора, цветного клина), необходимость использования вспомогательной следящей системы для передачи показания пирометра с датчика в систему управления.

С учетом того, что постоянная времени фотодиода мала, быстродействие ОЭСИТ будет определяться схемой измерителя отношения. В датчике регулятора быстродействие определяется только частотой модуляции и, очевидно, также может быть получено значение ~10—3 с и менее.

Следовательно, рациональным вариантом является ОЭСИТ со следящей системой и реохордом, так как ее применение 104

позволяет: использовать узлы разработанных и серийно выпускаемых приборов; на базе одного прибора осуществлять выпуск как пирометра, так и датчика регулятора; использовать синхронное разделение и выделение сигналов, что снижает нижний диапазон измерения; использовать уже разработанные базовые конструкции приборов или узлы от них.

Перспективным является использование ОЭСИТ, в которых отношение преобразуется в фазу с дальнейшим измерением фазы с помощью следящей системы и реохорда (являющегося составной частью фазовращателя).

4.6. ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОЭСИТ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ДВА УЧАСТКА СПЕКТРА

Структурная схема низкотемпературного пирометра спектрального отношения с диапазоном измерения 300—500° С [4.17] приведена на рис. 4.28, а. Поток от измеряемого тела фокусируется на приемник излучения Пх объективом О (серийный объектив типа «Юпитер»),

Показатель визирования оптической системы 1:20.

В качестве приемника излучения применен германиевый фотодиод, работающий в фотодиодном режиме ([/=0,5 В). Поток прерывается обтюратором с фильтрами, пропускающими тот или иной участок спектра. На приемник излучения падают поочередно два потока, обладающие различным спектральным распределением энергии Фди и ФДХ2- Эти потоки

преобразуются фотодиодом в импульсы напряжения, амплитуда которых пропорциональна потокам Ux и U2.

В пирометре используются светофильтры СЗС-18 + НС-11 и НС-12+ ФС-7. Для устранения влияния отраженного света перед фотодиодом установлен светофильтр ИКС-3.

Импульсы напряжения и собственный шум фотодиодов усиливаются усилителем Ур

Одновременно с образованием основных импульсов с датчика ДС поступают синхронизирующие импульсы, продолжительность которых равна или меньше продолжительности импульсов, получаемых с фотодиода Пх.

Длительность импульсов на фотодиодах Пх и П2 изменяется с помощью специальных заслонок. Импульсы, совпадающие по времени с рабочими импульсами, образовавшимися при попадании на фотодиод Пх потока Фди, поступают на синхронный детектор СДХ, а импульсы, совпадающие по времени с рабочими импульсами, образовавшимися при воздействии потока Фд)21—на синхронный детектор СД2.

Этими импульсами производится управление синхродетекторами. Одновременно на СД2 подается напряжение с делителя Rx, R2, а на СДХ—с движка реохорда Rp. Работа ключей синхронизирована синхронизатором С таким образом, что когда действует импульс, пропорциональный потоку Ф^, то подается синхронизирующий импульс на СДХ. При импульсе, пропорциональном потоку ФД)2, синхронизирующий импульс подается на СД2.

Таким образом, напряжение на выходе СД2 пропорционально амплитуде импульсов и отношению Rx fR2, а на выходе СДХ пропорционально амплитуде импульсов и положению движка реохорда. Характер зависимости а=/(у) рассмотрен в §4.1.

Подбором соответствующих постоянных времени фильтров можно добиться такого положения, что действующее напряжение от шума на выходе СД будет во много раз меньше, чем напряжение от рабочих импульсов.

Напряжения с выходов СДХ и СД2 подаются на сравнивающее устройство СУ. Если напряжения на входах СУ равны друг другу, то напряжение на выходе СУ равно нулю. При неравенстве этих напряжений на выходе сравнивающего устройства появляется переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна разности, а фаза зависит от знака разности.

Полученное на сравнивающем устройстве напряжение рассогласования усиливается усилителем У2 и подается на усилитель мощности У3, который управляет вращением электродвигателя М2, причем направление вращения меняется с изменением фазы. Электродвигатель через редуктор перемещает движок реохорда до исчезновения напряжения рассогласования. Таким образом, положение движка определяется цветовой температурой. 106

Рис. 4.29 Структурная схема низкотемпературного датчика-регулятора

Редуктор Р жестко связан с указывающей стрелкой, записывающим устройством и задатчиком 3, выдающим сигнал при работе пирометра в системе регулирования температуры. При этом для увеличения быстродействия на выход задатчика подается напряжение рассогласования с усилителя У2 (после преобразования преобразователем Пр).

При изменении температуры объекта одновременно с изменением отношения потоков в двух участках спектра происходит значительно большее изменение абсолютных значений потоков, а следовательно, и амплитуды напряжений на фотодиоде. Для того чтобы усилитель работал в линейном режиме, имеется система автоматического регулирования усиления’(АРУ). Использование жесткой механической или электрической связи ( усилителя с элементом, регулирующим усиление, позволяет избавиться от усилителя в цепи АРУ.

Индикатор И обеспечивает установление указателя на нуль при сигнале, меньшем допустимого, а также позволяет контролировать уровень сигнала. Индикатор обеспечивает при недопустимо малых сигналах (или при отсутствии сигнала) перемещение указателя в крайнее левое положение и при недопустимо больших сигналах — включение световой сигнализации сигнала.

На рис. 4.28,6 изображена схема ОЭСИТ с электрическим переключением шкал.

На рис. 4.29 приведена структурная схема датчика регулятора, разработанная на базе низкотемпературного пирометра.

Отличие датчика регулятора от ОЭСИТ заключается в замене реохорда плавным Rx и ступенчатым R2— R6 делителями (задатчиком), в замене схемы АРУ делителем R2— R12, жестко связанным с задатчиком, и во введении (вместо двигателя, регистрирующего и указывающего органов) выходного каскада, формирующего выходной сигнал при появлении

рассогласования.

Рис. 4.30. Структурная схема пирометра без синхронного детектирования

Большая гибкость схемы измерителя отношения следящей системой позволяет легко корректировать шкалу в процессе эксплуатации, а также при замене германиевого фотодиода и фильтров.

Для измерения более высоких температур наиболее рациональной является схема, аналогичная описанной, но без синхронного детектора [4.6].

Структурная схема такого пирометра приведена на рис. 4.30. Пирометр состоит из датчика и усилительно-преобразовательного устройства. В датчике установлен обтюратор со светофильтрами С\ и С2, вращаемый электродвигателем Mv Поток фокусируется оптической системой О на фотодиоде П. Усилитель Yv повышает уровень сигнала, что уменьшает влияние наводки на соединительный кабель.

Усилительно-преобразовательное устройство состоит из усилителя У2, делителя на выходе R'^, R^, блока реохорда БР, включающего реохорд Rp, резисторы R,—R5, переключатель шкал в варианте с электрическим переключением шкал (или реохорд Rs и резисторы Rt— R4 в варианте без переключателя шкал), усилители У2 и У3, электродвигатель М2 с редуктором Р, указатель и систему записи, задатчик 3, преобразователь Пр и индикатор И. Индикатор позволяет контролировать уровень сигнала по прибору и включает световую сигнализацию при превышении уровня выше максимально допустимого. Потенциометром R у сигнал может быть установлен в необходимых пределах. Для установки стрелки указателя на нуль при отсутствии сигнала или при недостаточном сигнале индикатор подает на усилитель У3 переменное напряжение с такой фазой, при которой стрелка указателя перемещается в крайнее левое положение.

В пирометре предусмотрены как электрическая корректировка шкалы, так и электрическое переключение шкал.

108

I

Рис. 4.31. Структурная схема датчика-регулятора

На базе пирометра был разработан датчик регулятора, формирующий сигнал при отклонении температур от заданной.

Структурная схема датчика-регулятора приведена на рис. 4.31. Она аналогична схеме пирометра: вместо блока реохорда установлены плавный Rx и ступенчатый Л2— R6 задатчики отношения, а на выходе усилителя вместо электродвигателя включены два реле (блок /7).

Предварительно задатчиками устанавливается необходимое отношение импульсов Uv / U2 (а следовательно, и необходимое значение температуры). Если импульсы на входе усилителя У2 не равны, то в зависимости от того, какой импульс больше, срабатывает одно из реле. Контакты реле используются в системе автоматического регулирования. С выхода усилителя снимается также сигнал, пропорциональный разности заданной и действительной температур объекта. Для регулирования температуры по программе изменение положения задатчика осуществляется от программирующего устройства.

Рассмотрим кратко два варианта пирометров серии «ЦвеТо- пир», выполненных (так же, как и описанный пирометр) по схеме измерения отношения с помощью следящей системы и реохорда.

Автоматический цветовой пирометр «Цветопир-1» состоит из трех блоков: датчика ГЦА-1. блока питания БП-02, регистрирующего и указывающего прибора ЭПП-94 с позиционным регулирующим устройством. Фотоэлемент пирометра термостатирован. В электрическую схему терморегулятора входят измерительный мост и усилитель постоянного тока с выходом на реле, через контакты которого подается питание на нагревательную обмотку термостата фотоэлемента.

Пирометр снабжен диафрагмами, предназначенными для автоматического регулирования яркости падающего на фотоэле-

109

мент светового потока. Время полного установления показания при внезапном облучении датчика — не более 6 с.

Автоматический цветовой пирометр «Цветопир-2» не имеет автоматической диафрагмы. Схема его упрощена. Быстродействие прибора — до 1 с. Вторичный преобразователь пирометра является одновременно показывающим прибором. При необходимости записи показаний к прибору может быть подключен любой стандартный автоматический самопищущий прибор — мост или потенциометр. Прибор разработан в двух вариантах: общепромышленном и для исследовательских целей. Общепромышленный прибор градуируется на любой поддиапазон протяженностью 300—400° С в интервале температур от 1300 до 2800 °C. Благодаря измерительной схеме (обеспечивающей корректировку градуировочной характеристики в широких пределах) прибор градуируется непосредственно в градусах. Многодиапазонный вариант прибора, предназначенного для исследовательских целей, имеет четыре поддиапазона, охватывающих интервал температур 1400—2800 С. В основу его положена схема электрического переключения диапазона.

«Цветопир-2» состоит из двух блоков: датчика — первичного преобразователя ППЦ — и вторичного преобразователя ПВЦ.

В многодиапазонном варианте прибора для всех поддиапазонов используются одни и те же светофильтры, а переключение поддиапазонов производится электрическим путем с одновременным изменением уровня сигнала в датчике. Отсутствие системы автоматической регулировки яркости, исключение феррорезо- нансного стабилизатора напряжения и широкое использование полупроводниковых элементов уменьшают габариты конструкции.

В пирометрах спектрального отношения серии «Спектропир» [4.19] для формирования сигналов используются два приемника излучения. Пирометры основаны на принципе следящего уравновешивания сигналов, пропорциональных излучению объекта в двух спектральных интервалах, и конструктивно состоят из трех блоков: датчика, блока термостатирования и сброса показаний и автоматического показывающего и записывающего логометра КСЛ2.

Датчики пирометров отличаются простотой конструкции, отсутствием движущихся деталей и не требуют никаких регулировок в процессе измерения. Сигналы приемников излучения с выхода датчика поступают на измерительную схему логометра. Автоматическая регулировка усиления обеспечивает устойчивую и надежную работу пирометров в широком диапазоне температур и при изменении яркости объекта (диапазон измерения их охватывает практически всю область температур линейных процессов). При недопустимо малой яркости объекта или нарушении визирования датчика специальное устройство осуществляет сброс показаний и включение сигнальной лампы «Яркость мала».

ПО

Единая для всех пирометров (за исключением пирометра «Спектропир-5») система термостатирования поддерживает постоянную температуру в термостате для приемников излучения, что вместе с водяным охлаждением обеспечивает независимость показаний пирометров от окружающей температуры в диапазоне 5—50 °C.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-3»: диапазон измерения 1200—1800 °C, погрешность ±1%, показатель визирования 1/70, порог чувствительности 4 °C, время установления показаний 2,5 с.

Для процессов, которые характеризуются чрезвычайно быстрым изменением температуры (до нескольких сотен градусов в секунду), предназначен пирометр «Спектропир-2»— быстродействующий пирометр-регулятор цветовой температуры. Этот пирометр может измерять и регистрировать температуру со временем пробега всей шкалы 1 с, а также давать сигналы для системы регулирования или сигнализировать о достижении заданного уровня температуры с быстродействием порядка 0,01 с. Кроме того, у пирометра «Спектропир-2» хорошая помехозащищенность; его рабочий диапазон температур 1300—1700 °C.

В отличие от пирометра «Спектропир-3», в котором приемники излучения работают при непрерывном облучении, в датчике пирометра «Спектропир-2» световой поток модулируется модулятором-генератором камертонного типа с частотой порядка 400 Гц. Комплект пирометра состоит из датчика, блока регулятора цветовой температуры и логометра КСЛ2.

Разработан ряд модификаций пирометра «Спектропир-2», различающихся между собой оптической системой датчика (линзовая, светопроводная) и измерительной схемой.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-2»: диапазон измерения 1300—1700° С, погрешность ±1%, показатель визирования 1/100, порог чувствительности 2° С, быстродействие при измерении 1 с, при регулировании 0,01 с.

Пирометр спектрального отношения «Спектропир-1» является одним из первых отечественных пирометров для измерения низких температур малых объектов с излучательной способностью, изменяющейся в широких пределах. Он может быть использован для измерения температуры катодов электровакуумных приборов, капель расплавов различных материалов и пр.

Действие пирометра основано на принципе стабилизации полного потока излучения по спектральной яркости. Конструктивно (в зависимости от комплектности) пирометр может состоять из датчика и стандартного прибора для измерения напряжения (комплект «Спектропир-1-01») или из датчика, измерительного преобразователя и любого регистрирующего прибора с пределом измерения 0—100 мВ (комплект «Спектропир-1 -02»).

Датчик пирометра «Спектропир-1» содержит два приемника излучения, один из которых термостатирован и работает в измерительном режиме, а другой работает в нулевом режиме, являясь одним из звеньев следящей системы. Это позволило исключить влияние нестабильности характеристик приемников и упростить конструкцию датчика. В датчике применена оригинальная оптико-механическая система.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-1»: диапазон измерения 600—1100° С, погрешность ±1%, показатель визирования 1/100, порог чувствительности—не более 4 С, время установления показаний 3 с.

Объективный переносный пирометр спектрального отношения «Спектропир-5-01» предназначен для оперативного измерения температуры расплавленных металлов и может быть рекомендован для использования в сталеплавильных и литейных цехах широкого профиля для измерения температуры струи жидкого металла в процессе разливки. По принципу действия он аналогичен пирометру «Спектропир-1».

Электрический сигнал с одного фотоэлемента через схему контроля светового потока и температуры стабилизации поступает на прибор — индикатор уровня яркости, указатель которого в процессе измерения температуры поддерживается на контрольной риске. Сигнал, поступающий со второго фотоэлемента на измерительный прибор со специальным фиксатором положения указателя, однозначно определяет цветовую температуру.

Индикатор имеет прозрачную шкалу и установлен таким образом, чтобы шкала и стрелка были четко видны в окуляр на фоне светящегося объекта.

Предусмотрена возможность периодической проверки опорного напряжения. Для этого переключатель ставится в пбложе- ние «Контроль», положение указателя измерительного прибора на контрольной риске красного цвета проверяется.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-5»: диапазон измерения 1400—1900° С, погрешность ±1%, показатель визирования 1/33, порог чувствительности 7° С.

Все рассмотренные модификации пирометров типа «Спек- тропир» разработаны как базовые конструкции для ряда пирометров цветовой температуры (переносных и автоматических). Путем различных сочетаний модулей можно получить разные по своим техническим характеристикам приборы.

Все пирометры выполнены по двухканальной схеме—с двумя одинаковыми или разными приемниками излучения. Применение двух приемников упрощает конструкцию датчиков, исключает необходимость установки в них электродвигателей и вращающихся обтюраторов со светофильтрами, повышает динамические свойства пирометров.

112

Модификация пирометраэ

Зиапазон изме- яемых температур, с

Эффективные длины волн, мкмг

Показа- С ель визирования

)снов- ная

пог- реш- дость,

%

быстродействие, с

«Спектропир-4» «Спектропир-6»

«Спектропир-7»

1200-1700 900—1300

1200—1800 1600—2200 500—800 700—1000

0,85; 1,47

0,85: 0,98

0,85; 0,98

0,85; 0,98

1,5; 1,7

1,5; 1,7

1:100 1:25

1:50

1.100 1:50 1:50

1,0

4,0

2,5; 10,0

2,5; 10,0

2,5; 10,0

2,5

2,5

«Спектропир-8»

300—500

400—700

500—800

700- 1000 900—1400

1,5; 1,7 0,99; 1,6 0,99; 1,6 0,99; 1,6 0,99; 1,6

1:25 1:50 1:100 1:100 1:100

0,5; 10,0

«Спектропир-9»

300 - 500 400—700

- 700- 1000 800—1200

—

1:25

1:50

1:50

1:50

1,0

0,25—0,5

«Спектропир-10>

300- 500

500 - 700 600—1000

1,5; 1,7 0,92; 1,62 0,92; 1,62

1:25

1:25

1:50

1,5

0.05

900—1300

1200—2000

0,92; 1,62

0,87; 1,55

1:200

1:200

1800—2200

2000—2800

2200—3000

0,87; 1,55

0,82; 1,6

0.82; 1,5

1:500

1,0

Разделение светового потока во всех пирометрах осуществляется эффективными светоделительными устройствами с высоким КПД—интерференционными светофильтрами. Применение таких фильтров существенно повышает возможности пирометров в отношении чувствительности, уменьшения показателей визирования и снижения диапазона измеряемых температур.

Блочно-модульное построение конструкции, схемы электронных узлов, полностью изготовленные на полупроводниках, единый объектив, ахроматизированный в рабочей области спектра,— все это характерно для всех описанных пирометров. Во всех пирометрах применены печатные шкалы в градусах Цельсия и имеются схемы коррекции показаний в широких пределах. Такие узлы, модули и целые блоки, как визирная система, усилитель системы термостатирования, модуляторы, автоматический логометр КСЛ2 и т.д., не только могут 113

Таблица 4.2. Некоторые характеристики пирометров фирмы Chino (Япония)

Тип пирометра

Диапазон измеряемых температур, °C

Эффективные длины волн, мкМ

Гнп используемого приемника излучения

Основная погрешность

Быстродействие, с

200—3500 (12 диапазонов)

2,15; 2,4 2,05; 2,35 1,75; 2,35

j. PbS

1% (в диапазонах

200—700 °C)

1,0

IRQ

0,85; 1,0

0,5; 0,58

Si Фотоумножитель

0,5% (в диапазоне 1500—

2000° С) 2% (в диапазоне 2000—3500° С)

IR-QF

(со светопроводной оптикой)

700—1500

800—1600

0,85; 1,0

Si

0,5

1,0

IR-AQ

(с цифровым отсчетом)

400—3100

—

Si

Ge

—

применяться в дальнейших модификациях пирометров, но и имеют самостоятельное значение.

В табл. 4.1 приведены характеристики некоторых типов пирометров «Спектропир» [4.20; 4.21]. В 7—10-й модификациях прибора типа «Спектропир» вместо электромеханического лого- метра используется электронный.

Из зарубежных пирометров такого класса следует указать на пирометр «Колопир», выпущенный в ГДР. Для разделения потоков на две чае: и в пирометре использован раздваивающийся гибкий светопровод.

В пирометре фирмы Siemens (ФРГ) [3.1] разделение потоков происходит с помощью интерференционного фильтра.

В табл. 4.2 приведены характеристики пирометров спектрального отношения фирмы Chino [3.14].

Наиболее типичным пирометром с логарифмическими преобразователями является ЦЭП-3 [3.1]. Структурная схема пирометра приведена на рис. 4.32.

Принцип работы такого пирометра заключается в следующем. Световой поток от объекта измерения через оптическую систему 1 и светофильтры диска 3 поступает на приемник 2. Диск вращается с постоянной частотой при помощи электродвигателя 4. После усиления предусилителем 5 импуль сы с приемника поступают на вход усилителя б с автоматичес- 114

Рис. 4.32. Структурная схема пирометра ЦЭП-3

кой регулировкой усиления и затем на амплитудный детектор 7, формирующий импульсы экспоненциальной формы.

Для осуществления логарифмирования экспоненциальные импульсы подаются на амплитудный ограничитель 8, в результате чего получаются прямоугольные импульсы равной амплитуды с длительностью т = у41п(71 и т2 = Д1п£72.

С помощью переключателя 9 синхронно с обтюратором прямоугольные импульсы, соответствующие двум спектральным яркостям, подаются в противофазе на фильтр 15.

Постоянная составляющая тока на выходе 1ср определяется разностью импульсов и измеряется стандартным электронным потенцибметром типа ЭПП-09:

/^(In^-ln 1/2) = Л1п^.

Автоматическое регулирование яркости осуществляется специальной электронной системой, управляющей электродвигателем, на оси редуктора которого укреплен диск-ослабитель светового потока. Принцип регулирования яркости заключается в следующем: импульсы напряжения, пропорциональные спектральным яркостям излучения, сравниваются посредством модулятора 14 с эталонным напряжением, которое соответствует нормальному уровню яркости. Если излучаемые яркости превышают требуемый уровень, на выходе модулятора появляется напряжение, фаза и амплитуда которого соответствуют изменению яркости по сравнению с нормальным уровнем. После усиления усилителем 13 это напряжение поступает на исполнительный двигатель 12 и редуктор 11, приводящий диск-ослабитель потока излучения 10 в нужное положение.

Ручное регулирование яркости осуществляется путем ручного ввода диска-ослабителя потока излучения.

Пирометр позволяет измерять и регистрировать цветовую температуру в диапазоне 1400—2800° С, число поддиапазонов— три — пять, предельная инструментальная погрешность +1 % верхнего предела используемого поддиапазона.

При использовании в ЦЭП-3 более рациональных режимов логарифмирующего счетно-решающего устройства и при применении в качестве приемника излучения германиевого фотодиода 115

<2>—1

Рис. 4.33. Структурная схема пирометра с электрическим переключением диапазонов

(в вентильном режиме) удалось снизить нижний диапазон измерения до 600—650 °C, а при использовании фотодиода с внешним напряжением или фототриодов—до 450—500° С.

Аналогично выполнены пирометры типов ЦЭПИР, ЦЭП- ЗМ, ПИРСО, ПИРЭД.

По оригинальной схеме выполнен пирометр, показанный на рис. 4.33 [3.1 ] . Поток, испускаемый источником, температуру которого необходимо измерить, проходит через оптику I на светофильтр, установленный на диске 3, вращаемом электродвигателем 4, и воздействует на фотоумножитель 2. На диске 3 на равных расстояниях друг от друга расположены восемь светофильтров.

В течение полного оборота диска каждый из восьми светофильтров проходит переД фотоумножителем 2. Сигналы фотоумножителя Uv — U4 пропорциональны потокам с эффективными длинами волн Х^ Х4 и подаются на электронный усилитель 6, затем на логарифмический преобразователь 7 и на усилитель 8. Амплитуды выходных сигналов усилителя Ui, U/2, U'3, U'4. соответственно пропорциональны логарифмам амплитуд сигналов Uv U2, U3 и U4. Сигналы U\, U3 соответствуют одному пределу измерения цветовой температуры, а сигналы U'2 и U4 — другому. Для разделения эти сигналы подают на два электронных ключа 9а и 96.

На той же оси, что и диск 3, укреплены генераторы 10а и Юб. Вход блока формирования 12 с помощью ключа 11 подключается или к генератору 10а, или к 706. Блок формирования 12 при его подключении ключом 11 к генератору 10а формирует сигналы dv d^ отпирающие коммутаторы 9 а и 96 так, что пропускаются сигналы U\ и 17'3. Разделенные таким способом сигналы U \ и U '3 вводятся в «память» (построенную на конденсаторах Сх и С2). Постоянные напряжения с конденсаторов Cv и С2 подаются через каскады согласования 13а и 136 к электронному потенциометру 5, который регистрирует их разность. Резисторы Rv— R4 позволяют регулировать диапазон измерения прибора.

Когда на блок формирования 12 подаются сигналы с генератора 706, он пропускает сигналы П2, U4 и соответственно в памяти удерживаются сигналы U 2 и U4. Таким образом, простое переключение ключа 77 позволяет перейти от одного предела измерения цветовой температуры к другому, т. е. от одной градуировочной кривой к другой, без остановки вращения обтюратора.

Цветовой пирометр ЦЭПИР [4.22] состоит из датчика, блока электроники и вторичного прибора — автоматического потенциометра. Оптическую систему датчика составляют конструктивно объединенные в одном блоке объектив, призма-куб, окуляр, полевая диафрагма, визирное устройство и установленный перед фотоэлементом дополнительный объектив, состоящий из двух плосковыпуклых линз.

Основная часть светового потока от объекта, попадая на призму-куб, отражается диагональной гранью и образует изображение излучателя в плоскости полевой диафрагмы. Лучи, пропущенные диагональной гранью, создают такое же по величине изображение в визирном устройстве.

Оптическая система обеспечивает надежную работу с малыми углами визирования (1/50 при температуре 1400° С, 1/150 или 1/250 при температуре свыше 1800° С).

Характерной особенностью цветового пирометра ЦЭПИР-010 является устройство переключения диапазонов, обеспечивающее возможность применения пирометра для контроля термических процессов с непрерывным изменением температуры в широких пределах.

В приборе установлен специальный многодиапазонный обтюратор с тремя парами светофильтров, соответствующих трем диапазонам измерения. Переключение диапазонов без вскрытия датчика и замены обтюратора не требует последующей наладки прибора, обеспечивает непрерывный контроль температуры в широком диапазоне (1400—2800° С).

Цветовой пирометр ЦЭПИР разработан в двух модификациях: ЦЭПИР-010, работающий в видимой части спектра 117

Таблица 4.3. Основные характеристики пирометров типа «Веселка»

Модификация пирометра

Диапазон измеряемых температур, ’ С

Эффективные ДЛИНЫ волн, мкм

Показатель визирования

Основная погрешность, %

Быстродействие, с

«Веселка-4»

1300 - 1800 16002200 2000 — 2800

0,44; 0,68

1:25

1:50 г.юо

1

0,05

«Веселка-5»

500 — 800

700 - 1100 900—1400

1.25; 1,65

1:25

1.50

1:100

1,5

1,0

1,0

2,5/0,1

«Веселка-6»

200 — 500

300 700

2,65; 3,05

1:15

1:25

2,0

2,0

2,5/0,1

2,5/0,1

(диапазон 1400 — 2800° С), и ЦЭПИР-021, использующий инфракрасную область (диапазон 700—1400° С). Основная инструментальная погрешность приборов ЦЭПИР не превышает ±1%, порог чувствительности — 0,25% верхнего значения используемого диапазона, показатель визирования — от 1/50 до 1/250.

Логарифмическое широтно-импульсное преобразование для измерения отношения сигналов, пропорциональных потокам излучения в двух участках спектра, использовано и в пирометрах типа «Веселка», характеристики которых приведены в табл.4.3 [3.12; 3.13].

ГЛАВА 5

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

ОЭСИТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ УЧАСТКОВ СПЕКТРА

По мере усложнения алгоритма обработки сигналов, пропорциональных собственному излучению объекта, увеличивается возможность уменьшения погрешности измерения температуры от изменения излучательной способности объекта.

Так, при использовании отношения потоков в двух участках спектра действительная температура объекта может быть определена при условии, что значение fit^ — const. Использование более сложных алгоритмов обработки сигналов, пропорциональных собственному излучению объекта, позволяет в некоторых случаях измерять действительную температуру объекта и при £1/£2=const.

попоустройство 5,устройство 5,8Тя1=^ = -8е1;8Тя1=^ = -8е1;?>Тг2 = ^ = ^2,Т п2?>Тг2 = ^ = ^2,Т п2

по

по

устройство 5,

устройство 5,

8Тя1=^ = -8е1;

8Тя1=^ = -8е1;

?>Тг2 = ^ = ^2,Т п2

?>Тг2 = ^ = ^2,Т п2

Рис. 5.1. Структурная схема ОЭСИТ с ко] параметру излучения объекта [(щф2)(7’я1-Тя2

Наиболее простым решением является структурная схема ОЭСИТ, приведенная на рис. 5.1, где используются два приемника излучения.

Сигналы с двух приемников излучения 7 и 2 поступают на линеаризующие устройства 3 и 4, обеспечивающие линейное изменение сигналов Ux и U2 с изменением температуры, причем коэффициенты усиления устройств выбираются так, чтобы выполнялось соотношение Uxj U2 — nx/п2, т. е. напряжение Ux было в пх{п2 раз больше напряжения U2. Оба напряжения подаются на выполняющее следующую операцию: (Ux — U2)l{nljn2 — 1). Напряжение на выходе устройства 5 измеряется прибором б. Коэффициенты б, пх и п2 характеризуют рост сигналов на приемниках (см. гл. I).

Работает ОЭСИТ следующим образом. Если ТяХ и Тя2 — значения температур, измеренных по сигналам Ux и U2, то

можно записать

Тя1 = Т-АТя1; Тя2 = Т-АТя2,где Т—действительная температура объекта; АТя1 и АГя2—разности между Т и ТЯ1 и Тя2, существующие из-за отличия отединицы соответствующих излучательных способностей объекта.

Учитывая, что при аппроксимации выражением (1.11)

и полагая ба^без, получим

щТя1=и2Тя2.

Так как Тя1-Тя2 = АТя2-АТя1, то после некоторых преобразований получим

АТя1^Тя1-Тя2)Д-1\

Следовательно, можно записать

(5.1)(5.1)Т= Тя1 + ДГЯ1 =(ГЯ1 - Гя2)А- 1 ) = -

(5.1)

(5.1)

Практически [5.1] была реализована ОЭСИТ, в которой использовались датчик с кремниевым фотодиодом (н^МЗ) и датчик с термобатареей, у которого с учетом оптической системы п2 = 5.

Следует отметить, что отношение п{1п2 не имеет решающего значения, так как даже большая ошибка в поправке 119

Рис. 5.2. Структурная схема двухканального ОЭСИТ

Рис. 5 3. Структурная схема блока обработки сигналов'

Г, Г' —нормирующие узлы с коэффициентами передачи К'х и К", 2—суммирующий узел 3—нормирующий узел с коэффициентом передачи К2

составит лишь малую долю измеряемой температуры. Например, если погрешность канала измерения яркостной температуры с использованием термобатареи составляет 50° С, тогда, исходя из коэффициента и1/и2 = 3, в показания канала с кремниевым приемником излучения следует ввести коррекцию, равную 16,7° С. При и1/и2 = 2,3 коррекция составила бы 21,7° С, т. е. на 5° С больше. Поэтому в ОЭСИТ отношение пг[пг было принято равным трем, а затем по экспериментальным данным вводилась допдднительная подстройка.

Во втором варианте ОЭСИТ применялось светоделительное устройство, благодаря которому была создана единая оптическая система для обоих приемников. Визирование ОЭСИТ на какую-либо определенную точку полосы автоматически влечет за собой визирование на ту же точку обоих приемников.

На рис. 5.2 приведена структурная схема ОЭСИТ с использованием двух широких участков спектра, в которой действительная температура определяется по предварительно определенным в двух каналах цветовой и яркостной температурам.

ОЭСИТ содержит датчик 7, формирующий два электрических сигнала, пропорциональных соответствующим потокам; канал измерения цветовой температуры 2 с линеаризующим устройством; канал измерения яркостной температуры 3 также с линеаризующим устройством и блока обработки сигналов 4, структурная схема которого приведена на рис. 5.3.

Возможны два режима работы блока обработки: 1) а = = &'i (ТЯ + &'2ТЦ) и 2) а = ^1 (ТЦ+&2ТЯ), где для первого режима k't = T\v ky = \, &'2 = (1 — nj/rh; для второго режима &1 = т|2> ^i = L ^2 = (1-П2)/П2; пРи этом г|1=(Тц-Т)/(Гц-Тя); р2 = = (Т-ТЯ)/(ТЦ-ТЯ).

В первом режиме выходной сигнал пропорционален а = = Тц—г)! (Тц—Тя), а во втором режиме он пропорционален а = = Тя4-Ч2\тц-Тя\

Возможность использования этих схем ОЭСИТ определяется только при наличии однозначной связи Тц—ТЯ=/(ТЦ—Т) или ТЦ—ТЯ=ДТ—ТЯУ В частности, такая связь разности между действительной температурой и температурой, измеренной пирометром суммарного излучения, пирометром частичного 120

Рис. 5.4. Погрешность различных типов ОЭСИТ при измерении температуры стальной ванны с различным содержанием кремния и с различным характером поверхности.

j— пирометр суммарного излучения, 2— пирометр частичного излучения с селеновым фотоэлементом. 3 — пирометр спектрального отношения типа «Биоптикс», А — поверхность ванны чистая, Б—образование все увеличивающихся участков с окисной пленкой Б' — участки пленки малых размеров, Б” — участки пленки больших размеров. В— поверхность ванны полностью покрыта пленкой

излучения с селеновым фотоэлементом и пирометром спектрального отношения (для стальной ванны), исследована в [5.2]. При измерении изменялись процентное содержание кремния в расплаве и характер поверхности ванны (неокисленная, част ично окисленная и полностью окисленная).

Результаты приведены на рис. 5.4, откуда следует, что в рассматриваемых условиях измерение действительной температуры стальной ванны ОЭСИТ (рис. 5.2) весьма эффективно. Эффективность такой ОЭСИТ в [5.3] показана и при измерении температуры алюминиевой полосы как при чистой поверхности, так и при поверхности, покрытой специальным составом.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ ПИРОМЕТРИИ

При использовании одного спектрального участка действительная температура определяется только при условии 8 = const. При использовании двух участков спектра для определения действительной температуры объекта требуется априорная информация о независимости излучательной способности от ДЛИНЫ ВОЛНЫ (8^82 = const).

Естественно, возникает вопрос, является ли зависимость 8t = const или е1/82 = const единственным видом функции 8 =/(/.), когда можно исключить методическую погрешность ОЭСИТ, и

121

не появляются ли другие виды таких функций при увеличении числа спектральных участков измерения (т. е. при переходе к многоцветовой пирометрии).

При использовании двойного отношения потоков энергии в четырех ограниченных различными фильтрами участках спектра температуру определяют согласно выражению

В частном случае, если в первом и втором отношениях используется один общий участок спектра, возможно получение двойного спектрального отношения и при использовании трех участков спектра, т. е.

Фх1 . ФиФ^Фи _"3 Фи Фхз Фи

Отдельные попытки ответить на вопрос о целесообразности многоспектральной пирометрии в ряде работ [5.4—5.8] в лучшем случае сводились к некоторым частным выводам. Достаточно полный и убедительный ответ на этот вопрос дали работы [5.9, 5.10], из которых следует, что при использовании т участков спектра методическая погрешность исключается, если изменение излучательной способности определяется зависимостью Е=/(Хт"2).

Методическая и инструментальная погрешности ОЭСИТ, использующих четыре и три участка спектра, определяются выражениями

. ei64,

In /

§(4) е263= (”1 + ”4> ~ (”2 + ”з > / 8164 ‘

^ 81 s4 Х3Х4(Х, —Х2) —Х1Х2(Х4 —Х3) С2У 6263

f.2e3XtX2X3X4Т

8!31- 6. xa^’fux

। £1Бз Лз 1^2 £2XtX2X3т

g(4) ^1Х2Х3Х4Т g 8^2.

Х3Х4(Х2 —Xt)—Х1Х2(Х4 —Х3) С2(и,(^2 + ^3)

2(3)XiX2X3^22

8« = ГЪ—iVi И—П К ^з = —5“ 8у 3

Х3(Х2 Xt) Х1(Х3 Х2)С2^1+^з 2л2

соответственно. В этих формулах 8j3, 6г4—погрешности измерения соответствующих отношений.

Из рассмотрения приведенных выше выражений следует, что

,-., X. Х2 Х3Х4 Х3(Х2— X,)—X, (Х3 — Х2)

при приближении отношении —: ——4 и—-———к

Х4— Х3 Х-? — X,XiXiXq

Рис. 5 5. Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании четырех участков спектраРис. 5 5. Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании четырех участков спектраРис. 5 6 Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании трех участков спектраРис. 5 6 Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании трех участков спектра

Рис. 5 5. Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании четырех участков спектра

Рис. 5 5. Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании четырех участков спектра

Рис. 5 6 Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании трех участков спектра

Рис. 5 6 Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при использовании трех участков спектра

единице погрешность ОЭСИТ двойного спектрального отношения быстро возрастает.

Число сочетаний длин волн, при которых происходит резкое увеличение погрешности, возрастает еще больше при использовании пяти и более участков спектра, что делает нерациональной разработку ОЭСИТ, основанных на измерении температуры по отношению потоков излучения более чем в четырех областях спектра [5.11, 5.12], или же необходимо использовать сочетание двух и более каналов двойного спектрального отношения [5.13—5.15] с дальнейшей обработкой сигналов. Примером такого решения является [5.14] шестиспектральная ОЭСИТ, содержащая два канала, каждый из которых включает систему измерения двойного спектрального отношения по излучению в трех участках спектра. Все шесть узких участков спектра лежат в диапазоне 0,7—1,8 мкм.

Однако сравнительные испытания шестиспектральной ОЭСИТ и ОЭСИТ спектрального отношения на ряде материалов (латунь, нержавеющая сталь, чугун и т. д.) как при их нагреве, так и при охлаждении в диапазоне 820—920° С [5.14, 5.16, 5.17] показали, что методические погрешности обоих типов для испытанных материалов различаются незначительно.

Следовательно, для ответа на вопрос о целесообразности использования многоспектральной ОЭСИТ в том или ином процессе требуется проведение предварительных исследований в реальных условиях.

Структурная схема ОЭСИТ двойного спектрального отношения [5.18] при использовании четырех участков спектра представлена на рис. 5.5. В датчике 1 формируются сигналы, пропорциональные потокам излучения. После блока логарифмирования 2 получаются электрические сигналы, пропорциональные логарифмам сигналов датчика: Л, = 1п{7(. Ключами 3 сигналы Ах и А3 посылаются на первый, а сигналы А2 и А4—на второй вход блока вычисления разности 4, вследствие чего на показывающий прибор 5 поступает сигнал, пропорциональный логарифму двойного отношения потоков излучения в четырех участках спектра.

Рис. 5.7. Структурная схема шее гиспектральной ОЭСИТ:

1, 3, 4 линзы. 2—прерыватель, 5—фильтры. 6—приемники излучения, 7—предварительные усилители, 8 — каналы двойного спектрального отношения, 9 микропроцессор, 10 — таймер, /1 —дви! атель

Структурная схема трехцветного ОЭСИТ двойного спектрального отношения приведена на рис. 5.6. В датчике 1 формируется серия импульсов, амплитуды которых пропорциональны потокам излучения в трех достаточно узких участках спектра. Эти импульсы после логарифмирования в блоке 2 синхронным переключателем 3 подаются на два входа блока вычисления разности 4 гак, что импульс Аг попадает на первый, а импульсы Av и А3 через делитель напряжения Rv R2— на второй вход. Таким образом, на показывающий прибор 5 поступает сигнал, который зависит от двойного отношения потоков излучения в трех различных участках спектра.

На рис. 5.7 приведена в качестве примера реализация шестиспектрального пирометра с микропроцессорной обработкой сигналов.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ОТНОШЕНИЮ ВОЗВЕДЕННЫХ В ОПРЕДЕЛЕННУЮ СТЕПЕНЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим четыре метода [5.19] измерения температуры по излучению в двух или четырех участках спектра, обеспечивающих также измерение действительной температуры при других видах зависимости е=/(Х). При измерении первым методом величину, пропорциональную потоку в коротковолновой об- 124

ласти спектра, возводят в степень (1 —Ру), а величину, пропорциональную потоку в длинноволновой области спектра,— в степень (1—у); температуру определяют по отношению возведенных в соответствующие степени величин, т. е.

*4/^4 y тп1-п2 ”e2W d4\d^)*4/^4 y тп1-п2 ”e2W d4\d^)

*4/^4 y тп1-п2 ”e2W d4\d^)

*4/^4 y тп1-п2 ”e2W d4\d^)

где D^Q^5; D2 = Q2X25; D3 = qv; D4 = q2; p = X1/X2 при аппроксимации формулой Вина; Р = и2/и1 при аппроксимации степенной зависимостью.

При измерении вторым методом величину, пропорциональную потоку в коротковолновой области спектра, возводят в степень (1+Ру), а величину, пропорциональную потоку в длинноволновой области спектра,— в степень (у); температуру определяют по отношению возведенных в соответствующие степени величин:

(5-3)(5-3)

(5-3)

(5-3)

Третий и четвертый методы расширяют возможности использования излучения в четырех участках спектра.

Сущность третьего метода заключается в том, что величину, пропорциональную отношению потоков с меньшим значением Л (или большим N), возводят в степень (1 —Ру), а величину, пропорциональную отношению потоков с большим значением Л (или с меньшим N),— в степень (1—у). Температуру определяют по отношению возведенных в соответствующие степени величин:

е1е4/е3е|\т Р5 / °ь\ е2е3\е4е?У D6\Dl)е1е4/е3е|\т Р5 / °ь\ е2е3\е4е?У D6\Dl)expexp-|(ЛГ1-Л21)-|(ЛГ1-Л21)

е1е4/е3е|\т Р5 / °ь\ е2е3\е4е?У D6\Dl)

е1е4/е3е|\т Р5 / °ь\ е2е3\е4е?У D6\Dl)

exp

exp

-|(ЛГ1-Л21)

-|(ЛГ1-Л21)

(5.4)(5.4)EjE»/E3s| \т Z)7 /Dg Y J^i-^2 e2e3\e4e?/ Dg\D^ )

(5.4)

(5.4)

где Ds^/O-W ^(бзЖИМ^)'5; D^qjq,; D% = q3!q4\ Р = Л1/Л2 при аппроксимации формулой Вина; р = ^/^ при аппроксимации степенной зависимостью.

При измерении четвертым методом величину, пропорциональную отношению потоков с меньшим значением Л (или с большим N\ возводят в степень (1 + Ру). а величину, пропорциональную отношению потоков с большим значением Л (или с

125

меньшим N\— в степень (у). Температуру определяют по отношению возведенных в соответствующие степени величин:

4 e2\s4£|/ Z>6\Z>U Р4 e2\s4£|/ Z>6\Z>U РС2Л^С2Л^

4 e2\s4£|/ Z>6\Z>U Р

4 e2\s4£|/ Z>6\Z>U Р

С2

Л^

С2

Л^

J'SJ'S(5.5)(5.5)£1 / £2£? у S7 / Оg у

J'S

J'S

(5.5)

(5.5)

E2\E4EV ^A^V

Погрешность за счет изменения е при определении температуры рассмотренными методами определяют по следующим формулам:

для первого метода

(5.6)(5.6)

(5.6)

(5.6)

для второго метода

, Ге1Е4Г Е3ЕПЧ1п < - у, Ге1Е4Г Е3ЕПЧ1п < - у(5.7)(5.7)для третьего методадля третьего метода8ЗТ —8ЗТ —(e2e3LE4El J J(e2e3LE4El J JA2AtЛ2—AtA2AtЛ2—At£2Т£2Т

, Ге1Е4Г Е3ЕПЧ

1п < - у

, Ге1Е4Г Е3ЕПЧ

1п < - у

(5.7)

(5.7)

для третьего метода

для третьего метода

8ЗТ —

8ЗТ —

(e2e3LE4El J J

(e2e3LE4El J J

A2At

Л2—At

A2At

Л2—At

£2

Т

£2

Т

= \-N1"N= \-N1"N, /Е1Е4 Е3Е2V Е2Е3 _Е4Е1, /Е1Е4 Е3Е2V Е2Е3 _Е4Е1для четвертого методадля четвертого метода(5.9)(5.9)

= \-N1"N

= \-N1"N

, /Е1Е4 Е3Е2

V Е2Е3 _Е4Е1

, /Е1Е4 Е3Е2

V Е2Е3 _Е4Е1

для четвертого метода

для четвертого метода

(5.9)

(5.9)

(5.8)

Анализ (5.6)—(5.9) показывает, что для исключения методической погрешности необходимо выполнение соотношений: для первого метода

Рис. 5.8. Структурная схема для реализации новых методов измерения температуры реальных объектов для второго метода с \ 1 + 07 Е1-7<1-Р)=1;

7(1-0)7(1-0)Е2 / для третьего метода с р \ 1Ру ( р Ь1Ь4 \/ ь3

7(1-0)

7(1-0)

Е2Е3/\64

для четвертого метода /V + Pt/f \1-7<1-0)

/ I 1 — 1= 1

\ Е2Е3 /\ Е4 /

Следовательно, значения у и р (а при заданном Р— значение у) должны выбираться из следующих условий:

для первого метода

(1-у)/(1-ру) = 1п£1/1ПЕ2;

для второго метода

У/(1+Ру) = 1п£1/1пе2;

для третьего метода

У . 6, Е3- = 1п— /1п—;1-РТ е2 / Е4для четвертого метода

_1_ = 1П^/ In-.1 + Ру е2 / е4

ОЭСИТ СПЕКТРАЛЬНОГО И ДВОЙНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ

На рис. 5.8 приведена обобщенная схема для реализации рассмотренных выше методов в автоматических объективных устройствах. Функции отдельных блоков схемы рассмотрены ниже.

При реализации первого метода датчик 1 формирует сигналы, пропорциональные Ф^ и Фи\им и U^A, логарифмирующие устройства 2, 3 формируют сигналы In Cxi и 1пС)2; блоки 4, 5 используются для согласования с коэффициентом передачи соответственно 1—уР и 1—у. В частном слу- 127

Рис. 5.10. Изменение обобщенных излучательных характеристик при изменении излучательной способности в пределах, оговоренных рис. 5.9.

Такое поведение излучательной способности в общем виде является характерным для металлов. Крайние значения и характер изменения в промежуточных положениях постоянны для определенных групп материалов.

Погрешность в определении температуры классическими методами возникает за счет того, что неизвестно, какое состояние имеет измеряемая поверхность в момент измерения.

На рис. 5.10 приведены значения е при Xt (кривая 7), Ej/e2 при Х3 и Х2 (кривая 2) и е^з/е^ при Х^ Х2, Х3 и Х'2 (кривые 3, 4— два случая) в зависимости от изменения состояния поверхности (от 7 до 7 согласно рис. 5.9).

На рис. 5.11 приведено значение погрешности 5Т для пирометра частичного излучения при Х^О^мкм (кривая 7), пирометра спектрального отношения при Х1 = 0,5мкм и Х2 = = 1,0 мкм (кривая 2) и пирометра двойного спектрального

Рис. 5.11. Погрешность измерения температуры новыми методами 130

отношения для двух случаев: к3 = 0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм, Х3 = = 2,0 мкм (кривая 3) и Х1 = 0,5 мкм, Х2 —1,0 мкм, л.3 = 1,375 мкм (кривая V) при температуре 1500 К.

Как следует из уравнений (5.27)—(5.30), погрешность рассмотренных выше методов определяется соответственно следующими величинами:

Из этих выражений следует, что значение необходимо выбирать таким образом, чтобы

In^+yln62In^+yln62-»min;-»min;In —+ yln62In —+ yln62-»min-»min

In^+yln

62

In^+yln

62

-»min;

-»min;

In —+ yln

62

In —+ yln

62

-»min

-»min

во всех областях изменения е, соответствующих различным

состояниям поверхности.

Для принятых выше случаев (Х3=О,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 = = 2,0 мкм, Х'3= 1,375 мкм и Т=1500 К) и изменения е согласно рис. 5.9 значения Т минимальны соответственно при у =1,55, у = О,25, у = 0,32, у = О,835.

На рис. 5.10 приведены зависимости

(кривая 7); — е2(кривая 7); — е2(кривая 8), а на(кривая 8), а на(£i/s2)(e2/e?’5)0'25 (кривая 5)еДе?’5^^1,55 (кривая 6);

(кривая 7); — е2

(кривая 7); — е2

(кривая 8), а на

(кривая 8), а на

рис. 5.11 кривые 5—8 характеризуют погрешность четырех рассмотренных выше методов при изменении излучательной способности в пределах, указанных на рис. 5.9.

Для другого класса материалов возможны другие пределы

изменения е, а следовательно, значения у.

Из рассмотренных выше примеров следует, что описанные методы позволяют обеспечить резкое уменьшение погрешности путем несложной перестройки коэффициента передачи в отдельных элементах измерительной схемы.

Иногда возможен и другой характер окисления поверхности: на неокисленной поверхности, излучательная способность которой определяется прямой 1 (см. рис. 5.9), возникают окисленные участки, излучательная способность которых определяется, например, прямыми 5 и 7, причем соотношение площадей

Рис. 5.12. Изменение излучательной способности в двух участках спектра при относительном изменении отношения площадей поверхности поля визирования с различной излучательной способностью

неокисленной и окисленной поверхностей может меняться от О до 1. Тогда излучательная способность. еэХ такой поверхности определяется выражением

ЕэХ = ЕХм + ^(ЕХо — ЕХм)’ где еХм и еХо—излучательные способности соответственно чистой и окисленной поверхности металла; N—отношение площади неокисленного металла к площади окисленного.

Значения еэК1, еэХ2, еэХЗ, еэХ1/еэХ2, еэХ2/еэХЗ и еэХ1ехз/е2х2 при изменении е от 0 до 1 приведены на рис. 5.12.

Кривые 7—б характеризуют изменение указанных параметров при условии, если неокисленная и окисленная части поверхности определяются зависимостью е=/(Х), представленной на рис. 5.9 прямыми 7 и 5, а кривые 7—72 — прямыми 7 и 7.

Следует отметить, что зависимость между еэХ1 и еэХ2 постоянна и не зависит от величины N.

Действительно, уравнение связи между величинами еэХ1 и еэХ2, каждая из которых зависит от N, выглядит так:

оо \8Х10 — ЕХ1м । „

ЕэХ1 — \ЕэХ2 еХ2м/ “" Т ЬХ1М.

Чго ь2м

При использовании как классических, так и рассмотренных выше методов при измерении температуры поверхности, излучательная способность которой изменяется согласно рис. 5.9, погрешность измерения температуры определяется кривыми, аналогичными приведенным на рис. 5.10. Таким образом, и для подобных объектов измерения преимущества новых методов очевидны. При этом условия получения минимальной погрешности измерения температуры и методики определения параметров схемы остаются прежними.

В качестве примера рассмотрим применение первого метода для измерения температуры стальной ванны, поверхность которой изменяется от чистой неокисленной до полностью окисленной при использовании видимого участка спектра (Xt = 0,45 мкм; Х2 = 0,65 мкм).

На рис. 5.13, а приведена зависимость е=/(Х) для чистой (кривая 7) и окисленной (кривая 2) поверхностей стальной ванны. На рис. 5.13, б, в приведены зависимости е, и 1пе, (кривые 7), е2 и 1пе2 (кривые 2), £г1йг и ln(ei/e2) (кривые 3) для чистой и окисленной поверхностей ванны в поле визирования пирометра.

Значение погрешности классических пирометров (яркостных с Xt = 0,45 мкм или Х2 = 0,65 мкм и цветового при тех же длинах волн) приведено на рис. 5.13, г (кривые 7—3).

На рис. 5.13, г приведено также значение погрешности (кривая 4) при тех же условиях при использовании первого метода.

ОЭСИТ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРУ ПО ДВУМ

УСЛОВНЫМ ТЕМПЕРАТУРАМ

По двум значениям условных температур (Тя1 и Тя2, или Тя и Тц, или Гц1 и Тц2) также возможно определение действительной температуры при условии ех/const или е1/е2 = const [5.21].

Легко показать, что

где если температура определяется яркостным пирометром, то 7Ц=7Я, L = X, Е=е; если же температура определяется цветовым пирометром, то 7у = 7ц, L=A = k1k2/(k2 — kt) и £=е1/е2. При условии у11п£1 = у21п£2 разность обратных значений условных температур, уменьшенных соответственно в ^хСг]Ех и '1гСг]Ег раз, определяется только действительной температурой объекта.

Если же у11п£1#у21п£2, то погрешность определения действительной температуры по двум условным определяется выражением

g у—Yi In £\ — у21п £2(5 1

LYi In£i-Y2ln72j—у—7"

В общем случае 57=0, если VEiIE^xE^^i^x.

Следовательно, значения у( и у2 необходимо выбирать из условия

А = у1/у2 = 1п£2/1п£1

во всей области изменения излучательной способности объекта.

Выполнение последних двух равенств и является условием применимости данного метода для определения действительной температуры объекта.

Для устранения влияния изменения yt и у2 на градуировочную кривую необходимо также обеспечить условие

У2 = (^-2 — L^j^AL^ — 7J;

при этом (5.11) примет вид

gy_ уДп^-уДп^(5 12)

1 \^1ь2/

Возможности описанного выше метода рассмотрим на примере реальной металлической поверхности, излучательная способность которой изменяется аналогично рис. 5.9 и 5.12.

Хотя условия получения 5Т=0 (для случая изменения излучательной способности согласно рис. 5.9 и 5.12) и не выполняются при использовании рассмотренного выше метода, погрешность определения температуры может быть значительно уменьшена.

На рис. 5.14, а, б показана погрешность определения температуры по двум яркостным температурам (к, =0,5 мкм; к,= = 1мкм; Т1 = 1; у2 = 0,9; 7=1500 К).'

На рис. 5.14,в, г приведена погрешность определения температуры по яркостной (^=0,5 мкм) и цветовой (^=0,5 мкм и к2 = 1,0мкм) температурам при yt = l, у2 = 7, 7= 1500 К.

134

Рис. 5.14. Погрешность метода измерения температуры по условным температурам

На рис. 5.14,6, е приведена погрешность определения температуры по двум цветовым температурам (Х1 = 0,5мкм; Х2 = = 1,0 мкм и Х2 = 1,0мкм; Х3 = 2,0 мкм) при yt = l, у2=0,3, Т=1500 К.

На кривых рис. 5.14,6, г, е приведены значения погрешности при значениях излучательной способности окислительного металла, равных 0,7 (кривые 7) и 0,9 (кривые 2).

Такой метод может быть реализован как использованием ЭВМ, так и в виде автоматической ОЭСИТ, структурная схема которой аналогична схеме, приведенной на рис. 5.8.

В блоке 7 излучение от объекта преобразуется в электрические сигналы. В блоках 2, 3, основой которых являются логарифмические преобразователи, осуществляется вычисление Ту? и Туг1.

Блоки 4, 5 являются согласующими, в них происходит умножение выходных сигналов блоков 2 и 3 в ylC2jLl и у2С2/Т2 раз.

Разность этих сигналов вычисляется в блоке 6 и измеряется указывающим прибором 7.

ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ОБ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ

СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТА

Априорная информация об излучательной способности объекта может иметь двоякий характер: прямой, когда известны либо величина е, либо характер ее изменения, т. е. функция £=/(Х), и косвенный, когда определена разность между действительной и условной температурами объекта.

За последнее время появилось много работ (например, [5.6, 5.22—5.24]) по определению излучательной способности на основе собственного излучения объекта. Однако, как показано в [5.25], погрешность определения значения е велика и без априорного знания характера изменения излучательной способ- 135

ности [5.26] ни одна из описанных методик не может быть использована.

Метод введения поправки в показания ОЭСИТ для получения по его собственному излучению значений температуры объекта, более близких к его действительной температуре, чем условные температуры классических методов, основан на дополнительных преобразованиях потоков излучения или соответствующих им электрических сигналов. В результате таких преобразований получаются некоторые величины, не зависящие от температуры объекта, а зависящие от спектральной чувствительности пирометра и вида функции излучательных способностей объекта в его рабочих спектральных участках. Зависимость между такого рода величинами и поправками к измеряемым ОЭСИТ условным температурам объекта устанавливается опытным путем. Действительная температура объекта может быть получена лишь в том случае, если электрический сигнал, полученный в результате преобразования потоков излучения, однозначно связан со значением излучательной способности или отношением двух или более излучательных способностей объекта в рабочих спектральных участках [5.27].

Г. Рибо [5.28], а затем К. Тингвальд и Ф. Хоффман [5.29] предложили метод извлечения информации об излучательных характеристиках реального объекта из показаний цветовой и яркостной ОЭСИТ. Зная Тц и Тя, можно вычислить «цветную излучательную способность» объекта в рабочем спектральном участке [5.29]:

(5.13)

L2

Цветную излучательную способность можно также определить по двум яркостным температурам Тя1 и Тя2 при двух эффективных длинах волн kt и Х2:

(5.14)

Возможность использования величины ец для вычисления действительной температуры обусловлена ее физическим смыслом:

Ьх =&„Ьх. =Е16х •

Из соотношения (5.14) следует, что

= 1пЕц(515)

*

Уравнения (5.13) — (5.15) показывают, что, измерив Тц и Тя или ТЯ1 и Гя^, можно вычислить величину ец и по ней ввести поправку к Тц или Гя. 136

Как видно из (5.15), возможность введения поправки к Гц на «нечерноту» объекта связана с наличием однозначной связи между £ц, вычисляемой по значениям Гц и Гя или Гя1 и Тя2, и величиной ец/ех, используемой для вычисления поправки к Гц. Эта возможность существует тогда, когда ех = const или однозначно связана с ец.

Однако для реальных тел случай ех = const чрезвычайно редкий. Наиболее вероятен второй случай, в рамках которого возможно определение действительной температуры по уравнениям (5.14), (5.15). Такая возможность существует тогда, когда в используемом спектральном участке пирометров «Биоптикс» или «Триколор» форма зависимости ех=/(Х) неизменна при любом состоянии поверхности контролируемого объекта.

Для пирометров спектрального отношения, которые измеряют цветовую температуру реального тела Тй по отношению спектральных энергетических яркостей в двух эффективных длинах волн, поправка к цветовой температуре объекта является функцией отношения etle2.

Если одновременно с измерением цветовой температуры Тц существует возможность измерения яркостных температур ТЯ1 и Тя2, то аналогично методу Г. Рибо, К. Тингвальда и Ф. Хоффмана можно извлечь дополнительную информацию об излучательных характеристиках объекта.

Взяв два уравнения для яркостных температур Тя1 и Тя2 для двух эффективных длин волн Хх и Х2 и исключив значение действительной температуры Т, получим

Тя7-Тя7=^1пе2-^1пе1=--Цп|. (5.16)

(2 С2 1 2 Е22

Аналогично выводят соотношения между цветовой и яркостной температурами:

Т^-Т^ —А_1пф; (5.17)

(5.18)

Хг-Хх еу

Уравнения (5.16)—(5.18) дают одинаковую информацию об излучательных характеристиках объекта в виде величины т = = Е11 /Ег2 ^E-Je^1 E^i-^.

Сравнение уравнений (5.14) — (5.18) показывает, что цветовая температура Тц является лишь частным случаем цветовой температуры Гц, когда излучательные способности в обоих рабочих участках спектра равны и имеют значение ец. Тогда £xiy£22 = ь^ i—^2^, что ставит в полное соответствие уравнения (5.14), (5.15) и (5.16) —(5.18).

Извлекаемая из потока собственного излучения объекта информация в виде модуля т = б)1/б22 может быть использована для введения поправки к Тц или Тя для получения действительной температуры Т только в том случае, когда между величиной т, с одной стороны, и величиной е или б1/е2, с другой, существует однозначная связь. Тогда между поправкой к Т, или Тя контролируемого объекта и величиной m может быть определена эмпирическая зависимость, которая затем используется для введения поправки.

Представляется целесообразным подробно рассмотреть возможности введения поправки на основе использования величины АТ, 1 = Тя1 — Тя2.

Рассмотрим прежде всего возможность коррекции показаний энергетических ОЭСИТ. Речь пойдет о квазимонохроматических или близких к ним ОЭСИТ, так как только в этом случае применимо понятие эффективной длины волны как неизменной характеристики ОЭСИТ.

Поскольку уравнение (5.16) — с двумя неизвестными, определить величины е15 е2 или б1/е2 невозможно, следовательно, нельзя расчетным путем определить поправку АТ на действительную температуру объекта. Остается лишь возможность экспериментальным путем установить для каждого конкретного объекта и процесса, в котором объект участвует, связь АТ, 1 с АТ-1, с тем чтобы затем вводить поправку в показания пирометра либо расчетным путем по измеренной АТ, 7 либо автоматически.

Следует рассмотреть прежде всего требования, которые накладываются на величину АТ,1 для того, чтобы ее можно было использовать для введения поправки на показания пирометра. Будем считать, что поправка вводится к яркостной температуре ТяР В этом случае АТ"1 = Т"1 — Т,?-

Очевидно, что АТя^/^Т"1) должна быть монотонной функцией в строгом смысле, поскольку величина АГ,1 пропорциональна 1пб11/е22, а величина АТ"1 в данном случае пропорциональна In Bp То же требование монотонности справедливо и ДЛЯ функции 611/622=7(6!).

Таким образом, если для объекта известны изменения в течение процесса, то, анализируя функцию e7/E22=/(Ei)> можно оценить, допускает ли объект возможность температурной коррекции в этих спектральных участках.

Следует заметить, что условию монотонности этой функции отвечают самые различные виды функции е2 = ф(б1), которые могут иметь как монотонный, так и экстремальный характер. Например, для функции 6ii/e22 = tzei зависимость е2 = ф(е1) имеет монотонный, а для функции 6ii/e22 = = a^i — экстремальный характер. Поэтому пользоваться функ- 138

циями е2 = ф(е1) для оценки объекта вряд ли целесообразно.

Если же данных о характере изменения Et и е2 нет, то, как указывалось выше, необходимо экспериментально снять зависимость ДГ, ^/(ДГ-1), т. е. для того, чтобы оценить возможность коррекции показаний ОЭСИТ в данном процессе, необходимо предварительно в течение всего процесса измерять Т, Гя1 и Гя2 и затем рассчитать для каждого значения ДГ1 величину

Измерение двух яркостных температур ГЯ1 и Тя2 позволяет определить ДГ^1, а при наличии известной и пригодной зависимости NT, 1=/(ДТ-1) или Ej^M^/ta) можно определить ДГ и, следовательно, действительную температуру объекта расчетным путем.

Аналогичные требования должны быть выполнены и для зависимостей Гя 1 — Гц 1 и других для формирования поправки к показаниям цветового пирометра.

Теперь рассмотрим возможность формирования поправки, определяемой только е, с использованием дополнительного измерения отношения энергий в двух участках спектра.

Связь между излучением в четырех областях спектра и излучательной способностью выявляется при измерении разности обратных значений цветовых температур Гц/ и Гц"?:

^-^^--^In С2^-^^--^In С2Aj —Х1Х2/(Х2 Xt); Л2 —Х3Х4/(Х4 Х3).Aj —Х1Х2/(Х2 Xt); Л2 —Х3Х4/(Х4 Х3).(5.19)(5.19)

^-^^--^In С2

^-^^--^In С2

Aj —Х1Х2/(Х2 Xt); Л2 —Х3Х4/(Х4 Х3).

Aj —Х1Х2/(Х2 Xt); Л2 —Х3Х4/(Х4 Х3).

(5.19)

(5.19)

Из формулы (5.19)следует, что величину й^г2 по (e1e4/e2e3)ai х х(е3/е4)л1 “л2 можно определить только при однозначной зависимости между ними.

Выбирая необходимые значения Х1 —Х4, можно для конкретных изменений е=/(Х) получить наиболее близкое приближение к этому условию. Методика определения поправки по уравнению (5.19) аналогична методике определения поправки по Г"/ и Г,?.

Легко заметить, что при использовании четырех областей спектра получаемая информация значительно полнее характеризует излучательную способность объекта. Например, при «сером» излучении путем измерения ГЯ1 и Гя2 мы не можем судить о постоянстве £j£2, а при измерении Гц1 и Гц2 такая возможность появляется.

ОЭСИТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ПОПРАВКИ ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ПО ОПРЕДЕЛЕННОМУ АЛГОРИТМУ СИГНАЛОВ, ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Величину, независимую от температуры и определяемую только излучательными характеристиками объекта, можно получить путем обработки по специальному алгоритму потоков излучения объекта (или электрических сигналов, пропорциональных этим потокам) в двух различных участках спектра.

При аппроксимации потоков зависимость (1.11) можно записать:

-LlnU _Д_|п* + Х2 2^1^2^22

+-—-—InА»1 Л»2+-—-—InА»1 Л»25XjX2 Х2з5XjX2 Х2з(5.20)(5.20)^а т-хлпа т=1п—+А A ZЛ.2 л. *£22+ 1п(^£-51п^;(^t^P2^2^InC^-lnCA г = 11п^++ 1п^1^-51п^.^2Й2Уг М'2При аппроксимации потоков зависимости (1.12) записать те же зависимости в следующем виде:Е"1«1»2(^2»2) 1In С/1Г-И11пС/2Г = 1п^+1п^4^;1Г 1 2Г е5‘М)"1^а т-хлпа т=1п—+А A ZЛ.2 л. *£22+ 1п(^£-51п^;(^t^P2^2^InC^-lnCA г = 11п^++ 1п^1^-51п^.^2Й2Уг М'2При аппроксимации потоков зависимости (1.12) записать те же зависимости в следующем виде:Е"1«1»2(^2»2) 1In С/1Г-И11пС/2Г = 1п^+1п^4^;1Г 1 2Г е5‘М)"1(5.21)(5.21)(5.22)(5.22)можноможно(5.23)(5.23)(5-24)(5-24)^1п Z71T—In С72Г=—InПри использовании излучения можно записать:^1п Z71T—In С72Г=—InПри использовании излучения можно записать:^+lln&fl)2.Е"* «1 (^Г1'^+lln&fl)2.Е"* «1 (^Г1'в четырех участкахв четырех участках1111 1—— In ot * —— In а 2 —:—— Л2 1 Л! 2 AjA;11 1—— In ot * —— In а 2 —:—— Л2 1 Л! 2 AjA;-In2-In2(5.25)(5.25)спектраспектра+ 1пAjA2+ 1пAjA2(^i2i2^2&)^5 |д A^i(^збз/^б^2Л22_(^i2i2^2&)^5 |д A^i(^збз/^б^2Л22_(5.26)(5.26)

+-—-—In

А»1 Л»2

+-—-—In

А»1 Л»2

5

XjX2 Х2з

5

XjX2 Х2з

(5.20)

(5.20)

^а т-хлпа т=1п—+А A ZЛ.2 л. *

£22

+ 1п(^£-51п^;(^t^P2^2

^InC^-lnCA г = 11п^+

+ 1п^1^-51п^.^2Й2Уг М'2

При аппроксимации потоков зависимости (1.12) записать те же зависимости в следующем виде:

Е"1«1»2(^2»2) 1

In С/1Г-И11пС/2Г = 1п^+1п^4^;

1Г 1 2Г е5‘М)"1

^а т-хлпа т=1п—+А A ZЛ.2 л. *

£22

+ 1п(^£-51п^;(^t^P2^2

^InC^-lnCA г = 11п^+

+ 1п^1^-51п^.^2Й2Уг М'2

При аппроксимации потоков зависимости (1.12) записать те же зависимости в следующем виде:

Е"1«1»2(^2»2) 1

In С/1Г-И11пС/2Г = 1п^+1п^4^;

1Г 1 2Г е5‘М)"1

(5.21)

(5.21)

(5.22)

(5.22)

можно

можно

(5.23)

(5.23)

(5-24)

(5-24)

^1п Z71T—In С72Г=—In

При использовании излучения можно записать:

^1п Z71T—In С72Г=—In

При использовании излучения можно записать:

^+lln&fl)2.

Е"* «1 (^Г1'

^+lln&fl)2.

Е"* «1 (^Г1'

в четырех участках

в четырех участках

1

1

11 1

—— In ot * —— In а 2 —:—— Л2 1 Л! 2 AjA;

11 1

—— In ot * —— In а 2 —:—— Л2 1 Л! 2 AjA;

-In

2

-In

2

(5.25)

(5.25)

спектра

спектра

+ 1п

AjA2

+ 1п

AjA2

(^i2i2^2&)^5 |д A^i

(^збз/^б^2Л22_

(^i2i2^2&)^5 |д A^i

(^збз/^б^2Л22_

(5.26)

(5.26)

(ei/^1 _| (е3/е4)Л2(ei/^1 _| (е3/е4)Л21л;1л;(^161 /^262)^*5 |n ^‘ .AkA^k^Q^T2 A22J(^161 /^262)^*5 |n ^‘ .AkA^k^Q^T2 A22J(5-27)(5-27)

(ei/^1 _| (е3/е4)Л2

(ei/^1 _| (е3/е4)Л2

1л;

1л;

(^161 /^262)^*5 |n ^‘ .

AkA^k^Q^T2 A22J

(^161 /^262)^*5 |n ^‘ .

AkA^k^Q^T2 A22J

(5-27)

(5-27)

— Ina. — lna2 = —In Л2 12 Л2

Л^ПО^—А21па2 = 1П^^ +

<63/64^2

(5.28)(5.28), 1 (^121^262)^._ c All

(5.28)

(5.28)

(^б./^Г2 aK

Uxvtгде «1=77-Uxvtгде «1=77-Ux3ta9 =UX4.TUx3ta9 =UX4.TA _ ^AzA _ ^Aza ^АгЛ2-х^a ^АгЛ2-х^

Uxvt

где «1=77-

Uxvt

где «1=77-

Ux3t

a9 =

UX4.T

Ux3t

a9 =

UX4.T

A _ ^Az

A _ ^Az

a ^Аг

Л2-х^

a ^Аг

Л2-х^

1111(ei/e2)*2

NY 1 N2 2 N,N2 (e3/E4)w-

NyN2 (А^э/^)”1’NyN2 (А^э/^)”1’(5-29)(5-29)

NyN2 (А^э/^)”1’

NyN2 (А^э/^)”1’

(5-29)

(5-29)

^21 1— a, — a, =— In ^l 12^^21 1— a, — a, =— In ^l 12^(5.30)(5.30)(5.31)(5.31)Ы^)*2 , 1 1 (AifiA^Tl •

^21 1

— a, — a, =— In ^l 12^

^21 1

— a, — a, =— In ^l 12^

(5.30)

(5.30)

(5.31)

(5.31)

^зк^1 Ni (k3q3/k4q4)Ni’

N2av — A\a2 = lnN2av — A\a2 = ln(si/EiTl I |n ^Yqijk2q2y2

N2av — A\a2 = ln

N2av — A\a2 = ln

(ез/ЕаГ1 ^зЧз^^^1

Так как при аппроксимации выражениями (1.11) и (1.12) приведенные выше зависимости аналогичны друг другу, то в дальнейшем будем рассматривать лишь зависимости, полученные при аппроксимации выражением (1.11).

На рис. 5.15 приведены две схемы ОЭСИТ, в которых поправки формируются согласно зависимости (5.22).

В схеме на рис. 5.15, а поправка вводится в показания ОЭСИТ частичного излучения. ОЭСИТ состоит из датчика 1, логарифмирующего преобразователя 2, блока введения поправки 4, показывающего прибора 5, блока вычисления разности 6 и блока формирования 7. В качестве логарифмирующего преобразователя может быть использован и приемник излучения,

Рис. 5.15. Структурные схемы пирометров с коррекцией по излучению в двух участках спектра:а—частичного излучения, 6—спектрального отношенияРис. 5.15. Структурные схемы пирометров с коррекцией по излучению в двух участках спектра:а—частичного излучения, 6—спектрального отношения

Рис. 5.15. Структурные схемы пирометров с коррекцией по излучению в двух участках спектра:

а—частичного излучения, 6—спектрального отношения

Рис. 5.15. Структурные схемы пирометров с коррекцией по излучению в двух участках спектра:

а—частичного излучения, 6—спектрального отношения

работающий в логарифмирующем режиме. Возможно выполнение ОЭСИТ и по одноканальной схеме с одним логарифмирующим преобразователем; при этом в датчике осуществляется преобразование потока излучения в последовательность чередующихся импульсов с амплитудами, пропорциональными потоками излучения, с последующим разделением электрических сигналов на выходе. Электрические сигналы Uxv и UX2 от датчика 1 поступают на логарифмирующий преобразователь 2, на выходе которого формируются сигналы

At = ln UXi =ln(fc121) + lne1 — Sln^ — C2l^kvTy

Д2 = In U,2 = In ^k2Q2) + In e2 - 5X2 - C2 /(X2 T\

Сигнал Aj подается на вход блока вычисления разности 7 ослабленным делителем Rt, R2 в Х1/Х2 раз, а сигнал Д2— без изменения.

Блок вычисления разности формирует сигнал

11 Г

ар = ^1пСк-1п^ -Ь = 1- 1п^+Л-6 , р х3 12 х3 l Е^

где А— коэффициент, не зависящий от излучательной способности объекта и определяемый только параметрами измерительной схемы:

b— составляющая, устраняющая постоянную, не зависящую от излучательной способности объекта часть А сигнала, т. е. Ь = А.

Напряжение ар подается на блок формирования поправки, который формирует сигнал аЕ = аар.

Коэффициент а устанавливается экспериментально путем градуировки ОЭСИТ по образцовым излучателям; при этом его значение устанавливается так, чтобы в некоторой области изменения et и е2 соблюдались следующие условия:

аЕ = 1п(е1/е2) при ае = 1пЕ1.(5.32)

В общем случае для увеличения области значений £t и е2, где сохраняются эти равенства, коэффициент а может зависеть и от ар, т. е. коэффициент передачи блока поправки определяется также и уровнем входного сигнала.

Показывающий прибор 5 измеряет разность сигналов с выхода одного из логарифмических преобразователей и поправки (эта разность вычисляется в блоке V):

а = Д1-аЕ = 1п(&1д1)-51пХ1+1пЕ1-аЕ-^|;.

Тогда в некоторой области изменения е при выполнении условий (5.32) получим

a = ln(fc1S1)-51nX1-C2/(X1T).

Погрешность ОЭСИТ частичного излучения с коррекцией по излучению в двух участках спектра будет равна

(5.33)(5.33)In [eJe^/e^)"]InLEjE^/E^H-^

(5.33)

(5.33)

На рис. 5.15,6 приведена схема ОЭСИТ с поправкой на изменение в, введенной в показания пирометра спектрального отношения. Блоки 1, 2, 4—7 и их работа аналогичны блокам описанной выше схемы.

Отличие этой схемы от предыдущей заключается в том, что из логарифмических преобразователей сигналы Aj и Л2 поступают на блок формирования цветовой температуры 3, вычисляющий разность At — А2, т. е.

a =At —А2 = 1п^^-—51п^+1п——

цагйг ^г s2 ЛТ

Из этого напряжения в блоке 4 вычитается напряжение аЕ, при этом коэффициент а настраивается таким образом, чтобы a^ln^/E^.

Таким образом, показания прибора пропорциональны величине

a =ln^^- —51n—+ln——аЕ—-^2-.ц кгйг Х2 е2 е ЛТ

Если в некоторой области изменения eJe2 разность будет равна 0, то

а = 1п^1_5ьЛ_^262^2а = 1п^1_5ьЛ_^262^2СтXT"СтXT"

а = 1п^1_5ьЛ_

^262^2

а = 1п^1_5ьЛ_

^262^2

Ст

XT"

Ст

XT"

Погрешность ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией определяется формулой

(5.34)(5.34)ln[ei/s2(^/^)"l

(5.34)

(5.34)

1п[Е1/Е2(^/^)“]-(С2/ЛТ)

На рис. 5.16 приведены две схемы пирометров, в которых поправка формируется по потокам излучения в четырех участках спектра.

При анализе схем ОЭСИТ, в которых осуществляется введение поправки на изменение излучательной способности 143

Структурные схемы пирометров спектрального отношения (а) и спектрального отношения (б) с коррекцией в четырех участкахСтруктурные схемы пирометров спектрального отношения (а) и спектрального отношения (б) с коррекцией в четырех участкахРис. 5.16. двойного спектра

Структурные схемы пирометров спектрального отношения (а) и спектрального отношения (б) с коррекцией в четырех участках

Структурные схемы пирометров спектрального отношения (а) и спектрального отношения (б) с коррекцией в четырех участках

аЕ = ^-1пЛ2аЕ = ^-1пЛ2«™«а "^ ™ЛуЧе™Ю в четырех участках спектра, рассмотрим вариант (5.27), тогдагк

аЕ = ^-1п

Л2

аЕ = ^-1п

Л2

где

।^1011^262^'

Л 2 M^Q^jk^QYY2

На рис. 5.16, а приведена структурная схема ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией.

Блоки ОЭСИТ выполняют следующие функции: датчик 1 формирует сигналы Си, С7К2, Им и Ux4, пропорциональные потокам с эффективными волнами Х1; Х2, Х3 и Х4; измерители отношения 2, 3 вычисляют отношения oq = ln((7u/C7x2); а2 = 1п(Скз/Ск4); делитель Rv(Ry ослабляет электрический сигнал а в Лх/Лз раз; а' = (Л1/Л2)а; блок 4 вычисляет разность ар = а1 — а2 — Ь; блок S формирует поправку аЕ = а-ар; блок 6 вводит поправку а = ац —аЕ. Показания снимаются с показывающего прибора 5.

Коэффициент Ь, устанавливаемый в блоке 4, устраняет неизменяемую часть сигнала и численно равен значению А.

Коэффициент передачи блока формирования поправки а устанавливается экспериментально (при градуировке) таким, чтобы в некоторой области изменения излучательных характеристик объекта соблюдалось приближенное равенство a^ln^/e^.

Тогда

а = осц-аЕ = 1п^1-51п^—k2Q2 Х2 Л, г

„ Погрешность ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией по излучению в четырех областях спектра определяется выражением 1 р

(5.35)(5.35)

(5.35)

(5.35)

Схема ОЭСИТ двойного спектрального отношения с введением поправки на изменение излучательных характеристик объекта согласно рис. 5.8 приведена на рис. 5.16,6. Блоки 1, 6 и 8 аналогичны блокам схемы рис. 5.16, а. Блок 7 вычисляет значение (о^ — а) в этой схеме ОЭСИТ таким образом, чтобы соблюдалось приближенное равенство

Р Е283

В этом случае погрешность ОЭСИТ двойного спектрального отношения за счет изменяющейся излучательной способности минимальна.

Погрешность такой ОЭСИТ определяется выражением

g^_In{(е1£4/8283)[(83/84^2/(82/8,^i]"}^ Зб)

ln{(8,84)/(8283)[(83/84)A2/(e281)Al]0}-^-^1y

Как следует из уравнений (5.33) — (5.36), при использовании ОЭСИТ с коррекцией погрешность может быть как меньше, так и больше погрешности ОЭСИТ излучения без коррекции. Это зависит от характера изменения 8 и от параметров* схемы данной ОЭСИТ.

Например, для ОЭСИТ спектрального отношения с использованием для формирования поправки излучения в двух участках спектра необходима однозначная зависимость

81*81 \/ 81 \ 1 А — 1 \

=у I “ ) —I ) £1 1 Кг . 832\Е2/\82/

Это приводит к тому, что у ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией появляется значительная погрешность при измерении температуры объектов с «серым» излучением при изменении абсолютного значения излучательной способности.

Следовательно, для решения вопроса о возможности использования ОЭСИТ с коррекцией необходимо детальное исследование характера изменения излучательной способности объекта.

Если путем предварительного изучения характера изменения излучательных характеристик объекта определено, что по мере изменения отношения 8^82 одновременно изменяется б^/б^ и эта связь однозначно сохраняется при всех условиях работы того или иного технологического агрегата, то целесообразно применять ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией.

В качестве примера следует указать на [5.30], где рассмотрена практическая работа одного из вариантов такого типа ОЭСИТ.

Если же при изменении абсолютной величины б отношение 8^82 изменяется незначительно (при изменении Е^/Бг2), то

145

поправку целесообразно вводить частичного излучения (например, сплавов).поправку целесообразно вводить частичного излучения (например, сплавов).Рис. 5.17. Погрешность различных типов пирометров при измерении температуры поверхностей, излучательная способность которых изменяется согласно зависимостям на рис. 5.9.

поправку целесообразно вводить частичного излучения (например, сплавов).

поправку целесообразно вводить частичного излучения (например, сплавов).

в показания пирометров при нагреве алюминиевых

Аналогичные условия можно сформулировать и для случая использования ОЭСИТ спектрального отношения и ОЭСИТ двойного спектрального отношения с формированием поправки по излучению в четырех участках спектра.

Сигнал, пропорциональный аЕ, может быть введен как в ОЭСИТ спектрального отношения, так и в ОЭСИТ двойного спектрального отношения в зависимости от характера изменения излучательной способности объекта. Если существует однозначная зависимость между аЕ и е^е^ то необходимо использовать ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией (рис. 5.16, а), если существует однозначная зависимость между аЕ и 8184/е2£з> то используется ОЭСИТ двойного спектрального отношения с коррекцией.

Возможности рассмотренных ОЭСИТ определим на примере измерения температуры реальной металлической поверхности, излучательные характеристики которой изменяются согласно рис. 5.9.

Погрешность определения температуры классическими методами пирометрии излучения возникает за счет того, что неизвестно, какое состояние имеет измеряемая поверхность в момент измерения.

•На рис. 5.17 приведены погрешности классических методов пирометров излучения (кривые 7, 2 для пирометров частичного излучения с Х = 0,5 мкм и пирометров спектрального отношения с X, =0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм), пирометров двойного спектрального отношения (кривая 3: Хх =0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм, Х3 = = 2,0 мкм; кривая 4; Xt=0,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х'3 = 1,375 мкм) и пирометров с коррекцией (кривая 5 для ОЭСИТ частичного излучения с Х = 0,5 мкм с коррекцией по излучению в двух участках спектра с X, =0,5 мкм и Х2 = 1,0 мкм, а= 1,55; кривая 6 для пирометра спектрального отношения с ^=0,5 мкм и Х2 = 1,0 мкм с коррекцией по излучению в тех же участках 146

спектра, а = 0,25; кривая 7 для ОЭСИТ спектрального отношения с /ч =0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм с коррекцией по излучению в трех участках спектра с X, =0,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, А3 = 2,0 мкм, я = 0,16; кривая 8 для пирометра двойного спектрального отношения с /ч =0.5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 = 2,0 мкм, а = 0,417 с коррекцией в тех же участках спектра). Кривые построены для температуры 1500 К.

Из кривых 3 и 4 видно, насколько важно правильно выбрать используемые участки спектра для ОЭСИТ двойного спектрального отношения. При неправильном выборе используемых участков спектра погрешность ОЭСИТ двойного спектрального отношения может превышать погрешность ОЭСИТ частичного излучения. Из кривых 3 и 4 также следует, что для рассмотренных выше пределов изменения 8 (см. рис. 5.14) введение коррекции позволяет значительно уменьшить погрешность как ОЭСИТ частичного излучения и спектрального отношения, так и ОЭСИТ двойного спектрального отношения.

Для другого класса материалов возможны другие пределы изменения 8, вследствие чего необходимо определять другое значение коэффициента а.

Из вышеизложенного следует, что рассмотренные методы с точки зрения уменьшения методической погрешности при а = const равноценны методам, рассмотренным в § 5.4 и 5.5, причем у = аХ2 или у = аЛ2.

ОЭСИТ С ФОРМИРОВАНИЕМ ПОПРАВКИ ПРИ ШИРОКИХ УЧАСТКАХ СПЕКТРА

Структурная схема такой ОЭСИТ приведена на рис. 5.18.

Зависимость коэффициента передачи функционального блока 7 выбирается таким образом, чтобы при визировании ОЭСИТ на «черное» тело напряжение на выходе было равно напряжению на приемнике 6, т. е. при любом значении температуры «черного» тела (в измеряемом диапазоне) Ск1кф=Сх2.

Тогда при визировании ОЭСИТ на реальный объект, у которого 8^1, на выходе блока разности 8 появится напряжение, определяемое значением е, т. е. М1="£ии, где 5 — величина, определяемая только 8.

Рис. 5.18. Структурная схема двухканальной ОЭСИТ:

/ — объектив; 2 — свет оделительное устройство; 3.4 — фильтры; 5,6—приемники излучения; 7—функциональный блок; 8—измеритель разности; 9— нормирующий блок; 10—

сумматор

Например, если объект измерения имеет металлический характер излучения, когда с увеличением длины волны величина излучательной способности убывает монотонно, т. е. при Х1<Х2 всегда сохраняется неравенство е, ^е2, величина напряжения MJ отражает одновременно степень «серости» и степень «черноты» объекта (или степень окисленности его поверхности, если объектом является постепенно окисляющаяся металлическая поверхность).

Напряжение АС/ нормируется блоком 9 с коэффициентом передачи кн и суммируется в сумматоре 10 с напряжением С/и.

Таким образом, UBMX = E1UXi+kH’£ UXI = (e+A:HS) UXi, значение кн выбирается из условия 8+А:н£=1. Если возможно пользоваться аппроксимациями (1.11) или (1.12), то значение к можно определить аналитически:

при аппроксимации (1.11) напряжения на приемниках излучения при визировании их на абсолютно черное тело с температурой Т будут равны

откуда

^2 кг^мУ^! ^2

ГДе кх < ^2, ^1 ^2 ’

при визировании ОЭСИТ на реальный объект с излучательными способностями 8, и е2 напряжение АС/ будет равно

Так как

AC/ = 8tC/? -Б^/1 ” W (С/^)0*1 "^Ч) (С/^А = £XU^ -

или

А(/=£/ h_У =(5.37)

Аналогично и при использовании аппроксимации (1.12)

1’2qV‘qV1"'

откуда

И

AU=UX — U2 = 8C?-e^C? = Ux (1 - 4^ );

2=1-^-(5-38)

В качестве примера реализации этого метода в [5.19] описана ОЭСИТ с измерительной системой с реохордами, усилителем и двигателями для обработки сигналов с двух пирометров.

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОЭСИТ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ СО СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ

Большое распространение в практике нашли ОЭСИТ спектрального отношения, в которых величина отношения потоков излучения объекта определяется по положению регулирующего органа следящей системы (движка реохорда, если осуществляется редуцирование электрических сигналов, или переменного поглотителя, если осуществляется редуцирование потоков излучения) [5.31].

Несмотря на относительно большое разнообразие схем реализации таких ОЭСИТ их обобщенная функциональная схема может быть представлена в виде, показанном на рис. 5.19.

В блоке 7 из излучения объекта выделяется два потока различного спектрального состава, которые преобразуются в электрические сигналы. С помощью редуцирующего органа 2 (устанавливаемого или в потоке излучения, или в цепи 149

Рис. 5.19. Обобщенная структурная схема ОЭСИТ со следящей системой электрического сигнала) снижают уровень одного, а иногда и обоих сигналов. Электрический сигнал, пропорциональный разности потоков излучения, усиливается предварительным и выходным усилителями 3 и 4 и подается на серводвигатель 5, который перемещает через редуктор 6 редуцирующий орган 2 сервосистемы.

Редуцирующий орган изменяет уровень сигнала до тех пор, пока разностный сигнал на входе усилителя 3 не станет равен нулю.

С редуцирующим органом 2 соединен указатель 7, по положению которого относительно делений шкалы и отсчитывается измеряемая пирометром условная (цветовая) температура. Часто такие пирометры снабжаются регистрирующим устройством 8.

Статические (чувствительность, вариация показаний) и особенно динамические (время установления показания) характеристики пирометров определяются в основном свойствами схемы измерения отношения потоков излучения, так как постоянная времени фотоэлектрических приемников излучения мала (10~4—10'5 с).

Обозначим через АХ1 и АХ2 обобщенные величины, действующие по тракту ОЭСИТ, на которые воздействует редуцирующий орган, через G—параметр оптической системы и через v — коэффициент преобразования приемника.

Если редуцирование осуществляется воздействием на потоки излучения, то под АХ1 и Ахг понимаются значения потоков. При этом при аппроксимации (1.11)

Ai = Фм = GS А Г 5ехр ( -); АХ2 = ФХ1 = G22Z; 5ехр ( -

и при аппроксимации (1.12)

Ai = GqvT^; AX2 = Gq2T^.

Если редуцирование осуществляется воздействием на электрические сигналы, то под Ли и ЛК2 понимаются значения (амплитуды) этих сигналов. Соответственно

Ai^m^GGAi 5ехр^- ^р AX2 = UX2 —=NGQ2X25exp( -

И

АХ1 = С^, = vGq1T„1; АХ2 = Uxx = vGq2T^.

Измерительная схема всегда поддерживает автоматически равенство следующих величин:

ПА1 = А2, т- е- ^QtX^expX - ^\ = Q^.25exp -7%),

\/Ч/Ц/у ^ц/

или

где т| — коэффициент передачи редуцирующего органа.

На вход предварительного усилителя подается сигнал, пропорциональный AU=r\Axv — AX2. Учитывая, что Axl = f1^T^ и АХ2 = f2(T^, можно записать

AU=kvAT,

где АТ—некоторая разность температур, соответствующая напряжению рассогласования AU.

Эту разность температур можно рассматривать как разность между температурой объекта и температурой, при которой т\АХ1 = АХ2, т. е. цветовой температурой Т . С учетом этого сигнал на входе усилителя можно Записать следующим об-

разом:AC=t|Q'1A,r5expразом:AC=t|Q'1A,r5exp22МГц„±А7)_МГц„±А7)_-Q2X2 5ехр-Q2X2 5ехр22

разом:

AC=t|Q'1A,r5exp

разом:

AC=t|Q'1A,r5exp

2

2

МГц„±А7)_

МГц„±А7)_

-Q2X2 5ехр

-Q2X2 5ехр

2

2

Q'^vGQf, Q4 = mGQ2.

Разлагая в ряд это выражение и ограничиваясь первым членом разложения, после некоторых преобразований получим

AU=’^0'2X2 5ехр |) АГ,

г2Л

где А=^кхХ^^2-Х^.

Аналогично при аппроксимации (1.12)

^U^-q^^ + ^-q^T^^- АиЦпх-^Ч2Т^ЬТ;q'x=\Gqx, q'2 = vGq2.

Следовательно, при аппроксимации (LU)

6'2^2 5exp ( -)

AY u0\ ^цо/

и при аппроксимации (1.12)

^1=(И1-И2)92^ц02-1)-

Для того чтобы статическая погрешность определения отношения была минимальной, необходимо, чтобы значение коэффициента преобразования измерительной схемы пирометра кп — кхк2 было как можно большим. Пределом увеличения этого коэффициента является нарушение динамической устойчивости системы. Чтобы система была устойчивой, необходимо выполнение условия

^^(Ti+^T^z),

где т,—постоянная времени серводвигателя; т2 — постоянная времени управляющей обмотки серводвигателя.

Коэффициент к2 определяется параметрами измерительной схемы, и его выбор аналогичен выбору параметров электрических следящих систем; коэффициент кг характеризует связь электрического сигнала на входе усилителя с температурой объекта.

Особенностью измерительной схемы ОЭСИТ является то, что в пределах одного диапазона измерения значение кА изменяется, а значение MJ в начале диапазона меньше, чем в конце. Следовательно, значение кп необходимо выбирать из условия сохранения устойчивости системы в конце диапазона измерения. Вследствие этого в начале диапазона возникает

значительная статическая погрешность.

Так, например, у пирометра «Ардокол» в конце измерительного диапазона погрешность равна 1%, а в начале диапазона

Этот недостаток устраняется введением в систему добавочного редуцирующего органа 11 (см. рис. 5.19) с коэффициентом передачи к\=ку\ т. е. введением жесткой обратной связи между регулятором усиления усилителя (или дополнительным нейтральным поглотителем излучения, или переменным делителем напряжения в усилителе) и положением указателя условной температуры Т^. При этом можно легко добиться постоянства произведения трех коэффициентов ^^^2 = const во всем измеряемом диапазоне [4.8].

Введение такой обратной связи в пирометрах «Спектро- пир-2» и «Спектропир-3» позволило обеспечить равномерную

чувствительность по всему измеряемому диапазону, вследствие чего инструментальная погрешность этих пирометров постоянна по всему диапазону и не превышает 1%.

Быстродействие пирометров рассматриваемого типа определяется системой, перемещающей указывающий, регистрирующий и редуцирующий органы, т. е. в основном серводвигателем, редуктором, другими элементами кинематики, в том числе имеющем люфты, и составляет 1 — 10 с.

Для многих технологических процессов, где ОЭСИТ является измерительным звеном автоматического регулятора или датчиком предельных значений температуры, такое запаздывание нельзя допустить, если учесть, что в ряде случаев, как, например, при высокочастотной термообработке металлов, скорость изменения температуры достигает 300 — 800°/с.

В настоящее время в подобных случаях используются два прибора: для измерения — обычный пирометр, для регулирования—датчик регулятора, выдающий сигнал отклонения температуры от заданного значения. Иногда оба прибора совмещаются в одном, как это сделано, например, в пирометре «Спектропир-2».

Недостатки такого решения очевидны. Незначительная доработка ОЭСИТ излучения, работающего по компенсационной схеме, позволяет получить один прибор, который при работе в системе автоматического регулирования обладает теми же динамическими характеристиками, что и датчик регулятора.

Повышение быстродействия пирометра при его использовании в системе автоматического регулирования может быть осуществлено путем подачи сигнала в схему регулирования как с задатчика 9, так и с выхода малоинерционного элемента измерительного тракта — фазового детектора 10, постоянная времени которого значительно меньше постоянной времени серводвигателя и остальных элементов кинематики.

При отклонении температуры объекта ДГ от заданного значения ГЦо сигнал на выходе задатчика имеет вид кривой 1 (рис. 5.20). Величина Д^ определяется люфтами, а Д?2— постоянными времени ij и х2. Сигнал на выходе усилителя при небалансе следящей системы также пропорционален ДГ и по мере отработки следящей системой этого разбаланса уменьшается до нуля, т. е. сигнал изменяется во времени по кривой 2.

Время Д?3 определяется только постоянной, времени усилителя и в общем случае значительно меньше суммы Д^ + Д^.

Суммарный сигнал имеет вид штриховой кривой 3 и не зависит от динамических свойств измерительной схемы.

При измерении температуры подавляющего большинства реальных объектов возникает значительная методическая погрешность из-за непостоянства излучательной способности объекта. Трудности учета этого рода погрешности общеизвест- 153

Рис. 5.20. Эпюры напряжений на регулирующем выходе ОЭСИТ. структурная схема которой приведена на рис. 5.19

ны. Они могут быть существенно уменьшены, если пирометрическая система одновременно с измерением условной температуры дает возможность определять отклонение излучательных характеристик объекта от некоторых начальных значений.

Не меньшие трудности возникают и при изменении прозрачности промежуточной среды, защитных окошек при измерении температуры в вакуумных печах и т. п.

При использовании метода уменьшения изменения сигналов в ОЭСИТ спектрального отношения при изменении температуры возможно и определение величины только с помощью излучательной способности [5.31]. Для этого сигналы АХ1 и АХ2 вторым редуцирующим органом 11 (рис. 5.19) уменьшаются в кр раз, т. е.

^И—^Х2 = ^^Х2-

Блок управления 12 вторым редуцирующим органом перемещает его таким образом, что

kp=yx2(>-i-xi' или kp=yn,An2”ni\

Следовательно, сигнал после ослабителя будет равен при аппроксимации (1.11)

/ \х2/(х2-хр

где Л х= const, а при аппроксимации (1.12)

^xi — В2^xi — В2

^xi — В2

^xi — В2

где £>2 = const.

Если принять kp=yki№-2-x? или к =yn2^n2-ni\ то сигнал А'Хг после ослабителя 2 будет такой же, что и в первом случае (но в другом канале): при аппроксимации (1.11) 154

/ Vk^-X^

^2 = Z>3p ei„

где D3 = const, и при аппроксимации (1.12)

/ \И1/(п2 -П1)^k2=^4 -БН

V 1 /

где D^ — const.

Таким образом, сигнал после ослабителя 2 не зависит от температуры объекта и определяется только его излучательными характеристиками и значениями рабочих участков спектра ОЭСИТ. Сигнал Лх измеряется прибором 13.

Сформированные сигналы Лх;, определяемые излучательной способностью, могут быть использованы для коррекции значения температуры, определяемой ОЭСИТ частичного излучения или спектрального отношения. Для этого необходимо экспериментально или аналитически исследовать зависимости AXi от е или Ej/Sa для заданного технологического процесса.

При наличии однозначных связей определяются коэффициенты связи для ОЭСИТ частичного излучения ня = ь/Лх и для ОЭСИТ спектрального отношения нц = (е1/с2)Лх. Действительная температура определяется путем вычисления отношений а = ая/<7Т’я или а = ац/<7Тц, где ая и ац—сигналы, определяемые яркостной или цветовой температурами объекта. Тогда при степенной аппроксимации a = -^- = qTn

Mx

или а = -^-Т”1-”2. Вычисление указанных отношений мо- жет быть выполнено как аналоговыми, так и цифровыми средствами.

Если излучение, воспринимаемое ОЭСИТ, исходит от объекта с неизменяющимися спектральными характеристиками, то по сигналу A Xi (или ЛХ2) можно оценить степень постоянства поглощения излучения в промежуточной среде.

Если же спектральные характеристики объекта и промежуточной среды не изменяются с изменением температуры объекта и других факторов, то сигналы A'xi или А'х2 характеризуют изменение характеристик пирометра, что может быть использовано для диагностики состояния ОЭСИТ.

Аналогичными свойствами будет обладать и ОЭСИТ спектрального отношения, в которой используется не электромеханическая, а электронная система измерения отношения.

ГЛАВА 6

ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ВАРИАНТЫ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИХ ОЭСИТ

Кроме рассмотренных в гл. 3, 4 автоматических ОЭСИТ в настоящее время имеется ряд систем, в которых для выполнения ряда операций, делающих возможным отсчет температуры, требуется оператор.

Пирометры с исчезающей нитью, снабженные электроннооптическим преобразователем [6.1, 6.2], применяются для бесконтактных измерений температуры малых тел (размерами порядка 1 мм и меньше). Специальные микропирометры, приспособленные для таких измерений, разработаны в СССР (МОП-48, ОМП-019, ОМП-054 и др.) и за рубежом [«Пиро» (США), «Жабон-ивонн» (Франция), «Пиро-верк» (ФРГ) и др.].

Как и обычные оптические пирометры, микропирометры градуируются на яркостные температуры от 800 или 900° С и выше. Между тем задача понижения нижнего предела измерения микропирометров (и вообще пирометров с исчезающей нитью) весьма актуальна и возникает в ряде отраслей промышленности (например, при измерении температуры внутренних элементов электровакуумных приборов, в порошковой металлургии и т. д.).

Применение электронно-оптического преобразователя совместно с визуальным пирометром позволяет решить эту задачу.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) устанавли-' вается в окулярной части пирометра, а специальная линза, расположенная между ним и пирометрической лампочкой, создает на фотокатоде изображение нити сравнения на фоне изображения объекта, температура которого измеряется. Наблюдатель рассматривает оба эти изображения на экране ЭОП и, изменяя накал нити сравнения, уравнивает яркости. Особенностью использования пирометра с исчезающей нитью совместно с ЭОП является то, что с понижением температуры нити пирометрической лампочки ее тепловая инерция увеличивается. Кроме того, при снижении температуры нити пирометрической лампочки увеличивается ее температурный коэффициент, т. е. отношение изменения температуры нити к изменению температуры окружающей среды. Указанные эффекты объясняются тем, что с понижением температуры уменьшается доля энергии, отдаваемой нитью путем лучеиспускания.

Однако несмотря на эти недостатки подобные системы находят применение (отечественный пирометр ВИМП-015).

Применение ЭОП дает возможность снизить предел измерения пирометра с исчезающей нитью до 350 — 400° С.

156

Рис. 6.1. Датчики регуляторов с использованием одного участка спектра: /объектив. 2 —кадровые окна, 5 модулятор, 4 — приемник излучения, 5 —усилитель, 6 —эталонная лампа, 7—редуцирующий элемент, 8 —регулятор

Вторым вариантом полуавтоматических ОЭСИТ являются пирометрические устройства — датчики регуляторов (упрощенные варианты схем на рис. 3.1, 3.2), которые выдают сигнал при отклонении измеряемой температуры от заданной.

Структурные схемы таких датчиков приведены на рис. 6.1.

Большинство из существующих пирометрических датчиков для систем регулирования построено по указанным схемам [6.3].

Аналогично датчикам с использованием одного участка возможно применение в системах автоматического регулирования датчиков-регуляторов спектрального отношения (ДРСО), формирующих сигнал (релейный илй непрерывный) при отклонении температуры от заданной, значение которой определяется специальным задатчиком. Датчики ДРСО по существу являются ОЭСИТ спектрального отношения со следящей системой с разомкнутой цепью обратной связи.

При отклонении температуры объекта от заданной на входе усилителя появляется напряжение рассогласования, которое преобразуется в соответствующий сигнал.

В ДРСО задатчиком является устройство, которое в ПСО используется для изменения отношения.

На рис. 6.2 приведены несколько вариантов ДРСО (обозначения аналогичны соответствующим обозначениям в ОЭСИТ).

Основой ДРСО на рис. 6.2, а является ОЭСИТ с реохордом. Основой ДРСО с накоплением (рис. 6.2,6) является ОЭСИТ с накопителем. Такой ДРСО необходим для регулирования низких температур (О—объектив; CtC2— фильтры; Mv — двигатель; У^ У2 — усилители; П—выходной блок).

Основой ДРСО на рис. 6.2, в является ОЭСИТ с предварительным преобразованием отношения потоков в фазу переменного напряжения (7— фазовращатель управляемый; 2—синхронный детектор; 3— фазовращатель управляемый; У—усилитель; П—выходной блок).

Во всех трех случаях задатчиком служит потенциометр.

В ДРСО на рис. 6.2, г за основу принят ПСО с клином. В качестве задатчика используется цветной клин (7— объектив; 2—приемник; 3— обтюратор с фильтрами; 4— двигатель; 5 — усилитель; б—редуцирующее устройство; 7— регулятор).

157

Рис. 6.2. Датчики регуляторов с использованием двух участков спектраРис. 6.2. Датчики регуляторов с использованием двух участков спектра

Рис. 6.2. Датчики регуляторов с использованием двух участков спектра

Рис. 6.2. Датчики регуляторов с использованием двух участков спектра

Связь положения задатчика с температурой, которую необходимо регулировать в ДРСО, определяется формулами для соответствующих ОЭСИТ.

ЗАДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Типичным представителем ОЭСИТ такого типа является регулятор АРТ-2М [6.3], выполненный по схеме на рис. 6.1, а. Конструктивно датчик регулятора выполнен аналогично датчику ФЭП-8. Для наведения на объект датчик имеет лампу визирования с установленной перед ней сеткой, перекрестие которой проектируется на объект двумя зеркалами — неподвижным и откидным. Величина светового пятна на объекте измерения при наведении соответствует минимальной площади, визируемой прибором. Переключение температурных диапазонов в приборе производится сменой светофильтров.

Рис. 6.3. Схема сигнализатора ФЭСТ-13

В зависимости от диапазона температуры различают две модификации прибора: АРТ-2М-Н и АРТ-2М-В. Модификации прибора различаются спектром работы, типом фотоприемников и светофильтров, а также предварительными усилителями фототоков [6.3]. В модификации АРТ-2М-Н использован фоторезистор на основе PbS со светофильтром из стекла СЗТ-21, ограничивающим длинноволновую часть спектральной характеристики фотоприемника. Во втором температурном диапазоне применены дополнительные стеклянные светофильтры НС-11 и ЖЗС-18. В модификации АРТ-2М-В используется кремниевый фотоэлемент, причем во втором диапазоне в канал фотоприемника вводится светофильтр из стекла СЗС-14.

Основные технические данные регулятора: диапазон температур 200 — 400 и 350 — 800° С для АРТ-2М-Н; 600 — 900 и 800 — 1200 С для АРТ-2М-В.

Несколько по другой схеме выполнен фотоэлектронный сигнализатор температуры ФЭСТ-13 [6.4], предназначенный для автоматического управления блюмингом.

В систему управления блюмингом должны поступать сигналы о нахождении температуры слитка в одном из трех заданных диапазонов, а также сигналы на запрет прокатки охлажденных и перегретых слитков. Диапазоны температур слитка смежные, т. е. конец одного диапазона служит началом следующего. Сигнал о нахождении температуры в одном из заданных диапазонов или вне их должен быть выдан в течение 0,1 с.

Структурная схема прибора приведена на рис. 6.3. Поток излучения от объекта направляется оптической системой на приемник 1 (германиевый фотодиод ФД-3). На этот приемник направляется также поток от опорного излучателя, представ- 159

ляющего собой лампу накаливания, питаемую стабилизированным напряжением. Оптическая коммутация производится обтюратором 3, одна половина которого прозрачна, а вторая имеет зеркальное отражение. Обтюратор с плоскостью, находящейся под углом 45° к осям потоков, вращается электродвигателем 2 и осуществляет попеременную засветку фотодиода потоками излучения от нагретого тела и опорного излучателя.

На нагрузочном резисторе, включенном в цепь фотодиода, выделяется импульсное напряжение. Переменная составляющая этого напряжения усиливается предварительным усилителем 4, расположенным в датчике, и по соединительному кабелю подается на вход усилителя 5, размещенного в электронном блоке. Усиленное напряжение поступает на входы четырех параллельно подключенных задатчиков температуры 6. К каждому из задатчиков подключены выходные каскады 7, питание на которые поступает со стабилизатора 8. Блок 9 обеспечивает питание всего регулятора. Стабилизация тока накала опорного излучателя осуществляется стабилизатором 10.

ГЛАВА 7

СКАНИРУЮЩИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

Во многих случаях требуется производить контроль и измерение температуры в нескольких точках объекта или распределение температуры по объекту. Температурное поле характеризует такие свойства объектов, как присутствие и распределение в них примесей, дефектов, напряжений, локальные нарушения тепловых режимов технологических и других процессов и т. п. Температурные поля контролируют при прочностных испытаниях и термообработке изделий в машиностроении, при прецизионной выплавке слитков в металлургии, в медицинской и технической диагностике, в космических исследованиях и т. д.

Как известно [7.1, 7.2], контроль и измерение (далее — просто контроль) температурных полей можно производить методом параллельного или последовательного (сканирующего) съема информации. С помощью ОЭСИТ при параллельном съеме информации осуществляется одновременный контроль температуры в различных точках объекта, при сканирующем — контроль температуры последовательно оз одной точки объекта к другой. И тот и другой метод съема информации применяется при оптико-электронном контроле температурных полей.

Примерами ОЭСИТ с параллельным съемом информации являются электронно-оптические преобразователи (ЭОП), эдже- ографы, устройства, использующие жидкие кристаллы и фото- чувствительные пленки, устройства с набором световодов и фотоприемников и т. п. Они чаще всего используются для визуализации температурных (и прежде всего низкотемпературных) полей.

Более универсальными и приспособленными к автоматизации диагностических и технологических процессов являются сканирующие ОЭСИТ, рассмотрению которых и посвящена данная глава.

Сканирующие ОЭСИТ характеризуются не только метрологическими и эксплуатационными параметрами (диапазоном контролируемых температур и точностью их измерения, сроком службы и допустимыми климатическими условиями работы, габаритными размерами, массой и т. д.), но и параметрами процесса сканирования: видом траектории сканирования, периодом сканирования, показателями мгновенного и полного визирования (или углами мгновенного и полного визирования), быстродействием в точке, разрешающей способностью и некоторыми другими.

Ниже даются определения и описание параметров сканирования. Для формулирования этих параметров использовано понятие фиктивной поверхности (части плоскости или сферы), расположенной в пространстве объекта (а не приемника излучения). Прежде отметим, что сканирующий контроль температурных полей (и вообще оптических полей) осуществляется системами двух типов, которые обладают постоянством угловых или линейных параметров визирования. В системах первого типа постоянен угол визирования при всех положениях оптической оси визирования. В системах второго типа постоянна разрешающая способность по всей плоскости изображения входного объектива системы. В результате разрешающая способность на объекте будет одинакова в первом случае, если поверхность объекта—часть вогнутой сферы, во втором — если поверхность объекта плоская.

Соответственно иллюстрации основных параметров будем проводить или на поверхности части сферы с центром, совпадающим с центром сканирующего блока (узлом линий визирования системы), или на плоскости, перпендикулярной среднему положению ОО' оси визирования системы (рис. 7.1, а, б). Указанные части плоскости или сферы будем называть картинной поверхностью. Все приводимые параметры сканирования инвариантны к положению этой поверхности относительно системы контроля, т. е. постоянны при любых значениях R. Положение картинной поверхности обычно связывают с некоторой средней точкой объекта или с самим объектом, если его поверхность соответствует указанным поверхностям.

Рис. 7.1. Сканирование с постоянным угловым (а) и линейным (б) разрешением сканирующим пятном различной формы (в)

Картинную поверхность можно охарактеризовать распределением температуры Т (х, у, t), однозначно соответствующим распределению температуры на объекте. В координатах этой же поверхности можно описать функцию чувствительности ОЭСИТ. В общем случае эта функция имеет вид

Цх, у, 7) = /0(?)ф(х, у, t\

где х, у—координаты картинной поверхности (на плоскости или на части сферы); t— время; /0(?)—интегральная чувствительность; ф(х, у, Ц— нормированная функция распределения чувствительности [ JJ ф (х, у, ?) dxdy = 1, где {^У} — область {ХУ)

определения функции ф (х, у, ?)].

При сканирующем съеме информации функцию чувствительности /(х, у, t) удобно записывать относительно подвижной системы координат, жестко связанной с центром (или с любой другой точкой) функции чувствительности. Центром функции чувствительности можно считать центр «тяжести» функции 162

ф(х, у, t^ (которая нормирована и постоянна), причем координаты центра определятся по формулам

х0 (z) =х0 (z) =хф (.г, у, t^dxdy;хф (.г, у, t^dxdy;

х0 (z) =

х0 (z) =

хф (.г, у, t^dxdy;

хф (.г, у, t^dxdy;

(ХУ)

У о (0 = I j УФ (л, у, f) dx dy.

(ХУ)

Учитывая обратное преобразование координат

= (х — х^ cosot + (у —у0) sinot;

т|= — (x — x0) sinot+ (j—y0) cosot,

где (q, r|)—подвижная система координат, жестко связанная с центром функции чувствительности; х0, у0—координаты центра; ос — угол поворота подвижной системы координат относительно неподвижной, а также предполагая, ‘ что имеет место только поступательное движение (а = 0) функции i (х, у, t) в пространстве, можно записать функцию чувствительности в виде

/(х, у, i}=I0(t)^[x~x0(t), y-y0{t\ z],

В этом выражении функция Ф [х — х0 (z), у - у0 (z), z] = = ф(^, т|, Z) характеризует закон (или форму) распределения чувствительности ОЭСИТ в подвижной системе координат (относительно центра), а х0 (z) и у0 (z) определяют закон движения этого центра, или закон сканирования.

В подавляющем большинстве рассматриваемых систем чувствительность ОЭСИТ не меняется в процессе работы ни по значению, ни по форме, в результате для ОЭСИТ можно записать

/(х, у, z) = 70ф [х —х0 (z), у-у0 (z)].(7.1)

Выходной сигнал сканирующих ОЭСИТ без учета аберраций в общем случае можно записать в виде

м(0 = т^ У’ О^Ф^-^о^)’ y-y0(OJ^^y-

(ХУ)

Предполагая, что цикл сканирования поля осуществляется значительно быстрее, чем изменяется распределение температуры, можно записать Г(х, у, t)= т(х, у). При 7(х, у, Z) = = 8 [х — x0(z), у—y0(z)] имеем

M(z)= И ^ ^)8[x-xo(z), У-Уо^ПахаУ = {xy}

= T[xo(0> Уо(01

т. е. в случае 8-образной чувствительности ОЭСИТ производится считывание температурного поля без искажений. Во всех остальных случаях будут иметь место так называемые апертурные искажения информации, вызывающие отличие измеряемого распределения температуры от реального [2.15].

Формулировки основных параметров сканирующих ОЭСИТ удобнее всего давать, исходя из понятия сканирующего пятна.

Сканирующим пятном (D) будем называть область определения функции ф(^, т|), в которой сосредоточена основная часть «энергии» чувствительности — 95%:

0,95 JJ ф(^, п)^^П = Пф(^ п)^^П.(7.2)

{ХУ}D

Размеры и форма сканирующего пятна в ОЭСИТ определяются способом сканирования, типом фотоприемника, апертурными и полевыми диафрагмами, характеристиками усилительно-преобразовательного тракта и др.

В оптико-механических системах функцию ф(^, ц) можно описать равномерным, косинус-квадратным, колоколообразным и некоторыми другими законами [7.2]. Для равномерного и косинус-квадратного закона {XY } = D, т. е. «теоретические» и «практические» размеры этих сканирующих пятен совпадают. Оптико-электронные системы измерения температуры с телевизионными передающими трубками имеют нормальный круговой закон (закон Гаусса) распределения чувствительности

ф(р) = ^ехр(-А:р2),

где к—коэффициент сосредоточенности функции чувствительности;

Теоретически область определения такой функции бесконечна.

Преимущественная форма сканирующего пятна — круглая, иногда используются прямоугольные, крестообразные и другие формы (рис. 7.1, в). Системы, в которых размеры сканирующего пятна неодинаковы в различных направлениях, будем называть неизотропными. Удобно оценивать сканирующее пятно в двух направлениях: вдоль вектора скорости (dv) и перпендикулярно вектору скорости ClwY В неизотропных системах dv^dVL- 164

Рис. 7.2. Некоторые типы траекторий сканирования, реализуемых ОЭСИТ: а — однострочная; 6—однострочная возвратная, в—крестообразная; г—построчная; д — строчно-треугольная; е — круговая, ж—розеточная; з—спирально-возвратная; и—дискретно-построчная

Траектория сканирования — последовательность точек [x0(z), у0 (z)], занимаемых центром функции чувствительности при своем движении по картинной поверхности. Траектория сканирования может образовывать непрерывную линию, набор линий или дискретное множество точек (рис. 7.2 и 7.3). Задание траектории сканирования связано не только с заданием множества точек, «посещаемых» центром [х0, у0] при своем движении, но и с заданием во времени последовательности этого «посещения». Задание траектории сканирования может быть осуществлено параметрически: x0 = x0(z), Уо=Уо(г), или в виде явных или неявных функций в прямоугольных или полярных координатах.

При непрерывном законе сканирования положение центра определится его скоростью. движения K(z) и исходным положением (хоаЧ, уГ):t

о

Рис 7 3 Основные углы визирования сканирующей ОЭСИТ

^о(0=^Г + 1^(г)^,

О

где У^Угх^Угх.

В основном сканирующие ОЭСИТ имеют непрерывную или частично непрерывную траекторию сканирования (рис. 7.2, а—з). В сканирующих системах с дискретной траекторией сканирования (рис. 7.2, и) чаще всего процесс сканирования осуществляется путем переключения в определенном порядке элементов из набора приемников излучения или световодов. Ниже будет рассмотрена система с дискретным законом сканирования, реализованная с помощью одного приемника излучения и оптико-механического сканирующего устройства с дискретным законом сканирования.

Большинство сканирующих систем осуществляет регулярное, т. е. периодически повторяющееся в пространстве и во времени, сканирование поля и имеет постоянную траекторию сканирования в процессе работы.

Частично непрерывные траектории (рис. 7.2, в, г) могут быть реализованы с различной последовательностью сканирования. В частности, построчная траектория может быть реализована (например, с помощью барабана Вейлера) не с последовательным, а с произвольным во времени просмотром строк (как показано на рис. 7.2, г). Если вдоль всей траектории сканирующее пятно движется в прямом и обратном направлениях, т. е. для каждой точки траектории существует сканирующее пятно с противоположно направленным вектором движения, то такую траекторию будем называть возвратной. В частности, если движение сканирующего пятна поступательное, то траектория будет возвратно-поступательной (рис. 7.2, б, з). 166

Траектории сканирования могут быть замкнутыми и разомкнутыми. Для последних можно определить начало (и) и конец (к) траектории. Замкнутые траектории (рис. 7.2, е, ж) не имеют начала и конца, в них любая точка может быть принята за начало траектории, эта же точка будет и концом траектории.

Кривую, образованную при непрерывной траектории сканирования, можно оценить длиной L. Длина частично непрерывной кривой сканирования равна сумме длин кривых, составляющих всю кривую. Траекторию сканирования будем оценивать также ее проекциями на ортогональные оси х и у; Lx и Ly (рис. 7.3). Для круговых траекторий Lx = Ly при любом расположении осей х и у.

Период сканирования поля тк, который имеет место при регулярном сканировании,— время, в течение которого сканирующее пятно проходит всю траекторию сканирования и возвращается в начальную точку. При равномерном непрерывном движении сканирующего пятна для невозвратных траекторий tk = L(V, для возвратных тк = 2£/К Построечную траекторию иногда характеризуют периодом строки, т. е. временем просмотра одной строки и перехода к началу следующей строки.

Как видим, понятие периода сканирования включает в себя не только время просмотра температурного поля вдоль траектории сканирования т^ но и время возвращения "сканирующего пятна в начальную точку т®. Величина т° определяется или временем обратного хода (в электронно-вакуумных системах), или временем холостого сканирования (в оптико-механических системах, например в системе с зеркальным барабаном). Аналогично обстоит дело и со строчным периодом.

В общем случае можно ввести понятие «степень холостого сканирования» системы, определяя его отношением % = Тк/тк = = Tk/(t,+Tk), и оценивать его в процентах тк (или тс). Для электронно-вакуумных сканирующих систем % = 1 — 5%, для оптико-механических х — 5 — 20%.

Подобно точечным ОЭСИТ сканирующие системы удобно оценивать показателями визирования, причем сканирующие системы можно оценить следующими показателями: мгновенного и интегрального визирования, а также показателями полного визирования по осям х и у. Первый оценивает как бы «точечные» свойства, а остальные — интегральные сканирующие свойства системы.

Показатель мгновенного визирования р — отношение линейного размера сканирующего пятна d к расстоянию до картинной поверхности R; p = d! R. Для неизотропных систем имеют место два показателя мгновенного визирования: px = dj R и py = dy;R, где dx, dy— линейные размеры сканирующего пятна в ортогональных направлениях.

° к о 95 ° я с е-* У § S ” о+|«оcdIIф> ВО о cdфйа58S ао’S 3 лч# 3"sT "аН3л ЕСач о £>s Sо ч с"ъ jft;opЙ нJI* Vl* -="1 =00ВОВОЙcdЙIIIIIIоО сс = о с5- О : о++Ci ^II11"a "o' + + ci ciII II < 4м О S5 ЯЙ ч дS & о-X я о и М Eks+IIЧ4"a= +114л 2 «5 о яР я g $ v д* О S==;II ч"а "атз "QII II II II3 SЙ оК SНо ОнО ОS яоО/о8 Q° к о 95 ° я с е-* У § S ” о+|«оcdIIф> ВО о cdфйа58S ао’S 3 лч# 3"sT "аН3л ЕСач о £>s Sо ч с"ъ jft;opЙ нJI* Vl* -="1 =00ВОВОЙcdЙIIIIIIоО сс = о с5- О : о++Ci ^II11"a "o' + + ci ciII II < 4м О S5 ЯЙ ч дS & о-X я о и М Eks+IIЧ4"a= +114л 2 «5 о яР я g $ v д* О S==;II ч"а "атз "QII II II II3 SЙ оК SНо ОнО ОS яоО/о8 Q

° к о 9

5 ° я с е-* У § S ” о

+|«

о

cd

II

ф

> ВО о cd

фй

а

58

S а

о

’S 3 л

ч

# 3

"sT "а

Н

3

л ЕС

а

ч о £

>s S

о ч с

"ъ jft;

op

Й н

JI* Vl* -="1 =

00ВОВО

ЙcdЙ

IIIIII

о

О с

с = о с

5- О : о

++

Ci ^

II11

"a "o' + + ci ci

II II < 4

м О S

5 Я

Й ч д

S & о-

X я о и М Eks

+

II

Ч

4

"a= +

11

4

л 2 «

5 о я

Р я g $ v д

* О S

==;

II ч

"а "атз "Q

II II II II

3 S

Й о

К S

Н

о Он

О О

S я

о

О/

о

8 Q

° к о 9

5 ° я с е-* У § S ” о

+|«

о

cd

II

ф

> ВО о cd

фй

а

58

S а

о

’S 3 л

ч

# 3

"sT "а

Н

3

л ЕС

а

ч о £

>s S

о ч с

"ъ jft;

op

Й н

JI* Vl* -="1 =

00ВОВО

ЙcdЙ

IIIIII

о

О с

с = о с

5- О : о

++

Ci ^

II11

"a "o' + + ci ci

II II < 4

м О S

5 Я

Й ч д

S & о-

X я о и М Eks

+

II

Ч

4

"a= +

11

4

л 2 «

5 о я

Р я g $ v д

* О S

==;

II ч

"а "атз "Q

II II II II

3 S

Й о

К S

Н

о Он

О О

S я

о

О/

о

8 Q

Показатель интегрального визирования р— отношение длины траектории сканирования к расстоянию до картинной поверхности: P = ^L + dYiR.

Показатели полного визирования по осям х и у— отношения проекций длины траектории сканирования на ортогональные оси Lx и Ly к расстоянию до картинной поверхности: Px = lLx-Vd^iR и Py = (Ly + d^R для изотропных систем и Рх = \Lx + dx)/R и Py—{Ly+dy)/R для неизотропных систем.

Эти параметры инвариантны к расстоянию до картинной поверхности, т. е. p = dj Rt=d2j R2 = dj R, P = ^L1 + d1^ j Rt = = (L2 + d2) / R2 = (L + d')l R и т. д. (см. рис. 7.1).

Некоторые системы удобнее оценивать угловыми параметрами мгновенного и интегрального визирования, а также углами полного визирования на осях х и у (рис. 7.3). Определение этих параметров проведем с помощью табл. 7.1. Отметим, что угловые оценки могут быть пространственными и плоскими, причем плоский угол интегрального визирования (6 = arctg (£//?)) есть фиктивный угол, образованный катетом, равным длине траектории, и другим катетом, равным R. Оценки телесных углов зрения, приведенные в табл. 7.1, являются приближенными; их точное выражение связано с измерением площади части сферической (а не плоской) поверхности, ограниченной d или LxxL (см. рис. 7.3). Кроме того, при d«;R hL«R имеем P«v, РХ^9Х и Ру«9у.

Разрешающая способность Г сканирующей ОЭСИТ в общем случае может быть определена как отношение показателя интегрального визирования к показателю мгновенного визирования: V = ^LA-d^j d. Это есть полная разрешающая способность (линейная), т. е. определенная по всей длине сканирования. Для неизотропных систем полную разрешающую способность целесообразно определять по размеру сканирующего пятна, измеренному вдоль траектории сканирования, т. е. Vv-^LA-dv^ldv. В системах, в которых удобнее определять угловые параметры, полную разрешающую способность можно определить по углам интегрального и мгновенного визирования, измеренным соответственно в плоскости траектории или в пространстве: Tv = 0/v и Гю = П/(о для изотропных систем и Fv = 0/vK и Гш = П/(о для неизотропных систем (см. табл. 7.1).

Кроме того, несимметричное изотропное сканирование можно оценить разрешающей способностью по взаимно перпендикулярным осям: Tx = ^Lx-yd^d и Гу = (£у+ d})d. По тем же осям несимметричные неизотропные системы сканирования оцениваются в вйде Гх = (£х + ^х)/dx, Ty^Ly+d^j d^ Так, например, строчная траектория оценивается разрешающей способностью в направлении, перпендикулярном строке, равной единице. Кольцевая и спиральная траекторий (см. рис. 7.2, е, з) имеют одинаковую разрешающую способность по осям х и у. При 168

дискретном сканировании (см. рис. 7.2, и) разрешающая способность системы равна числу просматриваемых точек поля.

Кроме того, системы с построчным сканированием характеризуют числом строк, а системы со спиральным сканированием— числом витков. При этом могут быть неодинаковыми оценки разрешающей способности по числу строк (числу витков) и по ортогональным формулам: rv = (Lv + <7v)/ dr Это возникает за счет того, что построчное и спиральное сканирование может осуществляться пятном d с различной скважностью h (см. рис. 7.2).

Если h<dVv» то имеет место перекрытие пятен сканирования при их движении вдоль соседних строк или витков; если h>dVi, то строки будут следовать с «зазором». В результате при h<dVL Гу больше числа строк, при h>dvv Гу меньше числа строк.

Степень перекрытия строк будем оценивать отношением щк± — ^) / dvv • Если пятна перекрываются, то степень перекрытия положительна; если пятна проходят с «зазором» относительно друг друга, то степень перекрытия отрицательна. Аналогичным образом можно ввести понятие степени перекрытия для дискретного сканирования. Необходимо отметить, что степень перекрытия может быть неодинакова для различных точек траектории (например, для траектории, показанной на рис. 7.2, д).

Одним из важнейших параметров сканирующей ОЭСИТ, как и любой контрольно-измерительной системы, является быстродействие системы, т. е. быстродействие обработки информации. Интегральное быстродействие системы характеризует период сканирования, тле. время, необходимое для того, чтобы провести цикл исследования и быть готовым к следующему циклу. Однако иногда (например, при использовании системы не для полного, а для части цикла сканирования) более важно оценить систему параметром локального быстродействия, т. е. быстродействием обработки информации в точке или просто быстродействием в точке.

Быстродействие в точке тэл— время, в течение которого система контролирует температуру одного элемента поля, т. е. для "систем с непрерывным сканированием — время перемещения сканирующего пятна на расстояние, равное размеру сканирующего пятна dv; тэл = (/к/Е(Е= const). При % = 0 тк = Гтэл. В общем случае тк^Гтэл, так как период сканирования, как уже отмечалось, складывается из времени контролирования поля (Гтэл) и времени «холостого хода».

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

По способу сканирования и физической сущности сканирующие ОЭСИТ можно разделить на четыре класса: механические, оптико-механические, оптико-электронные (электронно-вакуумные и полупроводниковые) и комбинированные [7.3, 7.4].

170

Рис. 7.4. Система с механическим сканированием температурного поля

Класс механических систем образуют, собственно, не сканирующие, а точечные пирометры, установленные, однако, на какую-либо платформу и перемещающиеся с ее помощью относительно объекта контроля. Выполнение сканирующего блока в этом случае определяется размерами и видом объекта контроля. Пирометры с механическим сканированием обладают малым быстродействием и находят применение при контроле объектов в основном вдоль линии.

Например, пирометр, приведенный на рис. 7.4, предназначен для контроля температурного поля слитка 7, выплавляемого на установках непрерывной разливки стали. Контроль осуществляется с помощью пирометра частичного излучения с фотоприемником 2 из кремния, область чувствительности которого соответствует окну пропускания ИК-излучения парами воды, находящимися над слитком. Для уменьшения слоя паров, через который измеряется температура, перед пирометром устанавливается труба 3 длиной 1 м, через которую производится частичный отдув паров от слитка. Охлаждающие трубу вода 4 и воздух для отдува 5 должны быть очищены от примесей. Пирометр с трубой помещается на сканирующую платформу 6, которая с помощью электропривода перемещается вдоль направляющей 7 со скоростью около 1 м/с.

Непосредственно'Сканирующие ОЭСИТ строятся по одной из пяти схем, представленных на рис. 7.5. Первые три схемы относятся к оптико-механическим, четвертая — к оптико-электронным, пятая — к комбинированным ОЭСИТ.

Первая схема (рис. 7.5, а) предусматривает использование пространственно-временного модулятора излучения для сканирования изображения объекта 7, формируемого входным объективом системы. Модулятор располагается в фокальной плоскости объектива 5 и работает на пропускание излучения. Проходящее через модулятор излучение собирается с помощью дополнительной оптической системы 12* на точечный приемник излучения 7. Эта схема обеспечивает постоянство линейных параметров визирования (см. рис. 7.1-, б).

Рис. 7 5 Пять схем построе-Рис. 7 5 Пять схем построе-“5- МОДУЛЯТ°Р°М распределения, б—с «внешним» сканирующим устройством в—с <<bhv- комбииированным сканированием, 1 -объект, 2-светоотбирающий элемент }1сканиру- 7 точечный приемник излучения, 8—зеркальце, 9—вспомогательный объектив визира, 13 сканирующий приемник излучения,

Рис. 7 5 Пять схем построе-

Рис. 7 5 Пять схем построе-

В качестве сканирующего устройства в системах, выполненных по первой схеме, практически используются лишь оптикомеханические квазистатические пространственные модуляторы: диск Нипкова, бесконечная лента с отверстиями и т. д. (см. § 2.3).

Такие системы имеют большие габаритные размеры и невысокую разрешающую способность. Возможно выполнение по данной схеме сканирующих ОЭСИТ с оптико-электрическими модуляторами излучения.

Исторически первым прибором, выполненным по первой схеме, был сканирующий пирометр с использованием в качестве модулятора диск Нипкова.

Фирмой Instrument Development (США) разработан сканирующий пирометр на базе промышленного автоматического яркостного пирометра «Piro-650» с использованием модулятора излучения в виде бесконечной ленты с отверстиями. В этом приборе изображение теплового поля проектируется объективом на катод фотоумножителя с большой площадью фотокатода. Перед ФЭУ в фокальной плоскости объектива располагается «бесконечная» лента с отверстиями. При движении этой ленты отверстия сканируют поле построчно (с периодом 1/30 с). Диапазон измеряемых температур 2000—5000° С (с тремя поддиапазонами).

Во второй схеме построения сканирующих ОЭСИТ (рис. 7.5, б) сканирующее устройство устанавливается перед входным объективом системы (между объектом и объективом), обеспечивая «внешнее» сканирование. При этом сканирующее устройство является дефлектором излучения.

В качестве сканирующего устройства здесь используются качающиеся зеркала, вращающиеся многогранные призмы, зеркальные многогранные барабаны, оптические клинья и др. (см. гл. 2). Вторая схема обеспечивает постоянство угловых параметров визирования (см. рис. 7.1, а).

ния сканирующих ОЭСИТ

тренним» сканирующим устройством, г—со сканирующим приемником излучения, д—с ющее устройство, 4— входная апертура, 5—входной объектив, 6—полевая апертура, 10 — матовое стекло визира, //—окуляр, 12—собирающая оптическая система, 14 — вспомогательный источник излучения

Системы, построенные по второй схеме, работают в параллельном пучке лучей. При этом к объективу не предъявляется жестких требований в угле полного визирования системы, так как лишь в пределах угла мгновенного визирования он должен обеспечить хорошее качество изображения. Кроме того, расположение сканирующего блока до объектива ОЭСИТ исключает дополнительные аберрации в оптическом тракте системы, что позволяет выполнять сканирование в пределах больших углов (до 40—50 ).

Еще одно преимущество данной схемы построения заключается в том, что она позволяет использовать имеющиеся промышленные разработки точечных ОЭСИТ для построения их сканирующих аналоюв. Для этого достаточно разработать сканирующее устройство, установить его перед выбранным точечным прибором, не меняя конструкцию последнего.

Таким путем изготовлена сканирующая ОЭСИТ на базе отечественного пирометра спектрального отношения «Спектро- пир» [7.5] В ней сканирующая приставка выполнена в виде вращающегося зеркального шестигранного барабана, осуществляющего однострочное сканирование. Вместо простого зеркального барабана был использован также зеркальный барабан Вейлера, обеспечивающий построчное сканирование. Однако число зеркал в этом барабане, а следовательно, и число строк сканирования трудно сделать большим (в данной разработке оно составляло 24). Это ограничение связано с увеличением габаритов при увеличении числа зеркал на барабане

В рассматриваемой системе (рис 7.6) поток энергии от объекта 22 отражается от плоского зеркала барабана 6 и проходит на вход пирометра «Спектропир».

Блок визирования пирометра состоит из зеркала 11, проектирующей линзы 12 и окуляра 15. Они позволяют рассматривать изображение точки объекта в плоскости полевой диафрагмы 17 при визировании пирометра на объекте.

Основной недостаток второй схемы построения ОЭСИТ заключается в больших габаритах сканирующего устройства, что в свою очередь снижает быстродействие прибора и приводит к его усложнению Расположение объектива за сканирующим блоком также усложняет процесс изменения полного угла визирования системы, так как для этого необходимо менять параметры сканирования, а не объектив.

Несмотря на указанные недостатки с внешним сканированием выполнены многие современные ОЭСИТ, в том числе японские термовизоры типа Thermo Tracer (фирмы NEC San-ei Instr., Ltd.), описание которых дано в следующем параграфе.

Третья схема (см. рис. 7.5,«) предусматривает установку сканирующего блока между объективом и точечным приемником излучения («внутреннее» сканирование). Сканирующий блок 174

Рис 7 6 Принципиальная схема ОЭСИТ на базе точечного пирометра спектрального отношения типа «Спектропир» с использованием сканирующего зеркального барабана

I оптико-механическая сканирующая приставка, 2—оптическая головка пирометра «С пекгропир-8», 3- выходное устройство, 4—блок синхронизации, 5 —двигатель, 6 — зеркальный барабан, 7 8 16 защитные стекла, 9—объектив, 10 апертурная диафрагма, //—зеркало, 12, 15 18—линзы, 13- стекло, 14 — диафрагма, 17 -полевая диафратма /9—интерферационный светофильтр, 20 21 — приемники излучения, 22 — объект, 23 траектория сканирования, 24 сканирующее пятно

перемещает изображение температурного поля относительно приемной площадки фотоприемника или полевой диафрагмы, установленной перед приемником. Эта схема обеспечивает постоянство линейных параметров визирования. В качестве сканирующего блока в этом случае могут быть использованы оптико-механические или электрооптические дефлекторы (см. гл. 2).

Системы, выполненные по третьей схеме, обладают малыми габаритными размерами сканирующих блоков. Кроме того, в них легко осуществлять изменение угла полного визирования (и мгновенного соответственно) путем смены объектива или его части (линзовой насадки). Последнее преимущество широко используется в промышленных разработках тепловизоров (см. § 7.3).

Недостатком системы этого типа является возникновение значительных аберраций и дефокусировки в фокальной плоскости объектива в результате взаимодействия фокусируемого потока с расположенными на его пути сканирующими элементами системы В результате требования к объективам в этих системах значительно повышаются, и во многих случаях приходится разрабатывать специальные меры для улучшения качества изображения объективов при сканировании [7.6].

По третьей схеме выполнены широко распространенные термовизоры фирмы AGA (AGEMA), а также советские тепловизоры типа АТП и ТВ. Их описание приводится в § 7.3.

175

Рис. 7.7. Принципиальная схема сканирующего радиометра «Термопрофиль»

В некоторых случаях реализуется комплексная схема построения ОЭСИТ с признаками, присущими второй и третьей схемам. Кроме того, сканирование иногда осуществляют путем вращения или колебания всего входного объектива или некоторых его частей.

Последняя схема реализована в системе «Термопрофиль» шведской фирмы AGA, осуществляющей контроль температуры вдоль линии. В этой системе (рис. 7.7) сканирование производится путем вращения вокруг вертикальной оси ИК линзового объектива 2. На оси его вращения установлена призма 6, которая направляет поток от объекта к охлаждаемому жидким азотом приемнику излучения 11 (в рабочем режиме) или в телескопический визир (в процессе наведения системы). Визир состоит из зеркала 3 и линзы визира 4. Вместо визира можно устанавливать объектив 7 с излучателем 8 и подсвечивать с его помощью траекторию сканирования на объекте.

При вращении призмы на приемник излучения последовательно проходит излучение от объекта и эталонного источника 8. В результате после усиления формируются рабочий 10 и эталонный 9 сигналы, которые воспроизводятся на экране ЭЛТ в виде двух линий. Положение эталонной линии на экране устанавливается с помощью специального потенциометра со шкалой, проградуированной в градусах. Линия 10, соответствующая температурному профилю объекта, также может перемещаться по экрану с помощью потенциометра, по шкале которого можно считывать абсолютные значения температуры в различных точках траектории сканирования. В измеряемом поддиапазоне температур зависимость выходного сигнала от температуры линеаризована.

Система имеет следующие параметры: диапазон измеряемых температур 20—600° С; минимальная регистрируемая разность температур 0,1° С; траектория сканирования — однострочная; 176

Рис. 7.8. Компенсация неравномерности чувствительности СПИ с помощью зеркальной камеры Ульбрихта

период сканирования 1/25 с; угол мгновенного визирования 1,14°; угол полного визирования 80°.

По четвертой схеме (см. рис. 7.5, г) реализуются ОЭСИТ со сканирующими приемниками излучения (СПИ): электронно-вакуумными или полупроводниковыми приборами (см. гл. 2). В таких системах сканирование осуществляется внутри приемника излучения (электронным лучом, электрическим полем и т. д.). В системах этого типа обеспечивается постоянство линейных параметров визирования.

Отсутствие в ОЭСИТ, выполненных по четвертой схеме, механических сканирующих элементов дает возможность реализовать в них большие скорости сканирования, высокую разрешающую способность и повышенную надежность (особенно в полупроводниковых приборах) при малых габаритных размерах. Без сомнения, эти приборы наиболее перспективны. Однако сегодня они обладают существенным недостатком, вызванным неравномерностью и непостоянством чувствительности по полю приемника излучения. Так, например, в- диссекторах неравномерность чувствительности по полю фотокатода превышает 10%, в лучших ПЗС-приборах—5—10% и т. д. [7.7]. Кроме того, многие СПИ обладают нестабильностью спектральной характеристики.

Большинство систем этого класса оценивают температуру по интенсивности излучения в узком спектральном диапазоне, обусловленном спектральной чувствительностью СПИ, т. е. выполнены по схеме ОЭСИТ частичного излучения и рассчитаны на применение в условиях известного и постоянного коэффициента излучения объекта. Это ограничивает применение этих приборов.

В связи с отмеченными особенностями СПИ для данных систем насущными являются проблемы выравнивания чувствительности и разработки схем многоцветовой пирометрии.

Рассмотрим одну из систем с компенсацией неравномерности по полю и нестабильности во времени чувствительности передающей телевизионной трубки, используемой в качестве приемника излучения в сканирующем пирометре [7.7]. Система (рис. 7.8) состоит из объектива 2 и камеры 3 с внутренним 177

12-3219

зеркальным покрытием (камеры Ульбрихта), обеспечивающей равномерную засветку фотокатода СПИ 5 потоком от объекта 7. В камере Ульбрихта в двух диаметрально противоположных отверстиях расположены объектив и фотокатод СПИ, в третьем отверстии расположен источник 4 эталонного модулированного излучения. Частота модуляции /м излучения выбирается большей (5-?-10/тэл, где т —время сканирования одной точки поля. В результате на фотокатоде кроме изображения температурного поля формируется равномерно распределенная фоновая засветка, модулируемая по интенсивности.

Кроме видеоусилителя система имеет избирательный усилитель 7, настроенный на частоту модуляции источника /м, систему автоматического регулирования усиления б и регистрирующее устройство 8. Таким образом, если в данной точке фотокатода чувствительность понижена по сравнению с номинальной, сигнал с выхода усилителя 7 будет меньше номинального и система б увеличивает коэффициент усиления путем воздействия на видеоусилитель или на параметры трубки. В качестве излучателя модулируемого потока может быть использован полупроводниковый лазер с внутренней модуляцией, обладающий высокими динамическими (/м может быть равна 108 Гц) и эксплуатационными характеристиками.

Для выравнивания чувствительности фотокатода СПИ применяются также схемы, в которых в каждый цветовой канал введены усилители, коэффициент усиления которых изменяется пропорционально корректирующему сигналу. Такая схема обеспечивает достаточно хорошее согласование чувствительности в каждой точке растра, компенсируя большинство постепенных равномерных изменений чувствительности при помощи специально генерируемых колебаний. Однако применение таких способов коррекции приводит к чрезмерному усложнению ОЭСИТ при большом числе элементов СПИ.

ОЭСИТ спектрального отношения на основе СПИ могут быть выполнены по двум схемам (подобно точечным пирометрам): с одним СПИ и дихроичным коммутатором или с двумя СПИ и дихроичным разделением оптического сигнала (рис. 7.9). При этом коммутатор оптического потока может быть выполнен оптико-механическим или оптико-электрическим [7.8, 7.9]. Для того чтобы реализовать основные преимущества пирометров на СПИ (большое быстродействие и высокую разрешающую способность), необходимо применять оптико-электрическую коммутацию потоков. Однако при этом возникает ряд трудностей, связанных с передачей оптического сигнала через модуляторы без искажений. Обычно неравномерность отношения ' чувствительности в различных спектральных диапазонах меньше неравномерности интегральной чувствительности по полю фотокатода. Поэтому ОЭСИТ, выполненные по схеме с 178

Рис. 7.9. Схемы построения сканирующих ОЭСИТ спектрального отношения с использованием сканирующих приемников излучения:

а—с оптико-механическим дихроичным коммутатором, б—с оптико-элек i рическим дихроичным коммутатором, в—с двумя СПИ и полупрозрачным зеркальным разделителем (7 — дихроичный коммутатор, 2, J- светофильтры, 4—блок синхронизации, 5, 5'— сканирующие приемники излучения, 6, 6 —отклоняющие системы, 7—блок коммутации, Я — двухканальный усилитель, 9, 16— вычислительные блоки, 10—полупрозрачные зеркала, 11, 13— электрооптические модуляторы, 12— зеркала, 14— генератор отклоняющих напряжений; 15, 15’ — усилители)

одной трубкой и дихроичным коммутатором, имеют меньшие искажения информации по полю, чем энергетические ОЭСИТ, а также ОЭСИТ спектрального отношения, выполненные с двумя трубками.

При развертке изображения температурного поля в двух СПИ (рис. 7.14, в) необходимо иметь достаточно точное совпадение линий разверток изображения, чтобы сканирование происходило одновременно в двух спектральных диапазонах по

179

одним и тем же точкам объекта. Если такого совпадения развертки не будет, то может быть внесена существенная ошибка в измеряемую температуру. Совмещение развертки в таких устройствах достигается путем прецизионной юстировки деталей в оптической системе, узлах отклонения и в самих приемниках излучения. Отклоняющие системы питаются от одного генератора развертки. Добавочные схемы отклонения обеспечивают согласование между двумя осями отклонения СПИ. Отдельные регулировки размера, линейности, центровки и перекоса, а также механический поворот отклоняющих систем обеспечивают дополнительные регулировки отклонения для достижения совмещения. Геометрические соотношения в оптической системе должны быть выдержаны очень точно при сборке системы [7.10].

И, наконец, пятая схема (рис. 7.5, д), в настоящее время наиболее интенсивно разрабатываемая, использует как оптикомеханическое сканирование, так и сканирующий приемник излучения. В качестве последнего используются полупроводниковые многоэлементные приемники инфракрасного излучения, в основном—линейки ПЗИ или ПЗС приборов. Преимущественная разработка систем этого типа объясняется тем, что построить ОЭСИТ, удовлетворяющие заданным требованиям точности и быстродействия, полностью по четвертой схеме (на основе оптико-электронных трубок или многоэлементных полупроводниковых приемников) не удается в связи с неравномерностью чувствительности в СПИ. Частично же приблизиться к желаемым характеристикам можно, используя.линейки ИК-приемников излучения (с 10—64 элементами) с улучшенной равномерностью чувствительности и со специальными цифровыми схемами коррекции неравномерности. Такие системы успешно разрабатываются в тепловидении (см. § 7.3).

В заключение рассмотрим особенности построения устройств визирование для всех пяти схем построения сканирующих ОЭСИТ (см. рис. 7.5). С помощью устройства визирования обеспечивается наведение системы на объект, т. е. совмещение траектории и пятна сканирования с определенными зонами объекта. Желательно, чтобы устройство визирования работало без параллакса относительно канала измерения. Для этого оптическую ось канала визирования совмещают с оптической осью входного объектива. Если входной объектив пропускает излучение в видимой части спектра, то для визирования используют входной объектив, за которым устанавливают светоотбирающий элемент. В качестве светоотбирающего элемента могут быть использованы стационарные элементы: полупрозрачное зеркало или микрозеркало, а также убирающееся зеркало.

В большинстве случаев с помощью визира обеспечивают угол обзора, равный углу полного визирования системы или 180

немного больший него. При этом траекторию сканирования наносят на матовое (или прозрачное) стекло, которое совмещают с фокальной плоскостью объектива визира, и с помощью окуляра рассматривают изображение объекта контроля совместно с траекторией сканирования.

В некоторых сканирующих ОЭСИТ, в частности в системах, построенных по второй схеме, обеспечивают локальное визирование, т. е. в глаз оператора проектируют только ту часть объекта, которая в данный момент времени контролируется системой (сканирующее пятно). Такое визирование возможно при пропускании объективом и сканирующим устройством видимого Глазом излучения. С помощью локального визирования труднее ориентироваться относительно всего объекта, однако можно более точно навести систему на определенные зоны объекта. Кроме того, такое визирование устраняет неточности настройки во всем оптическом блоке.

Используется также так называемое активное визирование, т. е. локальное наведение на объект луча маломощного лазера или какого-либо другого источника света, оптическая ось которого совмещена с оптической осью прибора. Наиболее удобно применить это визирование для ОЭСИТ, реализуемых по второй схеме (см. рис. 7.5, б). Здесь лазерный луч от источника 14 (установленного вместо элементов 8—77) с помбщью светоотбирающего элемента 2 и сканирующего блока 3 направляется на объект. В результате реальные (с аберрациями) точки сканирования можно наблюдать визуально на объекте, что часто более удобно для работы, чем визирование через окуляр. Подобное визирование реализовано в цифровом сканирующем пирометре с дискретным законом сканирования, описанным в § 7.3.

ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

Тепловизоры

Основную часть сканирующих ОЭСИТ составляют тепловизоры, которые называют также термовизорами, термоскопами, инфравизорами, анализаторами температурного поля и т. д. Они осуществляют контроль, измерение и визуализацию температурных полей, а также цифровую обработку информации. На последнюю функцию тепловизоров в настоящее время обращают особое внимание разработчики. Температурный диапазон, перекрываемый тепловизорами, непрерывно расширяется. Если ранее [7.1I] ориентировались на температуры —20—+ 100° С, то сейчас тепловизоры перекрывают диапазон —50—НЗООО° С. Расширяются и области их применения: медицина, микроэлектроника, машиностроение, строительство, металлургия, метеорология, космические исследования и т. д.

Конструктивно тепловизоры состоят из двух основных частей: оптической термочувствительной камеры и устройства воспроизведения и обработки информации.

В оптической камере с оптико-механическим сканированием располагаются входной объектив, сканирующее устройство, один или несколько приемников излучения, модулятор потока излучения, синхроузлы, предусилитель, визир и др. В оптикоэлектронных системах сканирующее устройство объединено с приемником излучения в СПИ.

Оптико-механическое сканирующее устройство, как уже отмечалось, может устанавливаться как до, так и после объектива. Каждая схема установки имеет свои преимущества и недостатки, описанные в § 7.2. Промышленно освоенные ОЭСИТ строятся как с внешним, так и с внутренним сканированием.

В блок воспроизведения и обработки информации входят черно-белый и/или цветной монитор, электронные блоки формирования видеосигналов, отклоняющих напряжений и других сигналов, цифровое устройство обработки информации (в последних разработках — персональный компьютер), панель управления режимами работы тепловизоров и т. д.

Кроме указанных двух основных блоков в состав многих тепловизоров входят сменные объективы или линзовые насадки, оптические фильтры и зеркала, эталонные излучатели, фотоаппаратура, видеомагнитофон, регулятор температуры оптической камеры, печатающее устройство, тележка и подставка для оптической камеры, устройство подачи жидкого азота, кабельный удлинитель и др.

К тепловизионным системам в настоящее время предъявляются требования, приближающиеся к телевизионным, в частности: по разрешающей способности «105 элементов («500x 500 элементов), по быстродействию просмотра поля — не хуже 1/16 с, по пороговой температурной чувствительности— не хуже 0,Г С [7.12, 7.13].

Построить полностью немеханические системы, обеспечивающие эти характеристики, пока не удается. Еще не созданы ни многоэлементные матричные приемники излучения, ни вакуумные передающие трубки, способные удовлетворить указанным требованиям. Хотя имеется надежда в ближайшее время построить такие приборы на монолитных кремниевых ПЗС- структурах. В [7.14] анализируются предельные характеристики таких структур и указывается на возможность создания многоэлементных (до 256 х 256 элементов) матричных приемников излучения на диодах Шотки, чувствительных в диапазоне длин волн 3—5 мкм и имеющих хорошую равномерность чувствительности по элементам матрицы (до 0,5% в среднем) и высокую пороговую чувствительность («0,1 К) при времени 182

накопления сигнала, равном длительности телевизионного кадра. Однако диоды Шотки при этом приходится охлаждать до температур, равных 80 К при работе в диапазоне 3—5 мкм и 40 К при работе в диапазоне 8—14 мкм.

Второе направление реализации немеханических тепловизоров связано с развитием пировидиконов [7.15, 7.16]. Пироэлектрические приемники обладают одним замечательным свойством— они не требуют охлаждения при работе. Однако они обладают и рядом недостатков: невысоким температурным и геометрическим разрешением (эти параметры связаны обратно пропорциональной зависимостью), потребностью в термостабилизации мишени, высокой чувствительностью к вибрациям. Кроме того, так как пироэлектрики реагируют только на изменение падающего потока излучения, для них необходимо создавать динамический режим работы или панорамированием теплового потока по мишени, или прерыванием (модуляцией) этого потока. Эти недостатки устраняют с помощью современной цифровой техники и схем покадрового накопления и обработки видеосигнала [7.15].

В настоящее время в ряде стран осуществляют серийный выпуск тепловизиров первой группы на основе пировидиконов, в том числе во Франции — анализаторов температуры поверхности ATS 625 (фирма HGH Ingenierie Systemes Infrarouges) и в Англии — термических камер фирмы EEV.

Приведем характеристики английской портативной термической камеры Р4430 фирмы EEV: приемник излучения — пировидикон типа Р8092; спектральная чувствительность 8—14 мкм (определяется объективом); разрешающая способность — 200 линий при пороговой температурной чувствительности около 2° С (в режиме прерывания) или около ГС (в режиме панорамирования); видеовыход — стандартный телевизионный (на 625 или 525 строк) с цифровым преобразователем; объектив — германиевый с Е=50 (или 75 мм при 0 = 0,75), обеспечивающий полный угол визирования 18° (или 12°), с ручной фокусировкой и диафрагмированием; отображение температурного поля—на ЭЛТ с размером экрана по диагонали 40 мм, установленной на обратной стороне камеры; питание — от сети или от батареи; размеры (без ручки) 160x270 мм; масса (без батареи и дополнительного объектива) 3,6 кг; механические характеристики: допустимое ускорение — до 2g при /= 1 = 3 Гц и 0,5g при /=15 = 40 Гц.

Вторая группа тепловизоров, интенсивно разрабатываемых и промышленно осваиваемых в настоящее время, используют оптико-механическое сканирование и многоэлементные приемники излучения (рис. 7.5, 0). Эта схема позволяет приблизиться к желаемым параметрам тепловизоров путем одновременного приема ИК-излучения от объекта с помощью N элементов 183

Рис. 7.10. Схема базового тепловизора серии «Радуга» приемника. В качестве последнего используют охлаждаемые фотодиоды на основе полупроводниковых структур из InSb или CdHgTe. Первый обеспечивает чувствительность в диапазоне длин волн 3—5 мкм, второй — в диапазоне 8—14 мкм. Второй имеет почти в 10 раз меньшую постоянную времени.

Как уже отмечалось, существенным недостатком этих приемников является большая (более 10%) неравномерность и непостоянство чувствительности элементов в матрице. Однако эта проблема сравнительно легко решается с помощью цифровой запоминающей техники при малом числе (^50) элементов матрицы и малом динамическом диапазоне изменения температуры объекта. Для этого вводят режим калибровки приемника излучения, во время которого на каждый элемент матрицы подают эталонный поток ИК-энергии, выходные сигналы всех элементов запоминают и по ним регулируют коэффициент усиления в каждом канале. Калибровка производится перед началом работы тепловизора, а также периодически в процессе его эксплуатации. (Осуществить такую калибровку для матрицы с большим числом элементов чрезвычайно трудно.)

В настоящее время создано несколько тепловизоров этой группы [7.12, 7.17—7.19]. Они имеют приблизительно одинаковые показатели по быстродействию (7к = 0,04 4-0,02 с), разрешающей способности («150 х 150 элементов) и пороговой температурной чувствительности (0,1—0,2 К).

В [7.20] описан тепловизор, обладающий повышенным порогом температурной чувствительности (0,02 К при 20° К) и высоким пространственным разрешением («200 х 256), однако он имеет малое быстродействие (Tfc=lc). В нем используются 64-элементный линейчатый приемник излучения с инжекцией заряда и зеркальный барабан Вейлера с 12 гранями. Цифровая 184

обработка позволяет осуществлять широкий круг функциональных преобразований над тепловым изображением.

Промышленностью освоен серийный выпуск тепловизоров из ряда «Радуга» [7.18. 7.21, 7.22]. Остановимся более подробно на его исполнении и характеристиках. Базовыми модулями тепловизоров этого ряда являются оптический и электронный (рис. 7.10). В оптическом модуле установлено сканирующее устройство в виде зеркальной вращающейся пирамиды 7. Зеркала этой пирамиды наклонены под различными углами к оси ее вращения, обеспечивая полный угол обзора 18° по вертикали. Оптический поток фокусируется зеркальным объективом 5 на 11-элементный фотодиодный приемник излучения 6, охлаждаемый жидким азотом. На пути потока установлен модулятор излучения 3 со специальными отверстиями для рабочего и вспомогательного потоков излучения. С помощью последнего в блоке 2 формируются синхроимпульсы. После усиления в блоке предусилителей 7 рабочие сигналы поступают на аналоговый коммутатор 8, управляемый формирователем сигналов управления 14. Для калибровки и стабилизации выходных сигналов используются навесные эталонные излучатели 4 и 4'.

В электронном модуле осуществляется обработка видеосигнала с помощью функционального преобразователя 9, АЦП 10 и цифровой системы обработки информации 13. Отображение информации производится на экране телевизора 15 (черно-белого и/или цветного), запись термограмм и другой информации— в блоке цифровой памяти 77 и на электрохимической бумаге 72. Для улучшения отношения сигнал/шум (и соответственно для уменьшения порога чувствительности) осуществляется цифровое интегрирование видеосигнала по двум или четырем кадрам с помощью ОЗУ. В тепловизоре производится также коррекция геометрических искажений, вносимых сканирующим устройством.

На экран телевизора выводятся термограмма (черно-белая или цветная), изотермы, оптический дискретный клин 10 градаций яркости или цвета, буквенно-цифровая служебная информация и т. п. Предусмотрены «электронная лупа» с выводом на весь экран части исследуемого поля, маркер, фиксирующий точку измерения температуры, а также возможность определения термопрофилей поля по ортогональным координатам и оцифровка любой точки термограммы (две последние возможности — в «Радуге-4»).

Основные характеристики базового тепловизора серии «Радуга»: диапазон измеряемых температур 20 — 200° С; порог температурной чувствительности 0,1 — 0,2° С; период сканирования 0,04 с; число строк сканирования 132; число элементов в строке 142—168; полный угол визирования 20°х18°; угол мгновенного визирования 7'; расстояние до объекта 0,4 м—оо.

185

Третья группа тепловизоров, основанных на второй и третьей схемах построения (см. рис. 1.5,6, в\ является самой обширной и наиболее освоенной в серийном производстве как в СССР, так и за рубежом [7.23—7.32]. Эти тепловизоры имеют одноэлементный приемник излучения, в большинстве случаев — фотодиод из InSb (реже — из CdHgTe), охлаждаемый жидким азотом. В эту же группу входит и тепловизор с одноэлементным пироэлектрическим приемником, не требующим охлаждения, но обладающим худшими характеристиками по быстродействию и порогу температурной чувствительности [7.16]. Тепловизоры отличаются друг от друга видом сканирующего устройства и набором функций, выполняемых в электронном модуле. Для сканирования используют колеблющиеся зеркала, вращающиеся призмы, работающие на пропускание, вращающиеся зеркальные барабаны и пирамиды, зеркальный барабан Вейлера и их сочетания. В переносных дешевых тепловизорах выполняется ограниченный набор преобразований над видеосигналом, например выделение изотерм и фиксация температуры в заданных точках, в стационарных (универсальных) — обширный спектр преобразований с использованием мощных ЦВМ.

Из отечественных тепловизоров этой группы выделим три: 1) анализатор температурного поля АТП-44; 2) тепловизор ТВ-03 и 3) комплект телевизионной аппаратуры КТА. Освоено их серийное производство для целей медицины и технической диагностики.

Анализатор температурного поля АТП-44 относится к тепловизорам серии АТП (АТП-31, АТП-34, АТП-41 и др.) [7.23— 7.26]. В них (особенно в последних разработках) широко применяется цифровая техника как для обработки информации, так и для повышения технических характеристик. Тепловизор АТП-44М этой серии выпускается промышленностью, его модификация АТП-44И также подготовлена к серийному производству. Обе модификации обладают простотой в эксплуатации, легко транспортируются, имеют сравнительно невысокую стоимость и находят широкое применение в медицине и технике.

В тепловизорах этой серии осуществляется внешнее сканирование с помощью одного зеркала, совершающего сложное пространственное движение относительно двух осей; привод этого зеркала — торсионный резонансный; объектив — зеркальный сферический, визирование—локальное с использованием рабочего объектива и окуляра. Калибровку прибора и проверку его работоспособности производят с помощью двух выносных ИК-излучателей с регулируемой температурой.

В последней модификации тепловизора АТП-44 осуществляется цифровая обработка видеосигнала и черно-белое и/или цветное воспроизведение теплового поля объекта с 186

Рис. 7.11. Схема оптической головки тепловизора ТВ-03 использованием нормального телевизионного стандарта. С помощью перемещаемой по экрану метки можно выделять на объекте точку, определять ее координаты и амплитуду цифрового сигнала в этой точке. Кроме выделения изотерм и проведения ряда локальных операций в тепловизоре происходит определение интегральных характеристик теплового поля и построение соответствующих гистограмм. Цифровая техника используется также для коррекции геометрических искажений, возникающих при переходе от синусоидального закона сканирования в оптическом модуле к линейному в тепловизионном блоке.

Технические характеристики тепловизора АТП-44М: порог температурной чувствительности— не хуже 0,2° С (при 25° С); период сканирования при измерении 2,5 с, при воспроизведении 1/25 с (телевизионный стандарт); число строк сканирования при воспроизведении 256; число элементов в строке при измерении 128; полный угол визирования 12x12°; расстояние до объекта 0,75—30 м; емкость памяти 64 кбит; приемник излучения — антимонид индия охлаждаемый; габаритные размеры и масса: оптической камеры 540 x 168 x335 мм, 12 кг; электронного модуля 470x520x220, 17 кг.

Тепловизор ТВ-03 является быстросканирующим многофункциональным тепловизором [7.27, 7.28]. Оптическая головка этого тепловизора (рис. 7.11) содержит зеркальный объектив со сменной линзовой насадкой 7 (плоское зеркало 2 и сферическое зеркало 4) и конденсатор 7. Плоское зеркало 2 этого объектива качается с помощью кулачка, совершая кадровую развертку поля с частотой 16 Гц. В сходящемся пучке объектива установлена восьмигранная вращающаяся призма 3, осуществляющая строчную развертку с частотой 1600 Гц. Приемник излучения 5 выполнен из InSb.

В последней модификации установлен приемник из CdHgTe, сделано соответствующее (на спектр 8—14 мкм) просветление оптики, а кремниевая призма 3 заменена на .германиевую. В этой модификации также проведен ряд измерений [7.28], обеспечивающих повышение качества работы тепловизора: фаски призмы 3 использованы как опорный излучатель для 187

компенсации с помощью схемы фиксации уровня дрейфа видеосигнала; разработана новая схема предусилителя б, улучшающая порог температурной чувствительности до 0,1 К; введен буферный усилитель для обеспечения работы на кабель длиной до 100 м.

В тепловизоре ТВ-03 предусмотрено выполнение с помощью цифровой техники целого ряда операций над видеосигналом: выделение изотермических зон; определение температуры в любой точке с помощью перекрестия на экране; определение максимальной, минимальной и средней температур в выбранной зоне; определение площади изотермических областей [7.27 ]. Перечень этих операций непрерывно расширяется.

Основные характеристики тепловизора ТВ-03 (в скобках указаны характеристики модификации этого тепловизора): порог температурной чувствительности 0,2 К (0,1 К); период сканирования 1/16 с; число строк сканирования 100; полный угол визирования 4,5 х 4,5° (7x7°, 2,5 х 2,5°—со сменными линзовыми насадками); приемник излучения — InSb(CdHgTe), охлаждаемый жидким азотом; спектральный диапазон принимаемого излучения 3—5 (8—14) мкм.

На базе тепловизора ТВ-03 был также разработан двухканальный тепловизор [7.29]. В нем использованы два последовательно расположенных и выполненных в едином конструктивном исполнении приемника излучения, чувствительных в областях спектра 3—5 и 8—14 мкм (см. гл. 2). Сигналы с обоих каналов вводятся в ЭВМ «Электроника-60» через блок накопления информации, который позволяет запомнить одновременно 12 кадров. Отображение информации о двух яркостных и цветовой температурах объекта производится на цветном мониторе. Следует отметить, что при использовании алгоритмов обработки сигналов с выходов обоих каналов, рассмотренных в гл. 5, возможны как минимизация методической погрешности измерения, так и формирование сигнала об излучательной способности объекта.

Комплект тепловизионной аппаратуры типа КТА по своим характеристикам близок к тепловизору ТВ-03 [7.30]. Компактность, малая масса и возможность работы от аккумуляторов делают эту аппаратуру весьма удобной для работы в заводских и полевых условиях.

Из числа зарубежных тепловизоров этой группы выделим последние разработки тепловизоров шведской фирмы AGEMA и японской фирмы NEC San-ei Instr. Они обладают высокими технико-эксплуатационными характеристиками, широкими функциональными возможностями и получили большое распространение на мировом рынке.

Тепловизор Thermo Тгасег-6Т61 (фирмы NEC San-ei Instr.) использует внешнее сканирующее устройство, состоящее из двух 188

Рис. 7.12. Схема японского тепловизора Thermo Tracer-6T61:

1 — оптическая камера; 2—устройство обработки и воспроизведения информации; 3— защитное окно; 4, 5— сканирующие плрские зеркала; 6 — объектив; 7 модулятор потока излучения; 8 — приемник излучения; 9— предусилитель; 10—гальванический привод; 7/—устройство управления фокусировкой; 12—синхроблок; 13—датчик температуры оптической камеры; 14-- усилитель-линеаризатор, 15 — видеоконтрольное устройство; 16— блок видеопамяти; 17—блок коррекции видеосигнала; 78—микропроцессорное устройство обработки информации; 19— блок управления режимами работы

колеблющихся зеркал 4 и 5 (рис. 7.12) [7.31]. Привод 10 этих зеркал магнитоэлектрический (гальванический), причем обеспечена возможность изменения периода сканирования (от 0,5 до 2 с) и масштаба сканирования (с увеличением от 1 до 5) как раздельно, так и одновременно по обеим осям. Независимое изменение масштаба очень удобно в тех случаях, когда контролируется температура продолговатых объектов.

Тепловизор Thermo Tracer-6T61 обладает повышенной разрешающей способностью (до 300 х 248 при 7К = 2 с), однако имеет среднее быстродействие (Тк = 0,54-2 с). Эта система обладает также широкими функциональными возможностями, в том числе возможностью черно-белой и 64-уровневой цветной индикации температурного поля, запоминания и воспроизведения до четырех кадров поля, увеличения масштаба индикации любой части термограммы, вычитания и оконтуривания термограмм, цветной индикации изотерм, дистанционного управления режимами, «прокрутки» изображений и т. д. Система имеет также возможность наращивания математического обеспечения с подключением к большой ЭВМ или к персональному компьютеру. Для проведения длительных измерений температуры без участия человека предусмотрен режим автоматической подачи жидкого азота к приемнику излучения.

Основные характеристики тепловизора Thermo Тгасег-6Т61: диапазон измеряемых температур — 50—2000° С (с тремя поддиапазонами: — 50^-200; 120—800; 700—2000 С); порог температурной чувствительности (при 30° С) 0,Г С; дискретность уровня температуры: 0,Г (до 100° С) и 1° (свыше 100° С); период сканирования 0,5; 1; 2 с; разрешающая способность 300 (по горизонтали) х 248 (по вертикали); полный угол визирования 30x25° (с 1—5-кратным непрерывным уменьшением по обеим осям); приемник излучения — CdHgTe, охлаждаемый жидким азотом; время непрерывной работы дозаправки жидкого 189

азота 4—5 ч; расстояние до объекта 0,15 м — оо; габаритные размеры, масса оптической камеры 177 х 140x286 мм, 7 кг; блока воспроизведения 380 x 191x495 мм, 17,5 кг; температурные условия работы 0—40е С (с автоматической коррекцией видеосигнала).

Тепловизор Thermovision-880 является последней моделью из серии термовизоров шведской фирмы AGEMA (бывшей AGA). В СССР и других странах мира хорошо известны термовизоры этой фирмы моделей 650, 680, 750, 780, 782 и др. Они зарекомендовали себя как надежные высокоскоростные системы с большим набором функций преобразования термоизображения и запасных элементов к системе.

Последняя модель — тепловизор Thermovision-880—является высокоскоростной высокочувствительной системой, обладающей малыми габаритными размерами и массой. В оптической камере используется зеркально-призменное сканирующее устройство, установленное в сходящемся пучке лучей («внутренняя» схема сканирования). Применение для вращения зеркала и призм бесколлекторных двигателей постоянного тока обеспечивает высокие энергогабаритные характеристики системы. Три сменных линзовых объектива с байонетным креплением и микроскопическая приставка позволяют оперативно менять полный угол визирования и исследовать объекты самых различных размеров: от микрообъектов (площадью 1,6 х 1,6 мм) до макрообъектов. Имеется большой набор светофильтров для устранения оптических помех.

В оптической камере установлены два миниатюрных эталонных излучателя, сканируемых в каждой строке. Это обеспечивает точное регулирование усиления и уровня черного в системе. Кроме того, в оптической камере установлены три датчика температуры стенок камеры, по сигналам которых компенсируется дрейф усилителей от температуры. Калибровка каждого прибора производится индивидуально, калибровочные константы при этом заносятся в запоминающее устройство, находящееся в оптической головке. Благодаря выбору приемника излучения (типа МСТ), чувствительного в длинноволновой части ИК-излучения (8—12 мкм), повышается чувствительность при измерении низких температур, а также при измерении температуры удаленных на большое расстояние объектов.

Система Thermovision-880 комплектуется новым комплексом вычислительной аппаратуры TJC-8000 и средств программного обеспечения для анализа гермоизображений CATS. Система TJC-8000 построена на базе персонального компьютера, совместимого со стандартом фирмы ИБМ. Программное обеспечение охватывает разнообразные требования анализа термограмм, вывода термоизображений и другой информации на дисплей, снятие отсчетов с точек и с зон поля, использование цветовой 190

индикации, снятие профилей поля. Производятся также статистические вычисления, построение гистограмм, вычитание изображений, их увеличение, запись кадров термограмм через заданные промежутки времени, их хранение и т. д. В целом система Thermovision-880 имеет очень широкое программное обеспечение и обладает большими функциональными возможностями.

Основные характеристики тепловизора Thermovision-880: оптической камеры: диапазон измеряемых температур -20 ч- +800° С (может быть расширен до 1500° С при помощи фильтра); порог температурной чувствительности (при 30° С) 0,07° С; приемник излучения — типа МСТ, охлаждаемый жидким азотом; спектральная характеристика 8 —12 мкм; аппаратурная погрешность измерения температуры + 2% или ±2° С; разрешающая способность 175 (по гориз.) х 280 (по верт.); период сканирования 0,04 с; полные углы визирования (с использованием сменных объективов) 2,7; 7; 12; 20°; габаритные размеры, масса 93 х 150x205 мм, 2,5 кг; температурные условия работы —15^+55° С;

устройства отображения информации: размер термоизображения 50 х 50 мм; типы изображений - нормальное, обратное, черное, серое, ступенчатое, шкала; термический диапазон — 8 калиброванных диапазонов; габаритные размеры, масса 253 х х 129x322, 4,5 кг.

Сканирующие пирометры

В последние годы сканирующие ОЭСИТ развивались не только в направлении тепловидения, но и в направлении, которое можно назвать пирометрическим. Последнее направление возникло в результате потребностей различных отраслей промышленности в высокоточном бесконтактном измерении температурных полей объектов. Четкой грани между тепловизорами и сканирующими пирометрами провести нельзя, можно лишь отметить особенности последних.

Основные проблемы, которые решались и решаются при построении сканирующих пирометров,— обеспечение высоких точности и быстродействия измерения температуры при наличии сканирования. Сканирующая пирометрия имеет дело с более высокими температурами, чем тепловидение. Еще одна особенность сканирующих пирометров заключается в том, что они в большинстве случаев используются как датчики в системах регулирования различных теплотехнических процессов. Иногда параметры сканирующих пирометров должны быть согласованы с параметрами управляющих устройств или объекта. Например, при управлении процессами с подвижными источниками энергии типа электронного или лазерного луча скорость и период сканирования пирометра должны быть согласованы с параметрами луча.

Создание сканирующих пирометров, как и тепловизоров, осуществляется на базе одних и тех же пяти схем построения. Выделим три разновидности рассматриваемых систем из числа известных.

Первая из них — тепловизионная пирометрическая система ИК-42Т— построена на основе видикона, чувствительного в видимой и ближней ИК областях спектра излучения [7.33, 7.34]. В ней используется микро-ЭВМ «Электроника ДЗ-28», обеспечивающая получение, накопление и обработку информации о температуре и ее распределении по поверхности объекта. При вычислении температуры используются градуировочные кривые, предварительно заложенные в память ЭВМ. Блок видеопамяти содержит три кадровых ЗУ (емкостью по 16 Кбайт), каждое из которых позволяет хранить видеокадр объемом 128x128 элементов с восьмиразрядным кодом. Количественная и качественная информация воспроизводится на экране цветног о монитора и на газоразрядном индикаторе. Термограмма строится в различных видах: плоском (цветном), псевдорель- ефном (теневом), псевдообъемном (цветном и черно-белом).

Система ИК-42Т имеет два режима измерения — измерение двух яркостных температур (в двух различных участках спектра) и измерение цветовой температуры. Это осуществляется с помощью сменяемых светофильтров, установленных перед видиконом, и накопления сигналов поочередно в двух участках спектра. Вводятся поправки на излучательную способность объекта и пропускание среды. Неравномерность чувствительности фотокатода видикона учитывается программными средствами. Стабильность видеосигнала обеспечивается температурной компенсацией.

Некоторые параметры тепловизионной пирометрической системы ИК-42Т:

диапазон измеряемых температур: яркостных 500—1800, цветовых 800—2000;

инструментальные погрешности измерения температуры: яркостной + 0,5%, цветовой + 1,5%;

период измерения температуры всего объекта: яркостной 0,04 с, цветовой 0,64 с;

расстояние до объекта 0,5 м — оо.

Вторая система—многофункциональный сканирующий пирометр JR-N — разработана японской фирмой Chino, специализирующейся в области систем контроля, измерения и управления для промышленности [7.35]. Пирометр имеет две модификации— монохроматическую и двухцветовую. Имеется дистанционная установка коэффициента излучения объекта. Сканирование осуществляется колеблющимся вокруг одной из осей зеркалом. Углы визирования определяются набором объективов и равны 50 х 50°, 25 х 25° или 7 х 7°.

Рис. 7.13. Схема сканирующего пирометра с перестраиваемыми параметрами СКАПИР-2 (ДСУ-901М):

1—объект; 2—текущая точка измерения температуры; 3—сканирующий модуль; 4— модуль приемников излучения; 5—электронный модуль; 6—блок синхронизации; 7, 7—шаговые приводы; 8,8'—датчики угла; 9,9'— колеблющиеся зеркала; 10—лазер; 11, 1Г— приемники излучения; 12, 12'—усилители; 13— блок управления сканированием, 14— мультиплексор, 15 — блок обработки информации; 76—блок управления режимами работы; 17—видеоконтрольное устройство

В пирометре используется матричный приемник излучения на основе ПЗС-структуры. Обработка информации — полностью компьютерная. Формирование термограммы осуществляется на экране монитора. Кроме того, формируется информация о температуре в заданной точке или вдоль произвольной линии на объекте, вычисляется средняя температура зоны объекта с максимальной температурой и др. Пирометр рассчитан на измерение температуры в пределах 600—1500° С.

Третья система—сканирующий пирометр с перестраиваемыми параметрами СКАПИР (ДСУ)—разработана для высокоточного дискретного измерения температуры в произвольном множестве точек объекта [7.36, 7.37]. Пирометр способен в процессе работы перестраивать параметры сканирования (последовательность опроса точек и время опроса каждой точки), а также способ измерения температуры (яркостной, цветовой, с введением поправок и др.). Перестройка осуществляется программно с помощью микропроцессора в соответствии с заложенными алгоритмами, излучательными свойствами объекта и свойствами промежуточной среды. Выборка точек сканирования—произвольная, время измерения температуры в каждой точке—программируемое.

Схема данной системы приведена на рис. 7.13. Сканирование осуществляется зеркалами 9 и 9', колеблющимися относительно ортогональных осей с помощью шаговых двигателей 7 и 7'. Управление двигателями осуществляет микропроцессорный блок 13, в котором используется информация о положении зеркал от датчиков углов 8 и 8' (через синхроблок 6). Излучение от объекта 1 поступает на входы приемников излучения 11 и 1Г 193

(их число может быть больше двух). Выходные сигналы приемников обрабатываются в блоке 15 по различным алгоритмам в зависимости от излучательных свойств объекта и других априорных данных. Кроме того, в зависимости от получаемой информации может корректироваться закон сканирования. Например, могут быть сформированы сигналы, обеспечивающие остановку сканирования на заданное время в точках, имеющих экстремальные значения температуры.

С помощью микропроцессорного блока обработки информации 15 в системе СКАПИР-2 (ДСУ-901М) производятся следующие преобразования над информацией: выделение изотерм, фиксирование глобального и локальных экстремумов температуры на объекте; фиксирование максимальных и минимальных градиентов температуры, а также зон с наибольшей и наименьшей динамикой температуры. Вся эта информация выводится на знако-буквенный индикатор.

Общий режим работы системы задается программно, а закон сканирования может быть задан как программно, так и оператором в режиме «обучения» системы. В последнем случае используется луч лазера 1, последовательно наводимый в точки объекта, которые необходимо проконтролировать. При этом автоматически фиксируется последовательность опроса и с пульта оператора — время контроля каждой точки.

Блок обработки информации имеет гибко перестраиваемую структуру, обеспечивающую измерение температуры на объекте в следующих четырех режимах: 1,2) пирометра частичного излучения или спектрального отношения; 3,4) пирометра частичного излучения или спектрального отношения с автоматическим формированием и введением поправки на изменение е по излучению в двух участках спектра. Формирование и введение поправок осуществляется в соответствии с алгоритмами, приведенными в § 5.6. Более подробно аппаратурная реализация сканирующих пирометров типа СКАПИР приведена в [7.37].

Сканирующий пирометр типа СКАПИР-2 (ДСУ-901М), выполненный на базе цветового точечного пирометра «Спектро- пир-10», имеет следующие технические характеристики: диапазон измеряемых температур 300—3000° С (с пятью поддиапазонами); инструментальная погрешность измерения температуры 1 —1,5%; максимальные углы полного визирования ±31,5х х±2Г; погрешность позиционирования ±3'; максимальное число точек сканирования 104 (200x50); время перехода из точки в точку (10 3vV+10 2)c, где N—расстояние между точками.

ГЛАВА 8

ВЛИЯНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЫ И ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ

ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЫ

Промежуточная среда, т. е. твердые, жидкие и газообразные элементы, находящиеся между ОЭСИТ и объектом контроля, может оказывать существенное влияние на точность определения температуры по излучению объекта. Непосредственное влияние промежуточной среды на точность измерения температуры рассмотрено в ряде работ [8.1—8.4]. Так, в [8.1] приведены результаты экспериментального исследования влияния различных компонентов, находящихся в промежуточной среде, на результат измерения температуры с помощью ОЭСИТ трех типов. Как видно из 1абл. 8.1, построенной по результатам этой работы, промежуточная среда может существенно изменить показания ОЭСИТ.

Очевидно, что оптимальный метод измерения температуры не может быть выбран без оценки влияния промежуточной среды и определения условий его исключения (или уменьшения до приемлемых размеров).

Влияние промежуточной среды в основном проявляется в ослаблении излучения от объекта.

Погрешность, возникающая за счет ослабления излучения промежуточной средой, может быть найдена по формулам для определения погрешности от изменения излучательной способности е при замене в последних излучательной способности £ пропусканием' т, определяемым из выражения

Таблица 8.1. Влияние промежуточной среды на точность некоторых типов ОЭСИТ

ОЭСИТ

Погрешность, %, вследствие поглощения слоем толщиной 1 м

ВОДЫ

перегретого пара

конденсированного пара

воздуха с брызгами

со2

Суммарного излучения

30

8

15

1,3

Частичного излучения с кремниевым приемником излучения

2,5

0,3

2,5

7,5

0

Спектральною отноше- шения с кремниевым приемником излучения

1

0

1

0,1

0

Рис. 8.1. Номограмма для определения w

f т^)»^ T^v^dX

f t(X)Z>(X17’)<ZX 0

где bQ^T)— спектральная энергетическая яркость объекта; т(Х)— спектральный коэффициент пропускания оптического канала; v(X)— спектральный коэффициент пропускания среды, v (X) = 1 — а (X) [а (X) — спектральная поглощательная способность среды].

На основании закона Бугера — Бера поглощательная способность определяется выражением

й(Х)= 1 —ехр ( —Х(Х)/),(8.1)

следовательно,

v(X) = exp [ —X(X)Z],,(8.2)

где Х(Х)— спектральный коэффициент ослабления излучения; /—толщина поглощающего слоя по линии визирования.

Спектральный коэффициент ослабления излучения определяется составом промежуточной среды.

Влияние на излучение защитных стекол рассмотрено в [8.5, 8.6].

Поглощение в газовой промежуточной среде является избирательным. Это объясняется тем, что оно происходит на длинах волн, являющихся резонансными для молекул газовой 'среды, находящейся между ОЭСИТ и объектом [8.7].

Сильнее всего излучение поглощается парами воды, а из газов — углекислым газом СО2. Спектральный коэффициент ослабления, учитывающий поглощение парами воды и углекислым газом, зависит от толщины поглощающего слоя, поэтому т определяют непосредственно для заданной толщины [8.8].

Так как оптические свойства водяного пара зависят как от относительной влажности, так и от температуры (т. е. от 196

абсолютной влажности), то пропускание слоя толщиной / определяют по пропусканию эквивалентного слоя 1В осажденной воды:

w = aolB-103,

где а0— абсолютная влажность, г/см3.

На рис. 8.1 приведена номограмма, позволяющая определить а0 и w по относительной влажности и температуре [8.8].

Если известно значение w, то пропускание среды может быть определено эмпирической формулой

v(X) = exp { —8(w7wo)x},

где иД w'o — коэффициенты, зависящие от w.

Методика выбора коэффициентов w', w'o, 8, х дана в [8.9].

Для оценки влияния поглощения можно воспользоваться таблицами, приведенными в [8.8].

Для примера на рис. 8.2 даны кривые пропускания водяного пара и углекислого газа.

Ослабление излучения жидкими и твердыми частицами, находящимися в промежуточной среде, вызвано дифракционным и геометрическим рассеянием излучения. Наиболее часто встречающимися частицами являются частицы воды (конденсированный пар, туман) и углерод (сажа).

Значение к (К) для среды со взвешенными частицами (капельками воды) определяется выражением

k(,X) = WkpN,(8.3)

где г—радиус рассеивающих частиц; N—число частиц в 1 см3; кр— функция рассеяния, кр=Др), здесь р = 2лг/Х.

Функция kp=f\p) приведена на рис. 8.3 [8.10].

В области к «г рассеяние зависит не от длины волны, а только от размера частиц: при к = г рассеяние достигает

197

Рис 8.3 Зависимость функции рассеяния к от р

максимума; при Х>2г начинается область рассеяния, подчиняющаяся закону Рэлея (к(Х)%Х-4у

Размер конденсированных капелек пара можно считать соответствующим размеру капелек тумана (5—50 мкм) при числе капелек соответственно 107—106 в 1 м3, что соответствует содержанию воды 6-10-3—6-10~2г/м3.

Если размер капелек воды более 50 мкм, то они выделяются в виде осадков. Наиболее достоверным следует считать размер капелек 3—10 мкм.

Следовательно, при измерении температуры по излучению в наиболее распространенном диапазоне длин волн (0,4—12 мкм) возможно как селективное, так и неселективное ослабление жидкими частицами [8.11].

-Наличие в объеме между ОЭСИТ и объектом взвешенных твердых частиц (сажа, зола) существенно изменяет поглощательную способность объема. Размеры таких частиц колеблются от единиц до сотен микрометров. Поглощательная способность таких объемов зависит от размеров, концентрации и физических свойств твердых частиц. Экспериментальное исследование поглощения таких сред показывает, что спектральная поглощательная способность такого объема уменьшается с ростом X [8.12]. Спектральный коэффициент поглощения для такой среды равен

где ц—концентрация поглощающих частиц; у— плотность частиц; Х(г0)— функция, определяемая оптическими размерами частиц.

Зависимость усредненного значения к(Х) от г0 (экспериментально проверенного для Х = 4 —16 мкм) приведена на рис. 8.4.

При больших значениях г0 величина к (X) стабилизируется и перестает зависеть от оптического диаметра частиц. Оптический радиус частиц определяется как геометрическими размерами частицы /ч. так и длиной волны излучения и физическими свойствами частиц (его комплексным показателем преломления). Ход зависимости г0(гч от X для частиц углерода различного размера показан на рис. 8.5. 198

Рис. 8 4Рис. 8 4Зависимость к (X) отЗависимость к (X) отоптического размера частицоптического размера частицРис. 8 5 Зависимость г0;гч от длины волны и размеров частицРис. 8 5 Зависимость г0;гч от длины волны и размеров частиц

Рис. 8 4

Рис. 8 4

Зависимость к (X) от

Зависимость к (X) от

оптического размера частиц

оптического размера частиц

Рис. 8 5 Зависимость г0;гч от длины волны и размеров частиц

Рис. 8 5 Зависимость г0;гч от длины волны и размеров частиц

Особенностью приведенных на рисунке кривых является то, что все они по мере уменьшения X стремятся к единице, т. е. по мере увеличения размеров частиц или уменьшения длины волны падающего излучения дифракционные явления на частицах ослабевают и при 2г/Х^оо частицы по своим оптическим свойствам становятся эквивалентными системе больших непрозрачных экранов, подчиняющихся законам геометрической от ики.

ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦ, НАХОДЯЩИХСЯ

В ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЕ, И ПУТИ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

Если частицы в промежуточной среде нагреты до температур, сравнимых с температурой объекта, например если частицы являются продуктами сгорания, то ОЭСИТ будет воспринимать излучение как от объекта, так и от этих частиц [8.4].

Так как диаметр частиц d4 значительно больше длины волны излучения, воспринимаемого пирометром, то частицы можно рассматривать как непрозрачные экраны.

Тогда.выходной сигнал ОЭСИТ может быть записан в виде

CH = OG[(50-^£o+s4£4],(8.4)

где 6 — коэффициент преобразования излучения приемником; s0 — площадь пятна визирования ОЭСИТ; 5ч = л(/у/4; Ео, Еч — энергетическая яркость объекта и частицы; G— параметр оптической системы.

Если частиц нет, то

Uh=U=9GSoE0.(8.5)

Погрешность определения температуры при наличии частиц можно определить по формулам, характеризующим погрешность от изменения излучательной способности, заменив е на величину UJU\

Рис. 8.6. Устройство для компенсации влияния промежуточной среды

Рис. 8.7. Вариант устройства для компенсации влияния промежуточной среды (без ключевой схемы)

UJU=^-^+4EJEo,(8.6)

где r| = 6Gs4£o.

Заменив Ео и £ч на температуры объекта То и частиц Тч, выражение (8.6) можно записать при аппроксимации формулой Вина и степенной зависимостью соответственно в виде

(8.7)

—= 1 — —v”—1 Y(8.8)

U Vo /

где v=T4/To; £, = sq/s0; X — длина волны; п—показатель степени; ео, еч— спектральная излучательная способность соответственно объекта и частицы.

Рассмотрим схему ОЭСИТ, в которой компенсируется влияние излучающих частиц. Для этого сигнал с датчика 7 после усиления усилителем 2 (рис. 8.6) с коэффициентом усиления к подается на фильтр 3 и ограничитель 4.

Напряжение на выходе фильтра 3 равно

£7ф=Ж.ср.

На выходе ограничителя 4 формируются импульсы

^Ф.и = ^(^и—^н.ср)-

Наличие этих импульсов свидетельствует о наличии частиц.

Для того чтобы получить напряжение Свых, определяемое только средней температурой объекта, из напряжения £вых ср вычитается (с помощью сумматора 5) среднее значение напряжения импульсов на выходе ограничителя 4 СфИср, нормированное с помощью согласующего устройства 6.

Следовательно, указатель на выходе сумматора 5 измеряет напряжение, определяемое средней температурой объекта.

При использовании ОЭСИТ для регулирования температуры объекта в систему регулирования необходимо подать сигнал, пропорциональный максимальному значению температуры. Это

напряжение формируется пиковым детектором 7. Сигнал с усилителя 2 поступает на пиковый детектор через ключевую схему с запоминающим блоком 8. Ключевая схема закрывается импульсом с одновибратора 9. Одновибратор запускается импульсом от ограничителя 4. Длительность импульсов, формируемых одновибратором, равна максимальному значению длительности импульсов помехи.

В момент появления импульса помехи ключевая схема закрывается и на ее выходе запоминается напряжение, равное напряжению на выходе усилителя 2.

За счет конечного значения сопротивления ключа в закрытом состоянии, емкостных связей и некоторого рассогласования времени срабатывания одновибратора и момента появления помехи возможно завышение напряжения выхода пикового детектора.

Это завышение устраняется в сумматоре 70, на второй вход которого в обратной полярности подается часть напряжения с согласующего каскада 77.

Недостатком рассмотренного варианта устранения влияния импульсных помех на точность определения максимальной температуры объекта является необходимость включения в основной канал ключевой схемы с запоминанием на выходе напряжения, равного напряжению, действовавшему на ее входе перед появлением помехи.

На рис. 8.7 приведен вариант устройства, в котором отсутствует ключевая схема в цепи основного канала, что повышает надежность такого устройства.

Напряжение с датчика 7 после усилителя 2 подается на входы двух управляемых ограничителей: по максимуму 3 и по минимуму 4. Напряжение на ограничитель по минимуму 4 подается непосредственно с фильтра 5, а на ограничитель по максимуму 3— через управляющий ключ 7.

Режим работы ограничителя 3 выбран таким образом, что когда ключ 7 закрыт, напряжение с усилителя 2 полностью подается на измеритель 8 максимального значения напряжения. Как и в ранее описанной схеме, режим работы ограничителя 4 выбран таким образом, чтобы не пропустить напряжение с усилителя 2, если оно вызвано только излучением объекта. Пороги срабатывания ограничителей 3 и 4 определяются средним значением напряжения, действующего на ы 'ходе ограничителя 3 (усреднение осуществляется фильтром

Импульсная помеха проходит на выход ограничителя 4 и после нормирующего каскада 6, где формируется импульс необходимых длительности и амплитуды, открывает ключ 7. Через ключ 7 (на время действия импульса с нормирующего каскада 6) подается напряжение ограничения, вследствие чего ограничитель 3 не пропускает импульс, амплитуда которого выше уровня напряжения, определяемого только излучением объекта.

Таким образом, импульсы помехи не будут проходить на измеритель максимального значения температуры.

ВЛИЯНИЕ СМОТРОВЫХ ОКОН

Измерение температуры в вакуумных и некоторых других термических установках осложняется наличием смотровых окон, находящихся на пути потока излучения от объекта к ОЭСИТ [8.6]. При этом оправа смотрового окна диафрагмирует лучистый поток от объекта измерения, а смотровое стекло ослабляет лучистый поток от объекта, и это ослабление необходимо учитывать при измерении температуры. В вакуумных установках процесс измерения осложняется тем, что частицы испаряющегося вещества постепенно загрязняют смотровое стекло (осаждаются на стекле).

Рассмотрим процесс диафрагмирования излучения от объекта. На рис. 8.8 изображены объект визирования I, диафрагма II диаметром d и ОЭСИТ излучения III с диаметром диафрагмы объектива D. Здесь L—расстояние от ОЭСИТ до объекта, а /—от диафрагмы до объекта.

Пучок излучения от точки Л объекта полностью заполняет объектив ОЭСИТ, и диафрагма в этом случае не влияет.

Для точки Ах лучи также беспрепятственно проходят к объективу. Для точек, лежащих выше Л^ край диафрагмы II будет срезать часть лучей и доля лучистой энергии от них, воспринимаемая ОЭСИТ, будет уменьшаться. Например, для гочки А2 срезается примерно половина потока, от точки А3 энергия вообще не поступает в датчик.

При равномерной яркости объекта I в плоскости изображения круг радиусом AAt будет иметь также равномерную яркость (область 1\ Затем яркость объекта будет постепенно уменьшаться (область 2) и за пределами круга радиуса АА3 сменится полной темнотой (область 3) Так происходит частичное затенение объекта, или виньетирование. Измерение температуры может быть произведено только в случае, когда площадка имеет размеры, не выходящие за пределы круга ААЛ. Примем отрезок ИЛ t =8/2, тогда связь между d, D, b и / имеет вид

- (8 9)

и-ыца-Ц ^ыца-ьуv ’

Наименьший размер объекта, равный Ь, может быть рассчитан по показателю визирования, который обычно приводится в паспорте ОЭСИТ. Во многих случаях значение bifid—b) мало, и тогда выражение упрощается:

(8.10)(8.10)^0 До ~ ^0 (Lq.

(8.10)

(8.10)

Рис 8 8. Измерение температуры через смотровое окно

Из (8.10) допустимый (минимальный) диаметр смотрового окна определяется неравенством

dMm^Dl]L.

Диафрагма не обязательно должна быть круглой, она может быть в виде прорези или иметь другую конфигурацию. Тогда вместо d в формулы подставляется наименьший размер диафрагмы. Для некоторых типов ОЭСИТ допускается диафрагмирование объектива. Тогда вместо диаметра объектива подставляется допустимое значение диафрагмы объектива.

Рассмотрим процесс поглощения потока от объекта защитным стеклом. При прохождении через защитное стекло излучение от объекта ослабляется.

Поправки на ослабляющее действие стекла легко учитываются аналитически, если известен коэффициент пропускания стекла т, который в общем случае является произведением трех составляющих т'(Х), т"(Х) и т"'(Х), характеризующих относительные потери соответственно за счет отражения и поглощения окном и осаждающимися на стекле материалами.

Определение значения т'(Х). Единичный поток излучения, нормально падающий на стекло, отражается от его первой грани, и часть его, равная (1 — р(Х)) [где р(Х)— монохроматический коэффициент отражения], пройдет ко второй грани. У второй грани лучистый поток снова частично отразится, и часть его, вышедшая из стекла, будет равна т'(Х)= [1 — р(Х)]2. При выводе этой формулы принималось во внимание лишь первое отражение.

Коэффициент отражения р(Х) для монохроматического излучения легко вычисляют с помощью формулы Френеля

р(Х)<иЧХ)-и"(Х)]2/[и'(Х)+^^ (8.11)

где п' (X) — монохроматический показатель преломления стекла; п"(Х) — монохроматический показатель преломления среды, граничащей со стеклом.

В вакуумных и газонаполненных электропечах п" (X) берут равным единице. Тогда

т'(Х) = 16и'(Х)/(и'(Х)+1)4.(8.12)

Значение т"(Х) определяется зависимостью

T"(X) = e”V(8.13)

где ап — коэффициент поглощения: I—толщина стекла.

Следовательно, коэффициент пропускания защитного стекла может быть определен из уравнения

(8.14)

Выражение справедливо, если угол падения излучения составляет не более 10° с нормалью к поверхности.

На рис. 8.9 приведена номограмма для определения коэффициента пропускания смотрового окна [8.6].

Чтобы использовать эту номограмму, нужно прежде всего найти произведение толщины и коэффициента поглощения материала для интересующей нас длины волны. Если это значение лежит в пределах 4,5—0,0085 мм”1, то пропускание будет в диапазоне 1 —100%. В большинстве практических случаев коэффициенты поглощения находятся в области 10— 0,01 мм”1, поэтому толщины, соответствующие интервалу этой номограммы, изменяются от 0,85 до 450 мм.

При коэффициентах поглощения, значительно меньших 0,01 мм ”1, поглощение становится пренебрежимо малым и потери на пропускание обусловлены по существу френелевским отражением. В этом случае пропускание приближенно определяют по (8.11).

При наличии поглощения методика по существу остается той же, за исключением того, что в этом случае необходима другая кривая. Она начинается из точки, которая представляет собой произведение толщины образца / и его коэффициента поглощения ап.

Для примера определим пропускание материала толщиной 2,2 мм, имеющего коэффициент поглощения 1,5 мм”1 и показа- 204

Рис. 8.10. Зависимость показателя преломления кварцевого стекла от длины волны

тель преломления 2,5. Значение / умножаем на ап и получаем 3,3. Находим число 3,3 на шкале ап/ и проводим линию, параллельную кривым, до пересечения ее с линией, соответствующей показателю преломления 2,5. Далее от этой точки проводим вертикальную линию до пересечения с осью пропускания. Находим, что прошедшая энергия составляет 2,7% падающей.

Указанная номограмма может быть также использована для определения коэффициента поглощения материала, если известны его толщина и процент пропускания. Для этого находим точку пересечения горизонтальной линии от оси пропускания и вертикальной линии от оси показателей преломления. Перемещаем эту точку параллельно кривым до пересечения с осью ап /. После этого, разделив anZ на Z (толщину материала), определим коэффициент поглощения ап.

Значение коэффициента поглощения может быть также использовано для определения пропускания того же материала, но любой другой толщины, при выбранном показателе преломления. Наиболее широкое применение для изготовления смотровых окон нашло кварцевое стекло. Температурный коэффициент показателя преломления кварцевого стекла сравнительно невелик, при изменении температуры от комнатной до 1100 К он изменяется менее чем на 1% в интервале длин волн 0,2— 3,7 мкм. Это изменение легко учесть, воспользовавшись приведенными на рис. 8.10 зависимостями. При малом различии показателя преломления у кварцевого стекла различных марок коэффициенты поглощения могут различаться в несколько раз. В зависимости от коэффициента поглощения и характера изменения его с длиной волны отечественное оптическое кварцевое стекло подразделяется на ряд марок. Наиболее распространено кварцевое стекло марок КВ и КИ (КВ — кварцевое оптическое стекло, прозрачное в видимой области спектра, в нем могут быть полосы поглощения в ультрафиолетовой области спектра и вблизи 2,72 мкм; КИ—кварцевое оптическое стекло, прозрачное в инфракрасной области спектра, в нем отсутствует полоса поглощения при 2,72 мкм).

Самостоятельную группу образуют кварцевые стекла с полосой пропускания, захватывающей ультрафиолетовую область. Соответствующая модификация обозначается маркой КУ.

В большинстве случаев экспериментальные результаты по измерению коэффициентов пропускания т (X) даются в виде зависимости коэффициента пропускания плоских образцов различных толщин от длины волны.

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ СМОТРОВЫХ ОКОН ОТ ЗАПЫЛЕНИЯ

К настоящему времени разработано много видов устройств [8.5, 8.6] для защиты смотровых окон от влияния запыления, которые можно подразделить на две группы: 1) устройства, в которых производится обновление запыляемых участков защитных прозрачных материалов; 2) устройства, уменьшающие интенсивность потока запыляющих молекул.

В приспособлениях первой группы в зоне смотрового окна устанавливают прозрачный защитный материал, который, как правило, непрерывно перемещают, обеспечивая постоянство пропускания.

Наиболее простой и общеизвестный способ — защита стекла металлическим экраном. Экран полностью перекрывает поток летящих частиц и отводится в сторону только на время измерения температуры. Безусловно, такая защита не может обеспечить непрерывное измерение температуры.

Поэтому вместо непрозрачного металлического экрана иногда применяют экран, выполненный в виде металлического диска с несколькими стеклянными окнами. Конструктивно защитные стекла удобно поместить в круглые окошки, равномерно распределенные по окружности диска. Защитное устройство подобного типа показано на рис. 8.11. Диск 1 расположен так, что только одно защитное стекло 2, которое находится перед основным смотровым стеклом 3, может непосредственно загрязняться. По мере его запыления защитное стекло 2 выводится из поля зрения, а его место занимает новое. Естественно, что такое устройство работает до тех пор, пока все защитные стекла не загрязнятся, после чего защитное устройство демонтируют и с запыленных секторов удаляют налет. Для растворения пленок из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, ниобий, используют различные кислоты и расплавы солей.

Устройство второй группы (рис. 8.12) защищает смотровое стекло 2, помещенное в держатель 7, с помощью прозрачной пленки. Устройство состоит из корпуса 3 и 4, в центре которого скользит по патрубку 7 прозрачная пленка 6 из лавсана. Пленка перематывается с катушки 5 на катушку 8 с помощью двигателя и редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.

Увеличение времени использования смотрового защитного стекла при этом обеспечивается вследствие того, что пары металла задерживаются прозрачной пленкой, протягиваемой 206

Рис. 8.11. Устройство защиты со сменными защитными стеклами

перед смотровым стеклом. Скорость протягивания ленты подбирают, исходя из ее термостойкости и допустимой степени запыления. Обычно термостойкость полиэтилентерефталатной пленки толщиной 15—25 мкм обеспечивает стабильность ее механических и оптических свойств при тепловом потоке до 5-106Вт/м2.

Отдельную группу составляют устройства, которые уменьшают поток осаждающихся частиц, тем самым уменьшают запыление основного смотрового стекла. Обычно эго достигается путем механического, электрического или газового воздействия на летящие частицы. Рассмотрим различные варианты устройств этой группы.

Вращающийся диск с прорезями Чем уже прорезь, меньше угол, тем ослабляющее действие устройства сильнее. Однако изготовлять диски со средней шириной прорези меньше 2—3 мм нецелесообразно, так как прорезь быстро «зарастает».

Рис. 8.12. Устройство защиты с движущейся пленкой

Рис. 8.13. Устройства защиты с двумя смещенными вращающимися секторами (а) ис камерой с избыточным давлением (б)

В соответствии с законом Тильбота вращающийся диск с прорезями не искажает наблюдаемой картины, а лишь ослабляет яркость объекта, что позволяет измерять температуру. При этом в показания пирометров частичного излучения (ПЧИ) помимо других поправок следует вводить поправку на ослабление яркости вращающимся секторным диском. При этом

тд = у/2к, где тд — коэффициент пропускания секторного диска; у — суммарный угол всех прорезей, рад.

Для исключения мелькания при тд от 1/2 до 1/60 частота вращения диска должна составлять не менее 1800—2000 об/мин.

Использование закрепленных на одном валу двух секторных дисков с прорезями. Схематичное изображение дисков показано на рис. 8.13.

Медленно летящие капли металла 1 (рис. 8.13, я) попадают в прорези первого диска 2. но не успевают попасть в прорези второго диска 3, так как за время, когда капля летит от первого до второго диска, второй успевает развернуться и перекрыть путь частице. Расчеты показывают, что при расстоянии между дисками /=0,04 мм, угле прорези у = 6°, частоте вращения о = 2000 об/мин частицы, летящие со скоростью 80 м/с, не успевают попасть в прорези второго диска.

Для усиления действия защитного устройства между вращающимися дисками можно продувать инертный газ. 208

Рис. 8.14. Схема измерения с эталонным источником излучения

Защита струей инертного газа. При определенной плотности струя газа, омывающая смотровое стекло, рассеивает поток летящих частиц, в результате чего уменьшается загрязнение. Сама струя газа прозрачна и погрешности при измерении температуры не вносит. Но инертный газ может значительно ухуд

шить герметичность системы.

В ряде случаев уменьшить напыление удается созданием области повышенной плотности газа непосредственно перед смотровым стеклом. Для этого в пространство перед стеклом ставится перегородка с диафрагмой малого диаметра 1 (рис. 8.13,5). Уменьшение диаметра диафрагмы обеспечивает уменьшение расхода газа в объеме 2 и уменьшает поступление газа в рабочую камеру. Однако уменьшение размера диафрагмы ведет к сужению поля зрения. Для увеличения сопротивления потоку газа в вакуумный объем помещают не одну, а ряд диафрагм на некотором расстоянии друг от друга. Это уменьшает расход газа.

Достоинствами метода являются простота конструкции и отсутствие вращающихся частей.

Электрический способ защиты. При этом способе форми

руется поток электронов, движущихся в вакууме со скоростью порядка 5 • 106 м/с. Он сталкивается с потоком летящих на смотровое стекло частиц и ионизирует их. Ионизированные

частицы отклоняются электрическим или магнитным полем и оседают на стенах вакуумной камеры. Идея достаточно проста, однако ее осуществление связано с рядом технических трудностей. Такой способ находит применение в лабораторных электро

термических установках.

Уменьшить погрешность измерения можно путем устройства непосредственного измерения т (X) по проводимости J^ осаждаемых частиц или о помощью вспомогательного эталонного источника излучения. В первом случае предварительно (для каждого материала) определяют связь т(Х) с Зв. Для измерения т(Х) на защитном стекле (по краям) укрепляют два электрода, между которыми измеряют проводимость напыленной поверхности стекла. При появлении налета на поверхности происходит увеличение проводимости.

Примером реализации второго варианта служит схема на рис. 8.14. Диск с защитным стеклом 1 и двигателем 2 помещен в рабочем пространстве установки нагрева 3. Установка позволяет че-

209

рез защитное вращающееся стекло измерять излучение от эталонного источника £зт и объекта 4 Е^. Тогда путем сравнения электрических сигналов, пропорциональных потокам от эталонного излучателя и прошедших через защитное стекло, определяется

Т^ет/Дт

При выборе способа защиты и расположения смотрового окна следует учитывать, что степень загрязнения стекла зависит от скорости испарения вещества, глубины вакуума, геометрии установки. Большое значение имеет расположение смотрового окна относительно испарителей.

ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ

При отличии излучательной способности объекта измерения от единицы (е<1) коэффициент отражения этим объектом внешнего излучения (оптической помехи) будет отличен от нуля. В результате суммарная энергетическая яркость Ьс излучения в узком участке спектра в направлении измерения будет определяться двумя составляющими: собственной энергетической яркостью объекта Ьоб и составляющей 6отр, вызванной отраженным от объекта излучением помехи, т. е.

(8.15)(8.15)Ье = 6„б + Ьотр = гЬ °б + (1 - е) п ! л2 Ьст,

(8.15)

(8.15)

где Л1—коэффициент, характеризующий взаимное расположение объекта и источника оптической помехи (стороннего источника); ц2— коэффициент, характеризующий вид обработки поверхности объекта (ц2 = 1/л, если отражение диффузное, и Л 2 = 1, если отражение зеркальное); Ьст—яркость стороннего источника.

Значение Ц1 в общем случае определяется выражением

Pi=-cosaCT,

где И—телесный угол, под которым виден сторонний источник излучения на визируемой пирометром точки объекта; аст — угол падения лучей от стороннего источника на объект.

Формула (8.15) при переходе от яркостей к потокам излучения при виновской аппроксимации может быть записана следующим образом:

и при степенной аппроксимации—выражением

фс = 91 ^06фс = 91 ^068 + (1-8)т|1Г|2-^-8 + (1-8)т|1Г|2-^-(8.17)(8.17)

фс = 91 ^06

фс = 91 ^06

8 + (1-8)т|1Г|2-^-

8 + (1-8)т|1Г|2-^-

(8.17)

(8.17)

Из полученных формул, где Qv Q2, qv, ^2— постоянные (см. гл. 1), следует, что влияние отраженного объектом излучения сторонних источников может быть учтено путем введения понятия эквивалентной излучательной способности, в первом случае равной

Еэкв = е + (1-е)г|1т|2<21ехр( ( б2ехр( (8.18) \ А-/Ст// \ \ А./об//

во втором

еЭкв = е + (1-е)П1П2^4-(8.19)

92 1 „6

Погрешность от влияния отраженного поверхностью объекта излучения при этом может быть оценена с помощью формул (1.21), (1.22), в которые подставляется значение еэкв вместо е. Эта погрешность может быть уменьшена при использовании ОЭСИТ, описанных в гл. 5, а также в [5.19], [8.13].

На практике имеют место два случая: а) объект окружен со всех сторон нагретыми поверхностями (например, объект располагается в печи, стенки которой нагреты до температуры Тст), б) вблизи расположения объекта имеется освещение (дневное или электрическое).

В первом случае можно считать, что объект расположен в замкнутой полости, излучение в которой приближается к излучению абсолютного черного тела. При виновской аппроксимации

П1П2фтоТр = е^'5ехр(

\ М СТ /

и при степенной аппроксимации

М2% = ?^т.

Тогда формулы (8.18) и (8.19), определяющие эквивалентную излучательную способность, могут быть записаны: при виновской аппроксимации

8экв = 8 + (1-8)^ехр[-С2{(Х1Гст)-,-(Х2Го6)-1}], и при степенной аппроксимации

e3kb = s+(1-s)9i^"‘/(92 Т^.

Рис 8 15 Относительное спектральное распределения потока излучения при электрическом (I) и дневном (2) освещении

еэкв = е + (1-8) ехреэкв = е + (1-8) ехрПри определении влияния нагретых окружающих стенок в условиях близости температуры объекта и стенок можно принять, что qxjq2 = V, Q1IQ2~^i Т1х(пг = \; Х1/Х2 = 1. Тогда

еэкв = е + (1-8) ехр

еэкв = е + (1-8) ехр

или

е,Кв = е+(1-еХг=т/Гоб)"-

Во втором случае какая-либо количественная оценка погрешности, возникающей от влияния оптической помехи, затруднена из-за неопределенности значений коэффициентов T|t и т|2. При выборе ОЭСИТ, работающих в условиях такого рода помехи, необходимо учитывать относительные 'распределения энергии излучения солнечного света и электрического освещения (от лампы накаливания), графически представленные на рис. 8.15.

Рассмотрим погрешности, классических пирометров излучения при измерении каждым из них температуры объекта в печи с температурой стенок, весьма близкой к температуре объекта [5.19]. На рис. 8.16 приведены графики, характеризующие погрешности соответственно пирометра суммарного излучения (рис. 8.16, а), пирометра частичного излучения с кремниевым фотоэлементом (рис. 8.16,6) и пирометра спектрального отношения (рис. 8.16, в) с эффективными длинами волн 0,89 и 1,035 мкм при температуре стенок печи, равной 1100 °C.

Анализ этих кривых показывает, что вследствие влияния отраженной составляющей показания пирометра тем выше (по отношению к температуре объекта), чем ниже температура объекта и чем меньше его излучательная способность. Измеренные температуры слабо отличаются от действительных при равенстве температур стенок печи и поверхности нагреваемых объектов. В таких случаях методы измерения температур по излучению могут применяться с успехом.

Наибольшее влияние оптической помехи будет наблюдаться при измерении температур значительно меньших, чем температура источника помехи. При Тст—То6>150°С следует учитывать значительные погрешности измерения. 212

Рис 8 16 Зависимость погрешности измерения от температуры объекта для пирометров различных видов

Если | Тоб — Тст | « Т^, то можно считать еЭк» ~ 1 + (1 - г) п (Тоб - Тст)/Тоб.

Если излучательная способность объекта известна, то его температура может быть определена и при неизвестной температуре стороннего источника путем одновременного раздельного измерения суммарного потока от объекта и стороннего источника [8.14]. При этом воспринимаемый ОЭСИТ поток от стороннего источника необходимо ослабить редуцирующим органом (диафрагмой, нейтральным фильтром и др.) с переменным коэффициентом пропускания к.

Суммарный поток, воспринимаемый ОЭСИТ от объекта, определяется выражениями (8.16) или (8.17). Ослабленный поток только от стороннего источника при использовании (8.17) равен

Фст = £(1-8)Г|1Т|29Т"т.

Разность потоков суммарного и ослабленного от помехи при этом составит

Фоб - Фотр = qT^ [е - (1 - 8 - к) аТ"т/Т"6],(8.20)

где а, q = const.

Из (8.20) следует, что эквивалентная излучательная способность при этом будет определяться выражением

I 5—32 I Ч

еЭкв = Е - (1 - s - ^) а Г"т/ Т^б.

При выполнении равенства fc+s=l исключается влияние отраженного излучения среды независимо от ее температуры.

Обозначим через U„6 и Uokp сигналы на выходе ОЭСИТ при визировании ее на черное тело, имеющее температуру соответственно объекта и стороннего источника, а через Uo6—сигнал на выходе ОЭСИТ при ее визировании на объект при наличии помехи.

Тогда Со6 = 8С®6 + (1-е)Сокр.

Для того чтобы исключить влияние помехи, сигналы ОЭСИТ необходимо обрабатывать по алгоритму

ивых = кДиа6-кг Um^ = кг G [ед Т”6+(1 - е) q Т”кр - к t q Т^кр], где kv к2— тарировочные коэффициенты; Свых— выходной сигнал.

Предварительной градуировкой устанавливается

8 + /ct = 1; к2 = 1/8.

Тогда UBblx = GqT"6, т. е. при неизменном значений 8 исключается влияние е и отраженного излучения от окружающей среды.

ГЛАВА 9

ЦИФРОВЫЕ ОЭСИТ

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЦВМ В ОЭСИТ

Цифровая обработка информации (сигналов) в ОЭСИТ, как и в других контрольно-измерительных системах, обеспечивает увеличение точности и быстродействия измерения, повышение надежности работы приборов, расширение их функциональных возможностей и другие преимущества. В результате использования цифровой обработки и микропроцессорных приборов предполагается получить качественно новые измерительные приборы [9.1—9.5]. Цифровая обработка сигналов позволяет не только ускорить процесс измерения и повысить его точность, но и по-новому посмотреть на сам процесс измерения, на методы и средства -измерения.

Перечислим основные функции, выполняемые в ОЭСИТ с помощью цифровой техники (рис. 9.1). Прежде всего необходимо разделить эти функции на основные и вспомогательные. В основные функции входит обработка информации, ее накопление и хранение (запоминание). Вспомогательные функции—это функции управления режимами работы ОЭСИТ, тестовые проверки аппаратуры и ряд других операций.

Рис 9 1. Основные функции цифровой техники в ОЭСИТ

Управление режимами работы ОЭСИТ производится с помощью устройства управления, в котором формируются управляющие слова. Содержание этих слов зависит от схем управления прерыванием и служебной индикацией. Управление режимами может вестись также с клавиатуры оператором.

Характер обработки информации зависит от типа ОЭСИТ и от назначения (области использования) системы. На рис. 9.1 показаны функции цифровой техники применительно: 1) к одноканальным системам, обрабатывающим один зависящий от времени сигнал /(/); 2) к системам, использующим спектральную информацию 1 (X, /); 3) к системам, обрабаз ывающим спектральную и пространственную информацию /(х, X, /). Выделенные классы ОЭСИТ перечислены в порядке усложнения, т. е. предполагается, что в спектральных ОЭСИТ могут осуществляться все функции энергетических ОЭСИТ, а в системах с использованием спектральной и пространственной информации — функции энергетических и спектральных ОЭСИТ. Это отмечено одной и двумя стрелками на рис. 9.1.

Обработка информации в ОЭСИТ может производиться в двух режимах: в режиме реального масштаба времени и в режиме запоминания информации в процессе измерения и последующей ее обработки.

Наиболее сложные виды обработки информации осуществляются при использовании ОЭСИТ в качестве датчиков информа- 215

ции о тепловом состоянии объектов управления в АСУ ТП и при теплофизических исследованиях сложных пространственно распределенных объектов.

Приведем примеры функций, осуществляемых ЦВМ в ОЭСИТ.

Простейшей является функция аналого-цифрового преобразования сигнала энергетического пирометра с целью цифровой индикации результата измерения. Это осуществляется, например, в пирометрах «Смотрич-4П» и «Смотрич-5П» агрегатного комплекса переносных приборов АПИР-П [9.2]. В этих системах производится также цифровая индикация устанавливаемого значения излучательной способности е с дискретностью 0,001, измерение и запоминание текущих и максимальных значений температуры, индикация режима работы ОЭСИТ и тока разряда источников питания, введение поправки на окружающий фон.

С помощью цифровой техники осуществляют линеаризацию выходной характеристики измерительной системы, в запоминающем устройстве (в ПЗУ) хранят массив коэффициентов и набор программ переключения диапазонов [9.3].

Осуществляют также статистическую обработку сигналов ОЭСИТ для уменьшения случайных возмущений по Е и т, для устранения электрических и оптических помех и др. В [9.4] сообщается об алгоритме, позволяющем уменьшить методическую погрешность и увеличить достоверность результатов измерения температуры при наличии вышеперечисленных факторов. Статистическая обработка здесь производится в реальном масштабе времени.

Для получения более полной информации о тепловом состоянии объекта сейчас во многих ОЭСИТ формируется информация не только о текущем значении температуры, но и о скорости ее изменения, приращениях температуры за определенный отрезок времени, о максимальном, минимальном и среднем значениях температуры. Это требуется как при автоматизации, так и при теплофизических исследованиях объектов. Эти функции осуществляют как в реальном масштабе времени, так и с запоминанием информации и последующей обработкой ее.

Большой объем цифровой обработки информации осуществляют в спектральных ОЭСИТ. В цифровых пирометрах спектрального отношения выходные сигналы с двух приемников излучения после АЦП с помощью микропроцессорной техники преобразуют в цифровой код логарифма их отношения в соответствии с выражением

a = In^ =1п——51п—+1п—— —, (9.1)

UXI кг Х2 е2 XT v 7

Рис. 9.2. Схема цифровой ОЭСИТ спектрального отношения с аппаратурным преобразованием сигналов: 1. 2, 4 табличные преобразователи кодов;

3 — сумма! ор

где кх и к2 — коэффициенты, зависящие от типа приемников излучения, ширины используемых участков спектра и оптической системы; Л = Х1Х2/(Х2 —Хх).

Эю преобразование можно производить чисто программным путем или с помощью аппаратурных средств.

Первый путь вычисления цветовой температуры в соответствии с (9.1) требует значительного числа операций (включая операции деления, логарифмирования, умножения и др.), что связано со сравнительно большими временными затратами. Так, в [9.5] сообщается, что вычисление а чисто программным путем с помощью микропроцессорного набора серии К580 может быть произведено за 0,005 с.

Большего быстродействия вычисления, цветовой температуры можно достичь путем использования специальных аппаратурных средств [7.37]. На рис. 9.2 приведена схема цифрового блока, преобразующего в соответствии с (9.1) сигналы UX1 и UX2 в код температуры N^. В этом блоке цифровые коды U^i и (/Х2 с выходов соответствующих АЦП поступают на входы табличных преобразователей кодов (ТПК) 1 и 2. Выходные сигналы этих преобразователей lnt/xi и 1пСХ2 есть цифровые коды соответствующих значений логарифмов, причем 1пСх2 инверсное значение кода 1п[/Х2. Формирование цифрового кода а* осуществляется сумматором 3. Линеаризация результатов измерений производится ТПК 4, который преобразует цифровые коды а* в соответствующие значения

Заметим, что ТПК 1, 2 и 4 могут быть реализованы как на базе программируемых логарифмических матриц (ПЛМ), так и на постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), в которые записывается таблица перекодировки входной информации.

Эта таблица рассчитывается для каждого ТПК в соответствии с алгоритмом его работы. Разрядность ТПК определяется требуемой точностью преобразования сигналов С'х, и UX2 в цифровой код N^ty Быстродействие такой схемы определяется задержкой распространения сигналов в цифровых схемах.

С помощью современных микросхем и описанного аппаратурного решения можно получить быстродействие формирования информации о цветовой температуре — порядка КГ 6 с.

Наиболее сложная обработка информации осуществляется в сканирующих ОЭСИТ. В них добавляется информация о пространственном распределении температуры (обычно о распределении температуры в двухмерном пространстве с линейными или угловыми координатами).

Для анализа температурных полей могут быть использованы алгоритмы и средства, предназначенные для обработки изображений (видеоинформации). Именно при обработке изображений достигнуты наибольшие успехи как в программном, так и в аппаратурном обеспечении. Наиболее известны следующие системы обработки изображений (в различных модификациях): IBAS фирмы Opton (West Germany), Magiscan фирмы Joyce- Loebl (Англия) и Pericolor фирмы Numelec (Франция). Общими для этих и подобных систем являются следующие качества: возможность ввода в реальном масштабе времени в память машины одного или нескольких изображений, получаемых с помощью стандартных передающих телевизионных устройств; широкий набор операций, производимых над изображениями; оперативная работа с изображением, представленным на экране монитора.

В качестве примера приведем некоторые характеристики системы обработки изображений модели «Pericolor 2000Е». Эта система представляет собой многопроцессорную универсальную вычислительную систему, оборудованную оперативной памятью большой емкости, графической памятью емкостью 22 Мбайт и рядом вспомогательных блоков памяти. Доступ к памяти осуществляется через две независимые адресные шины и две шины данных; основная коммуникационная шина выполнена на базе шины Multibus.

Система обеспечивает считывание и обработку изображения (не более чем с четырех телевизионных камер) с разрешающей способностью 512x512 и 1024x1024 элементов в кадре. Для этого разработаны соответствующие видеопроцессоры и процессор для оцифровки видеосигнала. Для обработки изображения используются 16-разрядный программируемый процессор и 32-разрядный арифметический сопроцессор с плавающей запятой. Последний позволяет выполнять такие сложные преобразования над изображениями, как быстрое преобразование Фурье, свертка, смешивание и др.

Конфигурация системы «Pericolor 2000Е» позволяет пользоваться имеющимися в системе многочисленными программами обработки изображений, а гакже разрабатывать новые программы с использованием открытого принципа построения программного матобеспечения. В наборе стандартных про- 218

грамм (их более 300) предусмотрены программы для: 1) выделения контуров изображений; 2) построения гистограмм (в том числе двухмерных); 3) вычисления функции корреляции двух изображений; 4) классификации изображения по различным признакам; 5) составления цветных композиций; 6) выделения связных областей и др. Шаровое устройство управления курсором (меткой на дисплее) позволяет оперативно выбирать программы из меню, устанавливать значения порогов, цветов и положение окон на изображении и т. д. Каналы ввода — вывода позволяют подключать следующие внешние устройства: накопители на магнитных дисках и лентах, телевизионные и тепловизионные камеры (до четырех одновременно), видеомагнитофон, интерактивную планшетку, цветное печатающее устройство, устройство для твердой копии, другие ЭВМ.

Основной класс сканирующих ОЭСИТ, в которых осуществляют цифровую обработку пространственной информации, составляют тепловизионные системы. Среди последних наибольший интерес представляют следующие системы: цифровой анализатор тепловых полей типа АТП-44И (СССР); термовизоры фирмы AGA и AGEMA (Швеция); термовизор Thermo Tracer-6T61 фирмы NEC San-ei Instr., Ltd. (Япония). Для этих и подобных систем можно использовать универсальные системы обработки изображений, описанные выше. Однако конкретные разработки тепловизионных систем снабжаются специализированными системами обработки тепловых изображений, обычно обладающими меньшими функциональными и аппаратурными возможностями. Это вызвано необходимостью удешевления систем и применением их в производственных условиях. Кроме того, в тепловизионных системах — меньшая разрешающая способность (по сравнению с телевизионными), например в одном термоизображении в системе АТП формируется 128x 128 элементов, в системе Thermovision-782—100x280 элементов, в системе Thermo Tracer-6T61 — 100x300 элементов.

Наиболее распространенные операции, производимые над тепловыми изображениями, следующие: цветовая индикация температурного поля (с 8, 10 или 64 градациями); выделение и индикация изотерм; выделение зон с экстремальными температурами; индикация распределения температур вдоль произвольно выбираемых прямых; индикация температуры в заданных рамках или точках; запоминание нескольких (до 1000) термоизображений.

Отметим также ряд других операций, производимых над термоизображениями в системе Thermo Tracer-6T61, обладающей на сегодня наибольшими функциональными возможностями. В этой системе кроме описанных выше производятся следующие операции по обработке термоизображений: воспроизведение на экране одновременно четырех изображений, 219

увеличение масштаба воспроизведения (до пятикратного) с одинаковым или различным масштабом увеличения по ортогональным осям, цветовая индикация выделенных изотерм с черно-белым,фоном, перемещение уровня средней температуры; формирование негативного изображения, оконтуривание изображения, индикация гистограмм, индикация теплового поля с наложением распределения температуры по семи линиям, вычитание изображений, регистрация изображений в памяти с заданным временным интервалом (10 с — 24 ч).

ЦИФРОВЫЕ ОЭСИТ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ СТРУКТУРОЙ

Применение цифровой техники в ОЭСИТ позволяет не только производить сложную обработку сигналов, но и перестраивать структуру системы измерения. Эта перестройка может осуществляться как в процессе измерения, так и перед измерением в зависимости от того, температура какого объекта измеряется (с целью уменьшения влияния е), в каких условиях происходит измерение (для уменьшения влияния т и помех) и т. д. Рассмотрим несколько схем ОЭСИТ с перестраиваемой структурой [7, 36].

В ряде ОЭСИТ используют следующее преобразование сигналов для получения информации о температуре объекта (см. гл. 5):

=1пе1+71п^ +lnk1+.7lnll -(9.2)

где $ = XJX2.

Значение у выбирается из условия 57^ = 0, т. е. так, чтобы выполнялось равенство

/ \ 1 + р?

/ £1 E^l(1-Р)] — 1

В устройстве, реализующем данный алгоритм преобразования (рис. 9.3), выходные сигналы кодовых преобразователей 1 и 2 поступают на входы дополнительных ТПК (блоки 3 и 4), которые осуществляют преобразование кодов lnU*i в (1 + Ру) lnt/*i и InU*2 в yln6/*2. Назначение сумматора 6 и ТПК 5 аналогично назначению этих блоков в устройстве, описанном в §9.1. Регистр 7 позволяет изменять у программным путем для минимизации 5Те в различных технологических процессах. Информация с выхода блока 7 подается на соответствующие адресные входы ТПК 3. 4 и 5. При этом выбирается определенная зона памяти ТПК, в которой записана таблица преобразования, соответствующая заданному значению у. Запись информации в регистр 7 может производиться автоматически от ЭВМ или вручную оператором с помощью переключателей.

1

Рис 9 3 Схема цифровой ОЭСИТ с формированием поправки /

1,2,4 табличные преобразователи кодов, 3 5—дополнительные (табличные) преобразователи, 6—сумматор, 7—регистр формирования поправки у

Для ОЭСИТ, основанных на формировании поправок (гл. 5), значения температуры находятся из выражения

а = ц —аар,(9.3)

где р = 1п(/ц в ОЭСИТ частичного излучения и p = lnt/xl/lnl/x2 в ОЭСИТ спектрального отношения; «=const.

При формировании поправки в ОЭСИТ спектрального отношения значение ар определяется выражением

11 -XI 1/,Х1 с ) XI

«р- ^1пСХ1 -ШЦ2-6= 1 In+ Lln^ --b, (9.4)

LX11 XI

где b = \n-™- 51n-C.

Таким образом, значение вводимой поправки а6 = яар зависит только от излучательных свойств объекта и коэффициента пропорциональности а. Следовательно, для обеспечения равенства 8Тс = 0 характер изменения £ = /(Х,!) объекта в технологическом процессе должен быть таким, чтобы a^lnSj в ОЭСИТ частичного излучения и ae = ln(Ei/s2) в ОЭСИТ спектрального отношения.

Рассмотрим схему (рис. 9.4) блока преобразования информации в ОЭСИТ спектрального отношения с формированием поправки в соответствии с (9.3).

Аналогично предыдущему в данной схеме с помощью ТПК 7 и ТПК 2 определяются цифровые коды 1п17х1 и 1пПХ2. Сумматоры 7 и 8 и ТПК 3 и 5 служат для вычисления инверсных кодов. На входы сумматора 7 подаются сигналы, соответствующие lnt7X2 и Ь*, а на выходе этого блока формируется инверсный цифровой ko^i выражения ( — 1пСХ2 — Ь*). Блок ТПК 3 преобразует код 1пСх1 в цифровую величину, пропорциональную ^X1)X2)\nU*1, а сумматор 8 вычисляет значение оф В блоке ТПК 5 производится преобразование а* в 221

Рис 9 4. Схема цифровой ОЭСИТ с формированием поправки аЕ: 1—5 табличные преобразователи кодов, 6 9—сумматоры, 10 устройства индикации

величину поправки а *. На выходе сумматора 9 формируется цифровой код а* в соответствии с (9.3). Функции ТПК 4 те же, что в схемах, приведенных выше.

К достоинству данной схемы следует отнести то, что значение а* может быть выведено на устройство индикации 10, что позволяет судить об изменении излучательной способности объекта в технологическом процессе.

Быстродействие приведенного блока преобразования информации несколько ниже быстродействия такого же блока, построенного по схеме на рис. 9.3, вследствие введения дополнительных элементов в канале формирования N(t\

Аналогичным образом могут быть построены блоки обработки информации с другими алгоритмами преобразования сигналов Uxv ..., UXn в код N^A, также блоки, использующие излучение в трех, четырех и более участках спектра.

Рассмотрим схему цифрового блока преобразования инфор- , мации с гибко перестраиваемой структурой (рис. 9.5), позволяющего реализовать несколько различных алгоритмов обработки

Рис. 9 5. Схема цифровой ОЭСИТ с гибко перестраиваемой структурой. / —10 — блоки, аналогичные блокам рис. 9 4, //—мультиплексор цифровых кодов

Таблица 9.1. Режимы работы ОЭСИТ с гибкой перестраиваемой структурой

С,

С2

Режим работы

0

0

ОЭСИТ спектрального отношения

1

0

ОЭСИТ частичного излучения

0

1

ОЭСИТ спектрального отношения с формированием поправки по излучению в двух участках спектра

1

1

ОЭСИТ частичного излучения с формированием поправки по излучению в двух участках спектра

информации приемников излучения. Программирование режимов работы схемы осуществляется по входам С\ и С2 в соответствии с табл. 9.1.

Назначение блоков 1—10 в этой схеме аналогично назначению тех же блоков, приведенных на предыдущих рисунках. Обеспечение приведенных в табл. 9.1 режимов работы пирометра достигается введением в схему мультиплексора цифровых кодов 11, управляемого по входу Cv а также введением дополнительных входов управления ТПК 4 и 5, подключаемых к выходам Ci и С2. Пусть С2 = 0, тогда значение поправки, формируемой на выходе ТПК 5, а*=0. Если при этом Ct=0, то мультиплексор И подключает к соответствующему входу сумматора 9 выходной код сумматора 6 (йц^и/би))' т- е- имеем обычный пирометр спектрального отношения. В случае Cj = l мультиплексор И подключает к соответствующему входу сумматора 9 выходной код ТПК 7 (lnC\i). т. е. при С, = 1 и С2 = 0 схема реализует алгоритм обработки информации, соответствующий пирометру частичного излучения с эффективной длиной волны ХР При С2 = 1 значение а* определяется так же, как и в схеме на рис. 9.4. Значение а* при этом вводится в показания пирометра частичного излучения (Q = 1) или спектрального отношения (Cj=0).

Недостатком пирометров с чисто аппаратурной реализацией блока цифровой обработки сигналов UX1, ..., UXn является значительная избыточность реализации схемы, работающей при различных значениях у и а. Эта избыточность связана с дополнительными объемами памяти, необходимыми для записи таблиц перекодировки для разных значений у и а. Кроме того, увеличение числа алгоритмов обработки при использовании излучения в трех и более участках спектра ведет к резкому усложнению схемы преобразователя.

Построение блока цифрового преобразования информации, лишенного этих недостатков и реализующего различные алгоритмы преобразования сигналов приемников при произвольных значениях у и я, возможно аппаратурно-программным путем. (Недостатком чисто программной обработки сигналов является малое быстродействие.)

Рис 9 6 Схема цифровой ОЭСИТ с аппаратурно-программной реализацией 14 310 табличные преобразователи кодов 5— мультиплексор, 6 вычислительное

устройово, 7 оператор, 1113 -мультиплексоры адреса 44—16 регистры. 17

сог '.асователь магистралей

Рассмотрим схему блока преобразования с аппаратурнопрограммной реализацией, в котором используется излучение в четырех участках спектра (рис. 9.6).

Цифровые коды сигналов приемников излучения U^v ..., UKn поступают на входы соответствующих ТПК 1— 4, построенных аналогично ранее рассмотренным ТПК. Выходы ТПК 1.— 4 через мультиплексор 5 подключены к шине данных D вычислительного устройства 6. Алгоритм обработки сигналов UXl вместе со значениями параметров у и а записывается в память блока 6 от ЭВМ верхнего уровня или с пульта оператора 7.

В качестве алгоритма обработки информации может быть выбран любой из рассмотренных ранее алгоритмов, причем эффективные длины волн используемых приемников излучения определяются множеством Хг

Анализ законов обработки сигналов излучения показывает, что для их реализации небходимо выполнить ряд следующих операций:

преобразование U*, в величину In 6/*, что в схеме, приведенной на рис. 9.6, выполняется с помощью ТПК 1—4;

суммирование и вычитание кодов, что обеспечивается с помощью блока 6;

вычисление функций типа (Xt/Х2) InU*; (1 + Ру) In U*, т. е. выполнение операции умножения параметров, пропорциональных потоку излучения, на постоянную для данного алгоритма величину. 224

Именно большое время выполнения операции умножения вычислительным устройством определяет малое быстродействие блока обработки с программной реализацией алгоритма вычисления 7V(z). Заметим, что для каждого из рассмотренных законов обработки сигналов приемников излучения для определения W(z) требуется выполнить не более трех таких операций.

В схеме, приведенной на рис. 9.6, вычисление указанных функций осуществляется аппаратурным путем с помощью ТПК 8, 9 и 10. Однако в отличие от преобразователей кодов ранее рассмотренных схем, каждый из которых реализует одну функцию преобразования, ТПК 8, 9 и 10 должны в зависимости от конкретного алгоритма работы обеспечить выполнение различных программ преобразования. Таким образом, ТПК 8, 9 и 10 должны строиться на базе блоков оперативной памяти, в которые для каждого алгоритма записываются программы, соответствующие требуемым функциям преобразования. Запись программ в ТПК 8, 9 и 10 производится по шине данных D. При этом мультиплексоры адреса 77, 12 и 13 по сигналам блока 0 подключают адресные шины ТПК к соответствующим шинам этого блока 6. После загрузки программ в ТПК 8,9 и 10 мультиплексоры 11,12 и 13 коммутируют адресные шины ТПК к выходам соответствующих регистров 14, 15 и 76. Регистры 14, 15 и 76 используются для записи в них из памяти блока 6 значения величины, перекодируемой в соответствии с программой, записанной в данном ТПК. Согласователь магистралей 17 служит для связи пирометрического преобразователя с ЭВМ верхнего уровня и позволяет выводить результаты измерения на устройство индикации.

Быстродействие преобразователя, построенного в соответствии с рис. 9.6, удовлетворяет многим задачам контроля температурных полей, хотя оно несколько ниже, чем \ рассмотренных схем с чисто аппаратурной реализацией алгоритма обработки сигналов приемников излучения. При использовании в качестве вычислительного устройства микропроцессора К580 среднее значение времени обработки сигналов составляет (5 —20)-10“5 с.

Достоинством такого преобразователя является то. что без изменения его аппаратурной части удается реализовать различные законы преобразования сигналов приемников излучения в значение N(t\ Эго обеспечивает малую методическую погрешность в различных технологических процессах.

ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДАТЧИКОВ

ПИРОМЕТРА «СПЕКТРОПИР»

В заключение приведем функциональную схему цифрового преобразователя, разработанного применительно к серийно выпускаемому пирометру типа «Спектропир» (рис. 9.7). Такой 225

преобразователь реализует обработку сигналов приемников излучения, работающих в двух участках спектра.

Выходные напряжения соответствующих приемников излучения UX1 и UX2 преобразуются с помощью АЦП1 и АЦП2 в десятиразрядные цифровые коды, поступающие на входы соответствующих ТПК (блоки А1 и А2). ТПК А1. и А2 выполнены на базе микросхем ППЗУ типа К556РТ5 с организацией памяти 512x8. Соответствующие адресные шины АО, ...,А8 микросхем Э1,...,Э4 объединены между собой и подключены к выходам DO, ...,D8 АЦП. Шины выборки V3, V4 микросхем 33 и 34 соединены с выходом D9 АЦП через инвертор. Соответствующие выходы микросхем 31 и 33, 32 и 34 связаны между собой и образуют десятиразрядное поле данных блоков А1 и А2. Таким образом, ТПК А1 и А2 имеют организацию памяти 1024x 10. Выходы ТПК А1 и А2 подключены к соответствующим входам десятиразрядного сумматора, построенного на микросхемах типа К155ИМЗ (блоки Cl, С2, СЗ). Преобразователь, выполняющий функцию линеаризации результатов измерений, построен на базе микросхем К556РТ5 (блоки 35 и 36) и имеет организацию 1024x8. Разряды N0,...,N7 выходного кода N li) преобразователя могут быть подключены к магистрали данных микро-ЭВМ или микропроцессора. Формирователь Ф в соответствии с модулированными напряжениями фотоприемников UX1 и UX2 вырабатывает сигналы С1 и С2, поступающие на входы S и R триггера готовности Тг и синхронизирующие работу преобразователя.

Через время т3^(100н-150) • 10-6 (равное суммарному быстродействию АЦП и остальной части схемы) после появления истинных значений UX1 и UX2 на соответствующем выходе формирователя вырабатывается сигнал C1 = L устанавливающий триггер Tt в единицу. В момент установки UK1 = UX2 =0 формируется сигнал С2=\, сбрасывающий триггер в нуль. Таким образом, значение выхода триггера, равное единице, соответствует истинной информации N^f) на выходе преобразователя.

К недостатку приведенной схемы относится невозможность изменения параметров алгоритма преобразования без замены микросхем ППЗУ в блоках 31 — 36 на аналогичные, но с другой таблицей прошивки. Для устранения этого недостатка можно использовать схему преобразователя на базе микросхем К573РФ5. позволяющих производить в них многократную электрическую запись информации. Кроме того, эти микросхемы имеют значительно больший объем памяти (до 2048 х 8), что обеспечивает сокращение аппаратурного объема схем ТПК в 2 раза.

ГДАВА 10

ПРИМЕНЕНИЕ ОЭСИТ

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Выше были кратко рассмотрены теоретические основы классических и несколько более подробно неклассических методов пирометрии излучения, что позволяет достаточно обоснованно оценить возможности современной пирометрии излучения применительно к решению практических задач измерения температуры реальных объектов с требуемой точностью.

Эта оценка сводится в основном к следующему [1.17].

Только в относительно редких случаях излучательная способность реальных объектов в промышленных условиях достаточно близка к единице, вследствие чего методическая погрешность измерения температуры таких объектов энергетическими пирометрами, отградуированными по абсолютно черному телу, равна или меньше допустимой.

Такого рода объекты встречаются только в двух принципиально различных случаях.

Первый случай имеет место, когда реальный объект измерения температуры окружен со всех сторон поверхностями, нагретыми практически до одинаковой с ним температуры, вследствие чего излучение объекта близко к излучению абсолютно черного тела, если внутри замкнутого пространства нет иных источников излучения с более высокой температурой, а поглощение в промежуточной среде отсутствует. Среди процессов и агрегатов черной металлургии можно насчитать лишь около десятка типовых подобных объектов: поверхности слитков в нагревательных колодцах в конце цикла нагрева, поверхности заготовок в томильных зонах нагревательных печей прокатных и трубопрокатных цехов, поверхности верха насадок регенераторов мартеновских печей, огнеупорная кладка верха воздухонагревателей доменных печей, простенки отопительных камер коксовых батарей, внутренняя футеровка миксеров для жидкого чугуна и воздуховодов смешанного дутья доменных печей и некоторые другие аналогичные объекты.

Второй случай относится к некоторым обычно прозрачным в видимой области спектра материалам, к которым принадлежат стекла и органические синтетические пленки. При достаточной толщине эти материалы практически полностью поглощают излучение в сравнительно широких участках ближней инфракрасной области спектра, вследствие чего соответствующие спектральные или интегральные (частичные) излучательные способности этих материалов весьма близки к единице («0,96).

Для обычного стекла такие условия имеют место на участке длин волн 5—7 мкм, а для ряда органических пленок с 228

толщиной около 0,2—0,3 мм (ацетат целлюлозы, полиэстер, полиуретан, поливинилхлорид, полиамид, поликарбонат)—на двух участках спектра с длинами волн 3,4—3,6 и 7,7—8,2 мкм или только на первом из них (полипропилен, полиэтилен, полистирен).

Если в первом случае рабочий спектральный участок пирометра излучения не имеет решающего значения и выбор того или иного вида энергетического пирометра диктуется главным образом соображениями стоимости, надежности, простоты обслуживания и т. п., то во втором случае выбор ограничен специализированными пирометрами частичного излучения, чувствительными к излучению в ограниченных участках спектра. Так как при этом иногда бывает удобно одновременно избавиться и от влияния поглощения излучения объекта промежуточной газовой средой, то выбор рабочего участка спектра осуществляется с учетом расположения «окон прозрачности» в обычно существующей в местах расположения объекта и пирометра атмосфере, содержащей, как правило, такие основные селективно поглощающие электромагнитное излучение компоненты, как двуокись углерода и пары воды „(наличие пыли и пара приводит к неселективному рассеянию излучения).

«Окна прозрачности», где практически отсутствует поглощение излучения одновременно парами воды, и двуокисью углерода, расположены в следующих участках ближней инфракрасной области спектра: 0,72 —1,113; 2,6—2,9: 3—4; 4,3—5 и 8—14 мкм. Таким образом, для измерения температуры органических пленок наиболее целесообразно использовать пирометры частичного излучения с рабочими спектральными участками 3,4—3,6 и 8,0—8,2 мкм, а для измерения температуры стекла — с участком 5—7 мкм, на котором излучательная способность стекла наибольшая (около 0,96), практически отсутствует поглощение двуокисью углерода, но остается поглощение излучения парами воды. В тех случаях, когда газовая среда имеет ту же температуру, что и объект измерения, эффект поглощения излучения полностью компенсируется эффектом излучения того же селективно поглощающего компонента газовой среды. Вследствие этого печные газы, нагретые до температуры объекта и всегда содержащие пары воды, практически не будут влиять на показания пирометров излучения, а от присутствия паров воды в атмосфере внепечного пространства можно избавиться путем соответствующего отдува сухим сжатым воздухом.

Кроме того, в ряде случаев (также достаточно редких в практике) излучательная способность объектов, близкая к единице, может быть создана искусственно за счет применения визирных труб, образования пневматическими средствами полостей в жидких расплавах или облучения поверхности объекта пассивными или активными сторонними источниками излучения.

Излучательная способность реальных объектов, встречающихся в практике измерения температуры, существенно меньше единицы, и возникающей вследствие этого методической погрешностью отградуированных по абсолютно черному телу энергетических пирометров нельзя пренебречь. Однако в некоторых случаях соответствующая охватываемому пирометром спектральному диапазону излучательная способность объекта лишь незначительно отклоняется под влиянием различных факторов от некоторого среднего значения. При соответствующей градуировке пирометра или же внесении в его показания расчетных поправок это позволяет измерять температуру таких объектов с заданной точностью.

Нахождение экспериментальным путем среднего (расчетного) значения излучательной способности и пределов возможных отклонений ее мгновенных значений от среднего значения обычно не представляет особых трудностей и, как правило, выполняется непосредственно на рабочем месте. Ниже приведены типичные примеры определения требуемой точности измерения температуры рассматриваемых объектов, среднего значения их излучательной способности и выбора на этом основании, а также по ряду других соображений наиболее рационального метода измерения и типа пирометра излучения.

К сожалению, подавляющая часть реальных объектов не может быть охарактеризована некоторым средним значением излучательной способности. Единственным путем решения задачи остается использование существенно более трудно реализуемых методов пирометрии спектрального отношения и неклассических методов, рассмотренных выше.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СЛИТКОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ СТАНАМИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Для повышения производительности прокатного оборудования и улучшения качества проката необходимо оснащать прокатные станы средствами контроля технологических параметров и системами автоматического управления процессом.

При горячей прокатке меди и сплавов на ее основе температура слитков перед прокаткой является одним из определяющих параметров процесса. Расчеты, подтвержденные экспериментом [10.1], показали, что учет разброса температуры от слитка к слитку и соответствующая корректировка программ обжатий обеспечивают сокращение разнотолщинности в партии горячекатаных полос в 1,5—2 раза.

Для нормального функционирования систем автоматической установки расстояния между валками по проходам в зависимости от фактической температуры каждого слитка требуются 230

Рис 10 1. Зависимость допустимой абсолютной погрешности измерения АГ от точности установки межвалкового расстояния ЛЯ и допуска на разброс толщины Л/гРис 10 1. Зависимость допустимой абсолютной погрешности измерения АГ от точности установки межвалкового расстояния ЛЯ и допуска на разброс толщины Л/гСигнал от пирометра, мВСигнал от пирометра, мВРис. 10 2. Градуировочная кривая фотодиодного пирометра для латуни JI63 (1) и меди (2)Рис. 10 2. Градуировочная кривая фотодиодного пирометра для латуни JI63 (1) и меди (2)

Рис 10 1. Зависимость допустимой абсолютной погрешности измерения АГ от точности установки межвалкового расстояния ЛЯ и допуска на разброс толщины Л/г

Рис 10 1. Зависимость допустимой абсолютной погрешности измерения АГ от точности установки межвалкового расстояния ЛЯ и допуска на разброс толщины Л/г

Сигнал от пирометра, мВ

Сигнал от пирометра, мВ

Рис. 10 2. Градуировочная кривая фотодиодного пирометра для латуни JI63 (1) и меди (2)

Рис. 10 2. Градуировочная кривая фотодиодного пирометра для латуни JI63 (1) и меди (2)

надежные средства автоматического измерения температуры движущихся слитков в диапазоне 650—1000° С.

При выборе методов и средств измерения температуры в системах автоматического управления прокатными станами важно оценить целесообразную точность измерения, которая в общем случае связана с точностью реализации управляющих воздействий и допусками на основные параметры готового проката (геометрические размеры, механические свойства прокатанной полосы и пр.). Обоснованная оценка требуемой точности измерения температуры произведена в [10.1] с использованием математической модели процесса прокатки слитков на реверсивном стане.

Графики зависимости АТ от Ай и АТ/, приведенные на рис. 10.1, позволяют получить оценку допустимой предельной абсолютной погрешности измерения температуры слитка для заданной точности установки межвалкового расстояния АТ/ и допуска Ай. Из графиков видно, например, что на двухклетевом стане 800, где система установки валков обеспечивает АН= =+0,1 мм, для достижения Ай = 0,2 мм следует использовать пирометр с предельной абсолютной погрешностью АТ=16,5° С или относительной погрешностью 8Т=2% (при номинале Т= 800° С для сплава JI63). В то же время в системе управления двухклетевым станом 850, где реализуется АН= + 0,05 мм, для достижения Ай = 0,2 мм можно использовать пирометр с 8Т=2,4%.

В общем случае можно сформулировать следующие основные требования к измерителям температуры слитков для систем автоматического управления установкой валков на реверсивных станах горячей прокатки тяжелых цветных металлов:

допустимая погрешность (методическая и инструментальная) измерения температуры — не более 2%;

быстродействие — не хуже 1 с;

максимально возможные простота и надежность.

Максимальной простотой, а следовательно, и надежностью обладают пирометры, построенные по схеме непосредственного измерения электрического сигнала на приемнике излучения. Анализ отечественных и зарубежных типов пирометров показывает, что этому частному требованию наиболее полно удовлетворяют пирометры суммарного излучения и пирометры частичного излучения с фотодиодом в качестве чувствительного элемента.

С точки зрения быстродействия более предпочтительны пирометры частичного излучения, так как время установления показаний для таких пирометров с германиевым или кремниевым фотодиодом составляет 10-5 с, тогда как для пирометра суммарного излучения оно равно 2—4 с.

Оценим методическую погрешность для данного случая измерения.

Экспериментальные исследования в заводских условиях показали, что для сплавов Л63, Л70, Л90, Ml, МЭ величина их излучательной способности при выгрузке из нагревательной печи колеблется в пределах 0,85—0,95, т. е. максимальный относительный разброс составляет

бЕмакс = Aem3kc /ecd« 0,056,МаКС МаКС ср 7 ’

где Еср—среднее значение излучательной способности. Тогда при измерении температуры слитков пирометром частичного излучения, например с германиевым фотодиодом, без специальной подстройки на излучательную способность каждого сплава максимальная относительная методическая погрешность для верхнего предела измерения (Г=1000°С, « = 7,4) составит

8Тмакс = ^ 100 = 0,76.макс

Таким образом, для измерения температуры слитков из меди и латуней перед прокаткой с успехом могут быть использованы пирометры частичного излучения с германиевыми или кремниевыми фотодиодами, которые обеспечивают требуемую точность измерения.

Фотоэлектрический пирометр частичного излучения с германиевым фотодиодом ФД-За был использован в качестве датчика температуры слитков перед прокаткой в системе автоматической коррекции программы обжатий на двухклетевом стане горячей прокатки 800. Градуировку пирометра проводили на образцах из меди и лазуни Л63 с помощью зачеканенной 1ермопары хромель-алюмель (ХА). Отсутствие существенного различия между градуировочными кривыми для меди и латуни Л63 (рис. 10.2) свидетельствовало о практическом равенстве 232

о°о ° °°К °" '

750 О

о б 800%ооо о ОГ"С

дт°с

10 о -10 -20

Рис. 10.3. Абсолютная погрешность фотодиодного пирометра при измерении температуры сплавов Л63 (а) и Л90 (б)

излучательной способности для этих металлов при выходе из нагревательной печи. Этот результат подтверждается приведенными ранее данными экспериментальных исследований в заводеких условиях. При использовании общей градуировочной кривой максимальная абсолютная погрешность составила АТ» 6° С (при Т=760° С), а максимальная относительная погрешность

АТ

8Тмакс = ^100% = 0,79%.

В линии прокатного стана пирометр установлен после щеточной машины, которая очищает поверхность слитка от отставших кусков окалины и загрязнений. Для обеспечения стабильности градуировочной кривой применено внешнее термостат ирование всего пирометра.

Экспериментальную проверку погрешности пирометра в заводских условиях проводили с помощью контрольной штыревой термопары ХА. Графики погрешностей для сплавов Л63 и Л90 приведены на рис. 10.3. Результаты экспериментальной проверки показали, что общая погрешность измерения температуры слитков не превышает 1,5%.

Таким образом, применение фотодиодных пирометров в качестве датчиков температуры в системах автоматического управления станами горячей прокатки тяжелых цветных металлов позволяет решить задачи объективного контроля температуры слитков перед прокаткой, стабилизации процесса прокатки и сокращения разнотолщинности горячекатаных полос.

ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ В МЕХАНИКЕ СПЛОШНЫХ СРЕД

Механика сплошной среды является, пожалуй, одной из наиболее обширных областей применения тепловидения как метода изучения среды по особенностям ее теплового изображения. Возможность современных тепловизионных систем автоматизировать обработку измерений в большом количестве точек значительно расширяет области экспериментальных исследований.

В одних случаях анализ тепловых изображений связан непосредственно с измерением температуры или ее изменений, в других значительный интерес представляет определение месторасположения на объекте Экстремумов температуры или их динамика. Перспективными областями применения тепловизоров является дефектоскопия материалов и отдельных конструкций при проведении динамических и статических испытаний, а также при отработке аэродинамических компоновок летательных аппаратов и их отдельных элементов в аэродинамических трубах (на моделях) и в летных исследованиях [10.2, 10.3].

Источником теплового излучения при возникновении усталостной трещины в металлах является зона вокруг этой трещины. Тепловой градиент зависит от энергии, выделяемой в материале при продвижении трещины.

Наблюдения за процессами образования и роста усталостных трещин позволяют проследить динамику роста зоны пластической деформации материала перед растущей трещиной.

При исследовании болтовых или заклепочных соединений процессу возникновения трещины предшествуют трение элементов пакета в зоне крепежа и другие явления. Это сопровождается выделением тепла, которое и приводит к локальному повышению температуры. Применение теплового метода для обнаружения усталостных трещин или других дефектов в неразъемных соединениях имеет ряд преимуществ перед другими методами неразрушающего контроля, так как позволяет визуализировать работу стыка и тем самым локализовать критическую зону до появления в ней усталостных трещин.

Тепловой метод практически является единственным при изучении динамики развития пластической зоны деформирования, так как расчетные методы могут быть применены для ограниченного класса задач, а другие экспериментальные "методы исследования (ультразвуковые, изотопные и т. д.) либо не могут быть использованы по технологическим причинам, либо имеют низкую точность.

Существенным преимуществом теплового метода для интегральной оценки повреждения элементов конструкции является возможность контроля элементов конструкций из металлических и композиционных материалов — как магнитных, так и немагнитных, а также простота методики контроля и получения результатов непосредственно при проведении эксперимента.

Для экспериментальной проверки возможностей теплового метода был проведен ряд испытаний различных элементов конструкций. Были испытаны: образцы, предназначенные для исследования вязкости материалов; образцы из углепластика в виде полос; образцы двухсрезного заклепочного соединения.

Испытания первых образцов показали, что при нагрузках, составляющих соответственно 10, 30 и 80% разрушающей, 234

обнаруживается рост усталостных трещин и зон пластического деформирования в их вершинах. Зная чувствительность тепловизора, можно определить их размеры.

Образцы из углепластика подвергались статическому нагружению. Один из образцов до испытаний имел" незначительное механическое повреждение, необнаруживаемое визуально даже при сильном увеличении. При нагрузке около 30% разрушающей с помощью тепловизора было определено это повреждение. При чувствительности тепловизора Т=0,2ч-0,3 К оно выглядело как светлое пятно.

При увеличении нагрузки и при чувствительности Г=0,95 К отчетливо зафиксирована дефектная зона образца, в которой уже начали разрушаться волокна.

Изображение образца неразъемного соединения дало возможность определить при чувствительноеги 0,8 К распределение нагрузки по рядам заклепок, а при чувствительности - 0,4 К —зоны податливости стыка.

Изучение особенностей течения газового потока на хорошо обтекаемой поверхности (определение момента перехода ламинарного пограничного режима течения в турбулентный при изменении скорости потока) проводилось на модели профиля исследуемого объекта. На профиле была установлена тонкая пластина из нержавеющей стали размером 375 x 100 мм. Поверхность пластины была подогнана заподлицо с поверхностью обтекаемого профиля. С внутренней стороны пластины по всей площади был установлен электрический нагреватель, позволяющий осуществлять равномерный подвод энергии.

При заданной скорости потока и нагреве пластины тепловизором исследовалось распределение условной температуры на ее поверхности. Значительный интерес представляло геометрическое положение экстремальных значений температуры: при Тп>Тм (где Т„ и Тм —температуры потока и модели) максимальные значения температуры соответствуют началу перехода ламинарного режима течения в турбулентный, а следующий за ним минимум — завершению перехода.

Ввиду строгой монотонности связи сигнала на выходе тепловизора с температурой модели определение геометрического положения экстремумов температуры не требует калибровки прибора. Малая толщина пластины позволила однозначно связать максимум условной температуры с минимумом коэффициента теплоотдачи, а минимум условной температуры — с максимумом коэффициента теплоотдачи. В случае ТП<ТМ соответствие экстремальных значений температуры и коэффициента теплоотдачи будет противоположным указанному выше.

Экспериментальные исследования показали, что при сравнительно небольшой скорости набегающего потока (до 30 м/с) тепловой энергии, выделяемой при трении воздуха о стенку

235

модели, недостаточно, чтобы сделать переход видимым. Незначительный стационарный подвод энергии к поверхности модели (^м — 7^ = 10-? 15 К) не меняет положения экстремумов коэффициента теплоотдачи и значительно усиливает контрастность интересующего процесса.

При более высоких скоростях распределение экстремумов теплоотдачи определялось и без подвода энергии к обтекаемой поверхности.

Существенную информацию о возникающих напряжениях в различных конструкциях и агрегатах при их динамических нагружениях дают сканирующие ОЭСИТ [10.4, 10.5]. При этом фиксируется уменьшение температуры в местах напряжений (не 'превышающих предела упругости материала). С целью уменьшения влияния изменения излучательной способности объекта на результат измерения и повышения достоверности контроля желательно использовать методы измерения, рассмотренные в гл. 5 данной книги. Для этого может быть использован, в частности, сканирующий пирометр, с перестраиваемой структурой СКАПИР-02 [10.5].

Важной областью применения сканирующих ОЭСИТ является радио- и микроэлектроника. Здесь перегревы (или недогре- вы) характеризуют тепловой режим работы элементов, установленных на печатной плате, или элементов в интегральной схеме, определяют качество паяных или сварных соединений и т. д. Получаемый с помощью ОЭСИТ тепловой «портрет» изделия обычно сравнивается с записанным в ЗУ нормальным «портретом», а «разность» между ними обрабатывается с помощью компьютерной техники. Так, например, для этих целей разработана модификация шведского «Термовизора-880» с персональным компьютером IBM PC (модель 8000). Она обеспечивает температурное разрешение 0,07° С на уровне 30° С [10.6]. С помощью дополнительной оптики (микроскопа) можно контролировать интегральные схемы размером 1,6 х 1,6 мм с высокой пространственной разрешающей способностью.

Дискретное сканирование, реализованное в СКАПИР-02, удобно использовать для быстродействующего выборочного контроля температуры дискретных точек на изделиях радио- и микроэлектроники, в частности для контроля мест пайки. При этом может быть сведена к минимуму необходимость в обработке информации. Здесь также могут быть использованы многоспектральные методы измерения температуры.

Широкое распространение получили тепловизионные системы в медицине и строительстве. С помощью тепловизоров диагностируются ревматические заболевания, облитерирующий атеросклероз, заболевания грудных и щитовидных желез, нарушения в желчном пузыре и многое другое. Подробное изложение соответствующих результатов дано как в меди- 236

цинской, так и технической литературе, в частности в сборниках «Тепловидение» (МИРЭА, 1982 — 1986 гг.), в трудах конференции ТЕМП (см., например, [7.13]) и др.

Можно отметить также применение тепловизоров при исследовании теплового состояния электрообогревных стекол, тепловых свойств горных' пород и руд, качества асфальтобетонных покрытий аэродромов и автострад, элементов конструкций зданий и защитных сооружений, состояния атмосферы и поверхности планет и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

К главе 1

Гордов А. Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971.

Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.

Гаррисон Т. Радиационная пирометрия. М.: Мир, 1967.

Euler J., Kudwig К. Arbeitsmethoden der optischen Phyrometry. Leipzig, 1960.

Приборы и методы температурных измерений / Б. Н. Олейник, С. И. Лаздина, В. П. Лаздин, О. М. Жагулло. М.: Изд-во стандартов, 1987.

Соколов А. В. Оптические свойства металлов. М.: Физматгнз, 1961.

L7. Старк Б. В., Шашков Ю. М. Влияние шероховатости поверхности и пленки твердых и жидких металлов на точность измерения оптическими способами // Изв. АН СССР. 1952. № 3. С. 395 -404.

Невский А. С., Ильчукова Л. В. О влиянии микрошероховатости на характер излучения поверхности // Теплофизика высоких температур. 1968. Т. VI. № 6. С. 1035 1039.

Хассен С. А, Дэйк А. М., Бюлов Ф. X. Исследование излучательных характеристик композиций окисел-металл // Ракетная техника и космонавтика. 1968. Т. 6. С. 166—171.

Брениов Р. Р., Голдстейн Р. Ж. Степень черноты окисных пленок на металлической подложке // Теплопередача. 1970. Ns 2. С. 49—57.

Киселева М. С., Непоренко Б. С., Федорова Е. О. Поглощение инфракрасной радиации при неразрешенной структуре спектра для наклонных путей в атмосфере (действие Н2О и СО) // Физика атмосферы и океана. 1967. Т. 3. № 6. С. 640 653.

Howard J. N., Burch D. Е., Williams В. К. Infrared transmission of synthetic atmospheres. Absorption by carbon dioxide. Absorption by Water Vapour // J. of the Optical Sc. of America. 1956. V.46. P. 237—244.

Киренков И. И. Метрологические основы оптической пирометрии. М.: Изд-во стандартов, 1976.

Поскачей А. А., Свеичаиский А. Д. Измерение температуры пирометрии с учетом стороннего излучения // Электротермия. М.: Информэлектро. 1978. № 3 (187). С. 3-4.

К главе 2

2 1 Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных Приборов Л Машиностроение, 1986

2 2 Воронков Е. М., Гречушкин Б. Н. Оптические материалы для инфракрасной техники М Наука, 1965

2 3 D. Е. Witt. Temperature, its measurements and control in science and industry / Pittsburg, USA 1971 V 3 P 320

2 4 Ллойд Дж. Системы тепловидения М Мир, 1978

2 5 Чуриновский В. Н. Теория оптических приборов М Машиностроение, 1963

2 6 Гигтер В. М. Автоматизация в черной металлургии Черметинформа- ция М Металлургия, 1968

2 7 Дукарский С. М. Теория радиационно! о пирометра со светопроводом // Теплофизика высоких температур 1969 №4 С 1160 1167

2 8 Рывкин С. М. Фогоэлектрические явления в полупроводниках М Физматгиз, 1963

2 9 Гридин А. С., Панков Э. Ф. Апертурные характеристики фотоприемников // Изв вузов Приборостроение 1968 № 1 С 105— 108

2 10 Halpert Н., Musicant В. L. N-Color (Hg, Cd) Те Photodetectors h Appl Optics 1972 Vol 11, № 10 P 2157—2161

2 11 Пашковский M. В., Гречух 3. Г. Фотоэлектрические и инфракрасные приемники на теллуридах кадмия ртути // Зарубежная электронная техника 1973 № 24 С 3 37

2 12 Верченко Н. Н., Матвеенко А. В. Многоцветные инфракрасные приемники // Тр ЦНИИ «Электроника» 1979 № 16 С 46 56

2 13 Медведей Ю. В. Многоцветные приемники излучения // Тр ЦНИИ «Электроника» 1983 № 10 С 40 —53

2 14 Модуляция и отклонение оптического излучения / Г П Катыс, Н В Кравцов, Л Е Чирков, С М Коновалов М Наука, 1967

2 15 Катыс Г. П. Оптико-электронная обработка информации М Машиностроение, 1972

2 16 Мустель Э. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света М Наука 1970

2 17 Вистень Л. К., Чистяков И. Г. Приборы и системы управления на жидких кристаллах // Приборы и системы управления 1975 № 3 С 19—23

2 18 Пространо венные модуляторы света/А А Васильев, Д Касасент, И Н Компанец, А В Парфенов М Радио и связь 1987

2 19 Sims R. В., Place J. A. A surface-scanning pyrometer / J Sci Instr 1954 V 31. N 8 P 293-294

2 20 Блаут-Блачев P. H. Сканирующий пирометр // Теория и применение автоматических систем управления н контроля М Наука 1964 С 288 —297

2 21 А.с. 179034 СССР. Цветовой сканирующий пирометр / Г П Катыс, Е П Чубаров / Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1966 № 4

2 22 Катыс Г. П. Информационные сканирующие системы М Машиностроение, 1965

2 23 Optical scanners Series G//General Scanning Inc

2 24 Наивысшие параметры основных классов изделий электронной техники, достигнутые к 1986 г / В И Генкин, Т Г Грачева, Т М Калякина и др //Зарубежная электронная техника 1986 № 8 (303) С 26—100

2 25 Forman J. R. Pyroelectric technology in modern thermal imaging systems//Electronic Eng 1977 № 1 P 38-41

2 26 Жигарев А. А., Шамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы М Высшая школа, 1982

2 27 Оптическая обработка изображений / Под ред С Б Гуревича и Г А Гаврилова Л Наука, 1985

2 28 Артемьев Н. Л., Корнилов Б. В. Новая передающая телевизионная трубка — инфракон // Радиотехника и электроника 1965 № 10 С 1909—1910 238

2 29 Слободян С. М., Кятенко Т. Н. Диссекторы—фотопрнемннки с произвольной выборкой сигнала//Зарубежная радиоэлектроника 1985 № 7 С 27— 39

2 30 Катыс Г. П., Чубаров Е. П. Современные методы и системы контроля температурных полей//Приборы и системы управления 1971 № 10 С 17—21

2 31 Достижения в технике передачи и воспроизведения изображения/Под ред Б Кейзана Пер с англ М Мир, 1980

2 32 Журавлев А. А., Белянина Е. К. Возможности улучшения минимальной разрешаемой разности температур тепловизионных систем с пироэлектрическим видиконом//Тепловидение М МИРЭА 1986 С 38—43

2 33 Крнксунов Л. 3., Рыбашко В. А. Пироконы Киев Техника, 1984

2 34 Аксененко М. Д., Бараночников М. Л. Приемники оптического излучения М Радио и связь, 1987

2 35 Справочник по приемникам оптического излучения/Под ред Л 3 Криксунова и Л С Кременчугского Киев Техника, 1985

2 36 Богомолов П. А., Сидоров В. И., Усольцев И. Ф. Приемные устройства ИК-систем/Под общей ред В И Сидорова М Радио и связь, 1987

2 37 Фотодиоды на основе твердых растворов Cdx Hg, . ^ Те / Н Л Баженов, СИГасанов, В К Огородников, В И Процык // Зарубежная электронная техника № 8(303) 1986 С 3 —25

К главе 3

3 1 Поскачей А. А., Русин Е. П. Измерение температуры в электротехнических установках М Энергия, 1967

3 2 Чарихов Л. А. Автоматическая компенсация влияния температуры окружающей среды на ТЭД С пирометра суммарного излучения // Измерительная техника 1969 Ns 10 С 15 —19

3 3 Федонюк И. И. Возможности уменьшения температурной погрешности фотодиодных телескопов // Комплексная автоматизация сталеплавильного производства Киев Техника 1974 С 19 23

3 4 Фоменко В. А. Быстродействующий автоматический фотодиодный пирометр // Приборы для исследования физических свойств газов н жидкостей н контроля теплоэнергетических параметров М ГОСИНТИ 1962 С 31 —38

3 5 Ruffino G. Comparison of photomultiplier and Si photodiode as detectors in radiation pyrometry//Applied optics 1971 V 10 N 6 P 1241-1245

3 6 Wandland P. H. Solid state combo senses well enough to vie with tubes/ Electronics 1973 N 11 P 50 54

3 7 Шаталов А. С., Гринберг Л. С., Шаталов Ю. А. Функциональные формирователи электрических сигналов М Энергия, 1974

3 8 Hoover В. R. A high accuracy novel hnearizer for a silicon cell phyrometer//Instrumentation in Aerospace Industry 1975 V 21 P 427-434

3 9 Катыс Г. П. Оптические датчики температуры М Госэнергоиздат, 1959

3 10 Федонюк И. И., Комарова Ж. И. Фотоэлектрический пирометр для измерения температуры в индукционных печах//Приборы н системы управления 1969 № 4 С 17—18

3 11 Лах В. И., Самченко Г. П. Агрегированный комплекс пирометрических преобразователей и пирометров излучения АПИР-С//Приборы н системы управления 1980 №5 С 13—17

3 12 Температурные измерения Справочник/О А Геращенко, А Н Гордов, В И Лах и др Киев Паукова думка, 1984

3 13 Temperature measurement by Heat Radiation Chino works, Ltd P 21

3 14 Гуревич A. M. Фотоэлектрический пирометр ФЭП-3//Заводская лаборатория 1950 №11 С 37 39

3 15 Поскачей А. А., Уральский М. П. Измерение температуры поверхности изделий из алюминиевых сплавов пирометрами частичного излучения//Заводская лаборатория 1964 №7 С 4—6

3 16 Фо i оэлектрический пирометр ФЭП-8/В М Зуев, С С Гойхман,

239

Г П Решетов, А М Васильев//Приборы и системы управления 1971 А* 9

3 17 Щербина Д. М., Галуза А. И., Кириченко А. П. Скоростной пирометр//Теплофизика высоких температур 1978 Т 16 №4 С 887 -890

К главе 4

4 1 Гольдреер И. Г., Деньгин В. Ю. Логометрирование уровней импульсов с помощью инерционных стабилизаторов напряжения // Измерительная техника 1958 № 3 С 33—40

4 2 Гуревич А. М. Фотоэлектрические пирометры и измерение цветовой температуры / Автоматика и телемеханика 1940 №4 С 133 — 150

4 3 Волков В. М. Логарифмические усилители Киев Наукова думка, 1965

4 4 Nolle A. W. Electronic circuit has Logarithmic Response // Electronics 1948 V 21 N9 P 166 173

4 5 Dobkin R. C. Logarithmic converters//IEEE Spectrum 1969 V 6 N 11 P 69— 72

4 6 Поскачей А. А. Простой инфракрасный пирометр спектрального отношения//Передовой научно-технический и производственный опыт № 33-63-375/3 М ГОСИНТИ 1963

4 7 А. с. 179033 СССР. Низкотемпературный пирометр спектрального отношения/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1966 № 4

4 8 А. с. 224856 СССР. Способ поддержания абсолютных уровней в пирометрах спектрального отношения/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1968 № 26

4 9 А. с. 178145 СССР. Цифровой пирометр спектрального отношения/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1966 № 2 и

4 10 А. с. 178143 СССР. Автоматический многоканальный пирометр спектрального отношения/А А Поскачей'/Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1966 Ns 2

4 11 А. с. 178144 СССР. Переносный пирометр спектрального отношения/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1966 № 2

4 12 А. с. 190622 СССР. Датчик цветовой температуры / А А Поскачей /'Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1967 № 2

4 13 Мерсон Я. И. О рациональных схемах построения цветовых пирометров//Измерение температур пламени М Оборонгиз 1954 С 101 — 114

4 14 Кролевец К. М., Янович В. С. Измерение логарифма отношения величин световых потоков//Автоматика и приборостроение 1960 Вып IV С 19 21

4 15 Бутковский А. Г., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Методы н устройства автоматического измерения температуры по собственному излучению объекта//Автоматика и телемеханика 1975 № 4 С 153—163

4 16 А. с. 270296 СССР. Пирометр двойного спектрального отношения/О М Жагулло'/Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1970 N> 16

4 17 Поскачей А. А., Уральский М. П. Пирометр спектрального отношения с диапазоном измерения 300—500° С//Приборостроение 1965 № 4 С 13-16

4 18 Цветовые автоматические пирометры «Цветопир»/В Т Негруцак, О М Жагулло, Н В Россикова, Е В Трубицин//Приборы и средства автоматизации 1964 № 7 С 24—26

4 19 Негруцак В. Т., Россикова Н. В., Трубицин Е. В. Новые пирометры спектрального отношения//Приборы и системы управления 1967 № 7 С 46

4 20 Егоров Д. Е., Сырцов С. П., Трубицын Е. В. Новые пирометры спектрального отношения//Приборы и системы управления 1980, № 5 С 17—19

4 21 Пирометры спектрального отношения типа «Спектропир» / Д Е Его-

ров, В Т Негруцак, С П Сырцов, Е В Трубицын //Тезисы докладов V-й Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 ТИС 5—6

4 22 Цветовой электронный пирометр ЦЭПИР/Я А Альтшулер, И М Вешенчук, М П Липкович Я В Серафин/'Приборы и средства автоматизации 1963 № 10 С 16—17

К главе 5

5 1 Murrey Т. R. Measuiement of Hot Strip Mill Coiling And Finishing Temperatures//Iron and Steel Engineer 1972 V 9 N 8 P 36 42

5 2 Naeser G., Engels G. Zur Straheungsanalyse von flussigem stahl // Stahl und Eisen 1949 N 15 S 508-514

5 3 Anderson A. S. Accurate Noncontact Temperature Measurement of Aluminium and Aluminium Alloy Surfaces Symposium on Major Problems of Present-Day radiation Phyrometry Moscow 1986 IMEKO, HTJ AS USSR P 234-240

5 4 Pyatt E. S. Some consideration of the erors of brightness and two-collour tupes spectral radiation phyrometer / British Journal Applied Physics 1954 V 15, N 5 P 269

5 5 Reyndol S. A review of multicollour pyrometry for temperatures below 1500 C//British Journal Applied Physics 1964 V 5, N 5 P 579 589

5 6 Г. В. Путтер. Общие соображения, влияющие на устройство пирометра высокой точности//Основные понятия и современные методы измерения температур Т III 4 1 М Металлургия 1967 С 183 205

5 7 Korneff Т. Optical pyrometer with microsecond resolution lime / Review of scientific instruments 1971 V 42, N 11 P 1561-1565

5 8 Куинн. Температура Пер с англ / Под ред Д И Астрова М Мир, 1985

5 9 Жагулло О. М. Понятие условной температуры в современной пирометрии//Теплофизика высоких температур 1970 Т VII № 6 С 1260—1264

5 10 Жагулло О. М. Метод пирометрии двойного спектрального отношения//Теплофизика высоких температур 1972 Т X № 6 С 622 628

5 11 Геда Я. М., Снопко В. Н. Измерение температуры по распределению интенсивности в спектре излучения нагретого тепа//Теплофизика высоких температур 1981 Т 19 №2 С 381 — 385

5 12 Coates В. Multi Wavelength Pyrometry / Metrologia 1981 V 17 N 3 P 103-109

5 13 Gardner J. L. Computer modeling of a multi-Wavelength pyrometer for measuring true surface temperature//High Temperatuies-High Pressuies 1980 V 12, N 12 P 699-705

5 14 Gardner J. L., Jones T. R., Davies M. R. A six-wavelength radiation phyrometer / High Temperatures-High Pressures 1981 N 6 P 459-466

5 15 Gardner J. L., Jones T. P., Sainty W. G. Induced Transmission interference-filter array for Multiwavelength//Applied Optics 1982 V 21 N 7 P 1259-1261

5 16 Геда Я. M., Киселевскии Л. И., Снопко В. Н. Об определении температуры по спектру тейпового излучения конденсированных сред Доклады АН БССР 1982 Т XXVI №4 С 314-317

5 17 Излучательные свойства твердых материалов Справочник / Под ред А Е Шейдлина М Энергия 1974

5 18 Бутковский А. Г., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Методы и устройства автоматического измерения температуры по собственному излучению объекта с учетом изменения его излучательной способности,/Автоматика и телемеханика 1975 № 4 С 153—163

5 19 Поскачей А. А., Чарихов А. А. Пирометрия объектов с изменяющейся излучательной способностью М Энергия, 1978

5 20 Геда Я. М., Снопко В. Н. Некоторые методы бихроматической пирометрии//Теплофизика высоких температур 1981 Т 19, № 6 С 1260—1265

5 21 Поскачей А. А., Свенчанский А. Д. Уменьшение погрешности измере-

ния температуры пирометрами излучения// Специальные вопросы электротермии Чебоксары 1977 Вып 7 С 111 118

5 22 Цхай Н. С. Спектральный метод определения излучательной способности поверхности нагретых тел//Журнал прикладной спектроскопии 1977 Т XXVII Вып 3 С 404 409

5 23 Свеч Д. Я. Независимое определение излучательной способности по спектру собственного теплового излучения//Доклады АН СССР 1975 Т 221, МЫ С 81 83

5 24 Слободкин Л. С., Флакс М. Я. Определение температуры и излучательной способности тел по спектру собственного излучения//Теп то- и массоперенос исследования и разработки Минск Ин-т тепло- и массообмена им А В Лыкова АН БССР 1981 С 22- 26

5 25 Снопко В. Н. К определению излучательной способности по спектральному распре лечению энергетической яркости нагретого тела//Журнал прикладной спектроскопии 1981 Т XXXIV Вып 3 С 487 491

5 26 Дукарский С. М , Зуев В. М., Поскачей А. А. Об одном мето те измерения истинной темпера । \ры по его собственному излучению//Теплофизика высоких температур 1973 Т XI №6 С 1245 1250

5 27 Поскачей А. А., Жагулло О. М. О возможности введения в пирометрах излучения коррекции на влияние излучательной способности объекта /Теплофизика высоких температур 1974 Т XII, № 4 С 811 817

5 28 Рнбо Г. Оптическая пирометрия М-Л Гостехтеориздат 1934

5 29 Hoffman F., Tingwald С. Optische Pyrometry Braunschweig, 1938

5 30 Новиков И. И., Глазман Е. Д., Абрамович Б. Г. Измерение действительной температуры объекта по его условным температурам (яркостным и цветовым)//Теплофизика высоких температур 1976 № 5 С 2139

5 31 Поскачей А. А., Чарихов Л. А. Оптимизация характеристик пиромет ров спектрального отношения со следящей системой / Методы и средства оптической пирометрии М Наука, 1982 С 36 42

К главе 6

6 1 Koi ан А. В. Микропирометр с электронно-оптическим преобразованием Измерительная техника 1967 № 12 С 14—16

6 2 Коган А. В., Лукьянец Г. М. Особенности расчета пирометрических систем с электронно-оптическими преобразователями / Измерительная техника 1968 № 7 С 31 34

6 3 Разоренов Н. Е., Куприна Л. В., Головня Н. Ю. Быстродействующий -автоматический регулятор температуры АРМ-2М//Приборы и системы управления 1969 № 12 С 47 48

6 4 Альтшулер Я. А., Липкович М. И., Колесниченко А. Н. Многопозицион ный фотоэлектрический сигнализатор температуры ФЭСТ 013//Приборы и системы управления 1968 М° 5 С 26—28

К главе 7

7 1 Чубаров Е. П. Управление системами с подвижными источниками воздействия М Энергоатомиздат, 1985

7 2 Ллойд Дж. Системы тепловидения М Мир, 1978

7 3 Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов Л Машиностроение, 1983

7 4 Жуков А. Г., Горюнов А. Н., Кальфа А. А. Тепловизионные приборы и их применение М Радио и связь, 1983

7 5 Чубаров Е. П., Емельянов А. Н., Кубышкин В. А. Оптико-электронные сканирующие устройства для контроля и измерения температурных полей/Применение оптико-электронных приборов в контрольно-измерительной технике М МДНТП, 1976 С 117 121

7 6 Куликовская Н. И., Шульженко Н. П. Способ сканирования в объекти-

вах тепловизоров // Тепловидение М МИРЭА 1980 № 3 С 76— 81

7 7 А. с. 402754 СССР. Сканирующий пирометр / ВС Вихман, К Л Лс онтьев, В А Цветков Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1973 № 42

7 8 А. с. 238826 СССР. Сканирующий цветовой пирометр Р Н Блаут-Бла- чев' Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1969 Ns 10

7 9 А. с. 162344 СССР. Сканирующий компенсационный пирометр/ Г П Катыс, Р Н Блаут-Блачев, Ю В Стрельников //Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1964 № 9

7 10 Макарова А. К. Новые измерительные устройства и датчики для измерения температуры жидкого металла и твердых поверхностей//Бюллетень ЦНИИТЭИ черной металлургии 1974 № 22 (738) С 27 34

7 11 Куртев Н. Д. Тепловизионная аппаратура и некоторые задачи ее совершенствования//Тепловидение М МИРЭА 1976 № 1 С 5—34

7 12 Богомолов Г. А., Куртев Н. Д., Сидоров В. И. Обзор современного состояния тепловизионной аппаратуры за рубежом Тепловидение М МИРЭА 1984 №5 С 19 34

7 13 Жуков А. Г. Перспективы улучшения основных параметров тепловидения/'Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985 С 38 40

7 14 Сидоров В. И., Шумский В. Б. Сравнение характеристик многоэлементных приемников излучения с чувствительными элементами на диодах Шотки и на узкозонных полупроводниках//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 44-55

7 15 Падалко Г. А. К вопросу улучшения основных параметров тепловизора на пировидиконе//Тезисы докладов Ш Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985 С 20 31

7 16 Журавлев А. А., Белянина Е. К. Возможности улучшения минимать- ной разрешающей разности температур тепловизионных систем с пирометрическим видиконом/, Тепловидение М МИРЭА 1986 №6 С 38 43

7 17 Proceeding of International Conference on Advanced IR Detectors and Systems London 1981

7 18 Падалко Г. А. Разработка унифицированного ряда быстродействующих цифровых тепловизоров в модульном исполнении'/Тепловидение М МИРЭА 1982 №4 С 20 29

7 19 Быстродействующий тепловизор с десятиэлементным фотоприемником/А Г Жуков А Н Горюнов, В А Поляков, К К Рычков//Тепловидение М МИРЭА 1978 №2 С 80 86

7 20 Тепловизионная система на базе многоэлементного линейчатого приемника излучения с инжекцией заряда /МА Ахмаметьев, В М Тымкул, Р Е Кашдатый и др //Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985 С 44 46

7 21 Падалко Г. А., Тарасов В. В. Тепловизионный комплекс «Радуга-3» /Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985 С 11

7 22 Падалко Г. А., Самсонов А. О., Слива С. С. Быстросканирующий цифровой тепловизор «Радуга-2»//Тепловидение М МИРЭА 1984 № 5 С 69 75

7 23 Мельчаков В. Н., Федюшкин М. Г., Воронов Н. Н. Прибор для исследования тепловых полей изделий микроэлектроники АТП-31//Тепловидение М МИРЭА 1980 № 3 С 85—88

7 24 Хахин В. И., Мельчаков В. Н., Козис Е. В. Тепловизор АТП-41 //Тепловидение М МИРЭА 1982 №4 С 30 -35

7 25 Тепловизор АТП-44 М / Н Д Куртев и др // Тепловидение М МИРЭА 1982 № 4 С 75—80

7 26 Цифровые анализаторы тепловых полей / Н Д Куртев, А В Смирнов, В И Хахин, В К Битюков//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов Л ПИ 1984 Т II С 184

7 27 Жуков А. В., Пархоменко В. В., Трунов А. П* Многофункциональный тепловизор//Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985 С 17 18

7 28 Расширение функциональных возможностей тепловизора ТВ-03 / В Ф Измайлов, В Б Шумский, А Г Любимов, О М Малахов, С В Рыбников//Тепловидение М МИРЭА 1984 №5 С 110-117

7 29 Жуков А. Г., Комарницкая О. Б., Трунов А. П. Двухдиапазонный тепловизор /Электронная промышленность 1987 № 8 С 61—62

7 30 Крылов В. И., Борискин А. М., Волчек А. Д. Комплект тепловизионной аппаратуры КТА-1 //Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 97—100

7 31 Теппо Tracer Т 61 Проспект фирмы NEC San-ei Instr (Япония)

7 32 AGA Termovision 780 Проспект фирмы AGA (Швеция)

7 33 Домаренок Н. И., Мороз И. Г. Методы и устройства измерения температуры в тепловидении//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т И С 31 33

7 34 Тепловизионная пирометрическая система / Ю Ч Гайдукевич, Н И Домаренок, А П Достанко, В М Марченко / Электронная промышленность 1987 X» 3 С 59- 62

7 35 Многофункциональный сканирующий пирометр IR-N Проспект фирмы Chino (Япония)

7 36 Поскачей А. А., Чубаров Е. П., Коц Л. Б. Цифровые пирометры излучения с перестраиваемой структурой//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 С 68

7 37 Коц Л. Б., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Дискретное сканирующее устройство с управляемым законом сканирования//Тепловидение М МИРЭА 1984 №5 С 89 104

К главе 8

8 1 Lieneweg F. Fehler und Einflusse bei der optischcn temperaturmssung mit Gesamtstrahenugs-Teilgs-strahlunge-und Farbpyrometren // Arch Eisenhuttenwessen 1964 В 35, N 12 S 1145-1150

8 2 Мармер Э. В., Гуревич О. С., Мальцева Л. Ф. Высокотемпературные материалы М Металлургия, 1967

8 3 Зуев В. С. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере М Советское радио, 1970

8 4 Поскачей А. А., Чарихов Л. А. Погрешности пирометров излучения и некоторые пути их снижения//Методы и средства оптической пирометрии М Наука 1983 С 72-78

8 5 Поскачей А. А., Русин С. П. Измерение температуры в электротермических установках М Энергия, 1967

8 6 Поскачей А. А., Свенчанский А. Д. Пирометры излучения в установках нагрева М Энергия, 1978

8 7 Стриганов А. Р., Свентицкий Н. С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизированных газов М Атомиздат, 1966

8 8 Хадсон Р. Инфракрасные-системы М Мир, 1972

8 9 Киселева М. С., Непорент Б. С., Федорова Е. О. // Известия АН СССР Физика атмосферы и океана 1967 № 6

8 10 Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники М М ашиностроение, 1967

8 11 Бусярин В. П., Жуков А. Г. Влияние атмосферных условий на работу тепловизора//Тепловидение М МИРЭА 1986 N> 6 С 29—38

8 12 Блох А. Г. Тепловое излучение в котельных установках М Энергия,

8 13 Rudolph R. G. Dual Sensor Radiation Pyrometer United State Patent № 4 579461 CI 374-9 1986

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие3

Глава 1 Оптико-электронные методы измерения температуры5

1 Классификация методов5

1 2 Погрешности измерения температуры12

Глава 2 Оптические и чувствительные элементы оптико-электронных систем измерения температуры (ОЭСИТ)15

2 1 Оптические материалы15

2 2 Оптические системы ОЭСИТ19

2 3 Расчет электрического сигнала на приемнике излучения22

2 4 Модуляторы и дефлекторы оптическогоизлучения29

2 5 Сканирующие приемники излучения41

Глава 3 Энергетические оптико-электронные системы измерения температуры51

3 1 Измерительные схемы ОЭСИТ использующие один участок спектра51

3 2 Температурная компенсация в ОЭСИТ с непосредственным измерением сигнала на приемнике54

3 3 Усиление сигнала в ОЭСИТ с непосредственным измерением

Линеаризация выходного сигнала56

3 4 Описание некоторых вариантов энергетическихОЭСИТ63

Г л а в а 4 Спектральные оптико-электронные системы измерения температуры70

4 1 Классификация спектральных ОЭСИТ70

4 2 ОЭСИТ с уравновешиванием по оптическому каналу75

4 3 ОЭСИТ с предварительным преобразованием потоков эйергии в трапецеидальные импульсы напряжения77

4 4 ОЭСИТ с преобразованием отношения сигналов в изменение фазы и частоты91

4 5 ОЭСИТ при низком отношении сигнал/шум на приемнике излучения97

4 6 Описание некоторых вариантов ОЭСИТ, использующих два участка спектра105

Глава 5 Оптико-электронные системы измерения температуры, основанные на использовании специальных алгоритмов обработки сигналов, пропорциональных потокам излучения118

5 1 ОЭСИТ с использованием двух участков спектра118

5 2 Основные принципы многоспектральной пирометрии121

5 3 Измерение температуры по отношению возведенных в определенную степень электрических сигналов, пропорциональных потокам излучения124

8 14 Лутовннов В. М., Поскачем А. А., Сухарев В. И. Некоторые метрологические характеристики тепловизоров при измерении температурных полей//Тепловидение М МИРЭА 1982 № 2 С 60 88

К главе 9

9 1 Мартынюц-Лотоцкий П. Ю., Борис Я. В, Вида С. Г. Анализ погрешностей цифровых измерителей температуры//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т II С 8 9

9 2 Засименко В. М., Самченко Г. П. Цифровые пирометры «Смотрич-4П» и «Смотрич-5П» агрегатного комплекса АПИР-П//Приборы и системы управления 1987 № 2 С 20—21

9 3 Гаврилюк М. А., Дудыкевич В. Б., Корыло О. Б. Микропроцессорная система для обработки пирометрической информации//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т II С 95 - 97

9 4 Марусенков А. В., Фуртак Б. Л. Алгоритм статистической обработки выходных сигналов пирометров излучения / Тезисы докл дов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 ТИС 28 — 29

9 5 Зубов В. Г., Мельник В. И., Хлюнев А. Л. Цифровой пирометр спектрального отношения на базе микропроцессора с расширенной сферой эффективного применения//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 ТИС 140—144

К главе 10

10 1 Беленький А. А., Поскачем А. А., Рубинштейн Н. А. Контроль температуры слитков в системах управления станами горячей прокатки цветных металлов//Исследование процессов литья и обработки цветных металлов М Гипроцвелметобработка 1976 Вып 49 С 37—43

10 2 О некоторых применениях тепловидения в механике сплошных сред/Ю П Бородин, В М Лутовинов, А А Поскачем и др //Тепловидение М МИРЭА 1982 №4 С 87 91

10 3 Головкин М. А., Горбань В. П., Поскачем А. А. Использование инфракрасных сканирующих оптико-электронных (теп ловизионных) анализаторов тепловых полей при исследовании аэродинамики летательных аппаратов//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 117—124

10 4 Stanley Р. Approisal of a new infrared-based stress analysis technique «Opt End», 1987 N 1 P 75 — 80

10 5 Использование сканирующего пирометра с перестраиваемой структу рой для оптимизации конструкций и технологических процессов//Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции «Управление в механических системах» Львов ЛГУ 1988

10 6 Вавилов В. Р. Тепловые методы контроля композиционных структур и изделий радиоэлектроники М Радио и связь, 1984

5 4 ОЭСИТ спектрального и двойного спектрального отношения с предварительной обработкой сигналов127

5 5 ОЭСИТ, определяющие температуру по двум условным температурам133

5 6 Формирование сигнала об излучательной способности объекта135

5 7 ОЭСИТ с предварительным формированием поправки путем обработки по определенному алгоритму сигналов, пропорциональных потокам излучения140

5 8 ОЭСИТ с формированием поправки при широких участках спектра147

5 9 Оптимизация характеристик ОЭСИТ спектра шного отношения со следящей системой149

Глава 6 Полуавтоматические оптико-электронные системы измерения темиературы156

6 1 Варианты полуавтоматическихОЭСИТ156

6 2 Задатчики температуры для систем автоматического регулирования158

Глава 7 Сканирующие оптико-электронные системы контроля и измерения температурных полей160

7 1 Основные параметры сканирующих ОЭСИТ160

7 2 Принципы построения сканирующих ОЭСИТ170

7 3 Описание некоторых вариантов сканирующихОЭСИТ181

7 3 1 Тепловизоры181

7 3 2 Сканирующие пирометры191

Глава 8 Влияние промежуточной среды и ошическихпомех195

8 1 Влияние поглощения промежуточной среды195

8 2 Влияние излучения частиц находящихся в промежуточной среде, и пути его уменьшения199

8 3 Влияние смотровых окон202

8 4 Устройства для защиты смотровых окон от запыления206

8 5 Влияние оптических помех210

Глава 9 Цифровые ОЭСИТ214

9 1 Общие вопросы применения ЦВМ в ОЭСИТ214

9 2Цифровые ОЭСИТ с перестраиваемой структурой220

9 3 Цифровой преобразователь для датчиков пирометра «Спектро- пир»225

Глава10 Применение ОЭСИТ228

10 1Общие рекомендации228

10 2 Измерение температуры слитков в системах управления ста нами горячей прокаткитяжелых цветных металлов230

10 3 Применение низкотемпературных сканирующих ОЭСИТ в механике сплошных сред233

Списоклитературы237

Производственное издание

Поскачей Айдрей Алексеевич

Чубаров Евгений Петрович

ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Редактор Б. В Ошейник

Редактор издательства 3 И Михеева

Художник переплета Т Ю Хрычева

Художественный редактор Т А Дворецкова

Технический редактор Т Ю Андреева

Корректор Р К Шилова

ИБ № 1559

Сдано в набор 06 06 88 Подписано в печать 12 09 88 Т-18705 Формат 60х881'16 Бумага офсетная № 2 Гарнитура Таймс Печать офсетная Усл печ л 15,19 Усл кр отт 15,19 Уч-изд л 17 06 Тираж 11 500 экз Заказ 3219 Цена 1р 20 к

Энергоагомиздат 113114 Москва М-114 Шлюзовая наб, 10

Ордена Октябрьской Рево ионии и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография имени А А Жданова» Союзполиграфпрома при Госкомиздате СССР II3054 Москва Валовая, 28