RU2046303C1

RU2046303C1 - Optical pyrometer

Info

Publication number: RU2046303C1
Application number: RU93011379A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Долганин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Контар"
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: power photometry. SUBSTANCE: optical pyrometer has input optical system, radiation modulator, radiation receiver, unit for signal processing, and eye-piece; all the units are disposed I series. Mirror objective is introduced between radiation receiver and the modulator, which modulator is made in form of a member with built-in thermal resistance. Axis of symmetry of the objective is sloped to optical axis. Sizes of radiation modulator follow sizes of field of view of radiation receiver. The modulator is placed at doubled focal length from mirror objective at focal plane of input optical system, which is made in form of a lens with the equal focal power in visual spectral range and in receiver sensitivity range for central and peripheral areas. Central area of the lens is conjugated optically with aperture of eye-piece, and peripheral area is conjugated with aperture of mirror objective. Eye-piece mirror is dichroic one and is brought together with entrance window of the receiver. The mirror is disposed in focal plane of the eye-piece at doubled focal length from mirror objective. Reference radiation source is excluded, but modulator with temperature to be adjusted is used as the source. EFFECT: improved precision of measurements; simplified design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетической фотометрии и может быть применено в качестве средства бесконтактного измерения температуры объектов в широком диапазоне. The invention relates to energy photometry and can be used as a means of non-contact measurement of the temperature of objects in a wide range.

Известно устройство для бесконтактного определения температуры объектов, содержащее входную оптическую систему, модулятор излучения, в качестве которого используется подвижное зеркало, направляющее попеременно излучение объекта и излучение сравнения на приемник излучения, окуляр и устройство обработки сигналов [1]
Недостатком указанного устройства является наличие подвижного зеркала, что увеличивает требования к взаимной настройке измерительного и визуального канала и уменьшает точность сравнения излучения объекта с образцовым излучателем.A device for non-contact determination of the temperature of objects, containing an input optical system, a radiation modulator, which is used as a movable mirror, alternately directing the radiation of the object and the comparison radiation to the radiation receiver, eyepiece and signal processing device [1]
The disadvantage of this device is the presence of a movable mirror, which increases the requirements for the mutual adjustment of the measuring and visual channels and reduces the accuracy of comparing the radiation of an object with an exemplary emitter.

Известен также выбранный за прототип оптический пирометр, содержащий входную оптическую систему, зеркальный с двух сторон модулятор излучения, окуляр, приемник излучения, источник опорного излучения и устройство обработки сигнала, работающий по принципу сравнения излучения объекта с образцовым излучателем [2]
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения из-за наличия зеркального с двух сторон диска модулятора, что ухудшает качество рассматриваемого в окуляр изображения за счет уменьшения и мелькания последнего, вносит дополнительную погрешность в измерение температуры из-за неидеальности зеркального покрытия диска модулятора и дополнительно требует юстировки приемника и окуляра относительно входной оптической системы для исключения параллакса изображений.Also known is the optical pyrometer selected for the prototype, which contains an input optical system, a radiation modulator on both sides, an eyepiece, a radiation receiver, a reference radiation source, and a signal processing device operating on the principle of comparing the radiation of an object with an exemplary emitter [2]
The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement due to the presence of a modulator disk on both sides, which degrades the quality of the image viewed in the eyepiece by reducing and flickering the latter, introduces an additional error in temperature measurement due to the imperfect mirror coating of the modulator disk and additionally requires adjustment receiver and eyepiece relative to the input optical system to eliminate image parallax.

Целью изобретения является повышение точности измерений и упрощение конструкции за счет исключения источника опорного излучения и использования в качестве него модулятора с контролируемой температурой. The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements and simplify the design by eliminating the source of the reference radiation and using a temperature controlled modulator as it.

Цель достигается тем, что в известном оптическом пирометре, содержащем последовательно расположенные входную оптическую систему, модулятор излучения, приемник излучения и устройство обработки сигнала, а также окуляр, между модулятором и приемником излучения дополнительно установлен зеркальный объектив, ось симметрии которого наклонена к оптической оси, модулятор излучения, по размерам совпадающий с полем зрения приемник излучения, выполнен в виде элемента с встроенным термосопротивлением и расположен на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива в фокальной плоскости входной оптической системы, выполненной в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой области спектра и в области чувствительности приемника для центральной и периферийной зон, при этом центральная зона оптически сопряжена с апертурой окуляра, а периферийная с апертурой зеркального объектива, зеркало окуляра выполнено дихроичным (отражается видимое излучение и пропускается инфракрасное), совмещено с входным окном приемника и расположено в фокальной плоскости окуляра на двойном фокусном расстоянии от зеркального объектива. The goal is achieved by the fact that in the known optical pyrometer containing a sequentially located input optical system, a radiation modulator, a radiation receiver and a signal processing device, as well as an eyepiece, an additional mirror lens is installed between the modulator and the radiation receiver, the axis of symmetry of which is inclined to the optical axis, the modulator radiation, the size of the radiation receiver matching the field of view is made in the form of an element with built-in thermal resistance and is located at double focal length from a mirror lens in the focal plane of the input optical system, made in the form of a lens with the same optical power in the visible region of the spectrum and in the sensitivity region of the receiver for the central and peripheral zones, the central zone being optically coupled to the aperture of the eyepiece, and the peripheral to the aperture of the mirror lens, the eyepiece mirror is made dichroic (visible radiation is reflected and infrared is transmitted), combined with the input window of the receiver and is located in the focal plane of the eyepiece on a double lens piecewise distance from the mirror lens.

Автором не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками изобретения, а также не выявлено влияние отличительных от прототипа существенных признаков на достижение технического результата, явным образом вытекающее из известного уровня техники, т.е. предложенное техническое решение удовлетворяет критериям новизны и изобретательского уровня. The author did not find analogues that are characterized by the features of the invention, and also did not reveal the effect of significant features that are distinctive from the prototype on the achievement of a technical result that explicitly arises from the prior art, i.e. the proposed technical solution meets the criteria of novelty and inventive step.

Сущность изобретения заключается в исключении промежуточного отражения излучения сравнения от зеркальной поверхности модулятора за счет использования модулятора в качестве опорного излучателя с контролируемой температурой, что позволяет повысить точность измерений и упростить конструкцию. The essence of the invention is to eliminate the intermediate reflection of the comparison radiation from the mirror surface of the modulator by using the modulator as a reference emitter with a controlled temperature, which allows to increase the accuracy of measurements and simplify the design.

На чертеже показана функциональная схема оптического пирометра. The drawing shows a functional diagram of an optical pyrometer.

Пирометр содержит последовательно расположенные входную оптическую систему 1, состоящую из центральной и периферийной зон, модулятор 2 излучения, выполненный, например, в виде лопасти, в которую впаяно термосопротивление, зеркальный объектив 3, ось симметрии которого наклонена к оптической оси, приемник 4 излучения и блок 5 обработки сигнала. Элементы 1-5 образуют измерительный канал оптического пирометра. The pyrometer contains a sequentially located input optical system 1, consisting of a central and peripheral zones, a radiation modulator 2, made, for example, in the form of a blade into which thermoresistance is soldered, a mirror lens 3, the axis of symmetry of which is inclined to the optical axis, a radiation receiver 4 and a unit 5 signal processing. Elements 1-5 form the measuring channel of the optical pyrometer.

В плоскости чувствительной площадки приемника 4 установлено дихроичное зеркало 6 окуляра 7, отражающее видимое и пропускающее инфракрасное излучение. Зеркало 6 окуляра 7 и собственно окуляр 7 образуют визуальный канал пирометра. In the plane of the sensitive area of the receiver 4, a dichroic mirror 6 of the eyepiece 7 is installed, reflecting the visible and transmitting infrared radiation. The mirror 6 of the eyepiece 7 and the eyepiece 7 form the visual channel of the pyrometer.

Оптический пирометр работает следующим образом. Optical pyrometer works as follows.

Тепловое излучение объекта измерения фокусируется входной оптической системой 1 и направляется на модулятор 2 излучения. После модулятора 2 излучение зеркальным объективом 3 направляется на приемник 4 инфракрасного излучения. Приемник 4 преобразовывает попадающую не него энергию излучения в сигнал, который обрабатывается электронным блоком 5. Пирометр работает по принципу сравнения излучения объекта с попеременно направляемым на приемник излучением модулятора, температура которого контролируется встроенным в него термосопротивлением. Блок 5 обработки сигнала усиливает полученную разницу сигналов, компенсирует сигнал от излучения модулятора, линеаризирует компенсированное значение сигнала и индицирует на световом табло в виде значений абсолютной температуры. Размер чувствительной площадки приемника 4 и фокусное расстояние входной оптической системы 1 определяют пространственное разрешение измерительного канала пирометра, то есть диаметр измеряемого пятна на объекте измерения и расстояние до объекта измерения, поскольку зеркальный объектив 3 проецирует изображение модулятора 2 в плоскость чувствительной площадки приемника 4 с единичным увеличением. Зеркало 6 окуляра 7 направляет излучение объекта и окружающего фона в окуляр 7, в котором они могут наблюдаться оператором. Пространственное разрешение визуального канала пирометра делается примерно в 10 раз меньшим, чем в измерительном канале, и обеспечивает возможность наблюдения оператором не только объекта и модулятора 2, но и окружающего фона. Для того, чтобы поле зрения измерительного канала пирометра не перекрывалось телом приемника 4 излучения, зеркальный объектив 3 установлен под углом к оптической оси пирометра. Параметры зеркального объектива 3 и угол к оптической оси выбираются такими, чтобы апертура оптической системы была согласована с апертурой зеркального объектива; предмет и формируемое объективом изображение не пересекались между собой; аберрация астигматизма зеркального объектива 3 при его наклоне не превышала сферических аберраций (что обеспечивается при угле наклона, не превышающем 6^о).The thermal radiation of the measurement object is focused by the input optical system 1 and sent to the radiation modulator 2. After the modulator 2, the radiation of the mirror lens 3 is sent to the receiver 4 of infrared radiation. The receiver 4 converts the radiation energy that enters it into a signal that is processed by the electronic unit 5. The pyrometer works by comparing the radiation of an object with the radiation of a modulator alternately directed to the receiver, the temperature of which is controlled by the built-in thermal resistance. The signal processing unit 5 amplifies the received signal difference, compensates for the signal from the modulator radiation, linearizes the compensated signal value and displays the absolute temperature values on the light panel. The size of the sensitive area of the receiver 4 and the focal length of the input optical system 1 determine the spatial resolution of the measuring channel of the pyrometer, that is, the diameter of the spot to be measured on the measurement object and the distance to the measurement object, since the mirror lens 3 projects the image of the modulator 2 into the plane of the sensitive area of the receiver 4 with a unit magnification . The mirror 6 of the eyepiece 7 directs the radiation of the object and the surrounding background into the eyepiece 7, in which they can be observed by the operator. The spatial resolution of the visual channel of the pyrometer is made about 10 times smaller than in the measuring channel, and allows the operator to observe not only the object and modulator 2, but also the surrounding background. In order that the field of view of the measuring channel of the pyrometer is not blocked by the body of the radiation receiver 4, the mirror lens 3 is mounted at an angle to the optical axis of the pyrometer. The parameters of the mirror lens 3 and the angle to the optical axis are selected such that the aperture of the optical system is consistent with the aperture of the mirror lens; the subject and the image formed by the lens did not intersect; astigmatic aberration of the lens mirror 3 at its slope does not exceed the spherical aberration (which is provided at an inclination not exceeding ^about 6).

Различие коэффициентов преломления входной оптической системы 1 для видимой части спектра и инфракрасной области чувствительности приемника приводит к различному положению фокальных плоскостей входной оптической системы в указанных диапазонах спектра. Для исключения этого эффекта входная оптическая система 1 выполняется в виде линзы с одинаковой оптической силой в видимой части спектра в области чувствительности приемника 4 для центральной и периферийной зон, при этом центральная зона оптически сопряжена с апертурой окуляра 7, а периферийная с апертурой зеркального объектива 3. Входная оптическая система 1 может быть выполнена состоящей, например, из двух элементов. В качестве приемника излучения 4 может быть использован любой приемник, область чувствительности которого соответствует спектральному диапазону излучения объекта измерений. В качестве блока 5 обработки сигнала используют традиционные блоки (см. например, [1]
Таким образом, за счет исключения источника опорного излучения и, следовательно, промежуточного отражения излучения сравнения, возможно повышение точности измерений и упрощение конструкции оптического пирометра.The difference in the refractive indices of the input optical system 1 for the visible part of the spectrum and the infrared sensitivity region of the receiver leads to different positions of the focal planes of the input optical system in the indicated spectral ranges. To eliminate this effect, the input optical system 1 is made in the form of a lens with the same optical power in the visible part of the spectrum in the sensitivity region of the receiver 4 for the central and peripheral zones, while the central zone is optically coupled to the aperture of the eyepiece 7 and the peripheral to the aperture of the mirror lens 3. The input optical system 1 can be made up of, for example, two elements. As the radiation receiver 4, any receiver can be used, the sensitivity region of which corresponds to the spectral range of radiation of the measurement object. As the signal processing unit 5, conventional units are used (see, for example, [1]
Thus, by eliminating the reference radiation source and, therefore, the intermediate reflection of the comparison radiation, it is possible to increase the measurement accuracy and simplify the design of the optical pyrometer.

Claims

OPTICAL PYROMETER containing a sequentially located input optical system, a radiation modulator, a radiation receiver and a signal processing device, as well as an eyepiece, characterized in that a mirror lens is additionally installed between the modulator and the radiation receiver, the axis of symmetry of which is inclined to the optical axis of the input system, a radiation modulator coinciding in size with the field of view of the radiation receiver, made in the form of an element with built-in thermal resistance and located at double focal length from a mirror lens in the focal plane of the input optical system, made in the form of a lens with the same optical power in the visible part of the spectrum and in the sensitivity region of the receiver for the central and peripheral zones, the central zone being optically coupled to the aperture of the eyepiece, and the peripheral to the aperture of the mirror lens, the eyepiece mirror is made dichroic, combined with the input window of the receiver and is located in the focal plane of the eyepiece at a double focal distance from the mirror lens.