CC BY
10
УДК 536.521.2
В.А. Захаренко, Ю.Н. Кликушин, А.Г. Шкаев
Омский государственный технический университет, г. Омск
ПИРОМЕТР С ЛИНЕАРИЗАЦИЕЙ
Применение пирометрических приборов, регистрирующих тепловое электромагнитное излучение, эффективно для теплового контроля практически во всех отраслях промышленности. Это обусловлено бесконтактностью метода и высоким быстродействием пирометрических приборов. Внедрение таких приборов требуют процессы выплавки слитков, формообразования при изготовлении изделий нефтегазового, химического, энергетического оборудования, аэрокосмической техники и судостроения. Необходим бесконтактный тепловой контроль для слежением за обжигом сырья во вращающийся печах различных химикотехнологических процессов, в производстве строительных материалов, обеспечения безаварийной эксплуатации электротехнического и теплотехнического оборудования, решения задач энергоаудита и энергосбережения и т.д.
При применении пирометрических приборов различного назначения, одной из основных метрологических проблем является неопределенность, связанная с неизвестностью коэффициента черноты е объекта контроля. Кроме того, физически лучистый поток, регистрируемый пирометрами, всегда представляет нелинейную связь с температурой контролируемой поверхности. В настоящей работе предлагается устройство, в котором линеаризация выходных сигналов пирометров и повышение точности измерения температуры нагретых поверхностей происходит за счет применения нелинейной обратной связи. Новое техническое решение достигается за счет того, что в канал отрицательной обратной связи пирометра предлагается заложить информацию о нелинейности преобразования температуры в выходной сигнал пирометра.
Функциональная схема такого пирометра, например, с фотодиодным приёмником излучения, приведена на рис. 1.
Пирометр содержит фотодиод 1, катод которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 2, а анод - с нулевой шиной и источником напряжения 3. К инвертирующему входу усилителя также подсоединяется регулируемое сопротивление 4, управление величиной которого производится по цепям обратной связи вычислительным устройством 6, на вход которого сигнал подается с выхода дифференциального усилителя через аналого-цифровой преобразователь 5.
При облучении фотоприёмника 1 лучистым потоком Ф от нагретой поверхности он генерирует ток, преобразующийся в напряжение усилителем 2. При этом для упрощения рассуждений считая, что поток излучения нагретой поверхности Ф подчиняется закону Стефана-Больцмана [1], его можно представить как:
Ф = с е • Т4 • А, (1)
где Т — температура излучающей поверхности, К; С - постоянная Стефана-Больцмана, (5,6697±0,0029)-10"12 Вт/(м2-К4); е - коэффициент черноты нагретой поверхности; А - площадь нагретой поверхности, м2.
\\
Ф
I
к
2
Выход
4
6
Рис. 1. Функциональная схема пирометра с нелинейной обратной связью
Таким образом, фототок !р, генерируемый фотодиодом, работающим в режиме короткого замыкания фотогальванического включения, будет соответствовать выражению:
!Р = кР •Ф .
(2)
где кр - коэффициент преобразования фотодиодом лучистого потока в фототок.
Выходное напряжение усилителя 2 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 5, в котором преобразуется в цифровой код N, который поступает в вычислительное устройство 6, в котором масштабируется и возводится в четвертую степень, после чего поступает на регулируемое сопротивление 4.
Цифровой код N пропорционален выходному напряжению иВых усилителя 2 как:
N = кАЦП ' иВых ,
(3)
1
5
3
При этом цифровой код ^, поступающий на регулируемое сопротивление 4 будет пропорционален выходному напряжению иВых усилителя 2 как:
NС = кВУ ■ (к
АЦП
4
(4)
где кВУ - коэффициент преобразования вычислительного устройства;
кщП - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя.
Под действием этого кода регулируемое сопротивление 4 изменяет величину компен-
сирующего тока 1К, поступающего от источника напряжения 3 на второй вход дифференциального усилителя 2, величина которого будет пропорциональна NС как:
1К = к0 ■ NС , (5)
где ко - коэффициент преобразования регулируемого сопротивления.
325
В результате действия отрицательной обратной связи за счет большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 фототок фотодиода и компенсирующий ток источника напряжения и регулируемого сопротивления уравновешиваются
!к = ^ . (6)
Подставив в это равенство значения токов, получим с учетом выражений (1 - 6):
к0 ■ кВУ
к ■ и
ЯАЦП и Вых
= кР а ■ £ ■ Т
■ А
(7)
Из (7) следует, что на выходе усилителя 2 формируется напряжение, пропорциональное температуре излучающей поверхности и корню четвертой степени из всех коэффициентов, участвующих в преобразовании излучения в электрический сигнал
Т
и = -
кР а ■ £ ■ А
4 Р
Вых
к
АЦП
к0 ■ кВУ (8)
При этом, на выходе аналого-цифрового преобразователя формируется цифровой код N пропорциональный выходному напряжению иВых усилителя 2 как:
N = Т ■ 4
кр а ■£ ■ А к0 ■ кВУ , (9)
Извлечение корня четвертой степени значительно уменьшает значения погрешности
4
4
4
зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры, связанной с изменениями коэффициента черноты нагретой поверхности е и других коэффициентов преобразования устройства.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет линеаризовать связь выходного сигнала пирометра с температурой и повысить точность измерения температуры нагретых поверхностей за счет операции извлечения корня четвертой степени, что приводит к уменьшению численных значений коэффициента черноты и коэффициентов преобразования в устройстве, точные значения которых заранее неизвестны и могут изменяться в процессе измерений.
Следует отметить, что выходом пирометра может также являться цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 5, с которого снимается цифровой код.
На предложенное устройство получено положительное решение по заявке на патент на изобретение [2].
Библиографический список
1. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники [Текст] / Л. З. Крик-сунов. - М. : Сов. радио, 1978. - 400 с.: ил.
2. Пат. 2010132097/28 Российская Федерация, МПК О 01 I 1/44 Пирометр / В. А. Захаренко, Ю. Н. Кликушин, Д. Н. Мурашко, А. Г. Шкаев; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет, приоритет 29. 07. 2010
