Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ - Патент РФ 2194255
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области измерения температуры, а именно к оптической пирометрии, и может использоваться для бесконтактного измерения температуры объектов в диапазоне, близком к температуре окружающей среды. Технический результат: упрощение прибора для дистанционного измерения температуры объектов. Сущность изобретения заключается в том, что производят оперативную абсолютную калибровку пирометра, регистрируют инфракрасное излучение от исследуемого объекта и отображают информацию о температуре этого объекта, причем в качестве опорного источника инфракрасного излучения при калибровке пирометра используется полость открытого рта оператора. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2194255
Класс(ы) патента: G01J5/08, G01K15/00
Номер заявки: 99120864/63
Дата подачи заявки: 29.09.1999
Дата публикации: 10.12.2002
Заявитель(и): Бакуменко Владимир Леонидович; Бочков Владимир Дмитриевич; Свиридов Анатолий Николаевич; Таубкин Игорь Исаакович; Фурсов Андрей Витальевич
Автор(ы): Бакуменко В.Л.; Бочков В.Д.; Свиридов А.Н.; Таубкин И.И.; Фурсов А.В.
Патентообладатель(и): Государственное унитарное предприятие "НПО "Орион"
Описание изобретения: Изобретение относится к области температурных измерений, а более конкретно к оптической пирометрии, и может использоваться при разработке портативных и дешевых приборов (пирометров) для бесконтактного измерения температуры объектов, в том числе в диапазоне, близком к температуре окружающей среды.
Известны способы дистанционного измерения температур объектов по их инфракрасному (ИК) излучению, заключающиеся в оперативной абсолютной калибровке (т. е. калибровке в полевых условиях перед каждым измерением или в процессе измерения) пирометра с помощью опорного источника инфракрасного излучения (источника сравнения), регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображении информации о температуре этого объекта [1, 2]. Принцип действия подобных пирометров основан на однозначной зависимости излучательной способности нагретых тел от их температуры. Достижимые точности измерения температур, а также сложность и стоимость устройств, реализующих эти способы, во многом определяется методикой измерения и используемыми в них опорными источниками ИК-излучения.
Например, в способе, реализованном в оптическом пирометре [1], в качестве оперативного источника сравнения использована диэлектрическая подложка с нанесенным на нее зачерненным слоем металла (или полупроводника), через который пропускается электрический ток для нагревания подложки. В процессе измерения на приемник попеременно (с частотой в несколько кГц) направляются ИК-излучение то от источника сравнения, то от исследуемого объекта, при этом температура источника сравнения определяется (путем измерения сопротивления элемента - источника сравнения) в момент достижения равенства потоков ИК-излучений. Информация об этой температуре отображается на цифровом индикаторе как температура измеряемого объекта. Этот способ позволил получить точность измерения температуры 0,1oС в диапазоне измерений 10-60oС. Недостатком этого способа является относительная сложность устройств, его реализующих (что связано с наличием в них источника сравнения и с необходимостью нагрева его до температуры измеряемого объекта).
Более близким по принципу действия к заявляемому способу измерения температур объектов, является способ, реализованный в оптическом пирометре, описанном в [2]. В нем оперативную калибровку пирометра проводят с помощью источника сравнения - абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой 100oС, которое смонтировано в корпусе пирометра. Процесс измерения температур объектов производят следующим образом. После включения прибора и достижения температуры АЧТ 100oC с помощью поворотного зеркала, предусмотренного конструкцией прибора, направляют ИК-излучение от источника сравнения на вход прибора. В процессе калибровки излучение, пройдя через вращающийся перфорированный диск (модулятор), попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от АЧТ. Далее, после прохождения через усилитель синхронный детектор и АЦП оно регулируется (подстройкой электронного тракта) так, чтобы на цифровом индикаторе пирометра отображалась температура АЧТ, равная 100oС.
После калибровки прибор (с помощью поворотного зеркала) наводится на исследуемый участок объекта, при этом ИК-излучение от объекта, промодулированное вращающимся перфорированным диском попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта. Далее, пройдя ту же обработку, что и сигнал от источника сравнения в процессе калибровки, сигнал от наблюдаемого объекта отображается на индикаторе, показывая температуру исследуемого участка объекта. Основные недостатки описанного выше способа измерения температур, (который мы рассматриваем как прототип) связаны с необходимостью изготавливать в составе устройства, реализующего этот способ, опорный источник ИК-излучения - АЧТ. Это усложняет конструкцию за счет необходимости размещения в приборе источника опорного излучения (АЧТ), увеличивает габариты, вес и энергопотребление и (в конечном итоге) увеличивает стоимость приборов. Кроме того, увеличивается время подготовки прибора для измерений: для стабилизации температуры источника опорного излучения на уровне 100oС необходимо около часа.
Предлагаемый способ решает задачу создания предельно простых дешевых и портативных оптических пирометров, сочетающих в себе приемлемую для большинства применений точность измерения температуры (не менее 1oС) и малое время подготовки прибора для измерений: несколько секунд. Это достигается тем, что при дистанционном измерении температур объектов по их ИК-излучению, заключающемся в оперативной абсолютной калибровке пирометра с помощью опорного источника инфракрасного излучения, регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображении информации о температуре этого объекта, в качестве опорного источника инфракрасного излучения используется полость рта оператора.
Сущность способа заключается в следующем. Известно, что температура тела здоровых людей в состоянии относительного покоя находится в пределах 36,5oС-36,8oС. Кожа и ткани (имеющие высокое содержание воды) обладают высокими коэффициентами излучения ε≈0,9-0,93, и излучают как черное тело. Однако температура кожи человеческого тела (и в особенности его открытых участков) не является постоянной, например, температура кожи рук, лица и др. участков тела из-за прямого солнечного нагрева летом или охлаждения холодным воздухом зимой может существенно отличаться от температуры внутренних тканей. Поэтому наружные поверхности человеческого тела нельзя использовать как стабильные ИК-источники излучения.
В заявке предлагается использовать полость открытого рта оператора в качестве источника достаточно стабильного опорного излучения при измерениях температур объектов по их ИК-излучению. Действительно, температура внутренней поверхности рта (в закрытом состоянии) соответствует температуре тканей человеческого тела и, практически, не зависит (в пределах приемлемой для многих применений точности измерений) от температуры окружающей среды. В процессе измерения температуры исследуемого объекта с помощью пирометра предлагается (на стадии оперативной калибровки) использовать в качестве источника ИК-излучения (источника сравнения) полость открытого рта оператора, который во время калибровки открывает рот, разворачивает прибор так, чтобы прибор регистрировал ИК-излучение из полости открытого рта оператора и включает команду для проведения автоматической калибровки прибора Поскольку для калибровки (подстройки электронного тракта пирометра) требуется не более 2-3 с и калибровку можно производить при задержке дыхания на 2-3 с, то в процессе калибровки температура полости открытого рта сколько-нибудь существенно не изменится.
Для проверки возможности использования полости рта оператора в качестве оперативного источника сравнения при дистанционных измерениях температуры объектов по их ИК-излучению были проведены дистанционные измерения температур полости рта (по ИК-излучению) у нескольких людей. Измерения проводились с помощью тепловизора и с помощью пирометра, конструкция которого защищена Свидетельством на полезную модель 1904. Оба прибора могли измерять температуру с абсолютной ошибкой не более 0,1oС. В результате многократных измерений было установлено, что разброс измеренных температур полости открытого рта у разных людей не превышает 0,7oС, что доказывает возможность (в большинстве практических применений) использовать полость рта оператора в качестве оперативного источника сравнения.
Для реализации предложенного способа пригодно устройство, аналогичное пирометру [2] (способ измерения температур, реализованный в этом пирометре был принят за прототип), но без использования находящегося в этом устройстве АЧТ. В этом случае процесс измерения температур объектов производят следующим образом. После включения прибора оператор разворачивает прибор так, чтобы он регистрировал ИК-излучение из полости открытого рта оператора, и проводит калибровку прибора. При этом ИК-излучение из полости рта поступает на вход прибора В процессе калибровки излучение, пройдя, например, через вращающийся перфорированный диск (или иной модулятор), попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от опорного источника. Далее, после прохождения через усилитель синхронный детектор и АЦП оно регулируется (подстройкой электронного тракта) так, чтобы на цифровом индикаторе пирометра отображалась температура полости открытого рта оператора, равная 36,7oС. После калибровки прибор наводится на исследуемый участок объекта, при этом ИК-излучение от объекта, промодулированное вращающимся перфорированным диском, попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта. Далее переменное напряжение, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта, пройдя ту же обработку, что и сигнал от опорного источника в процессе калибровки, отображается на цифровом индикаторе как температура исследуемого участка объекта.
Следует отметить, что полость рта оператора в этом случае используется как оперативный источник опорного излучения.
Таким образом, решается поставленная задача изобретения - найти путь построения простых и дешевых пирометров (конструкции которых не усложняются источниками опорного ИК-излучения), сочетающих в себе приемлемую для большинства применений точность измерения температуры (не менее 1oС) и малое время подготовки прибора для измерений: несколько секунд.
Для проверки эффективности предлагаемого способа был разработан лабораторный макет пирометра, функциональная схема которого показана на чертеже. Прибор содержит следующие основные элементы: 1 - зеркальный объектив, 2 - диск прерывателя, 3 - микродвигатель, 4 - ИК приемник, 5 - опто-пара, 6 - предусилитель, 7 - усилитель, 8 - синхронный детектор, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - микроконтроллер, 11 - жидкокристаллический индикатор. Прибор конструктивно состоит из двух блоков А и Б, связанных кабелем (как вариант - возможно оформление пирометра в виде единого блока). Блок А содержит кроме того (непоказанные на функциональной схеме) либо визирную трубку, либо указатель цели на полупроводниковом лазерном диоде. Блок Б содержит схему индикации, состоящую из аналого-цифрового преобразователя 9, микроконтроллера 10 и жидкокристаллического индикатора 11, и блока питания 12, состоящего из аккумулятора и схем питания микродвигателя, ИК-приемника, опто-пары и указателя цели. (На чертеже не показаны кнопки управления прибором).
В отличие от всех (известных авторам) ИК дистанционных пирометров в разработанном приборе в качестве опорного источника ИК-излучения используется полость рта оператора.
При работе с прибором используется следующий алгоритм измерений:
1. Оператор открывает рот, приближает объектив прибора к открытому рту так, чтобы прибор регистрировал излучение из полости рта (которая в этом случае играет роль опорного источника ИК-излучения) и нажимает кнопку для проведения автоматической абсолютной калибровки, которая происходит следующим образом. ИК-излучение из полости рта оператора собирается зеркальным объективом 1 и через прерыватель 2, приводимый во вращение микродвигателем 3, направляется на ИК-приемник 4. Опто-пара 5 вырабатывает сигнал для синхронного детектора. Сигнал с ИК-приемника после предусилителя 6 поступает в усилитель 7 и затем в синхронный детектор 8. Далее сигнал после аналого-цифрового преобразователя 9 сравнивается с сигналом микроконтроллера 10, который настроен на величину сигнала от излучения АЧТ с температурой 36,7oС, и после достижения равенства этих сигналов путем автоматической регулировки коэффициента усиления усилителя 7, отображается на жидкокристаллическом индикаторе 11 в виде числа 36,7oС или любого символа, показывающего, что калибровка прошла. (При этом установленная в процессе оперативной калибровки величина коэффициента усиления сохраняется до следующей оперативной калибровки).
Продолжительность процесса калибровки равна 2-3 с.
2. Оператор наводит с помощью визирной трубки или светодиодного целеуказателя прибор на измеряемый объект и по цифровому индикатору определяет его температуру.
Процесс измерения температуры по предлагаемому методу прост и доступен широкому кругу лиц, так как необходимая для начала измерений калибровка от излучения опорного источника - полости рта оператора, не требует специальных навыков от оператора. Прибор, реализующий предлагаемый способ, проще известных пирометров, так как в нем нет опорного источника ИК-излучения и, следовательно, прибор дешевле в изготовлении. Предполагается, что подобные приборы найдут применение как носимые, автономные, простые и удобные средства измерения температур различных объектов, например, для измерения температуры буксов железнодорожных вагонов, для измерения температуры электрических контактов воздушных выключателей и во многих других случаях, когда не требуется прецизионная точность измерений.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.Д. Бочков, А.А. Гольденвейзер, Е.А. Красовский, И.И. Таубкин Свидетельство на полезную модель 1904 "Оптический пирометр" по заявке 94040691 с приоритетом от 03.11.94 г.
2. А. Н. Гордов, О.М. Жигулло, Л.Г. Иванова "Основы температурных измерений", М.: Энергоатомиздат, 1992, с. 234-237 (прототип).
Формула изобретения: Способ дистанционного измерения температуры, заключающийся в оперативной абсолютной калибровке пирометра по инфракрасному излучению опорного источника, регистрации инфракрасного излучения от исследуемого объекта и отображения информации о температуре этого объекта, отличающийся тем, что оперативная абсолютная калибровка пирометра производится по инфракрасному излучению полости открытого рта оператора.