способ бесконтактного измерения температуры объекта

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения температуры объекта, содержащий два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, соответственно Т₁ и Т₂, при Т₁ Т₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру Т, измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности, соответственно Р₁ и Р₂, на чувствительный элемент пирометра, после чего перекрывают поток излучения от объекта и вновь измеряют выходной сигнал пирометра, добиваясь равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности, соответственно Р₁₀ и Р₂₀, на чувствительный элемент пирометра и определяют температуру объекта по зависимости

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике в части создания способов бесконтактного измерения температуры объекта по его полному тепловому излучению и может быть использовано при тепловых испытаниях материалов, в металлургических печах, при термообработке металлических полос и труб, для температурного контроля при изготовлении микросхем и др.

Известен способ бесконтактного измерения температуры объекта, включающий измерение его полного теплового излучения с помощью радиационного пирометра, по выходному сигналу которого с учетом полного коэффициента излучения исследуемого объекта судят о его действительной температуре [1]

Недостатком способа является низкая точность измерения, обусловленная значительной погрешностью определения полного коэффициента излучения, поскольку этот коэффициент неоднозначно зависит от температуры и состояния излучающей поверхности объекта и изменяется со временем в процессе измерения.

Также известен способ бесконтактного измерения температуры объекта, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры соответственно T₁ и T₂ при T₁T₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру T, и измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра, пропорциональный полному тепловому излучению объекта, и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными T и где e полный коэффициент излучения исследуемого объекта [2]

В известном способе при нахождении искомой температуры коэффициент e исключается при решении уравнений и не влияет на точность измерения температуры, что значительно повышает точность измерения по сравнению с [1]

Недостатком способа является то, что в нем не исключены погрешности измерения, обусловленные теплообменом чувствительного элемента пирометра как с его корпусом, так и с оптическими элементами (например, линзой, световодом и т.п.) входного окна пирометра. Погрешность измерений известным способом недостаточна для обеспечения прецизионных измерений и достигает 20%

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель обеспечивается тем, что в способе бесконтактного измерения температуры объекта, содержащем два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, соответственно T₁ и T₂ при T₁T₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру T, измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, согласно изобретению в каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно P₁ и P₂ на чувствительный элемент пирометра, после чего перекрывают поток излучения от объекта и вновь измеряют выходной сигнал пирометра, добиваясь равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно P₁₀ и P₂₀ на чувствительный элемент пирометра, а упомянутое суждение об искомой температуре объекта осуществляют по зависимости



Анализ предложения по критериям охраноспособности показал, что авторам не известна используемая где-либо ранее совокупность отличий предложения. При этом, поскольку новизна предложения показана выше, а промышленная применимость не вызывает сомнений, по мнению авторов, предложение является охраноспособным.

На чертеже схематично представлено устройство для осуществления способа.

Устройство содержит радиационный пирометр, в корпусе 1 которого расположены чувствительный элемент 2 с термобатареей 3 и оптические элементы 4 (например, линзы, световод и т.п.) входного окна. Для нагрева корпуса 1 до фиксируемых температур могут быть использованы различные средства нагрева или охлаждения, например электрическая нагревательная обмотка 5 (как показано на чертеже, при этом источник нагрева не показан), лампа накаливания, газовая горелка, термоэлектрический холодильник, азотный или гелиевый охладитель и др. Для введения в чувствительный элемент мощностей P₁, P₂, P₁₀, P₂₀ также могут быть использованы различные средства, например электрический нагрев (как показано на чертеже без источника нагрева), термоэлектрическое охлаждение и др. Для перекрытия потока излучения от объекта 6 в пирометру могут быть использованы различные конструктивные решения, например заслонка 7, угловой поворот пирометра относительно объекта и др. При необходимости процесс измерений и обработки полученных результатов может быть автоматизирован и выведен на ЭВМ (на чертеже не показано). Для пояснения осуществления способа на чертеже в цепи нагрева элемента 2 показаны вольтметр 8 и амперметр 9. Выходной сигнал термобатареи 3 измеряют вольтметром 10.

Способ осуществляют следующим образом.

В первом цикле операций предварительно нагревают (охлаждают) корпус 1 радиационного пирометра до фиксированной температуры T₁, выбирая ее в диапазоне от минус 270^oC до +1000^oC. Выбор конкретного значения температуры T₁ обусловлен ожидаемой температурой объекта, обычно находящейся в диапазоне от минус 50^oC до +2000^oC, допустимыми рабочими температурами конструкционных материалов пирометра, а также допустимыми тепловыми нагрузками на чувствительный элемент. Значение T₁ регистрируется, например, термометром (на чертеже не показан).

После достижения корпусом 1 указанной температуры направляют поток излучения от объекта 6, имеющего искомую температуру T, на чувствительный элемент 2 пирометра через оптические элементы 4 входного окна. Измеряют, например, вольтметром 10 выходной сигнал термобатареи 3 пирометра, при этом подают мощность на чувствительный элемент 2 пирометра, добиваясь равенства нулю выходного сигнала термобатареи. В момент равенства сигнала нулю фиксируют значение поданной мощности P₁, например, по показаниям вольтметра 8 и амперметра 9. Этот цикл операций позволяет исключить составляющую погрешности измерения, вызванную теплообменом чувствительного элемента с корпусом пирометра.

Затем перекрывают поток излучения от объекта, например, заслонкой 7 и вновь измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра, добиваясь равенства его нулю путем подачи мощности на чувствительный элемент 2. В момент равенства сигнала, например, наблюдаемого на вольтметре 10, нулю фиксируют значение поданной мощности P₁₀, например, с помощью вольтметра 8 и амперметра 9. Этот цикл операций позволяет исключить составляющую погрешности измерения, связанную с теплообменом чувствительного элемента с оптическими элементами входного окна пирометра.

В результате проведенного первого цикла операций получены данные о полном излучении объекта при одном значении температуры T₁ корпуса радиационного пирометра, которые связаны уравнением



полный коэффициент черноты излучения исследуемого объекта,

s постоянная Стефана-Больцмана,

F площадь поглощающей поверхности чувствительного элемента пирометра.

Затем в той же последовательности операций осуществляют второй цикл с измеряемыми параметрами T₂, P₂ и P₂₀, получая второе уравнение:



Решением системы двух уравнений (2) и (3) определяют зависимость (1), по которой и судят о величине искомой температуры T объекта. Очевидно, что реализация способа возможна при условии, когда TT₁ и TT₂.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования способа, за счет указанного исключения влияния теплообмена конструкционных элементов радиационного пирометра точность измерения температуры объекта описанным способом составила 1.2% и возросла по сравнению с прототипом в 10.20 раз.

За счет улучшенной метрологии способ найдет широкое применение при прецизионных измерениях температур.

Примеры реализации способа.

При реализации способа была использована следующая аппаратура:

радиационный пирометр типа ТЭРА с пленочной кремниевой термобатареей, расположенной по радиусу тепловоспринимающего диска из лейкосапфира, укрепленного по периферии в корпусе пирометра, и входным оптическим окном из лейкосапфира, также укрепленным по периферии в корпусе;

цифровой комбинированный прибор типа Щ300 для регистрации выходного сигнала термобатареи пирометра;

источник питания типа Б5-48 для подачи мощности на чувствительный элемент пирометра с амперметром и вольтметром на выходе;

источник питания РНО-5-250 для подачи мощности на электрическую нагревательную обмотку корпуса пирометра;

термометр типа хромель-алюмелевой термопары для измерения T₁, T₂.

С помощью указанной аппаратуры описанным способом была исследована температура теплового излучателя типа "абсолютно черное тело" с рабочими температурами от 20 до 2000^oC, а также ленты из нержавеющей стали, нагреваемой с тыльной стороны лампой накаливания типа КГМ110-1800. Диапазон изменения температуры ленты составил от 20.1500^oC. При этом контроль истинной температуры теплового излучателя обеспечивался образцовым пирометром ЭОП-61, а ленты стандартизированной хромель-алюмелевой термопарой, приваренной к тыльной стороне ленты.

Исследования показали, что отличие результатов измерений температуры теплового излучателя описанным способом с помощью образцового пирометра ЭОП-61 не превышает 1% для серии из 10 измерений в каждой температурной точке. Для ленты из нержавеющей стали это отличие при том же количестве измерений не превысило 2%

Были проведены измерения температур тех же объектов по способу-прототипу, показавшие, что по сравнению с предлагаемым способом расхождения результатов измерений температуры объектов составили 10.12% для излучателя типа "абсолютно черное тело" и 15.19% для ленты из нержавеющей стали.