Способ определения температуры объекта и устройство для его осуществления — SU 1804599 (original) (raw)

,)50 51)5 ЕТ ТЕНТ ени преблем 5/10 АТУ- ЕГО О О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(46) 23,03.93. Бюл. М 1171) Институт проблем энергосбережАН УССР(73) Отделение высокотемпературногообразования энергии Института проэнергосбережения АН Украины(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРЫ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к измерительной технике, в частности радиационной пирометрии, и может быть использовано в науке и технике для определения температуры объекта, обладающего температурными и пространственными флюктуациями, некоррелированными между собой. Например, для определения температуры угольных частиц в котлоагрегате тепловой электростанции.Целью предлагаемого способа и устройства для его осуществления является устранение указанного недостатка - а именно повышение точности.Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры обьекта, заключающемся в определении температуры по вероятностной характеристике(57) Сущность изобретения: позволяет определить температуру дисперсных частиц по вероятностным характеристикам потока их излучения. Повышение точности измерений достигается за счет того, что температура измеряется по отношению измеренных вероятностей нахождения сигнала и логариф: ма измеренного сигнала между их медианными и средними значениями, Для увеличения точности измерений в условиях серого характера излучения дополнительно регистрируют поток излучения на другой длине волны и перед измерением вероятностных характеристик сигналов находят отношение сигналов на двух длинах волн и логарифм этого отношения, 2 с, и 2 з.п, ф-лы, 2 ил,флюктуации потока излучения объекта, логарифмируют сигнал, пропорциональный потоку излучения обьекта, измеряют вероятность нахождения полученного сигнала и его логарифма между их средними и медианными значениями и определяют температуру по отношению измеренных вероятностей,Поставленная цель достигается также тем, что в способе определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно измеряют сигнал, пропорциональный потоку излучения объекта на другой длине волны, а вероятности нахбждения сигнала между средним и медианным и значениями измеряют для отношения сигналов, пропорциональных потокам излучения на двух5055 длинах волн, и логарифма отношения этих сигналов,Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта, состоящее из оптически связанных объектива, монохроматизирующего элемента, фотоприемного устройства и блока обработки сигнала, дополнительно содержит двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входом логарифмическим усилителем, при этом выход фотоприемного устройства соединен со входами двухканального измерителя, а его выход соединен с блоком обработки сигнала.Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно снабжено оптически связанными объективом, монохромэтизирующим элементом с другой длиной волны и фотоприемным устройством, а также блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения,Именно заявляемые новые отличительные признаки, не встречающиеся ни в одном из известных технических решений, описывающие дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта - двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и.меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем - обеспечивают логарифмирование сигнала, полученного при регистрации фотоприемным устройством потока излучения объекта на одной длине волны, измерение вероятности нахождения полученного сигнала и его логарифма между их средними и медианными значениями, и тем самым - достижение поставленной цели, Для объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта - оптически связанные объектив, монохроматизирующий элемент с другой длиной волны и фотоприемное устройство, а также блок измерения отношения сигналов - обеспечивают регистрацию потока излучения объекта на другой длине волны, измерение вероятностей нахождения сигнала между средним и медианным значением для отношения сигнапра, пропорциональных получению на 5 10 15 20 25 30 35 40двух длинах волн, и логарифма отношения этих сигналов, и тем самым - достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.Достижение поставленной цели - повышение точности - обеспечивается за счет измерения статистической характеристики сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), что в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных интервалов.Достижение поставленной цели - повышение точности измерения для объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения - обеспечивается за счет измерения статистической характеристики сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), чем в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных интервалов, за счет устранения влияния неконтролируемой изменяющейся площади поверхности излучения объекта на результаты измерении,Рассмотрим произвольную характеристику объекта у(Т), являющуюся однозначной функцией температуры объекта Т и имеющую функцию плотности вероятности 9(у). Медианное значение уп функции у(Т) определяется из условия УЯ(у) бу= Х д(у) бу=0,5 а среднее значение ус= 1 оо у 9 (у) бу(2) По определению вероятность нахождения функции УЩ в интервале между медианным уп 1 и средним ус значениями равна Для флуктуирующей температуры обьекта Т с одномодальной функцией плотности вероятности 1(Т) аналогично определяются медианное Трп и среднее Тс значения температуры. Отметим, что для однозначной и монотонной функции у(Т) всегда справедливо условие уп 1 = у(Тп,).+т) т Е,с,б атгде ее- первая и вторая производныестепейи черноты е по температуре.8 случае объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения (например,для флуктуирующего потока дисперсных частиц), когда площадь 3 оптически неоднородна во времени, с целью исключитьвлияние величины Я на регистрируемыесигналы ОЩ и (ЧЩ, выберем в качестве ОЩсигнал, пропорциональный отношению потоков излучения объекта на двух длинахволн Л 1 и Л 2, а в качестве Ч(Т) - сигнал, пропорциональный логарифму отношения этихпотоков:где к 1,к 2 - коэффициенты пропорциональности;Л =-( - Л приведенная длина волны.Л 1 Л 2Гг - гЕИ в данном случае определим значения первых и вторых производных и их отношений:),Е, Е, Ат(27,д дЕ Е, (Е, Ецо ЕЕ 1Ч"(т)Е, Е Е Ет Е, Е( (29ЧГП т Зависимость спектральной степеничерноты е,от температуры для большинства физических тел в пределах одного фазового.состояния в видимой и ближней 5 инфракрасной областях спектра - полагая,поэтому с минимальной погрешностью можно принять допущение о постоянстве величины е при изменении температуры и, следовательно, положить е, е равными 10 нулю. Например,для вольфраматакоедопущение приводят к относительной погрешности менее 1 о(. С учетом вышеизложенного получим15 следующие формулы для вероятностей рд=)т,) ( --- ) -- дт,1, (зо) С 2 2 .д ) ЛТ 2 с 20 р = )т,.) - - - д тСВ случае объекта с изменяющейся пло 25 щадью поверхностью излучения Л = Л. Решая систему уравнений (30 и (31) отНОСИтЕЛЬНО Тс, ПОЛУЧИМ СЛЕдуЮщЕЕ ВЫражЕние для средней температуры объекта т, =ф(1 - р") -1+(1 +2 дт, С/Лст-,(З 2) 35 При симметричной функции плотности вероятности тЩ, когда д Т = О, формула (32) упростится 40 Тс= 2 (1 -- ) Существуют различные способы измерения вероятности нахождения случайного сигнала между фиксированными уровнями.45 В заявляемых устройствах в качестве аналога использован один из способов - измерение времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем заданного.Известно, что относительное время пре бывания сигнала уЩ на уровне большемсреднего значения ус есть вероятность нахождения уЩ в интервале значений (у со) 55 тд+=-р- -- = Г д)=05 )т дОб/,(3 где ту - время пребывания сигнала у (Т)науровне большем ус;) с + С 2 1 - тч 45 50 55 су- - время пребывания сигнала уЩ на уровне меньшем ус,су = ту+ сч - полное время измерения. Аналогично получим для относительного времени пребывания уЩ на уровне меньшем среднего значения уст- + - -ГЯя(У)бУ=О 5+Р я(У)б/,су +ту(35) а разность относительных времен пребывания ту сигнала уЩ на уровне большем и меньшем среднего значения равна ту =гу - ту = - 2 У 9(У) бУ=-2 Ру (36) Отсюда получим формулу, связывающую вероятность нахождения сигнала уЩ в интервале между уп) и ус и времена пребыванияуЩ на уровне большем и меньшем ус Если подставить выражение (37) в формулу (33), то связь между средней температурой Тс и временами пребывания сигнала ОЩ (то, 1 ц ) и сигнала ЧЩ (тч, сч) на уровне большем и меньшем их средних значений, соответственно, при одинаковом времени измерения сигналов выражается как Т,= А(1 - + ") ". (38) 1 ч тчОтносительная погрешность определения температуры объекта ЛТ/Тс связана с относительной погрешностью измерения времени пребывания Ь 1/1 ч+ выражением Поскольку выполняется условие 1 - 1 ч/тч с с 1, точность измерения времени пребывания должна быть высокой. Например, при определении температуры объекта с точностью ЬТК (ЬТ/Тс"-10 ) необходимо использовать измерители интервалов времени, дающие результаты не менее чем с 5 - 6 значащими цифрами, На фиг.1 и 2 изображено устройство для определения температуры объекта.Устройство содержит объектив 1, собирающий поток излучения объекта 7 на вход монохроматизирующего элемента 2, выделяющего поток излучения на заданной дли 5 10 15 20 25 30 35 не волны. На выходе монохроматизирующего элемента 2 расположено фотоприемное устройство 3, преобразующее входной световой поток в выходной электрический сигнал, Выход фотоприемного устройства 3 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.Устройство работает следующим образом,Поток излучения объекта 7 попадает в объектив 1, собирающий поток излучения на вход монохроматизирующего элемента 2, настроенного на выбранную длину волны, На выходе монохроматизирующего элемента 2 выходной поток излучения попадает на вход фотоприемного устройства 3, преобразующего поток излучения на заданной длине волны в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства 3 поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным лога. рифмическим усилителем 5. В двухканальном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта Устройство определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения представлено на фиг,2. Устройство содержит объективы 1 и 8, собирающие поток излучения объекта 7 на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, выделяющих потоки излучения на заданных двух длинах волн. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 расположены фотоприемные устройства 3 и 10, преобразующие входные световые потоки в выходные электрические сигналы. Выходы фотоприемных устройств 3 и 10 соединены со входами блока измерения отношения сигналов 11, выходной сигнал которого пропорционален отношению входных сигналов. Выход блока измерения отношения сигналов 11 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.Устройство работает следующим образом.Поток излучения объекта 7 попадает в объективы 1 и 8, собирающие потоки излучения на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, настроенных на заданные две длины волны. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 выходные потоки излучения попадают на входы фотоприемных устройств 3 и 10, преобразующих потоки излучения на заданных длинах волн в электрические сигналы, Выходные сигналы фотоприемных устройств 3 и 10 поступают на входы блока измерения отношения сигналов 11, в котором формируется выходной сигнал, пропорциональный отношению входных сигналов, который поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5, В двухканальном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входногосигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения. Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта 7,П р и м е р. Определение температуры объекта в соответствии с заявляемым способом проводилось при регистрации излучения лампы накаливания СН, выбранной в качестве объекта, которая запитывалась по-. стоянным током 20 мА, Флюктуации температуры объекта вызывались с помощью последовательно включенного в цепь накалалампы СНгенератора звуковой частоты ГЗ-ЗЗ, поскольку собственные флюктуации температуры лампы при запитывании ее постоянным током не регистрировались наличной аппаратурой. Амплитуда колебаний тока накала составляла величину порядка 1 мА, что соответствует флюктуациям температуры нити сгт=50 К при ее температуре Т = 2000 К. Отношение о т/Т мало ( от/Т = 0,025 1), и удовлетворяется условие (10) применимости способа.Поток излучения лампы СНпопадал на вход монохроматизирующего элемента (монохроматора МУМ), выделяющего монохроматический поток на заданной длине волны, который регистрировался фотоприемным устройством (ФЭУ), преобразующим световой поток в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства поступал на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем, В двухканальном измерителе измерялись времена пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, Измеренные значения времен пребывания поступали в блок обработки сигнала (ЭВМ СМ), в котором в соответствии с формулами (32) и (37) определялась температура лампы. Значение дТ в формуле (32) рассчитывалось из уравнения баланса энергии лампы,Использование заявляемых способов по сравнению с прототипом обеспечивает получение следующих преимуществ:- повышение точности определения температуры;- упрощение требований к применяемой аппаратуре за счет перехода от амплитудных измерений сигнала к измерениювременных интервалов.Формула изобретения1, Способ определения температурыобъекта, заключающийся в определении температуры по вероятностной характеристике флюктуаций потока их излучения, о тл ича ю щий с я тем,что, с целью повышения точности, логарифмируют сигнал, пропорциональный потоку излучения дисперсных частиц, измеряют вероятность нахождения полученного сигнала и логарифма полученного сигнала между их средними и медианными значениями и определяют температуру по отношению измеренных вероятностей,2, Способ по п 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно измеряют сигнал, пропорциональный потоку излучения дисперсных частиц на другой длине волны, а вероятности нахождения сигнала между медианным и средним значением измеряют для отношения сигналов, пропорциональных излучению на двух длинах волн и логарифма отношения этих сигналов.3. Устройство для определения температуры дисперсных частиц, состоящее из оптически связанных объектива, монохроматизирующего элемента, фотоприемного устройство и блока обработки сигнала, о т л13 1804599 14 Составите Техред М. Редактор Корректор С,Юс гент каз 1077 ВНИИПИ Гос Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно содержит двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне, большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем, при этом выход фотоприемного устройства соединен с входами двухканального измерителя, а его выход соединен с блоком обработки сигнала.4. Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения для потоков с серым характером излучения, оно дополнительно снабжено оптически связанными обьективом, монохроматизирующим элементом с другой дли ной волны и фотоприемным устройством, атакже блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан с входами двухканального из мерителя времен пребывания сигнала науровне, большем и меньшем среднего значения,

Смотреть

Способ определения температуры объекта и устройство для его осуществления