Устройство для бесконтактного измерения температуры при помощи акустооптического фильтра

Устройство для бесконтактного измерения температуры при помощи акустооптического фильтра

Низамов А. Р.

Существуют различные способы измерения температуры объектов бесконтактным способом, однако они имеют ряд недостатков, например, трудность полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой прибором тепловой радиацией, сложность учета наличия поглощения излучения в среде между объектом и прибором и другие факторы. Для качественного и точного измерения возможно применение метода спектрального отношения, который минимизирует погрешность измерения связанную с излучательной способностью поверхности исследуемого тела Данный метод измерения реализуется в преобразователях температуры, которые включают в свою структуру зеркала, светофильтры и некоторое количество светоприемников для определения интенсивности излучения на разных частотах излучаемого телом спектра электромагнитных волн. Однако у него имеются следующие недостатки: для возможности вариации исследуемых длин волн приходят к внедрению механических связей, а так же увеличению количества фотоприемников излучения, что влечет за собой снижение надежности и точности приборов. Так же данный метод измерения возможно реализовать при помощи акустооптического перестраиваемого фильтра и одного фотоприемника, это повышает надежность конструкции преобразователя и позволяет увеличивать точность с ростом количества выборок необходимых длин волн.

В патенте [1] представляется способ измерения температуры тела бесконтактным методом спектральных отношений, по меньшей мере на трех эквидистантно расположенных длинах волн.

Предлагаемый способ (рис.1), включающий измерение истинной температуры по величине, по меньшей степени трех спектральных составляющих, на эквидистантно расположенных длинах волн, близость значений которых обеспечивает линейную зависимость логарифма произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды от длины волны, примечателен тем, что по измеренным первой и третьей спектральным составляющим вычисляют обратное значение температуры спектрального отношения, корректирующую поправку к которой на величину названного произведения для получения обратного значения искомой истинной температуры определяют по величине всех трех составляющих спектра.

Рис. 1. Способ пирометрических измерений

Если требуемая величина методической погрешности при этом не достигается по причине недостаточной величины соотношения сигнал/шум, следует увеличивать количество используемых длин волн.

Для практической реализации способа в качестве диспергирующего устройства предлагается применять перестраиваемый акустооптический фильтр. Наличие одного приемника излучения и отсутствие механических элементов в нем значительно упрощает проблемы, связанные не только со стабильностью каналов, метрологической аттестацией, но главное со скоростью обработки результатов.

В патенте [2] представлено оптическое устройство для бесконтактного измерения температуры.

Устройство оптический и измерительный блоки. В оптическом блоке последовательно размещены стеклянное окно, прозрачное в инфракрасном диапазоне, фокусирующая линза и входной торец волоконного световода. Измерительный блок содержит последовательно соединенные фотоприемник, выполненный в виде линейки фотодиодов, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, выходы которого соединены с жидкокристаллическим индикатором и интерфейсом для связи с персональным компьютером. Выходной торец волоконного световода соединен с акустооптическим перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом измерительного блока, а выход управления измерительного блока связан с управляющим входом акустооптического перестраиваемого фильтра.

Рис. 2. Оптически преобразователь температуры

Работает прибор следующим образом. Электромагнитная волна в виде светового потока, излучаемая объектом, температуру которого необходимо измерить, проходит через стеклянное окно прозрачное в инфракрасном диапазоне 2 и фокусируется линзой 3 на входной торец волоконного световода 4. С выходного торца световой поток попадает на акустооптический перестраиваемый фильтр и в результате его дифракции на акустических волнах, пропускается лишь монохроматический поток с эффективной длиной волны Хэф. Перестройка акустооптического перестраиваемого фильтра осуществляется по управляющему сигналу от микроконтроллера 10. Пропущенное, акустооптическим перестраиваемым фильтром, монохроматическое оптическое излучение с эффективной длиной волны Хэф попадает на линейку фотодиодов. В зависимости от температуры акустооптический перестраиваемый фильтр пропускает определенную эффективную длину волны излучения, которая попадает на соответствующий фотодиод с максимумом чувствительности в области пропускания акустооптического перестраиваемого фильтра. Электрический сигнал с выхода фотоприемника усиливается усилителем 8 до уровня, необходимого для корректной работы аналого-цифрового преобразователя 9, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Цифровой сигнал поступает на вход микроконтроллера 10, который осуществляет управление всеми компонентами измерительного блока, акустооптическим перестраиваемым фильтром и отображает данные измерения на жидкокристаллическом индикаторе 11, а также поддерживает связь устройства через интерфейс 12 с персональным компьютером.

Точность является основной характеристикой при измерении температуры. Рассмотренные выше патенты отличаются невысокой точностью, поэтому с целью её увеличения описанным способом, устройство должно обладать фотоприемником с термостабилизацией, так как присутствие тепловых шумов, возникающих на чувствительном элементе, значительно увеличивают погрешность измерений. Так же для увеличения надежности устройства необходимо снижать количество блоков принимающих участие в измерении, и исключить присутствие механических связей.

На рисунке 3 представлена структурная схема разработанного устройства, отличающегося термически стабилизированным фотоприемником и отсутствием звена генерации ультразвукового сигнала.

Рис. 3. Структурная схема:

1 - входная оптика; 2 - поляризатор; 3 - акустооптический блок; 4 - источник ультразвукового сигнала; 5 - анализатор; 6 - фотоприемник; 7 - элемент Пельтье;

8 - блок подготовки сигнала; 9 - микроконтроллер; 10 - интерфейс связи

Принцип работы устройства следующий. Электромагнитное излучение от исследуемого объекта проходит через входную оптику 1 и поляризатор 2 и попадает на акустооптическую ячейку 3, работающую как светофильтр способный перестраиваться в зависимости от частоты ультразвука на пьезоэлементе 4. Здесь происходит дифракция излучения, далее продифрагированный луч пройдя через анализатор 5 попадает на фоточувствительный элемент 6. Для снижения тепловых шумов и увеличения чувствительности на фотоэлементе установлен элемент Пельтье 7. Далее фототок проходит через блок подготовки сигнала 8, который представляет из себя схему усиления и преобразователя ток-напряжение. Сигнал обрабатывается микроконтроллером 9 в цифровом формате. Так же микроконтроллер организовывает управление акустооптической ячейкой путем программной генерации заданной частоты ультразвука и передает результаты измерения по интерфейсу связи 10.

В качестве материала входной оптики предполагается использование кристаллов двойных хлоридов (KPb2Cl5), активизированные редкоземельными элементами. Данные кристаллы негидроскопичны и обладают высоким оптическим качеством, характеризуются низкой энергией фононов. Основным достоинством является широкий диапазон прозрачности от 0.4 до 20 мкм, что увеличивает потенциальные точные характеристики прибора.

Акустооптический фильтр выбран на кристалле ТеО2 (парателлурит). Этот материал характеризуется высоким значением акустооптического качества, что объясняет относительно малые мощности управляющего электрического сигнала. Так же кристаллы парателлурита прозрачны в достаточно широком диапазоне длин волн от 0.35 до 5 мкм, который входит в диапазон прозрачности входной оптики. Для фильтрации излучения целесообразно применение метода анизатропной дифракции Брегга.

В качестве фотоприемника выбран специализированный тип фотодиодов для использования в пирометрах спектрального отношения. Данный детектор представляет собой два фотодиода, расположенных на одной оптической оси и имеющих параллельные выходы. Чувствительность фотодиода преобладает в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм.

Оцифровка сигнала имеет решающее значение в точности прибора, поэтому микросхема АЦП в блоке подготовки сигнала должна быть не ниже 16 порядка.

Для управления системой измерения, а так же обработкой информации и расчетов необходим микроконтроллер. Что бы обеспечить управление акустооптической ячейкой и одновременную запись оцифрованной информации полученной от фотодиода следует использовать микроконтроллер прямого доступа памяти, которые находят широкое применение и интенсивно разрабатываются в последнее время.

Список литературы

Способ пирометрических измерений [Текст] : пат. 2399892 Рос. Федерация : МПК G01J5/60 (2006.01) / авторы и заявители Свет Д. Я.; патентообладатель Свет Д. Я.

Оптический преобразователь температуры [Текст] : пат. 2365883 Рос. Федерация : (51) МПК G01K1/02 (2006.01) G02F1/33 (2006.01) / авторы и заявители Фаррахов Р. Г., Мухамадиев А. А. (RU).; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет.

Мухамадиев А. А. Оптический преобразователь температуры для систем контроля и управления [Текст]/ А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2010. - №10. - С. 39-42.

Мухамадиев А. А. Универсальный пирометр для измерения высоких температур [Текст]/ А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2010. - №11. - С. 23-25.

Мухамадиев А. А. Акустооптический преобразователь температуры

[Текст]/ А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - №1. - С. 26-28.

Мухамадиев А. А. Статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра [Текст]/

А. А. Мухамадиев, Р. Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2011. - №11. - С. 31-44.

Мухамадиев А. А. Математическая модель акустооптического пирометра [Текст]/ А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2012. - №2. - С. 28-31.

Мухамадиев А. А. Алгоритм работы акустооптического измерительного преобразователя температуры [Текст]/ А.А. Мухамадиев, Р. Г.

Фаррахов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2013. - №2. - С. 91-94.