научная статья по теме ПРЕЦИЗИОННЫЙ РАДИОМЕТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРЕЦИЗИОННЫЙ РАДИОМЕТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

тику его формирования в узких (порядка долей миллиметра) зазорах, провести контроль степени полимеризации качества склеивания традиционными методами чрезвычайно сложно.

Функциональные возможности комплекса можно расширить увеличением тактовой частоты АЦП до 10 МГц и использованием цифровых алгоритмов, позволяющих оценить амплитуду и момент перехода сигнала через нулевой уровень на интервале времени, существенно меньшем периода сигнала [9]. Рабочий частотный диапазон при этом может составлять 10-4...10-6 Гц при измерительной погрешности 8 « 0,5 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лущейкин Г. А. Методы исследования электрических свойств полимеров. — М.: Химия, 1988. — 160 с.

2. Новицкий С. П., Кензин В. И, Волошин А. А. Особенности построения быстродействующих измерителей импеданса электрохимических систем // Электрохимия. — 1993. — Т. 29, №1. — С. 138—143.

3. Укше А. Е., Вершинин Н. Н. Измерение импеданса при ин-франизких частотах // Электрохимия. — 1980. — Т. 16. — С. 1773—1776.

4. Укше А. Е. Методы измерения электрохимического импеданса в инфранизкочастотном диапазоне // Электрохимия. — 1985. — Т. 21. — С. 682—687.

5. Казаринов В. Е, Графов Б. М, Кац Н. Я. и др. Автоматизированная система измерения электрохимического импеданса на инфранизких частотах // Электрохимия. — 1985. — Т. 21. — С. 978—982.

6. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику. — М.: Высшая школа, 1983. — 400 с.

7. Бенсон В. В., Москвичев В. Н, Москвичев А. Н. Автоматизированный анализ данных импедансометрии на примере окисления гидразина на золотом электроде // Известия вузов. Серия "Химия и химическая технология". — 1994. — № 3. — С. 119—125.

8. Дворяшин Б. В, Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения. — М.: Сов. радио, 1978. — 360 с.

9. Каппелини В., Константинидис А. Дж, Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. — М.: Энергоатомиз-дат, 1983. — 360 с.

10. Москвичев А. Н., Москвичев А. А. Исследование свойств и кинетики полимеризации анаэробных герметиков методом импедансных измерений // Известия вузов. Серия "Химия и химическая технология". — 2007. — № 3. — С. 69—72.

11. Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. — М.: Сов. радио, 1971. — 664 с.

12. Зимон А. Д. Физическая химия. — М.: Агар, 2003. — 320 с.

Александр Вячеславович Афанасьев — канд. физ. -мат. наук, вед. инженер Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского (ННГУ);

E-mail: aafanasj@yahoo.com

Александр Александрович Москвичев — научн. сотрудник НФ ИМАШ РАН.

Александр Николаевич Москвичев — ст. научн. сотрудник Нижегородского филиала Института машиноведения им. А. А. Благо-нравова РАН (НФ ИМАШ РАН);

Валерий Александрович Односевцев — ассистент каф. радиотехники ННГУ;

Игорь Яковлевич Орлов — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ННГУ;

® (831) 465-02-18

E-mail: orlov@rf.unn.ru □

УДК 53. 082. 6, 536. 521. 2

ПРЕЦИЗИОННЫЙ РАДИОМЕТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

И. Я. Орлов, А. В. Афанасьев, И. А. Никифоров

Разработан микропроцессорный радиометр с диафрагмированной двухканальной оптической системой для прецизионных измерений в инфракрасном диапазоне длин волн (2...25 мкм). Радиометр позволяет измерять температуру поверхностей в диапазоне 10...500 °С с погрешностью измерения <0,5 %, обеспечивая при этом угол визирования 1 : 50. Приведены результаты использования радиометра для медико-биологических исследований. Ключевые слова: радиометр, инфракрасное излучение, процессор, адаптация, термокомпенсация.

ВВЕДЕНИЕ

Измерения поверхностной температуры в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн сопровождается погрешностями, обусловленными изменениями окружающего температурного фона. Это относится к большинству как технологических, так и медико-биологических процессов. Однако уменьшение влияния внешнего температурного фона, как правило, приводит к существенному усложнению конструкции радиометрических измерителей [1—3], что влияет на их портатив-

ность. Это обусловило необходимость разработки прецизионного портативного радиометра с низкой погрешностью измерений в условиях изменяющихся окружающих температур.

На кафедре радиотехники разработан радиометр для измерений в ИК-диапазоне длин волн (2...25 мкм), представляющий собой портативный микропроцессорный прибор для бесконтактного измерения поверхностных температур с погрешностью 0,5 % в диапазоне 10...500 °С на расстоянии 10...40 мм от объекта измерений.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОМЕТРА

Радиометр построен по модульному принципу и состоит из двух функционально-зависимых частей — модуля оптико-электронного преобразователя (ОЭП) и модуля управления и обработки данных (рис. 1). Построение радиометра, состоящего из двух функциональных модулей, позволило решить задачи, связанные как с повышением функциональности радиометра, использованием системных ресурсов и процессорного времени, подключением прибора к информационной сети и персональному компьютеру, так и с уменьшением размеров и удобством применения прибора.

Модуль ОЭП выполняет функции предварительной обработки данных, а также генерации ряда необходимых при работе сигналов. Генератор опорного колебания (ГОК) генерирует колебание, предназначенное для синхронного детектирования сигнала и контроля частоты модуляции.

Термочувствительным элементом ИК-излу-чения служит пироэлектрический датчик (ПД), использующий эффект появления пироэлектрического поля в диэлектрике при изменении температуры. Напряжение с выхода ПД является переменным с частотой, равной частоте модуляции радиометра, меняющейся в пределах от 10 до 100 Гц. Модуляция осуществляется механическим модулятором.

Серьезные конструктивные и технологические требования предъявляются к оптической системе радиометра, так как оптика подвержена изменениям внешнего температурного фона и, в то же время, обеспечивает необходимую пространственную разрешающую способность радиометра. В качестве оптики использована диафрагмированная оптическая система, состоящая из укоро-

ченных ИК-световодов основного (измерительного) и компенсационного каналов с чернением изнутри. Важной конструктивной особенностью является то, что модулирующая система (обтюратор) устанавливается между объектом измерения и оптической системой радиометра. При этом собственное тепловое излучение оптической системы будет немодулированным и не будет влиять на выходной сигнал радиометра. Применение такой конфигурации оптической системы позволило повысить точность измерений, улучшить стабильность показаний и исключить влияние на нее окружающих температур.

Применение диафрагмированной оптичес -кой системы в радиометре обеспечивает необходимое поверхностное разрешение (угол визирования 1 : 50), защиту термочувствительного элемента от внешних воздействий и вредных факторов (пыль, взвеси и др.). Хотя диафрагмированная оптическая система не обладает фокусирующем свойством, на малых расстояниях она дает хорошее разрешение, а в сочетании с дешевизной, простотой изготовления и расчетов ее применение вполне оправдано.

В радиометре используется модуляционный принцип измерения, т. е. выходной сигнал пироп-риемника пропорционален разнице радиационных температур исследуемого объекта и эталонного излучателя. Таким образом, для достижения высокой точности измерений необходимо либо поддерживать температуру эталонного излучателя неизменной, используя известные способы тер-мостатирования [2], либо проводить ее постоянное прецизионное измерение. Обычно в качестве эталонного принимается излучение, пропорциональное температуре обтюратора. Так как обтюратор в момент измерения находиться в посто-

Рис. 1. Структурная схема микропроцессорного радиометра

36 _БелБоге & БуБЬетБ • № 11.2009

Рис. 2. Оптическая система радиометра

янном движении (вращение или иной способ механической модуляции входного излучения), то проводится косвенное измерение его температуры [3], и, как следствие, возможно появление дополнительной погрешности в результатах измерений.

Для устранения этого недостатка в радиометре дополнительно введена система компенсации разности температур обтюратора и эталонного термодатчика (рис. 2). Принцип действия системы основан на постоянном измерении разницы радиационных температур обтюратора и прецизионного полупроводникового эталонного термодатчика. Особенность конструкции состоит в том, что излучение с поверхности термодатчика является входным излучением для компенсационного канала оптической системы прибора. Таким образом, этот канал часть периода измеряет радиационную температуру обтюратора, а часть — радиационную температуру эталонного термодатчика. Входные измерительное и компенсационное излучения, проходя через соответствующие оптические каналы, преобразуются пироэлектрическим датчиком в электрический сигнал, пропорциональный мощности электромагнитного излучения в этих каналах. Равенство нулю напряжения на выходе компенсационного канала означает, что поверхностная температура обтюратора равна температуре термодатчика, которая нам известна. Если же это напряжение не равно нулю, соответственно корректируется значение опорной температуры, пропорциональной разнице температур между термодатчиком и обтюратором, что повышает точность измерений.

Для контроля расстояния до излучающего объекта в радиометре применяется система светового целеуказателя, выполненного в виде све-тодиодов, диаграмма направленности которых сформирована узкими оптическими световодами (диаметр 0,6 мм), оси симметрии которых направлены под углом к оптической оси прибора. Это позволяет изменять и контролировать расстояние до объекта, и, как следствие, площадь поверхности, с которой поступает измеряемое излучение.

Так как чувствительность пироэлектрического датчика зависит от частоты модуляции падающего

излучения, то флуктуации этой частоты вносят погрешность в измерения. В разработанном радиометре реализован алгоритм стабилизации частоты вращения обтюратора на основе алгоритма ПИД-регулирования, что позволяет уменьшить эту погрешность и в случае необходимости расширить или сузить динамический диапазон измеряемых температур, т. е. увеличить чувствительность пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»