ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

А. А. ПОСКАЧЕМ Е. П. ЧУБАРОВ

ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫЕ

СИСТЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
А А. ПОСКАЧЕМ E. П. ЧУБАРОВ

ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННЫЕ
СИСТЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ

2-е издание,
переработанное и дополненное

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1988
ББК 32.965
П 61

УДК 681.518.3:681.586’36

Рецензент В. А. Строков

Поскачей А. А., Чубаров Е. П.

П 61 Оптико-электронные системы измерения темпе-
ратуры.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энерго-
атомиздат, 1988. — 248 с.: ил.

ISBN 5-283-01477-0

Изложены принципы построения оптико-электронных си-
стем измерения температуры. Приведены методы расчета
оптических и фотоприемных элементов, а также измерительных
схем. Описаны промышленные разработки систем. По сравне-
нию с изданием 1979 г. материал значительно обновлен.

Для инженерно-технических работников, занимающихся
разработкой и применением средств измерения и контроля
температуры объектов.

2404000000-513

П----------------258-88

051(01)-88

ББК 32.965

ISBN 5-283-01477-0

© Энергия, 1979

© Энергоатомиздат, 1988,
с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ

Потребность в быстром бесконтактном контроле и измере-
нии температуры непрерывно расширяется. Основными сред-
ствами для удовлетворения этой потребности являются опти-
ко-электронные системы измерения температуры (ОЭСИТ),
которые объединяют широкий ряд приборов: оптические пиро-
метры, измерительные пирометрические системы, тепловизоры,
сканирующие пирометры, анализаторы температурного поля и
г. д.* Высокие технико-эксплуатационные характеристики
ОЭСИТ в сочетании с их широким серийным освоением
позволяют применять их в самых различных отраслях хозяй-
ства, науки и техники.

Прежде всего необходимо отметить применение ОЭСИТ в
технологических процессах, таких как непрерывная выплавка
слитков, обработка давлением, электронно-лучевая и лазерная
термообработка, сушка, термоупрочнение и др. Здесь ОЭСИТ
обычно входят в состав автоматических или автоматизирован-
ных систем управления. Перспективно применение ОЭСИТ при
исследовании, отработке и регулировании режимов работы
различных механизмов и установок, например газотурбинных
двигателей.

Расширяется потребность в дистанционном контроле низких
температур и температурных полей объектов по их инфракрас-
ному излучению. Оптико-электронные системы этого типа
необходимы для медицины, метеорологических и космических
исследований, для технической диагностики и т. д.

Данная книга является систематизированным изложением
материалов, посвященных оптико-электронным методам и.систе-
мам измерения температуры и температурных полей. В ней

* В общем случае в книге применяется термин ОЭСИТ, а при рассмотре-
нии конкретных разработок — термины, используемые в литературе при
описании этих разработок: пирометры, тепловизоры и т. д.
обобщен многолетний опыт работы авторов в области оптико-
электронных систем. Рассмотрены измерительные схемы раз-
личных типов систем и даны методы расчета их основных
компонентов. Большое внимание уделено методическим по-
грешностям измерения температуры и способам и средствам их
уменьшения.

Подробно описаны сканирующие оптико-электронные систе-
мы контроля и измерения температурных полей. Эти системы,
обладая широкими функциональными возможностями, позво-
ляют намного повысить качество и скорость анализа состояния
различных теплоэнергетических систем.

Во второе издание данной книги включены современные
материалы по цифровой обработке информации в ОЭСИТ
(гл. 9), а также материалы по особенностям измерения темпера-
туры при наличии поглощения излучения в промежуточной
среде и оптических помех (гл. 8). Исключены некоторые
материалы, имеющие частный характер, и описание неперспек-
тивных систем. В целом структура и основное содержание книги
соответствуют первому изданию.

Авторы надеются, что книга будет полезна широкому кругу
специалистов, связанных с разработкой оптико-электронных
средств измерения температуры, а также специалистов, рабо-
тающих с теплоэнергетическими процессами и системами.
Книга может быть полезна также студентам и аспирантам,
специализирующимся в области оптико-электронного приборо-
строения.

Замечания и пожелания по книге просьба направлять по
адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатом-
издат.

Авторы
ГЛАВА 1

ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

Оптико-электронные методы позволяют измерить темпера-
туру объекта путем анализа параметров потока теплового
излучения от объекта [1.1 —1.5].

В основе этих методов лежит зависимость величины и
спектрального распределения плотности энергии излучения
b-lT— объекта от его температуры, определяемая для «черного»
тела формулой Планка:

йкг = С1Х 5

(1-1)

где	Т—температура, К; Q = 3,7413 • 10 12Вт-см2; С2 =

= 1,436 см • град; X—длина волны излучения, мкм.

С относительной погрешностью 8 =	= ехр ( —	) • фор-

о1Т	\	/

мула Планка может быть аппроксимирована формулой Вина:

Z>ir = C1\“5exp I

(1-2)

а с погрешностью

8=1 —

ТХСг 1

— формулой Рэлея — Джениса:
Рис. 1.1. Погрешности при замене формулы Планка формулами Вина (а) и
Релея — Джинса (б)

На рис. 1.1 приведены прямые, определяющие области, где 8
не превышает 0,5; 1; 5; 10 и 25%.

Непосредственной задачей ОЭСИТ, измеряющей темпе-
ратуру объекта по излучению, является дистанционное из-
мерение параметров потока излучения, испускаемого объ-
ектом (или частью объекта). К параметрам, характеризую-
щим поток излучения, относятся абсолютное значение это-
го потока и его спектральное распределение. В связи с
этим ОЭСИТ делят на энергетические и спектральные отно-
шения.

В энергетических ОЭСИТ осуществляется прием и из-
мерение потока излучения от объекта в одном участке
АХ спектра, в спектральных—в нескольких (двух и более)
участках спектра: АХ, = 2, 3, ..., N. Соответствующие ОЭСИТ
будем называть системами: 1) суммарного излучения (радиа-
ционными) при АХ-юо; 2) частичного излучения (монохро-
матическими) при АХ->0, АХ = const; 3) спектрального отно-
шения (цветовыми) при N=2; 4) многоспектральными (много-
цветовыми) при N^3'.

Абсолютное значение потока излучения Ф, преобразуемого
ОЭСИТ в электрический сигнал, определяется коэффициентом А
использования потока от объекта и коэффициентом спектраль-
ного пропускания оптической системы т. е.

оо

Ф = Д J/j^t/X.	(1.4)

О

Из (1.1) и (1.4) следует, что для определения Ф = /(Т)
необходимо вычислить интеграл
6
Г— I

i	(1-5)

Если ЬкТ задано форму-
лой Планка, интеграл (1.5)
аналитически не вычисля-

ется и его определение
возможно только графи-
ческим путем или с по-
мощью таблиц и номо-
грамм [1.2]. Следователь-
но, установить связь меж-
ду Т и Ф в явном виде

Рис. 1.2 К определению потока, ограничен-
ного фильтром

в общем случае нельзя. Лишь в случае, когда т\=1, эта связь
определяется в явном виде законом Стефана — Больцмана:

Ф = А<уТ4,	(1.6)

где ст — постоянная Стефана — Больцмана; ст = 5,6687 • 10~12 Вт/
/(м2 • К4).

Однако если используются ограниченный участок спектра
излучения и диапазон температур, где справедлива формула
Вина, выражение (1.4) может быть вычислено и при любой
характеристике т\.

Какой бы сложной ни была зависимость т=ДХ), ее можно
разбить на ряд участков (рис. 1.2), для каждого из которых
можно записать



(1-7)

где



Txlt,
7* +1 —

4.1 xh
T't+1 ~





T't +1

и kt + 1 — границы спектральных участков; и —коэф-
фициенты спектрального пропускания системы в области длин
ВОЛН ~кк,

При В3, равных — 1, 0, 1, 2 и 3, имеется возможность
достаточно точно аппроксимировать любую зависимость /(1)
на участке —Xt+1. Тогда на этом участке интеграл (1.5) может
быть заменен на

h +1	Ч +1

В,С2 J NdX+B2C1 j MdK	(1.8)

\	^к
где

Л’=л 5ехр

-Л/=л 5+взехр

сД
хг/

Следовательно, вычисление (1.5) сводится к определению

4+1

Г= хвз“5ехр

После преобразования получаем:

(~^W	С1 -9)

\ хг/	v

7^2	/ Г?-»\ / г1	\

при 53 = 2 г2=-5ехр()(-| + 1);

С 2	\ Л.7 у	у

т3 / С \ / г \ г'
при B3 = l Г^ехр	+ 2^+2 ;

С2	\ Л7 / \Л1 /	A.J

при В3 = 0 го=^ехр --||	+3Г2 +

С2	\ Гч1 / \ Ад /	\ Л2 /

+6S+6;

о 11- Т5 ( С2\[(с2\4 lAfc2\3 ,
при «,= -1 Г„1=г1ехр^--^^ +4(-^ +

+ В * * * 12(г?')+24г?+м '

\ Лд / ЛУ

Вычисление интеграла во всей области может быть
ставлено в виде

k = m

г= Е гч.
к = 0

пред-

ало)

В табл. 1.1 приведены значения интегралов для некоторых
зависимостей т\ = /(к).

Как следует из (1.10), зависимость потока Ф от температуры

Т имеет сложный вид. Однако в ограниченном интервале

температур (Т\ — Т2), что соответствует одному поддиапазону
измерения температуры, можно заменить зависимость (1.4)

8
Таблица 11 Значения интегралов для зависимостей т, = /’(л)
Рис. 1.3. Структурная схема ОЭСИТ:

1 — оптическая система, 2—фильтры; 3— модулятор, 4— приемник излучения. 5—усили-
тельно-преобразовательное устройство, 6—согласующее устройство, 7—сканирующее
устройство

более простыми зависимостями, определив по приводимым
ниже формулам коэффициенты этих зависимостей в соответ-
ствии со значениями Ф для границ поддиапазона.

Введем понятие эффективной длины волны Лэф, а также
коэффициент Q. В этом случае:

ф=2Чехр(-§)’	с111)

где

^-эф ~	^2

Т1

Возможна также замена

*-2

W1.

(1.4) зависимостью

Ф = цТп.

(1-12)

где

1

И = 1п—52
ФТ2

^72
г» •

?= —

т2 п

Если п и q известны, то Л.,ф и Q определятся по формулам

-1г LLzLl

эф п 2 Т2
In —

т\

Q=-
ч

XT)

При использовании в ОЭСИТ в качестве информационного
параметра спектрального распределения потока излучения изме-
ряется отношение потоков излучения в двух ограниченных
различными фильтрами участках спектра:

Т = ФЛ1/ФЛ2-	(1-13)

Следовательно, при известных параметрах оптической си-
стемы А и ту параметры потока ФЛ и у определяются
температурой:

ФЛ=/(П y=f(T).	(1.14)

Для решения вопроса использования тех или иных участков
спектра в спектральных ОЭСИТ необходимо провести анализ
10
зависимости y = f(T) во всем заданном диапазоне измерения
температуры.

Рассмотрим функциональные особенности элементов
ОЭСИТ. В общем случае в ОЭСИТ осуществляется: 1) ограни-
чение потока излучения от объекта определенным телесным
углом (это определяет площадь нагретого тела, от которого
воспринимается излучение); 2) выделение необходимых спект-
ральных участков принимаемого излучения; 3) модуляция и
преобразование потоков по определенному закону; 4) преобра-
зование потоков в электрический сигнал; 5) проведение ряда
математических операций над электрическим сигналом (вычис-
ление отношения и т. д.); 6) формирование выходного сигнала;
7) сканирование.

Обязательным для ОЭСИТ является выполнение только
первой и четвертой функций.

Обобщенная схема ОЭСИТ приведена на рис. 1.3.

Определение температуры в ОЭСИТ осуществляется по
электрическому сигналу на выходе приемника излучения, кото-
рый определяется параметрами приемника и потоком излуче-
ния, падающим на приемник.

Поток, поглощенный приемником и преобразованный в
электрический сигнал, равен

Фп = Л КпКЛо^Ти-^Тс)]<& + Л	+

+ Л*	blTn)dk,

(115)

где ткп—спектральный коэффициент поглощения потока из-
лучения приемником; тХо, тХс — спектральные коэффициенты
пропускания излучения объективом и средой; bt T, blT,
/\Тп, b-lT*— спектральное распределение плотности энергии из-
лучения и объектива, среды, приемника и изделия.

В случае, когда т1с = тко = 1, минимальная температура
изделия больше 500 К, а температуры среды и объек-
тива равны и не превышают 300 К, (1.15) можно записать в
виде

фп = Л J Ь^т^сГк.

(116)

Для случая, когда в пределах чувствительности приемника
тлп = «хтлмакс и т1макс = const, в параметр А вводится тХмакс:
Фп —Л1 J b^a^dX,

(1-17)

где ах—относительная спектральная характеристика приемника
излучения.

С учетом (1.П) и (1.12) основное уравнение ОЭСИТ при
использовании одного участка спектра (на участке 1\ — Т2)
имеет вид

0-18)

при использовании двух участков спектра

(119)

Если ввести понятие эквивалентной длины волны Л [1.4] при
аппроксимации (1.11) и эквивалентного показателя степени иэкв
при аппроксимации (1.12), основные уравнения ОЭСИТ можно
записать с помощью одного выражения

0=р ехр	] = Яэкв тп™.

(1-20)

где для ОЭСИТ с одним участком спектра В1 = Ф; Л —X; q3XB = q;
пЖв = п; с двумя участками спектра 02=у2; Л = Х1Х2/(Х2 —
*7экв q 1/^2’ ^экв	^2'

1.2.	ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры с помощью ОЭСИТ является
косвенным методом определения температуры. При этом кроме
температуры объекта на параметры потока излучения оказы-
вают влияние следующие факторы:

а)	излучательная способность объекта зависящая от
оптических свойств объекта, его электросопротивления, темпе-
ратуры, фазового состояния, вида механической обработки,
степени шероховатости поверхности, наличия пленки окисла на
поверхности и др. [1.6—110];

б)	поглощение излучения промежуточной средой т1с
[1.11 — 1.12];
Погрешности ОЭСИТ

Рис. 1.4. Классификация погрешностей ОЭСИТ

в)	отраженное объектом излучение сторонних источников Фс
[1.13, 1.14]. Соответственно методические погрешности ОЭСИТ
могут быть трех типов: 8Е, 8Т и 6ф. На их величины оказывают
влияние факторы, приведенные на рис. 1.4.

Методическая погрешность 8Е возникает вследствие того, что
в процессе измерения излучательная способность объекта
отличается от излучательной способности образцового излу-
чателя, по которому производилась градуировка прибора.
Аналогичным образом возникают погрешности 8Т и 8ф, при-
чем они аддитивны в пределах линейной системы. В связи с
этим в дальнейшем будем пользоваться обобщенным коэф-
фициентом е, учитывающим влияние ех, и Фс на точность
измерения.

Вследствие влияния указанных выше факторов, учтенных
посредством коэффициента е, ОЭСИТ измеряет некоторую
условную температуру, которую принято называть радиацион-
ной или яркостной в энергетических ОЭСИТ или цветовой в
спектральных ОЭСИТ.

Для энергетических ОЭСИТ общая методическая погреш-
ность равна

8 =1пЕ/ InS—— = 1-VS,
£	XT v ’

(1.21)

где Е = ед./е0, sx, е0 — описанные выше коэффициенты, относя-

13
щиеся к объекту измерения и образцовому излучателю соот-
ветственно*.

Для спектральных ОЭСИТ, использующих два
спектра, погрешность 8Е определится выражением

§(2) =	ln(^l/^z)	= ] — " 1 ~ п2 /И

Е ,	, х,-х.с,	\ s,’

1п(Хх/2:2)—^-2-^	V

'	2> л2л, т

участка

(1-22)

где S^Ei/Eo; Х2 = £2/£о.

Рассмотренные в данной главе методы измерения темпера-
туры являются основными (базовыми). Преимущество того или
иного метода определяется рядом факторов, которые будут
рассмотрены далее. Обоснование применения того или иного
варианта ОЭСИТ с точки зрения уменьшения методической
погрешности дано в [1.1, 1.13]. Некоторые способы измерения,
обладающие меньшей методической погрешностью и получен-
ные усложнением базовых методов измерения, рассмотрены в
гл. 5.

Помимо методической погрешности ОЭСИТ обладают
инструментальной погрешностью 8И, определяемой погреш-
ностью измерения параметров потока излучения.

Для энергетический ОЭСИТ инструментальная погрешность
равна

УТ	1

и С2	л

где 8Ф— погрешность измерения потока излучения.

В спектральных ОЭСИТ инструментальная погрешность
зависит от погрешности измерения отношения потоков и
от участков спектра, в которых производится измере-
ние потока излучения. При использовании двух участков
спектра

8’2) = r-Ц- — ЪУ1 =-------§у2,

Л2 ^.1 С2 П, п2

где 8у2 — погрешность измерения отношения потоков излу-
чения.

В дальнейшем для упрощения будем считать, что е0= 1, тогда S = ex = e.
ГЛАВА 2

ОПТИЧЕСКИЕ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ (ОЭСИТ)

2.1.	ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

При разработке ОЭСИТ ставится задача выбора оптических материа-
лов для объективов, фильтров, зеркал, защитных окон и т. д. Современ-
ные приемники излучения [21] позволяют использовать в ОЭСИТ наряду
с видимой и инфракрасную область спектра. В видимой части спектра,
занимающей сравнительно узкий диапазон длин волн, не возникает боль-
ших трудностей при выборе оптических материалов с требуемыми свой-
ствами. Многие разновидности стекол и зеркал пригодны для этого. Спектр
инфракрасного излучения занимает значительно более широкий диапазон
длин волн во много раз шире видимой части спектра, и ни один ма-
териал не может быть полностью пригодным для всего инфракрасного
диапазона [2.2 ].

Спектральные области пропускания оптического излучения большинства
материалов показаны на рис. 2.1 в порядке возрастания длинноволновой
границы пропускания. Диапазон пропускания определяется как область спектра,
на границах которой пропускание составляет более 10% для образца толщиной
2 мм Пропускание оптического элемента зависит как от внутреннего погло-
щения, так и от потерь на отражение. Вещества с большим показателем
преломления имеют более высокую отражательную способность, и в этом
случае часто применяется покрытие, снижающее отражение. Показатели
преломления некоторых материалов даны на рис. 2.2.

Следует отметить, что ряд материалов (из числа указанных на рис. 2.1)
являются гигроскопичными. Это ограничивает их применение в ОЭСИТ.
Хлористое серебро может выдержать влажность, если оно достаточно чисто и
защищено соответствующим покрытием, но оно неоднородно и, кроме того,
слишком мягко. Синтетический монокристалл (КР-5) имеет низкую температуру
плавления (415" С), обладает холодной текучестью, также является неодно-
родным, до некоторой степени ядовит, дорогостоящ и имеет сравнительно
большую плотность. Стекло из трехсернистого мышьяка значительно
ухудшает пропускание в средней части диапазона (8—13 мкм) и размягчается с
ростом температуры, которая является слишком низкой для многих случаев
применения.

При использовании кристаллов германия следует учитывать, что пропускание
германия быстро падает с увеличением температуры, начиная приблизительно с
100 С. Кремний можно использовать приблизительно до 300° С, хотя в диапазоне
8 13 мкм он не является полностью прозрачным для оптического излучения.

В области спектра 1—3 мкм можно использовать обычное оптическое
стекло. Это должно быть специально обработанное стекло либо стекло с
соответствующим отражающим покрытием; иногда используется и то и другое.
Основным критерием при выборе стекла является высокая степень пропускания

<--Рис 2 1 Спектральные области пропускания различных материалов

1-	двукислый фосфат мышьяка (АР), 2—двукислый фосфат калия, 3—боросиликатное
стекло (крон), 4—антимонид галлия 5 — кристаллический кварц, б— плавленый кварц,
7—фосфид галлия 8 — стекло с добавлением алюмината галлия, 9—кальцит 10—шпи-
нель //—рутил (двуокись тигана) 12—сапфир, 13 — титанат стронция, 14—титанат
бария, 15 арсеиид индия 16 —сернистый свинец, 17—селенистый свинец 18 теллу-
ристый свинец /У - телтур 20— окись магния 21 фтористый литий 22 -арсенид
таллия 23—с текло с добавлением трехсернистого мышьяка, 24 фтористый кальций,
25 - фтористый натрий, 26 — кремний, 27 — фтористый барий, 28 — фтористый натрий,
29—антимонид индия, 30—сернистый кадмий, 31 фтористый свинец, 32—теллуристый
кадмий 33—селеновое стекло с пр тмесью мышьяка, 34 — аморфный селей 35 германий
36—хлористый натрий 37—хлористое серебро, 38—хлористый калий 39 бромид-иодид
таллия 40 хлористый таллий, 41 — бромистый калий, 42 —бромид-иодид таллия (КР-5),
43 — бромистый таллии 44 — йодистый калий, 45 - бромистый цезий, 46—йодистый цезий

в инфракрасной части спектра и низкая в видимой части с резким переходом
между ними Использующиеся для этого спектрального диапазона стек та
обычно вполне удовлетворительны

В средневолновой области спектра (2 —8 мкм) можно также использовать
указанные материалы Кроме того, оптические элементы для этой области
можно изготовить из германия, кремния, рутила (окиси титана), сапфира, а
также из селенового стекла с добавлением мышьяка Кремний и германий
обладают большим показателем преломления и могут использоваться в
качестве материалов для линз и призм большой оптической силы

В средневолновой области спектра находятся длины волн среза для
различных полупроводников, поэтому необходимый спектр пропускания можно
получить также с помощью комбинаций различных материалов

Спектральная область между видимой частью спектра и длиной волны
3 мкм с точки зрения оптических материалов является наиболее изученной
Здесь можно использовать большую часть материалов, указанных на рис 2 1, а
также плавленый кварц и некоторые оптические стекла Обычно выбирают
плавленый кварц благодаря его устойчивости к высоким тепловым, химическим,
механическим и оптическим воздействиям

Рис 2 2 Показатель преломления некоторых материалов
Использование покрытий на оптических деталях является установившейся
практикой в оптической промышленности. Покрытия одного типа служат для
защиты элементов от атмосферных явлений и действий окружающей среды
(воды и водяных паров, истирания, воздействия солнечных лучей), покрытия
другого типа в виде тонкой пленки используются для улучшения пропускания
оптических элементов или отражения зеркал. Двуокись кремния и фтористый
магний обычно наносят на поверхности линз, окошек или зеркал; двуокись
титана и окись кремния используют для защиты посеребренных поверхностей
отражателей; тонкие пластмассовые пленки наносят на хлористый натрий для
защиты его от влаги, а покрытия из сульфида сурьмы или серебра наносят на'
элементы хлористого серебра в качестве защиты от оптических помех.

Использование покрытий, снижающих или повышающих отражение, при-
обретает особенно большое значение в ОЭСИТ, работающих в инфракрасной
области спектра. Критериями качества пленки, устраняющей отражение,
являются равенство ее показателя преломления п корню квадратному из
показателя преломления материала оптического элемента пв (объектива,
защитного окна), а также нечетность^ и кратность it разности фаз падающей и
отраженной волны А<р, т. е. n = ^Jna и

Аф

= 4лпсо8-=2л
л

(2.1)

Второе из этих условий сводится к следующему:

А.
nrfcosr=-(2m+ 1),
4

(2.2)

где X — длина волны падающего излучения; d—толщина пленки; г—угол
между лучом в пленке и перпендикуляром к поверхности пленки; т=1, 2, 3,
... — число отражений в пленке.

Поскольку показатель преломления в области пропускания незначительно
меняется от длины волн, снижение отражения будет максимальным только для
очень узкой полосы спектра при нормальном падении. Наилучшее снижение
отражения достигается только при одном угле падения; при расчете обычно
выбирается нормальное падение.

Наиболее широкая область спектра обеспечивается при т=1; при т>3 — 4
пропускание имеет линейчатый спектр. Для выделения необходимых участков
спектра в ОЭСИТ используются различного типа спектральные фильтры.
Различают фильтры, которые пропускают все излучение с длинами волн,
большими некоторой заранее выбранной величины; фильтры, которые пропускают
все излучение с длиной волны, меньшей выбранной величины, и фильтры, которые
пропускают излучения только между двумя выбранными длинами волн.

Некоторыми из физических свойств, на которых основано действие
фильтров, являются поглощение, преломление, рассеяние и интерференция.
Существует множество фильтров для видимой области, хотя возникают
некоторые трудности в получении достаточно острых срезов. Фильтры для
ближней инфракрасной области обычно являются фильтрами поглощающего
типа. В качестве фильтров могут быть использованы некоторые пластмассы,
являющиеся одновременно и подложкой, и поглотителем.
18
Рис. 2.3. Зависимость от /. коэффици-
ента отражения пленки из серебра и
алюминия

Труднее получить фильтры, обес-
печивающие пропускание длинновол-
нового излучения. Только ряд полупро-
водниковых кристаллов обладает про-
пусканием в длинноволновой области
(см. рис. 2.1). При соответствующем
легировании, т. е. введении известного
количества примесей, положение границы

поглощения можно сдвинуть, хотя в

этом случае граница обычно становится менее резкой, а материал — более

непрозрачным по мере увеличения концентрации примеси.

Простейшим типом интерференционного фильтра являются фильтры типа
Фабри — Перо. В фильтрах Фабри—Перо интерференция излучения между
двумя параллельными полупосеребренными пластинами обеспечивает спект-
ральную избирательность, при этом полоса пропускания фильтра определяется
отражательной способностью пластин.

При изготовлении зеркал наиболее часто применяют напыление из
алюминия или серебра. Серебряное покрытие обеспечивает более равномерное
распределение по X коэффициента отражения (рис. 2.3), что дает ему преиму-
щество в спектральной пирометрии.

2.2.	ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОЭСИТ

Оптические системы ОЭСИТ в принципе не отличаются от оптических
систем для других оптических приборов [2.4, 2.5].

Оптическая система ОЭСИТ характеризуется показателем визирования,
коэффициентом использования потока объекта, спектральными и некоторыми
другими характеристиками.

Оптическая система (рис 2.4, а), содержащая двояковыпуклую линзу диа-
метром I)t, толщиной t, выполненную из материала с коэффициентом
преломления пх, является наиболее широко распространенной в ОЭСИТ. Радиус
кривизны R считается положительным, если центр кривизны расположен справа
от поверхности, и отрицательным, если слева.

Фокусное расстояние двояковыпуклой линзы определяется выражением
[2.4]

. ,	. Пл 4“ 1

В большинстве случаев Л»/ (тонкая линза). Тогда можно считать, что
(«x+l)f/«x»O.

Возможно применение в ОЭСИТ трех типов линз: собирающей двояко-
выпуклой, собирающей плосковыпуклой и собирающего мениска (рис. 2.4, а).

Обозначая г1 = |/?1| и r2 = | R21, можно записать:
для двояковыпуклой линзы

е = ГуГ2
к-1)(Г1+г2)’

для плосковыпуклой линзы

Л («х-0;

для собирающего мениска

>У2

К-'Иг2-п)'

Для тонкой линзы, как известно, справедливо выражение

1/5+1/5'= 1/Д; 5/5' = C/G,

(2.4)

где 5 и S'—расстояния линзы до объекта визирования и его изображения,
имеющих соответственно размеры С и G.

Для ОЭСИТ, использующих очень узкий участок спектра, (ДХ/Х) •« 1
(АХ—полоса пропускания фильтра, X—эффективная длина волны используе-
мого участка спектра) и показатель визирования р определяется как

p = D0/S=dn(\/fk-l/S'),

(2.5)

где Do — диаметр сфокусированного изображения полевой диафрагмы dn при
эффективной длине волны X, D0 = C; dn = G (рис. 2.4,6), или же с учетом (2.4)
p = D0IS=dJS'.

Для оптических систем, где S»JX, p=D0/S» dn/f^.

Коэффициент использования потока объекта может быть определен как
А = Ф/В, где Ф — поток, проходящий через полевую диафрагму dn и равный

л

E0-dn; В—энергетическая яркость
находится в плоскости изображения,

объекта. Так как полевая диафрагма

то можно записать [2.5]

, -Оо
Е0=лтл8ш V ~т,
“п

где тл—коэффициент пропускания линзы; U—апертурный угол оптической
системы.

, D2	Dl (S'-fA1

Учитывая, чго sm G=—=------; и —т =---можно записать

452 + £>2	d2 fl



Dl

452 + £>2

Для тех случаев, когда 5»//,.

л л DlD20

А = Т„----=—.

л16 S2

(2.6)

(2.7)
Л>	в)

Рис. 2.4. К определению параметров оптических систем

Приведенные соотношения получены в предположении, что линза не
искажает фронта волны. Однако все реальные линзы искажают волновой фронт.
Искажение вызывается ошибками фокусировки и различного рода аберрациями.
Расчет оптических систем, учитывающих эти аберрации, дан в ряде работ
[2.4, 2.5] и здесь не рассматривается.

Для ОЭСИТ, использующих излучение на значительном участке спектра,
при определении показателя визирования необходимо учитывать хроматичес-
кую аберрацию линзы.

Определение показателя визирования для ОЭСИТ с учетом хроматической
аберрации объектива рассмотрено в [2.6]. Там же показано, что для ОЭСИТ,
работающих в диапазоне длин волн Лмакс — А.мин, показатель визирования
рассчитывается по формуле

Р=Ру+у(~-------(2-8а)

\/>.мин /к макс/

За условный показатель визирования ру принято отношение диаметра
полевой диафрагмы dn к ее расстоянию от линзы S'. Подставляя из (2.3)
значения 4МИН и /1мажс, в частном случае для плосковыпуклой линзы имеем

Р=

S' + 2R

мин макс

(2.86)

Из формул (2.8) следует, что реальный показатель визирования ОЭСИТ с
учетом хроматической аберрации увеличивается на величину, прямо пропор-
циональную световому диаметру линзы Dsl, дисперсии объектива в пропус-
каемом диапазоне длин волн (нАМ„„— nlMal[L) и обратно пропорциональную
двойному радиусу кривизны линзы R.

Так, например, для ОЭСИТ с кварцевой плосковыпуклой линзой, имеющих
р=1/25, £>,.= 17 мм, R = 24 мм,	= 0,7 мкм. С . =3.6 мкм. и, ми =1,455,

Иьма«.= 1'404, показатель визирования р к 1/18.

В ОЭСИТ со светопроводной оптикой необходимые размеры оптической
системы определяются параметрами светопровода и размерами полевой
диафрагмы.
Схема оптической системы со светопроводом приведена на рис. 2.4, в, для
нее справедливо (при *4>rfnp) [2.7]

e = arctg2^1+--"p—(2.9)
4

где dnp—диаметр диафрагмы 1 (или диаметр зрачка приемника); dc—диаметр
светопровода 2; /,—расстояние между диафрагмой и торцом светопровода;
1С—расстояние между изделием 3 и торцом светопровода.

2.3.	РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА

НА ПРИЕМНИКЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим радиационный пирометр, в котором в качестве приемника
излучения применена термобатарея При известном коэффициенте пропускания
оптической системы, исходя из теплового баланса термобатареи, можно
определить выходной сигнал ОЭСИТ. В стационарном режиме [1.3]

£.______даПгЩЗ)_________,	(2.10)

(I -е)(Т1 + Г,)(7'^ + Г5)+;^

где Е— ЭДС термобатареи; Е,— постоянная термобатареи; е - излучательная
способность обратной стороны термобатареи; Т\, Т2, Т3— соответственно
температуры излучателя, выделенной приемной части термобатареи и корпуса;
Ft и F3— коэффициенты, определяемые свойствами оптической системы (для
ряда оптических материалов их значения приведены в [13]); х -площадь
выделенной приемной части термобатареи; а—постоянная Стефана—Больц-
мана; с—коэффициент теплоотдачи конвекцией и теплопроводностью от
термобатареи.

В общем случае электрический сигнал на приемнике излучения ОЭСИТ
определяется выражением

f blTaKdk,	(2.11)

о

где SkMMK—максимальная спектральная чувствительность; — спектральное
распределение плотности энергии излучения; А —коэффициент, характеризующий
оптическую систему ОЭСИТ (2.6); ак — относительная характеристика при-
емника.

Электрический сигнал, возникающий на приемнике, чаще всего выражается
в миллиамперах. Однако для большинства электронных схем требуется
электрический сигнал представить в виде напряжения

Для фотоэлементов, фотоумножителей, фоторезисторов, фотодиодов при
малом значении фототока, т. е. при Uc <к Un и при Я,=const, напряжение
электрического сигнала Сс однозначно определяется как
где U„ — напряжение питания; Л, — внутреннее сопротивление приемника;
RK — сопротивление нагрузки.

Для фотодиодов, работающих в вентильном режиме, а также для
фоторезисторов (Я,/const) точное определение Vc аналитически невозможно; UQ
определяется графоаналитическим способом. Рассмотрим, например, работу
фотодиода. Основное уравнение фотодиода имеет вид [2.8]



(2.13)

где Is—ток насыщения; /ф— фототок короткого замыкания; е—заряд электро-
на; иф—напряжение на фотодиоде; Т—температура фотодиода, К; As—
коэффициент, зависящий от типа фотодиода, для кремниевого фотодиода Аа=1,
для германиевого фотодиода As=4

Если Лн=оо, то

AskT /7Ф \

Pt=Pt=—In -^+1 .
е \L

(2.14)

Из (2.14) следует, что Vc является нелинейной функцией от /ф. Если Ян/оо,
то уравнение (2.14) превращается в трансцендентное и определить Uc можно
только графическим путем.

Сопротивление о-и-перехода при Сф = 0 обозначим как Ro =-----, примем

еЦ

a = RH/R0, P = Z„//S; 1я=иф^я Тогда уравнение (2.14) запишется в виде
7ф/Л = с»₽-(1-Р), или

?------	(215)

/ф ехр(сф)-(1~Р)

Из-(2.15) следует, что —=/(—, а]
\ Л /

На рис. 2.5, а, б приведены зависимости

= 4/7ф=Ж/А> а) .

Ф 1я/1ф при /ф/Д=10 4’
'1'=4/4=Ла) при ^/Л=1о-4,
позволяющие быстро выполнить расчеты по определению оптимальных
режимов работы и параметров схемы при заданных параметрах фотодиода
/„=<рф/ф; Сс=Сф = <рф/фЯн.

Рассмотрим методику определения сигнала на фоторезисторе. Если R1 —
темновое сопротивление фоторезистора, то падение на его фотосопротив-
лении потока излучения можно представить как появление дополнитель-
ного сопротивления /?ф, уменьшающегося при увеличении мощности по-
тока.

Тогда Лф=7ф/Сф=5эФ’(7ф/Сф = 5эФ₽(7^~1. Для большинства случаев Р = 1
[2.8], следовательно,

/?ф = 5’эФ“,

(2.16)

23
Рис. 2.5. К определению сигнала с фотодиода

где 5, —чувствительность фоторезистора к лучистому потоку. При использо-
вании в ОЭСИТ спектрального отношения фоторезисторов необходимо, чтобы
отношение их фотосопротивлений при различных потоках однозначно опреде-
лялось отношением потоков Из (2.16) следует, что Яф2/Яф1=(фт2/Фт1)С т. е.
необходимо, чтобы а=const.

Напряжение сигнала Uc определяется как параметрами фоторезисторов
(2?ф, Ят) и напряжением на них, так и сопротивлением нагрузки R„.

При напряжении сигнала Сс, значительно меньшем 1/ф, можно записать

с7с/с/ф=/гф/(/ги+лф)-лэ/ки; r^r^Kr^) (2.17)

или

(2-18)

где Р = Лн/Лф; y = Rt/Rx.

Величину иф выбирают, исходя из обеспечения длительной стабильной
работы фоторезисторов и минимального уровня шумов.

24
Максимальное значение спектральной чувствительности 51ми(. определяется
как отношение электрического сигнала, генерируемого фотоприемником, к
мощности падающего на приемник монохроматического потока.

Измерение абсолютной спектральной чувствительности сопряжено с боль-
шими техническими трудностями, поэтому представляет интерес определение ее
по чувствительности к лучистому S3 или световому 5св потоку (определяемому
как отношение электрического сигнала, генерируемого приемником, к падающе-
му на приемник потоку Ф, или Фсв в ваттах или люменах), по относительной
спектральной характеристике (OCX) чувствительности и по спектральному
распределению коэффициента излучения источника излучения s=/(X).

Как правило, OCX определяется на монохроматоре. Определение 51ммс
заключается в следующем: OCX разбивают на ряд участков ДА и определяют
Х(ДЛа,£к), где а,—среднее значение OCX в области ДА., тогда

5,Ф, 5СВФСВ	, ,

5кмакс = ,	(2-19)

^(ДАдл) 1(Ллад)

Формула (2.19) позволяет определить Д\макс при любой температуре, а
также установить связь между S., и 5СВ.

В литературе приводятся значения 5, при различных температурах. Для
сравнения приемников надо 5Э привести к одной температуре. Это необходимо
также, когда при определении параметров приемника трудно получить высокую
температуру источника излучения.

Для определения 5\„акс при известных S, и 5СВ необходимо знать для
каждого приемника три постоянных коэффициента.

1 Дкмакс / Д'/макс 2800, 71 Дз макс / Да 2800 ч q2 Дкмакс/ДсВ 2800

и два коэффициента </4 и q5, зависящих от температуры источника Тл:

?4 = Дэ/Дэ2800	q5 = S„/Дсв28ОО=/(7'11).

Тогда

Дк макс Q1 /q^ l '^i q2 / ^5Т Дев’

„	<?4Т2 „	„ qST2 „

ОЭТ2 —---ОэТ1, ОсоТ2 —----ОсаТП

?«1	</5Т1

Дса = -^Да,

<7з<74Т 1

где 528оо. Дт1 и Дтг—значение 5 при температурах источника, равных
соответственно 2800 К, 7\ и Т2.

В табл. 2.1 приведены значения qt и q2 (<7, = 21,4) для ряда приемников.
В качестве излучателя использовалась вольфрамовая лампа. Спектральные
характеристики приемников приведены на рис. 2.6. На рис. 2.7 приведены
кривые q4 и q5 для указанных приемников.

В большинстве фотоприемников чувствительный слой удален от входного
окна, что приводит к потерям части лучистого потока при неперпендикулярном
к поверхности падении лучей В ряде приемников входным окном является лин-
за и сигнал фотоприемника зависит от угла падения параллельного пучка лучей.
Таблица 2.1 Значения коэффициентов

Тип приемника излучения	Номер при- емника (рис 2 6, 2 7)	<71	Чг
Фотоэлемент СЦВ-6	1	36	780
Фотоэлемент Ф-9	2	2,8	60
Кремниевый фотоэлемент	3	1,82	39
Германиевый фотоэлемент	4	1,53	33
Фоторезистор PbS	5	1,84	39
Фоторезистор TeS	6	20,6	440
Фоторезистор InSb	7	5,0	106
Неселективный термоэлемент	8	3,0	65
Неселективный термоэлемент с. оптикой из	9	2,96	63
стекла «пирекс»			
Неселективный термоэлемент	10	Н,5	20
Неселективный термоэлемент с оптикой из	11	1,0	310
флюорита			

Зависимость интегральной чувствительности фотоприемника от угла падения
параллельного пучка лучей на его входное окно называется апертурной
характеристикой Апертурную характеристику необходимо учитывать при
согласовании фотоприемника с оптической системой [2.9]

На рис. 2.8, а приведены апертурные характеристики фотодиодов, на
рис 2.8,6—апертурные характеристики фоторезисторов, здесь же для сравнения
приведена апертурная характеристика чувствительного элемента'фоторезистора
без конструктивных элементов (кривая I).

При разработке спектральных ОЭСИТ необходимо преобразование в
электрический сигнал потока излучения от объекта одновременно в различных
областях спектра. До последнего времени это осуществлялось путем разделения

Рис. 2.6. Спектральные характеристики некоторых фотоприемников
26
потока во времени или в пространстве, выделения необходимых участков
спектра с помощью фильтров и дальнейшего преобразования потоков в
)лектрические сигналы с помощью нескольких приемников излучения При этом
применялись комбинации приемников с различными спектральными характерна
тиками

В последнее время появились многослойные приемники излучения [2 10—
2.13] с приемниками разной спектральной чувствительности, расположенными
последовательно друг за другом, причем каждый более коротковолновый
приемник для более длинноволновых служит фильтром, срезающим коротко-
волновую часть спектра. При этом поле зрения всех приемников практически
одинаково, т. е. приемники воспринимают излучение одного и того же участка
объекта, что весьма важно.

Применение твердых растворов Pb,_xSntTe или CdxHg1_xTe позволяет
менять спектральную чувствительность приемников излучения, выполненных на
27
Рис 2 8 Апертурные характеристики фотоприемников

их основе Это дает возможность изготовлять многоспектральный приемник
излучения на базе одного материала (с различных х) Чувствительный слой
может быть выполнен как фоторезистор или фотодиод

На рис 2 9, а приведена спектральная характеристика трехспектрального
приемника на основе фоторезистора CdxHgi хТе, работающего в диапа-
зоне дтин волн 2—14 мкм Он состоит из трех фоточувствительных сло-
ев с различным содержанием Cd (с различным х), наложенных друг на друга
При этом спектра (ьная характеристика каждого слоя определяется про-
пусканием не только вышележащих слоев, но и защитного слоя (эпоксидной
смолы)

Рис 2 9 Спектральные (относительные) характеристики многослойных прием-
ников излучения

а — фоторезисюра. б—фотодиода на основе твердых растворов Cd^Hg, хТе в — фото
диода на основе InSb (кривая 1) и Pb0 79Sn0 21Те (кривая 2) г—фоторезистора на основе Si
(кривая 5) и PbS — PbSe (кривая 4)
На рнс 2 9, б приведена спектральная характеристика трехспектрального
риемника излучения, выполненного также на основе CdxHg! хТе, но работаю-
jero в фотодиодном режиме

Возможна разработка приемников и с использованием слоев из различных
латериалов (рис 2 9, в, г)

Многоспектральные приемники излучения с характеристиками, близкими к
редельно возможным, в настоящее время находятся в стадии серийного
левое ния

2.4.	МОДУЛЯТОРЫ И ДЕФЛЕКТОРЫ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В ОЭСИТ широкое применение находят средства управления оптическим
излучением модуляторы и дефлекторы В соответстви i с общепринятой
терминологией устройства, управляющие амплитудой, фазой, частотой и
поляризацией потока оптического излучения (в том числе распределением
параметров потока в пространстве), называют модуляторами, а устройства,
управляющие направлением распространения потока излучения,—дефлектора-
ми [2 14 2 18]

Модуляторы, управляющие одновременно изменением во времени ампли-
туды и других параметров потока оптического излучения, будем называть
интегральными, или одноканальными, иногда просто модуляторами излу-
чения

Модуляторы, управляющие распределением параметров излучения во
времени и в пространстве, будем называть пространственно-временными
модуляторами излучения (ПВМИ), или пространственными модуляторами
света

Пространственно-временные модуляторы излучения могут быть динамичес-
кими, статическими и квазистатическими В динамических модуляторах функция
преобразования F(x, у, z, z) интенсивности входного потока /0(х, у, z, z) может
изменяться в процессе работы под действием электрического или иного
управляющего сигнала, при этом интенсивность выходного излучения опреде-
лится выражением

1(х, у, z, t)=l0(x, у, z, t)F(x, у, z, t)

Динамическими пространственно-временными модуляторами являются,
например, электрически управляемые жидкие кристаллы В настоящее время в
ОЭСИТ динамические модуляторы применяются для отображения информации
о состоянии контролируемого теплового поля

В статических модуляторах F(x, \, z, t) = F(x, i, z), они реализуются с
помощью нереверсивных материалов, например фотопленок

Квазистатические пространственные модуляторы осуществляют единствен-
ное пространственно-временное преобразование параметров излучения На-
пример, с помощью точечного отверстия во вращающемся с постоян-
ной скоростью со диске, установленном в фокальной плоскости объек-
тива, осуществляется следующее пространственно-временное преобразование

1(х,у, t)=I0(x, у, t)A8[x-x0(t), y-yv(f)] = A/0[x0(t), y0(t), /],
где х0 (г)=a sin гог; у0 (t)=a coscor; А — степень пропускания излучения отверсти-
ем в диске (А = const); 8 — «точечная» функция Дирака; а — радиус сканирования
(а=const) Квазистатическое преобразование осуществляется также с помощью
диска Нипкова.

Квазистатические пространственные модуляторы используются в ОЭСИТ
для сканирования изображения анализируемого поля. Исторически первым
сканирующим пирометром был прибор с квазистатическим модулятором типа
диска Нипкова [2.19].

Прежде чем описывать конкретные типы модуляторов и дефлекторов,
остановимся на некоторых общих для тех и других приборов вопросах.

Все устройства управления оптическим излучением делятся на две группы:
внешние и внутренние (по отношению к излучателю). Внешнее управление
связано с воздействием на уже сформированный оптический поток, внутрен-
нее— с непосредственным воздействием на источник излучения, т. е. является
управлением процесса генерации излучения.

Первую группу внешних модуляторов и дефлекторов составляют оптико-
механические устройства. В них управление потоком излучения осуществляется
в результате механического движения (вращения, возвратно-поступательного
перемещения и т. д.) одного или нескольких оптических элементов (зеркал,
призм, диафрагм с отверстиями, линз и т. п.). Движение оптических элементов
может обеспечиваться с помощью различных приводов: электромеханического,
электромагнитного, пьезоэлектрического и т. д.

Вторую, более перспективную группу составляют оптико-электронные
устройства управления оптическим излучением. В них управление потоком
осуществляется с помощью какого-либо одного или нескольких оптических
элементов (кристаллов, жидкостных ячеек, полупроводников и т. д.). которые
изменяют свои оптические свойства под действием напряжения (или тока),
электрического или оптического луча и т. д. В этой группе для модуляции и
отклонения оптического излучения используются различные физические явления
и эффекты в твердых и жидких телах: электрооптические эффекты (Поккельса и
Керра), магнитооптический эффект динамического рассеяния в жидких кристал-
лах, явление поглощения света свободными носителями р-и-перехода и др.
[2.14, 2.16].

Устройства управления излучением первой и второй групп могут работать
как на отражение, так и на пропускание излучения.

Практическое применение из второй группы устройств находят пока
электрооптические и оптико-акустические модуляторы, которые используются
для разделения и быстродействующей коммутации потоков в цветовых
пирометрах, в пирометрах с оптической компенсацией и модуляцией сигналов, в
сканирующих датчиках температуры и т. п. Однако преимущественным на
сегодняшний день остается применение в ОЭСИТ оптико-механических модуля-
торов и дефлекторов.

Модуляторы оптического излучения. Основными характеристиками модуля-
торов, применяемых в ОЭСИТ, являются динамические, модуляционные и
пространственные характеристики. Динамические свойства модуляторов в
общем случае характеризуются временем от одной функции преобразования
Fr(x, у, z) к другой—В2(х, у, z) (с заданной точностью). Для интегрального
30
Рйс. 2.10. Оптико-механические модуляторы излучения:

а — вращательный секторный одноканальный, б—вращательный секторный двухканаль-
ный; в — колебательный двухканальный с электромагнитным приводом

модулятора удобно пользоваться обыкновенной частотной характеристикой
модулятора или понятием максимальной частоты модуляции (/„). Квазиста-
тическис (развертывающие) модуляторы характеризуются, кроме того, перио-
дом кадра сканирования тк или частотой смены кадра сканирования /к=1/тк,
т е. временем, в течение которого осуществляется развертка всего поля.

Модуляционная характеристика -статическая зависимость выходного па-
раметра модулируемого излучения от управляющего воздействия, в част-
ности— от электрического напряжения или тока в оптико-электрическом
модуляторе.

Пространственные характеристики особенно важны для пространственных
модуляторов, здесь их описывают оптической передаточной функцией и
разрешающей способностью [2.18]. Интегральные модуляторы характеризуют
размером сечения модулируемого потока излучения (г/м). Модуляторы с
пропусканием характеризуются также длиной рабочей зоны /м, через которую
проходит излучение. Эта характеристика важна потому, что в ОЭСИТ
модулируются существенно непараллельные потоки излучения, поэтому для
того, чтобы расходящийся поток излучения проходил через модулятор без
виньетирования, необходимо, чтобы его диаметр d при входе в модулятор был не
более величины <7М— /Mtg <р, где <р — угол расходимости модулируемого потока.

Оптико-механические модуляторы используют два типа механического
движения: вращательное и колебательное. Для большинства оптико-механических
интегральных модуляторов справедлива обратно пропорциональная зависимость
между /м и d„. Действительно, в распространенном модуляторе потока,
выполненном в виде многосекторного диска диаметром D (рис. 2.10, а, б),/м может
быть повышена (при шм = const и D = const) лишь путем увеличения числа секторов,
что приводит к уменьшению dM. Аналогичным образом частота колебания
модулирующей пластины (рис. 2.10,в) тем выше, чем меньше ее размеры.

При средних размерах секторного диска и при dM«2 мм с помощью
секторного модулятора можно получить /м« 5—10 кГц. Используя пьезоэлект-
рический привод колеблющейся пластинки, можно промодулировать тот же
пучок с частотой до 50—100 кГц. Электромагнитный привод более инерционен,
чем пьезоэлектрический, поэтому он используется для низкочастотной модуля-
ции при больших d„.
Рис. 2.11. Некоторые схемы уста-
новки опт ико-механических моду-
ляторов излучения в ОЭСИТ:
а, б—с зеркальными секторными моду-
ляторами; в — с двухканальным сектор-
ным модулятором (7 — приемная опти-
ческая система ОЭСИТ; 2 — модулятор
излучения; 3 — приемник излучения; 4 -
оптическая система, формирующая эта-
лонный поток; 5 - эталонный излуча-
тель)

Классическая схема установки секторного модулятора с зеркальным
покрытием для поочередной коммутации рабочего Фр и эталонного Ф3 потоков
приведена на рис. 2 11. а. Реже встречается схема установки модулятора,
показанная на рис. 2.11, б. В последней схеме на фотоприемник может попадать
не только отраженное с помощью модулятора, но и прямое (фоновое)
излучение от эталонного излучателя 5.

Модулятор, приведенный на рис 2.10, в, используется также для поочеред-
ной коммутации рабочего и эталонного потоков, которые, однако, поступают
на приемник под разными углами, что не всегда приемлемо для ОЭСИТ.

Оптико-механические пространственные модуляторы, применяемые в
ОЭСИТ, являются в большинстве случаев квазистационарными. Они обеспе-
чивают развертку изображения температурного поля по какой-либо траектории
сканирования [2.20 -2.23]. Применяют для развертки вращательное движение
диска или бесконечной ленты с отверстиями (рис. 2.12, а, б) [2.19,2.22].
Получаемая траектория сканирования близка к построчной, разрешающая
способность — до 25000 элементов на поле, число строк- 20—50, преиму-
щество—простота реализации, основной недостаток — большие габаритные
размеры.

Используют также щели различной формы (рис. 2.12. в, г), совершаю-
щие вращательные или колебательные движения. Сочетание этих движе-
ний дает разнообразные траектории сканирования: построчные (рис. 2.12, в),
спиральные (рис. 2.12, г), розеточные и т. д. [2.22]. Динамика и разрешающая
способность таких модуляторов достаточно высокие (период кадра скани-
рования достигает 10’2 с, число строк—100), их основной недостаток — гро-
моздкость.

Оптико-электронные модуляторы обладают большими динамическими
возможностями и большей надежностью работы по сравнению с оптико-меха-
32
Рис. 2.12. Оптико-механические пространственно-временные модуляторы опти-
ческого излучения (развертывающего типа):

а диск Нинкова, б бесконечная лента с отверстиями, в -щелевой вращательно-колеба-
тельный модулятор, г -щелевой колебательно-колебательный модулятор (штрихнункти-
ром показаны траектории сканирования)

ническими модуляторами вследствие отсутствия механического движения
элементов системы. Частота модуляции серийно выпускаемых отечественных
т тарубсжных интегральных модуляторов в настоящее время достигает
10н I09 Гц Вполне достижимыми считаются частоты IO10— 1011 Гц. К не-
достаткам оптико-электронных модуляторов необходимо отнести малые разме-
ры модулируемого пучка и потребность в высоком управляющем напряжении

причем зависимость между и (7„ обратно пропорциональная. Так,
например, электрооптический модулятор с <У„ = 3,5 мм требует (/„ = 2500 В, а с
<7М = 1,0 мм -(/„ = ] 80 В. Еще одним недостатком оптико-электронных модуля-
торов является большая длина их рабочей зоны: /„ = 50 — 200 мм. Во многих
модуляторах увеличение /„ связано с уменьшением прикладываемого напря-
жения (/„.

Основными типами оптико-электрических модуляторов являются электро-
оптические (кристаллические и жидкостные), оптико-акустические и жидко-
кристаллические.

Электрооптические модуляторы используют для модуляции электроопти-
ческие эффекты в жидких и твердых средах, т. е. свойство среды изменять
коэффициент преломления п под действием внешнего электрического поля Е.
Различают линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), когда
п = п0 + к1Е, и квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), когда
п = п0 + к2Е2, где kt, (2 = const Эффект Поккельса возможен лишь в твердых
телах, эффект Керра —в жидкостях и твердых телах.

Управление коэффициентом преломления приводит к фазовой модуляции
излучения. Перейти от фазовой модуляции к амплитудной можно при помощи
пассивного преобразователя, в качестве которого используют двухлучевой или
многолучевой дифракционный или интерференционный оптический прибор.
Среди электрооптических материалов наибольшее распространение по-
лучили группы дигидрофосфатов NH4H2PO4(ADP) и KH2PO4(KDP), дей-
терированные дигидрофосфаты калия и рубидия — KD2PO4 и RbD2PO4,
дигидрофосфат рубидия RbH2PO4 и др Кристаллы этого класса отли-
чаются высокой прозрачностью в области видимой и ближней инфракрасной ча-
стей спектра (Х,м = 0,4—2,0 мкм) Электрооптические постоянные таких кристал-
лов слабо зависят от частоты внешнего поля вплоть до частот порядка
нескольких десятков гигагерц Модуляторы светового луча поэтому могут
работать в очень широком диапазоне частот вплоть до нескольких десятков
гигагерц

Особый интерес представляет электрооптический эффект в кристаллах
группы перовскитов, в которых наблюдается аномально высокий квадратичный
электрооптический эффект (эффект Керра в твердом теле) Наиболее ярко он
проявляется в кристаллах танталата ниобата калия (KTN) и в монокристаллах
титана бария (ВаТЮ3) Как показывают расчеты, при использовании моно-
кристаллов KTN напряженье смещения может быть снижено до 3—10 В, что на
два порядка ниже напряжения в модуляторах, использующих линейный
электрооптический эффект К сожалению, трудности, связанные с выращивани-
ем достаточно больших и однородных монокристаллов типа KTN или ВаТ1О3,
в значительной мере сдерживают процесс широкого технического использования
твердотельных модуляторов Керра

К числу перспективных относят модуляторы на основе мелкозернистой
керамики из цирконата-титаната свинца с примесью лантана [2 18] Они
обладают низкой стоимостью изготовления и не требуют высокого модулирую-
щего напряжения

Наиболее распространенная электрооптическая жидкость — нитробензол,
имеющий наибольший (среди известных жидкостей) электрооптический коэф-
фициент Нитробензол прозрачен в области 0,4—1,2 мкм К недостаткам этой
жидкости нужно отнести значительные диэлектрические потери, особенно на
высоких и сверхвысоких частотах, что исключает использование нитробензола в
широкополосных и высокочастотных модуляторах Более перспективны с этой
точки зрения неполярные жидкости, в частности сероуглерод, который хотя
имеет меньшее значение постоянной Керра, но обладает и значительно
меньшими диэлектрическими потерями

Один из простейших твердотельных электрических модуляторов излучения
показан на рис 2 13, а [2 14] В нем установлена фазовая ячейка с так
называемой поперечной геометрией (вектор поля совпадает с направлением
распространения волны) Для преобразования фазовой модуляции в амплитуд-
ную служат поляризатор 2 и анализатор 5, главные плоскости которых
скрещены и составляют с собственными направлениями осей электрооптичес-
кого кристалла некоторый угол

В отсутствие управляющего поля излучение через такую систему не
проходит Наличие двойного лучепреломления, возникающего при нало-
жении управляющего поля, приводит к превращению плоскополяризован-
ного света в эллиптически поляризованный При разности фаз лучей,
равной л, световой поток, проходящий через такое устройство, будет
максимальным
Рис 2 13 Электрооптический интегральный
модулятор с базовой ячейкой поперечной
геометрии и поляроидами

а—схема модулятора, б—модуляционная характе-
ристика (/—оптическое излучение, 2—подяриза
тор, 3—электроды, 4—электрооптический кри-
сталл 5 — анализатор)

Рис 2 14 Жидкокристаллический интеграль-
ный модулятор излучения

15— прозрачные пластины 2— жидкий кристатл,
3 6—прозрачные электроды, 4— герметизирую-
щие прокладки

Модуляционная характеристика такого модулятора имеет вид (рис 2 13, б)

. .	, ,	, /лС/м(А Фо\

где /(/) и /о(0—интенсивности излучения на выходе и входе модулятора
соответственно, —амплитуда управляющего напряжения, —	0/Z,

U0 — параметр, зависящий от электрооптических характеристик кристалла и
имеющий смысл полуволнового напряжения, d—расстояние между электрода-
ми, I—длина фазовой ячейки, Фо постоянный фазовый сдвиг, зависящий от
естественной анизотропии среды Анизотропию среды компенсируют введением
дополнительной фазовой ячейки, развернутой относительно первой на некото-
рый угол

Использование в данном модуляторе фазовой ячейки с поперечной
геометрией связано с необходимостью снизить требуемое напряжение модули
рующего сигнала по сравнению с обычной фазовой ячейкой (продольной) Для
большинства веществ Uo равно нескольким киловольтам и более Например,
при модуляции с помощью KDP даже с глубиной 5% модулирующее
напряжение должно быть порядка 750 В

Значительные напряжения, требуемые для модуляции, ведут к заметному
увеличению массы аппаратуры и снижают ее экономичность Поэтому
используют длинные модуляторы с поперечной геометрией, в которых по
сравнению с продольными модуляторами напряжение снижено в Hid раз

В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию жидкокристал-
лических модуляторов —как интегральных, так и пространственных [2 18] Они
обладают высокой надежностью, экономичностью, малыми габаритными
Таблица 22 Некоторые характеристики интегральных модуляторов, освоенных
в серийном производстве

Типы модуляторов	Спектральный диа пазон модулируемо го излучения мкм	Максимальная частота моду ляции Г ц	Управляющее напряжение или мощность
Электрооптические	0,11—7	6х 104	12 В
	0,5 19,8	3,7 х 104	
	0,25—1,15	3,5 х 108	2000 В
	2—16	109	1500 В
	0,63	1,1 х Ю10	8,8 В
	08	1,7х Ю10	0,12 Вт
	1,3	Ю10	40 В
	3,39	1,8 х 109	31 В
	10	7х 108	450 В
Акустооптические	0,3—0,55	15х 103	7,5 Вт
	0,4 0,7	250х 103	1,5 Вт
	0,6 1	500 х 103	1 Вт
	1,05—1,07	7х 103	3,5 Вт
	2,5—11	5х 103	18 Вт
	10,6	2х I03	1 Вт

размерами и массой, а также возможностью реализации широкоформатных
экранов-модуляторов Динамические характеристики жидкокристаллических ма-
териалов зависят от состава вещества, приложенного напряжения и оценивают-
ся временем переключения ячейки, равным 1 —100 мс Применяемые на практи-
ке жидкие кристаллы перекрывают спектральный диапазон лм = 0,3 —2 мкм и
работают при окружающей температуре от —60 до +60" С

В жидкокристаллическом модуляторе (рис 2 14) используется в основном
эффект динамического рассеяния излучения, возникающий при приложении к
жидкому кристаллу 2 напряжения с помощью двух плоских прозрачных
электродов 3 и 6 При увеличении напряжения U„ кристалл мутнеет, становится
матовым и рассеивает падающее излучение Такая ячейка может плавно
ослаблять излучение на два порядка при изменении напряжения на электродах
от 5 до 50 В Потери излучения в отсутствие напряжения на крист ин не
превышают нескольких процентов

Оптико-электронные пространственные модуляторы в пос к щее время
развиваются бурными темпами Они используют описанные выше ячейки, а
также ряд других эффектов физики твердого тела Для адресации используют
электрическое напряжение, электронный и оптический лучи Подробное их
описание дано в [2 18]

В заключение приведем основные характеристики некоторых типов интег-
ральных (табл 2 2) и пространственно-временных (табл 2 3) модуляторов [2 24 ]

В ОЭСИТ используется также внутренняя моду ыцич излучения источников

Способ внутренней модуляции оптического излучения зависит от типа
используемого излучателя Как известно, источники оптического излучения можно
разделить на пять классов тепловые, газоразрядные, электролюминесцентные,
полупроводниковые, инжекционные (световоды) и лазеры Наиболее высокими
пространственными и динамическими характеристиками обладают
36
Таблица 23 Некоторые характеристики экспериментальных пространственно-
временных модуляторов излучения

Типы модуляторов	Разрешающая способность	Оптический контраст	Период сканирова НИЯ, с 1
Электрически управляемый	512x512 элементов  128x 128 элементов	60  400	1/30 1
Оптически управляемый	100 линий/мм  15 линий/мм	—	1/60 0,001

лазеры однако они сравнительно дороги и громоздки (за исключением
полупроводниковых лазеров) Среди остальных источников наибольшей мощ-
ностью обладают газоразрядные излучатели (до 100 кВт), однако они имеют
плохие динамические характеристики (О 10 2 с) и сложные схемы управления
излучением Инерционность тепловых источников зависит от параметров нити
накаливания и колеблется от 10 1 до 10-3 с, отдаваемый ими световой поток
составляет 0,05—20000 лм Электролюминесцентные излучатели выполняются на
основе порошков ZnS + Cu или сублимированных пленок ZnS + Mn и могут быть
и (готовлены в виде плоских панелей Их яркость 102—103 кд/м2, время
разгорания 10 2—10-3 с, время затухания свечения 10 4—10-5 с

Перспективный для ОЭСИТ класс источников излучения — светодиоды
Выпускаемые отечественной промышленностью светодиоды имеют свечение в
инфракрасной (0 9—1,2мкм), красной (0,7 мкм), желтой (0,59 мкм), зеленой
(0 56 мкм) и ряде других областей спектра Светодиоды обладают хорошими
динамическими характеристиками процесса модуляции излучения (т=10 5 —
10 8 с) и простотой реализации (путем изменения рабочего тока от 10”1 до 10 2 А
при L/,np=l —10 В) Яркостные параметры светодиодов лежат в пределах
10 600 кд/м2, долговечность 10000 ч, габаритные размеры малы Светодиоды
хорошо согласуются с интегральными схемами по питанию и с фотоприемниками
из Si CdS и CdSe по спектральным характеристикам Однако светодиоды при
изменении температуры заметно меняют свои спектральные и яркостные
характеристики

Дефлекторы оптического излучения. Основными характеристиками дефлек-
торов оптического излучения являются максимальный угол отклонения
(сканирования) потока в одной или в двух плоскостях срск, диапазон частот
соответствующих отклонений/ск, максимальный диаметр отклоняемого пучка <7СК,
спектральный диапазон отклоняемого потока лск

К числу характеристик дефлекторов необходимо также отнести разрешаю-
щую способность, определяемую выражением уд = фск/0, где 0 — угол расходи-
мости светового пучка после дефлектора, определяемый свойствами расходимос-
ти пучка на входе или его дифракцией С учетом дифракции оценка максимальной
разрешающей способности может быть получена по формуле уи = срске//1,2Х, где
d—диаметр пучка, определяемый дифракцией в дефлекторе

Как уже отмечалось, дефлекторы могут быть оптико-механическими и
оптико-электрическими

Оптико-механические дефлекторы обеспечивают отклонение потока излу-
чения с помощью колеблющихся или вращающихся зеркал, призм, пирамид
37
Рис. 2.15. Оптико-механические дефлекторы излучения:

а—с качающимся зеркалом и электромагнитным приводом, б — с качающимся зер-
калом и пьезоэлектрическим приводом, в — с вращающимся зеркалом; г—с качаю-
щимся и вращающимся зеркалом; д—с двумя качающимися с помощью специаль-
ных двигателей зеркалами, е — с зеркальной пирамидой, ж—с двумя зеркальны-
ми призмами; з — с зеркальным барабаном Вейлера, и — с двумя вращающимися
клиньями, к—с призмой Дове, л—с двумя вращающимися призмами (штриховой линией
показаны крайние положения отклоняемого луча, штрихпуиктиром — траектория скани-
рования)

и т. д. (рис. 2.15). На их основе строится в настоящее время большинство
сканирующих ОЭСИТ. В некоторых системах их применяют для коммутации
рабочего и эталонного потоков.

Дефлекторы, показанные на рис. 2.15, а—в, е, осуществляют отклонение
потока в одной плоскости; на рис. 2.15, г, д, ж, з, л—в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях. В дефлекторах с вращающимися клиньями и с
призмой Дове выходящий луч движется вдоль окружности, центр которой
совпадает с их осью вращения.

Общим для оптико-механических дефлекторов, в том числе для дефлек-
торов, показанных на рис. 2.15 (которые далеко не исчерпывают множество
оптико-механических дефлекторов), является обратно пропорциональная за-
висимость между dcl. и /и, а также между и срск.
Быстродействие дефлекторов с качающимся зеркалом определяется ис-
тользуемым приводом качания. Так, например, электромагнитный привод
[рис. 2.15, а) обеспечивает ,/„~50 Гц при <рск =10" и <7ск = 20 —30 мм, тогда как
пьезоэлектрический (рис. 2.15, б)—/ск= 104—105 Гц при <рск = 2 —5° и е/ск =
= 3 — 6 мм. Американская фирма «Дженерал Скэннинг» выпускает серии
поворотных зеркал с гальванометрическим приводом (рис. 2.15, 0). Макси-
мальные частоты отклонения зеркал диаметром 3—5 мм, толщиной 0,5 мм
составляют 3,2—2,1 кГц, <рск = 6—12° соответственно. С помощью Этого
привода зеркала диаметром 25 мм (толщиной 1,5 мм) отклоняются с /„=
= 250 Гц на срск = 8°, с /ск=150Гц на срск=15°, с /ск=120Гц на срск = 24°;
прямоугольные зеркала размером 25 х 50 мм (толщиной 3 мм) отклоняются с
fCK = 200 Гц на 6°, с /„= 100 Гц на 15°, с /ск = 80 Гц на 30°. Обеспечиваемая при
этом с помощью катушек обратной связи линейность составляет менее 1%, а
гистерезис—0,7% максимального угла [2.23].

Среди дефлекторов с вращательным движением зеркал представляет
наибольший интерес дефлектор с барабаном Бейлера (рис 2.15, 0): В нем по
образующей прямой призмы'под разными углами к оси вращения устанавли-
ваются зеркала с внешним покрытием. Угол между осями соседних зеркал
обычно одинаков (кроме последнего) и составляет 1—2°. В результате при
вращении барабана каждое зеркало отклоняет поток в горизонтальной
плоскости, а при переходе потока с одного зеркала на другое поток отклоняется
в вертикальной плоскости. Этот дефлектор реализует построчную траекторию
сканирования Число строк определяется числом зеркал на барабане и зависит
от допустимых размеров барабана и размеров отклоняемого потока, т. е. от
ширины одного зеркальца. Обычно число зеркал на барабане равно 30—50,
максимум 80—100. Этот дефлектор может быть очень быстродействующим
(/к=103 Гц; /стр = 5 104 Гц), однако он требует тщательной юстировки [2.20].

Интересным свойством обладает также призма Дове (рис. 2.15, к). При
вращении вокруг своей оси за счет преломления потока на границах призмы и
полного внутреннего отражения на основании она вращает выходящий поток с
удвоенной угловой частотой (не «перемешивая» его) вокруг оси, совпадающей с
осью вращения призмы. Таким образом, призма Дове реализует круговую
траекторию сканирования. На основе этой призмы (а также призмы Пехана,
обладающей подобным свойством, но более сложной в юстировке) разработан
цветовой пирометр, сканирующий круговое поле по кольцевым траекториям
[2 21]

В оптико-электронных дефлекторах для отклонения оптического потока,
так же как и для его модуляции, используются оптико-акустические и
электрооптические явления в твердых телах и жидкостях, анизотропные
свойства некоторых кристаллов и др. [2.14, 2.16]. Общий уровень развития
дефлекторов отстает от уровня развития модуляторов На настоящий момент
известно более 10 типов дефлекторов различного принципа действия, но ни
один из них не удовлетворяет широким потребностям различных отраслей
техники Углы отклонения, обеспечиваемые оптико-электронными дефлекто-
рами, не превышают 6—8° при ограниченных размерах отклоняемого пучка
(5—10 мм). К тому же рабочая длина /ск большинства дефлекторов велика
(50—150 мм), так как в них резко выражена пропорциональная зависимость
39


Рис 2 16 Оптико-электронные дефлекторы

а оптико-акустическая жидкостная ячейка b -с двумя электрооптическими кристаллами
я с электрооптической призмой (/ пьезоизлучатель, 2—кювета с жидкостью, 3—отра-
жатель ультразвука 4 — э гектроды 5 электрооп гические кристаллы)

между углом отклонения q>CK и длиной /сж Высокие требования в этих
дефлекторах предъявляются к степени параллельности отклоняемого пучка (при
увеличении непарачлельности уменьшается разрешающая способность дефлек-
тора)

Дефлекторы могут отклонять поток как непрерывно, так и дискретно в
пространстве, а некоторые — и непрерывно и дискретно Однако дискретные
дефлекторы, использующие анизотропию кристаллов, т е свойство смещать
необыкновенный луч относительно обыкновенного, существенно искажают
параметры отклоняемого потока (в том числе амплитуду и ее распределение в
пространстве), поэтому они не находят применения в ОЭСИТ

В ОЭСИТ применимы оптико-электронные дефлекторы, принцип действия
которых основан на изменении коэффициента преломления среды, через
которую проходит отклоняемое излучение (рефракционные дефлекторы) Если в
среде существует градиент показателя преломления в направлении, перпен-
дикулярном направлению излучения, то нормально падающий луч будет
отклоняться от своего первоначального направления в сторону возрастания
показателя преломления Управлять градиентом и можно с помощью ультра-
звуковой бегущей или стоячей волны, используя электрооптические свойства
кристаллов, обеспечивая температурный градиент в среде дефлектора и т д Во
всех случаях угол сканирования q>CK = Ai\nlCK, где /1= const, Ан градиент
показателя преломления, /с,— рабочая длина дефлектора

Кратко остановимся на наиболее изученных дефлекторах (рис 2 16)
Оптико-акустический дефлектор представляет собой кювету, заполненную
жидкостью, в которой возбуждается стоячая ити бегущая ультразвуковая волна
(рис 2 16, а) Периодическое изменений давления приводит к возникновению
областей сжатия и разрежения среды Изменение плотности вызывает изменение
показателя преломления среды в направлении, перпендикулярном направлению
распространения света В жидкостных ультразвуковых дефлекторах получены
максимальные углы отклонения, равные 6°, при частоте ультразвуковой вол-
ны 320 кГц и длине ячейки 100 мм Диапазон частот отклонения потока
40
2—105 кГц В [2 24] сообщается о четырех типах акустооптических дефлек-
торов, освоенных в серийном производстве за рубежом Фирма Harns (США)
производит два типа дефлекторов для излучения с длиной волны 0,51 и
0,63 мкм обеспечивающих число разрешающих положений соответственно 1000
и 2000 при управляющей мощности 1 Вт Для отклонения излучения с
к = 10,6 мкм фирмой Isomet создан дефлектор типа LS-50 с числом разрешаемых
положений 50

Для отклонения излучения используют также твердотельные ультразву-
ковые дефлекторы Наиболее перспективными среди твердых материалов
являются прозрачные пьезоэлектрические кристаллы с высокой механической
добротностью Среди них выделяется кварц который хотя и имеет меньшее
значение Ап, чем некоторые другие материалы (CdS и ZnO) но зато
превосходит их по механическим и оптическим свойствам На кварце бчагодаря
высокой добротности при сравнительно небольших электрических напряжениях
можно получить сравнительно большие углы отклонения (до 12) Особен-
ностью испо щзования твердотельных отклоняющих ячеек является наличие
заметною двойного лучепреломления, которое возникает при распространении
в них ультразвуковых волн

Оптико-акустическая ячейка позволяет при двух пьезоизлучателях реали-
зовать некоторые варианты двухмерного сканирования потока (например,
круговое) Однако удобнее двухмерное отклонение потока осуществлять с
помощью двух ячеек, расположенных под угчом 90 друг к другу (рис 2 16, б)

Перспективным является применение в качестве дефлекторов (как и в
качестве модуляторов) кристаллов KTN, обладающих аномально большим
квадратичным электрооптическим эффектом Один из таких дефлекторов
(рис 2 16, в) выполнен в виде призмы, помещенной между обкладками
конденсатора, к которым подводится управляющее напряжение Угол откло-
нения в таком дефлекторе достигает 1 при управляющем сигнале 10 В/см,
диапазон частот отклонения 0 107 Гц

Приведенные на рис 2 16, в и некоторые другие электрооптические де-
флекторы могут быть применены как для статического (с использованием
постоянного управляющего напряжения), так и для динамического непрерыв-
ного отклонения потока (с использованием переменных управляющих напря-
жений), тогда как приведенный ранее утьтразвуковой (не брэгговский)
дефлектор может работать лишь в динамическом режиме

Отклонение оптического луча на большие углы (до 80 ) с малыми
частотами (УСк^Ю Гц) возможно с помощью жидких кристаллов [2 17] Здесь
используется явление электрически управляемой дифракции света в жидко-
кристаллической ячейке (см рис 2 14), при этом искажается фронт волны
отклоняемого потока

2.5.	СКАНИРУЮЩИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Сканирующими приемниками оптического излучения являются приборы, в
которых осуществляется последовательный пространственный съем оптической
информации, одновременно поступающей на чувствительный к оптическому
излучению слой прибора Сканирующие приемники излучения (СПИ) обладают
41
протяженным (вдоль одной или двух координат) фоточувствительным слоем и
инструментом считывания (сканирования) состояния одного элемента слоя.
Выходной сигнал СПИ (видеосигнал) соответствует распределению потока
излучения вдоль траектории сканирования. Кроме того, видеосигнал зависит от
распределения чувствительности вдоль этой траектории. Обычно распределение
чувствительности стараются сделать равномерным, однако часто это не удается
обеспечить технологией производства СПИ. Неравномерность распределения
чувствительности СПИ является основным недостатком сканирующих прием-
ников и основным препятствием к широкому применению СПИ в сканирующих
ОЭСИТ.

Сканирующие приемники оптического излучения можно разделить на
электронно-вакуумные и безвакуумные твердотельные.

Электронно-вакуумные СПИ. В электронно-вакуумных СПИ инструментом
сканирования является пучок электронов, формируемый в вакуумной трубке
прибора. Слой, чувствительный к оптическому излучению, может использовать
различные физические явления: внешний фотоэффект, явление фотопроводи-
мости, изменение диэлектрической постоянной под действием излучения и т. д.

Электронно-вакуумные СПИ, или, как их обычно называют, передающие
телевизионные трубки, получили широкое применение в информационных
системах. Одновременно с совершенствованием классических конструкций
передающих трубок—диссекторов, супериконоскопов, суперортиконов и види-
конов— появились новые классы трубок: видиконы с мишенью в виде матрицы
из фотодиодов; суперортиконы с фотокатодами, чувствительными к ИК-
излучению; видиконы с охлаждаемой фотомишенью (инфраконы); пироэлект-
рические видиконы, видиссекторы, диссекторы с канальным фотоумножителем
и др. Большинство этих классов трубок подробно описано в литературе,
например в [2.1, 2.22, 2.26—2.29]. Представляется целесообразным проанали-
зировать общие возможности применения электронно-вакуумных СПИ в
сканирующей пирометрии, оценить их предельные характеристики, сравнить их
и подробно остановиться лишь на трех типах трубок — диссекторах, пиро-
видиконах и инфраконах. Именно эти трубки используются в качестве
приемников излучения в сканирующих ОЭСИТ.

В принципе на основе любой передающей телевизионной трубки может
быть построен сканирующий пирометр как полного и частичного излучения, так
и спектрального отношения. Основными достоинствами такой реализации
являются: высокая пространственная разрешающая способность; высокая
скорость сканирования; возможность реализации произвольной траектории
сканирования (причем в диссекторе траектория сканирования может быть
перестраиваемой от кадра к кадру) и достаточно высокая чувствительность
(суперортиконы и суперизоконы удовлетворительно работают при освещен-
ностях 10-3 —10“5 лк). Кроме того, электронно-вакуумные СПИ достаточно
долговечны, надежны в работе и дешевы.

Необходимо отметить и недостатки рассматриваемых приемников излу-
чения. Общим трудноустранимым недостатком сканирующих приемников
излучения, в том числе электронно-вакуумных, является неодинаковое распре-
деление чувствительности как по мишени одного прибора, так и при переходе
от одного экземпляра прибора к другому. Кроме того, вакуумные СПИ
42
8

К динодам

иа

а)

U'Obixtt)

Рис. 2.17. Конструкция (а) и
спектральные характеристи-
ки (6) диссектора:

1 — объект; 2—объектив; 8—
изображение объекта; 4 -фото-
катод; 5—поток электронов,
б—диафрагма с диссектирую-
щим отверстием; 7—диноды ум-
ножителя; 8—стеклянная колба
диссектора, 9—делитель напря-
жения, 10—отклоняющие ка-
тушки, 11—фокусирующая ка-
тушка, 12—пластина электро-
статического фокусирования
(ускоряющий электрод)

требуют высоких напряжений для питания элементов прибора, критичны к
ударам и высоким температурам.

Сравнивая между собой отдельные типы электронно-вакуумных СПИ,
отметим, что: 1) наибольшим быстродействием обладают диссекторы; 2)
наибольшей чувствительностью к ИК-излучению обладают видиконы с охлаж-
даемой мишенью (инфраконы) и пировидиконы; 3) трубки с накоплением заряда
имеют тем больший выходной сигнал, чем больше время накопления заряда,
т. е. период сканирования поля; 4) диссектор в отличие от трубок с накоплением
заряда обладает способностью передавать постоянную составляющую видео-
сигнала; 5) наименьшие габаритные размеры имеют видиконы, наиболь-
шие— иконоскопы и ортиконы.

Из приведенного сравнения следует, что диссекторы, пировидиконы и
ИК-видиконы обладают комплексом качеств, необходимых при построении
соответственно сверхбыстродействующих и низкотемпературных сканирующих
ОЭСИТ, причем пировидиконы представляют особый интерес для ОЭСИТ, так
как они обладают хорошей чувствительностью в ИК-области спектра и не
требуют охлаждения мишени.

Диссекторы. Диссектор является исторически одной из первых пере-
дающих телевизионных трубок. Он построен на базе фотоумножителя и
использует электронно-оптическую систему управления потоком электронов,
43
возникающих в результате внешнего фотоэффекта Сейчас имеется много
модификаций диссектора, отличающихся типом фотокатода, количеством,
размерами и формой диссектирующих отверстий, способом отклонения и
фокусирования электронов, типом и количеством каналов умножения фото-
электронов [2 1, 2 29 ] На рис 2 17, а показаны элементы классического
варианта диссектора, а на рис 2 17, б—спектральные характеристики приборов
(1 — спектральная чувствительность многощелочного катода для ЛИ-605-1,
2—спектральная чувствительность кислородно-серебряно-цезиевого катода для
ЛИ-605-П) На фотокатод 4 диссектора объективом проектируется изображение
контролируемого температурного поля Падающие фотоны выбивают из
каждой точки фотокатода электроны, которые фокусируются с помощью
электромагнитного и электростатического полей и образуют в плоскости
диафрагмы 6 электронное изображение поля В диафрагме б имеется
диссектирующее отверстие, через которое пропускаются электроны от данной
точки фотокатода к динодам канала умножения диссектора Таким образом
выходной сигнал оказывается пропорциональным интенсивности облучения
точки фотокатода, проектируемой на диссектирующее отверстие С помощью
электромагнитной отклоняющей системы 10 (или электростатической системы
отклонения) электронное изображение смещается относительно отверстия в
диафрагме, в результате чего выходной сигнал (7ВЫХ(/) оказывается пропор-
циональным распределению температуры по полю вдоль траектории скани-
рования В свою очередь траектория сканирования определяется токами в
электромагнитных катушках 1Х и I.

Приведем основные данные диссекторов ЛИ-605-1 и ЛИ-605-11 и электро-
магнитной фокусирующей отклоняющей системы ФОС-120, используемой для
управления этими диссекторами

1	Электрические данные диссектора рабочее напряжение на коллекторе
2200 В, размах видеосигнала 10 1000 мкА, темновой ток 5 10~7 А

2	Световые характеристики область спектральной чувствительности
0,3 0,75 мкм (для ЛИ-605-П 0,5—1,1 мкм), диапазон рабочих освещенностей
10—1000 лк (световая характеристика в этом диапазоне линейна), минимальная
интегральная чувствительность фотокатода 80 мкА/лм, плотность темнового
тока при комнатной температуре 10”15 А/см2

3	Пространственные характеристики разрешающая способность в центре
300 линий (для ЛИ-605-11 150 линий), на краю — 250 линий (для ЛИ-605-П 200
линий), рабочий размер чувствительной площадки фотокатода 0 25 мм,
максимальная неравномерность тока сигнала в рабочей зоне фотокатода по
полю 50%, в центре 20%, максимальный диаметр трубки 55 мм, длина (без
выводов) 170 мм, масса 120 г

4	Электрические данные катушек ФОС-120 ток фокусирующей катушки
0,15 А, токи отклоняющих катушек 1хма1[с и /умакс, обеспечивающие сканирование
всего фотокатода, 45 мА, омическое сопротивление и индуктивность каждой
катушки 65 Ом и 58 мГн

Габаритные размеры современных диссекторов небольшие Например,
диссектор ЛИ-616 имеет диаметр 30 мм, а длину 155 мм, диссектор ЛИ-488—18
и 108 мм соответственно, разрешающая способность последнего 450 линий
Наработка на отказ этих диссекторов—не менее 10 000 часов
44
Спектральная чувствительность диссекторов определяется Материалом
фотокатода Большинство материалов фотокатодов чувствительно к излучению
в видимой части спектра Однако разработаны фотокатоды, чувствительные к
ближнему ИК-из пучению Таким катодом является, например, кислородно-
серебряно-цезиевый катод, применимый в диссекторах ЛИ-605-П (рис 2 17, б)
Для ультрафиолетовой области спектра (0,1 —0,2 мкм) разработаны щелочные
галоидные фотокатоды [2 29 ]

Известен вариант диссектора, отличающийся от описанного электронно-
умножительной секцией, выполненной в виде канального умножителя [2 22 ]
Эта трубка по чувствительности, размерам, весовым характеристикам и
надежности значительно превосходит все предыдущие разработки этого типа
Кроме того, в ней значительно уменьшено число электрических выводов
(отсутствуют диноды) и мала потребляемая мощность

С целью повышения разрешающей способности и уменьшения геометри-
ческих искажений разработан диссектор с прифотокатодной сеткой, названный
видиссектором Разрешающая способность видиссекторов достигает 3000 линий
и более [2 20 ]

Большой интерес для разработчиков сканирующих ОЭСИТ спектрального
отношения представляют многоканальные, в частности двухканальные, диссек-
торы [2 22] В них диафрагма имеет несколько (7V) диссектирующих отверстий и
такое же число умножителей электронов Отклоняющая система электро-
магнитного типа—общая для всех канатов, за счет чего одновременно
осуществляется W разверток изображения, спроектированного на фотокатод
диссектора Если, например, на одну половину фотокатода диссектора
спроектировать изображение температурного поля через красный светофильтр,
на другую— то же поле через синий светофильтр и просканировать оба
изображения одновременно двумя апертурами, то, осуществляя операцию
деления полученных видеосигналов, можно реализовать цветовой метод
сканирующего измерения температуры При этом вместо операции деления
сигналов (что довольно трудоемко) можно осуществлять операцию вычитания
логарифмов этих сигналов, если обеспечить логарифмическую зависимость тока
фотоумножителя от потока, воспринимаемого диссектором

Одним из преимуществ диссекторов (наряду с высоким быстродействием
при достаточно высокой чувствительности и разрешающей способностью)
является их работа без накопления, что дает возможность реализовать на них
произвольные траектории сканирования и произвольную выборку точек
контроля

ИК-видиконы Эффективными в ИК-области спектра являются ИК-ви-
дикс ,ы с охлаждаемой мишенью, называемые иногда инфраконами [2 28 ]
Чувствительность таких трубок лежит в красной и ИК-областях спектра
0 65 —4 мкм Динамические свойства их почти не отличаются от динамических
свойств обычных видиконов При испытании одной из таких трубок (инфра-
кона) были получены результаты, свидетельствующие о возможности получения
телевизионного изображения объектов, нагретых до температуры 125° С и выше
[2 30 ] Пороговая мощность облучения при этой температуре составляла
0,1 мВт/мм2 Видеосигнал видикона определялся температурой излучателя и
видом фильтра, установленного перед мишенью
Рис 2 18 Взаимосвязь температурной
и пространственной разрешающих спо-
собностей пировидикона «Рупсоп 1»
TGS Target (Thomson CSF) при раз-
личной светосиле объектива 0
(/=50 мм)

В ИК охлаждаемых видиконах в
качестве фотомишени, работающей по
принципу накопления, используют раз-
личные полупроводниковые материа-
лы Так, например, в качестве накопите-
льной мишени инфракона применяют

монокристаллический кремний p-типа, легированный бором и цинком, который
вводится методом диффузионного отжига [2 30 ] Преимущество кремниевой
мишени—стабильность и повышенная чувствительность в диапазоне 2,2—

4,0 мкм Разработаны мишени из поликристаллического оксисульфида свинца и
монокристаллического германия [2 30 ] Фотослой из оксисульфида свинца
изготовлен на кремниевой подложке, выполняющей одновременно функции
входного окна и сигнального электрода видикона Кремний хорошо отводит
тепло для охлаждения фотослоя и, кроме того, действует как светофильтр,
срезающий коротковолновое излучение, мешающее наблюдению ИК-изобра-
жений Спектральная характеристика мишени имеет два максимума (0,9 и
1,7 мкм) и красную границу 2,5— 2,7 мкм При охлаждении до 77 К возможно
воспроизведение объектов с собственной температурой 400 К при чувствитель-
ности 2 К, порог детектирования составляет 6 10-6 Вт/см2, инерционность—
5% через 200 мс после прекращения засветки

Пироэлектрические видиконы, образующие наиболее перспектив-
ную группу инфракрасных вакуумных СПИ, чувствительны к далекому и
близкому инфракрасному излучению и, что особенно важно, не требуют
охлаждения [2 31—2 33] Фоточувствительной мишенью в этих трубках
является сегнетоэлектрик с пироэлектрическими свойствами Под действием

тепла меняется емкость сегнетоэтектрика, считывание электрических зарядов
осуществляется, как в видиконе, электронным лучом Поверхность пиро-
электрика покрывается поглощающим тепловое излучение слоем, обычно
чернью из золота В целом конструкция аналогична видикону Специальные
характеристики определяются оптическими свойствами поглощающего слоя и
защитного окна, а также объектива, используемого в камере Обычно
применяют германиевые сменные объективы с углами обзора от 10 до 50°

В качестве пироэлектрического материала в пировидиконах используют
триглицинсульфат, а также дейтерированный триглицинфторберрилат Пос-
ледний обеспечивает лучшее температурное разрешение Для уменьшения
растекания теплового рельефа используют структурирование мишени и пле-
ночные органические пироэлектрики Однако последние обладают меньшим
температурным разрешением [2 32 ] В общем случае пространственная и
температурная разрешающие способности пировидикона находятся в обратно
пропорциональной зависимости Кроме того, они зависят от светосилы
используемого объектива На рис 2 >8 приведены эти взаимосвязи для
промышленно выпускаемого пировидикона «Рупсоп 1» TGS Target (Thomson
CSF), применяемого во французской камере ATS 625

При неподвижной тепловой картине на мишени пировидикона вследствие
теплопроводности в пироэлектрике происходит исчезновение видеосигнала
Поэтому в пировидиконы вводят динамический режим накопления заряда путем
панорамирования, или прерывания Первое осуществляют легкими движениями
камеры относительно объекта, второе — с помощью модулятора излучения
Мишень пировидикона требует термостатирования Это осуществляется обычно
с помощью системы регулирования и датчика температуры мишени В
частности, английская портативная пировидиконная камера EEV Р4430 работает
в режиме термостатирования при температуре окружающей среды от —10 до
+40° С К недостаткам пировидиконов можно отнести высокую чувстви-
тельность к вибрациям и ударам

Несмотря на отмеченные недостатки пировидиконы обладают целым рядом
положительных качеств, которые уже сейчас обеспечивают им широкое
применение Многие зарубежные фирмы освоили серийный выпуск пирови-
диконов и тепловизоров на их основе В частности, французская фирма
Thomson CSF серийно выпускает пировидикон TH 9873, чувствительный в
диапазоне 0,6—50 мкм, с предельным температурным разрешением 0,1 К [2 24]

Безвакуумные твердотельные СПИ. В сканирующих приемниках оптичес-
кого излучения этого класса используются для измерения интенсивности
излучения и сканирования различные эффекты физики твердого тела Приборы
этого класса обладают целым рядом преимуществ, которые открывают им
широкую перспективу применения Они отличаются малыми габаритными
размерами и массой, низкими используемыми напряжениями и потребляемой
мощностью, высокой надежностью и долговечностью Однако в настоящее
время безвакуумные твердотельные СПИ имеют ряд недостатков, ограничи-
вающих их применение в сканирующей пирометрии Это прежде всего
неравномерность распределения интегральной и спектральной чувствительности
по площади фотоприемника, а также сложность технологии производства, что
делает эти приборы более дорогими

Безвакуумные твердотельные СПИ можно разделить на два типа
многоэлементные с дискретным набором чувствительных элементов и одно-
элементные с непрерывным сканированием Приборы первого типа обеспе-
чивают как одномерное, так и двумерное сканирование, второго — только
одномерное Большинство работ ведется с приборами первого типа

В многоэлементных приемниках чувствительный к излучению слой
состоит из элементарных полупроводниковых фоторезисторов, фотодиодов или
фототранзисторов Размеры элементарных фоточувствительных площадок ле-
жат в пределах от 25x25 до 120x 120 мкм, расстояния между площадками
примерно такие же

Многоэлементные приемники излучения охватывают широкий спектраль-
ный диапазон (от видимого до далекого инфракрасного), обладают высокими
обнаружительной способностью (до 101' —1012 см Гц1/2 Вт-1) и быстро-
47
(ействием (10~6—10“7 с), имеют большое число элементов в матрице (до
2000x2000 в приборах видимого диапазона и 100x100 — инфракрасного).
Предпочтение отдается фотодиодам, так как они имеют меньшие темновые
токи, что позволяет снижать нагрузку на систему охлаждения и повышать число
элементов в матрице. Кроме того, для фотодиодов хорошо развита технология
создания многоэлементных приемников, они менее критичны к чистоте
материала и хорошо стыкуются с ПЗС и ПЗИ считывающими структурами *
(вследствие емкостного характера выходного сопротивления) [2.36, 2.37].

Фоточувствительная матрица формируется на основе различных полу-
проводниковых материалов, в гом числе на основе Si, InSb, CdtHg1_ATe,
PbxSnlxTe, PbTe, InAs, PbS, PbSe. Для ИК-диапазона наиболее перспективным
материалом являются твердые растворы CdxHg1_xTe (KPT**), в которых
ширина запрещенной зоны может меняться в пределах от 0 до 1,6 эВ, что
обеспечивает чувствительность от ближней до дальней области ИК-диапазона
спектра. Большинство приемников из КРТ разрабатываются на диапазоны длин
волн 3—5 и 8—14 мкм, которые соответствуют окнам прозрачности атмос-
феры.

Одной из основных проблем, решаемых при создании многоэлементных
приемников излучения, в том числе многоэлементных фотодиодов, является
проблема считывания информации с элементов матрицы фотоприемников с
одновременной предварительной обработкой сигналов при использовании
единой криогенной системы Эту проблему -решают в основном с помощью
ПЗС-структур (иногда с помощью ПЗИ-структур). Главным достоинством
ПЗС-структур является возможность запоминания сигналов с приемников на
время считывания и предварительной обработки этих сигналов. С связи с тем
что ПЗС-структуры трудно реализуемы на основе КРТ (из-за больших
туннельных токов и переполнения потенциальных ям), реализация считывания и
обработки информации здесь осуществляется с использованием кремния.
В результате в ИК многоэлементных приборах в основном формируются
тибридные системы: фотоприемная часть на основе КРТ, считывающая—на
основе кремния. При этом матрица фотоприемников изготавливается и
проверяется отдельно от считывающей схемы, что повышает надежность всей
системы.

Для предварительной обработки сигналов в гибридных системах обычно
используют метод временной задержки и интегрирования, заключающийся в
том, что сигналы, снимаемые при сканировании с элементов приемной матрицы
в разные моменты времени, считываются одновременно. Для считывания в
i 13С-приборах наиболее часто используют параллельно-последовательную
структуру со сдвиговыми регистрами [2.37].

Для соединения матрицы фоточувствительных элементов со считывающей
ПЗС-структурой используют преимущественно монтаж с помощью контактных
столбиков (размером 5 -75 мкм) из мягкого металла, например индия
(рис. 2.19). Существуют два способа этою соединения Первый применяют, если

* ПЗС—приборы с зарядовой связью; ПЗИ—приборы с инжекцией
заряда.

** КРТ - кадмий-ртуть-теллур-подложки.
Рис. 2.19. Два типа соединения фоточувствительных элементов матрицы с
кремниевой ПЗС-структурой при использовании прозрачной (а) или непрозрач-
ной (б) для ИК-излучения подложки:

1 — кремниевая ПЗС-структура. 2— входы ПЗС, 3— индиевые столбики; 4—фоточувстви-
гельные элементы, 5 подложка матрицы фотоприемников, б — принимаемое ИК-излуче-
ние, 7 — электрические контакты

подложка фотоприемника прозрачна для рабочего (ИК) излучения, второй —
если непрозрачна. Чем больше различаются по значению коэффициента
термического расширения материалы подложки фотоприемника и ПЗС-
структуры, тем меньше элементов может быть смонтировано в матрицу. При
использовании непрозрачной подложки электрические контакты к фогоприем-
никам формируют на той же стороне подложки, на которую падает
ИК-излучение (рис. 2.19, б). Это уменьшает коэффициент использования пло-
щади матрицы фотоприемников. Кроме того, при втором способе соединения
(рис. 2.19, б) вследствие большего числа отражающих поверхностей больше
оптические перекрестные помехи и их значение лежит в пределах 0,3—1,5% и
зависит от размера элемента фотоприемника.

Работа многоэлементных приемников излучения осуществляется при низких
температурах, в том числе при температурах жидкого азота (77 К). Для
стабилизации температуры матрицы рядом с ней обычно размещается
термочувствительный диод, включенный в цепь регулятора мощности, подво-
димой к термохолодильнику.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом освоено ши-
рокое серийное производство многоэлементных приемников излучения ви-
димого диапазона и экспериментальное производство приемников ИК-диа-
пазона. В серийных приборах видимого диапазона достшнута разрешаю-
щая способность 2048 x 2048 элементов при перепаде освещенности 104,
а в экспериментальных образцах ИК-диапазона —разрешающая способность
160x244 [2.24].

Сообщается о разбросе параметров по площади KPT-матрицы, в том числе
по химическому составу ±1%, по длине волны 2— 10%, по квантовой
эффективности ±4% [2.36, 2.37]

Среди одноэлементных СПИ полупроводниковых сканирующих при-
емников излучения можно выделить сканисторы и SPRITE-приемники (с
внутренним интегрированием сигнала — ВИС-приемники)

Одна из наиболее распространенных схем сканистора с переходом показана
на рис. 2.20. В нем слой полупроводника 1 (база) выполнен таким образом,
чтобы образовались два параллельных перехода. Один из них—диод,
другой—фотодиод. Полупроводниковый слой / обладает достаточно большим
Рис 2 20 Сканистор

1 — высокоомный полупроводниковый слой (база) с проводимостью р-типа, 2 3 — области
полупроводника с проводимостью п- и p-типа соответственно, 4—проводящее покрытие,
5—контролируемое излучение, 6—источник пилообразного напряжения

омическим сопротивлением К нему прикладывают постоянное напряжение Uo,
образующее вдоль него линейно изменяющееся падение напряжения Поверхность
слоя 3 покрыта прозрачным проводящим слоем, к которому прикладывается
пилообразное напряжение (через сопротивление R относительно «земли»),
изменяющееся от нуля до Uo При линейном нарастании этого напряжения точка, в
которой оказываются равными потенциалы слоев 1 и 3, равномерно перемещается
слева направо, открывая диоды р-п-перехода В результате этого на сопротивлении
R выделяется видеосигнал, пропорциональный интегралу от распределения
интенсивности падающего излучения вдоль фотоприемника

Дифференцируя этот сигнал во времени, получаем зависимость

, ,	, ,dx

U(t) = kl(x)—,

где U(t)—сигнал с дифференцирующего устройства, к—коэффициент про-
порциональности, 1(х)— распределение интенсивности вдоль сканистора

Поддерживая постоянным dx/dt, что соответствует постоянству наклона
пилы, можно получить сигнал, пропорциональный 1(х)

Спектральные характеристики сканисторов определяются материалом, из
которого они изготовлены В принципе для создания сканистора могут быть
использованы любые полупроводниковые материалы, из которых изготавли-
вают фотодиоды Наиболее распространены сканисторы из германия (чувст-
вительность максимальна при Z.MaKL= 1,5 мкм, длинноволновая граница
>.гр=1,8мкм) и кремния (Z.MaKC = 0,9 мкм и >.гр=1,1мкм)

Приведем некоторые характеристики освоенного отечественной промыш-
ленностью кремниевого сканистора напряжение питания 40 В, отношение
сигнал/шум при освещенности 100 лк источником А-типа 25, разрешающая
способность 300 элементов, длина чувствительности площадки 28 мм, габарит-
ные размеры 42x12x5 мм без выводов, масса — около 50 г, ориентировочный
срок службы 10 000 ч

Как видно из приведенных характеристик, сканисторы отличаются высокой
разрешающей способностью, малым потреблением электроэнергии, малыми
размерами и продолжительным сроком службы Они нечувствительны к
электрическим магнитным полям рассеяния, требуют низких напряжений для
питания и могут мгновенно приводиться в рабочее состояние При соответ-
ствующем выборе полупроводникового материала они могут работать в
широком спектре излучений
Сканисторы имеют высокую интегральную чувствительность (10—15 А/Вт
для германиевых образцов, 3—5 А/Вт для кремниевых) Постоянная времени
составляет 10 7 10 8 с [2 29]

- Однако практическая реализация в ОЭСИТ сканисторов сталкивается с
серьезными трудностями во-первых, с нестабильностью работы сканистора
(влияние температуры, старение и другие причины), во-вторых, с помехо-
защищенностью обработки видеосигнала, который приходится дифференци-
ровать, чтобы выделить информацию об интенсивности падающего излучения

Широкие возможности для построения малогабаритных переносных низко-
температурных ОЭСИТ открывает применение новых ИК-приемников с инте-
грированием сигнала в монолитной структуре полупроводника (ВИС- или
SPRITE-приемников) [2 36] Конструктивно они подобно сканисторам состоят
из полоски фоточувствительного материала (длиной около 1 мм, шириной
около 50 мкм и толщиной 10 мкм) с тремя электрическими контактами, два из
которых обеспечивают нагрузочный ток через полоску, а третий (потен-
циальный) - съем сигнала В качестве фоточувствительной полоски может быть
использован любой полупроводник с большим временем жизни и малой
диффузионной длиной фотоносителей Последнее требуется для снижения
размытия пакета фотоносителей, т е для улучшения пространственной разре-
шающей способности Наитучшими подобными свойствами обладают соеди-
нения типа CdxHgt_xTe Они обеспечивают в специальном диапазоне 8— 14 мкм
разрешение примерно 50 мкм (серийные образцы), а в диапазоне 3—5 мкм —
разрешение 100—120 мкм (экспериментальные образцы) [2 36] Простота
конструкции SPRIT Е-приемников, содержащих всего три контакта и один
предусилитель, и возможность пространственного объединения этих приемников
на простейших подложках обеспечивают большую перспективу их применения

ГЛАВА 3

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

3.1.	ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОЭСИТ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ

ОДИН УЧАСТОК СПЕКТРА

Оптико-электронные системы измерения температуры можно
разделить на две группы [3.1]: ОЭСИТ с компенсационной
схемой измерения (рис 3.1, 3 2) и ОЭСИТ с непосредственным
измерением сигнала на приемнике (рис. 3.3).

Оптико-электронные системы измерения температуры с
компенсационной схемой могут быть выполнены с изменяющим
температуру эталонным источником излучения и с эталонным
источником, температура которого поддерживается постоянной.

В ОЭСИТ первой группы приемник излучения 4 поперемен-
но воспринимает излучение от объекта, температура которого

51
Рис. 3.1. Компенсационная схема ОЭСИТ с эталонной лампой с изменяющейся
температурой

Рис. 3.2. Компенсационная схема ОЭСИТ с эталонной лампой с постоянной
температурой

измеряется, и от образцового излучателя (эталонной лампы) 6
(рис. 3.1, 3.2). Для переключения потоков используются вибра-
тор 3 и кадровые окна 2.

Электрический сигнал на приемнике, пропорциональный
разности потоков от объекта и излучателя, после усиления
усилителем 5 воздействует на температуру излучателя и
изменяет ее до такого значения, когда поток от излучателя
сравнится с потоком от объекта. Температура объекта опре-
деляется по температуре излучателя или по параметру, про-
порциональному температуре излучателя (например, если излу-
чатель— эталонная электрическая лампа,— то по току лампы,
измеряемому вторичным прибором 7).

По аналогии со статическими системами регулирования
такие устройства будем называть ОЭСИТ со статической
системой (ОЭСИТ с СС).

Обозначим поток, воспринимаемый приемником в зависи-
мости от тока I через эталонную лампу, как Фэ = Axkjl, а поток,
воспринимаемый приемником от объекта,— как Фа = А2цТп, где
А{ и А 2 — коэффициенты, характеризующие оптическую
систему ОЭСИТ по потокам от эталонной лампы и объекта;
kj — коэффициент, связывающий 7 с потоком ее излучения.
Коэффициент усиления усилителя 5 выбирается таким, что
Ф —Ф «Ф

При этом ограничением увеличения коэффициента усиления
усилителя является его устойчивость.

Тогда Ф3хФа и ток через эталонную лампу будет

; =	(3.1)

Для получения xoponiei о быстродействия, а также для
упрощения пирометра (эталонная лампа питается, как правило,
от усилителя 4) применяются лампы с тонкой нитью накала.
52
5

Рис. 3.3. ОЭСИТ с непосредственным
измерением сигнала на приемнике из-
лучения

Однако при этом для выполнения равенства ФЭ = ФП необхо-
димо температуру нити лампы устанавливать большую, чем
температура измеряемого тела, что ведет к сокращению
диапазона измерения пирометра.

На рис. 3.4 приведена зависимость ФэТ/Фэ400 к— в
диапазоне 400—2000 К (127—1727° С) для лампы с вольфра-
мовой нитью; максимальное значение температуры нити лампы
определяется стабильностью характеристики 7=/(Г).

Температура нити эталонной лампы, при которой на
приемнике возникает необходимый сигнал (при оптической
системе, аналогичной пирометру ФЭП-4), составляет 700—
800° С.

В ОЭСИТ, выполненных по компенсационной схеме, в
которых температура эталонного излучателя поддерживается
постоянной, потоки уравниваются с помощью редуцирующего
устройства (сетки с переменной плотностью, клина, диафрагмы
и др.), вводимого или между компенсационной лампой и
приемником излучения, или в оптический поток исследуемого
тела. Положение редуцирующего устройства пропорционально
температуре объекта.

Такие устройства назовем ОЭСИТ с астатической системой
(ОЭСИТ с АС).

Разностный сигнал, пропорциональный АФ = ФЭ —Фп, после
усиления усилителем 5 поступает на двигатель 7, который через
редуктор 8 перемещает редуцирующее устройство 9 до такого
положения, когда АФхО (см. рис. 3.2).

Обозначим: x = liL—относительное положение редуцирую-
щего устройства (где /—абсолютное положение редуцирующего
устройства); L—максимальное значение I и гх = А:хх— коэффи-
циент пропускания редуцирующего устройства; 0 < х < 1.

Тогда

где —коэффициент пропорциональности между положением
редуцирующего органа и его прозрачностью; к3— коэффициент,
характеризующий излучение эталонной лампы.

Выбирая необходимый закон изменения тх=Дх), можно
получить любую зависимость х=/(Т).

В ОЭСИТ с АС основной проблемой является разработка
редуцирующего устройства, плавно меняющего коэффициент
редукции в широком диапазоне. Для уменьшения коэффициента
редукции редуцирующие элементы можно использовать как в
компенсационном, так и в основном канале, причем их работа
Рис. 3.4. Зависимость ФэТ/Фэ4оок = /(Т)

синхронизирована таким образом, что
в начале диапазона редуцирующий
элемент в компенсационном канале
установлен на минимальное пропуска-
ние, а в основном канале — на макси-
мальное. При увеличении температуры
объекта коэффициент пропускания ре-
дуцирующего устройства компенсаци-
онного канала увеличивается, а основ-
ного канала—уменьшается.

Достоинствами такой схемы явля-
ются: меньший диапазон изменения
редуцирующего устройства; более ши-

рокая возможность изменения зависи-
мости х=/(Г); меньший диапазон изменения сигнала на
приемнике и на входе усилителя.

Основная причина появления погрешности в ОЭСИТ ком-

пенсационного типа — изменение характеристик компенсацион-
ной лампы во времени и от окружающей температуры.

Нестабильность параметров лампы требует применения
специальных мер, уменьшающих ее влияние.

В ОЭСИТ с непосредственным измерением электрический
сигнал на приемнике (рис. 3.3) равен

^2

а=Свых = Ы(П’5е 1т=кАцТп.	(3.3)

Этот вариант ОЭСИТ является практически основным в
системах, использующих весь спектр излучения или большую
его часть (например, при использовании тепловых приемников
излучения — термобатарей или болометров).

Особенностью ОЭСИТ с непосредственным изменением сиг-
нала является нелинейный вид зависимости выходного сигнала
Свых от температуры, что требует специальных схем линеа-
ризации.

3.2.	ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ В ОЭСИТ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ

ИЗМЕРЕНИЕМ СИГНАЛА НА ПРИЕМНИКЕ

Существует несколько методов автоматической компенсации
погрешности, возникающей при изменении окружающей тем-
пературы.

Метод биметаллической компенсации. Применение этого
метода рассмотрим на примере ОЭСИТ с термобатареей [3.2].

Метод биметаллического компенсатора в принципе позво-
ляет осуществлять более глубокую компенсацию, чем другие
54
методы, и дает возможность создавать ОЭСИТ для весьма
тяжелых условий измерения температуры, где применять
охлаждающие устройства нежелательно, а температура окру-
жающей среды в месте установки ОЭСИТ может достигать
200° С (например, в металлургии).

Основное уравнение ОЭСИТ с биметаллическим компенса-
тором выводится из известного уравнения некомпенсированного
ОЭСИТ этого вида [см. (2.10)] путем введения множителя
S/So, представляющего собой отношение переменной площади -
S апертурной диафрагмы пирометра к ее максимальной
площади So:

Е*=5' Е,	(3.4)

^0

где Е и Е* — ЭДС на выходе соответственно без компенсации и
с компенсацией.

Для полной компенсации статической ошибки, возникающей
при нагревании корпуса пирометра, необходимо увеличивать
площадь апертурной диафрагмы корпуса таким образом, чтобы
термо-ЭДС пирометра определялась лишь температурой
объекта и не зависела от температуры корпуса [см. (2.10)].
Аналитическое выражение для функции S=f(T), удовлетворя-
ющей этому условию, получено в [3.2].

Компенсация в ОЭСИТ с фотодиодами. Малые габаритные
размеры и высокое быстродействие ОЭСИТ, в которых
чувствительными элементами являются фотодиоды, дают воз-
можность применять их в качестве датчиков систем автома-
тического регулирования и управления. Однако существенным
недостатком таких ОЭСИТ является значительная темпера-
турная погрешность, возникающая при изменении температуры
корпуса ОЭСИТ.

В [3.3] предложено для уменьшения температурной пог-
решности применять полупроводниковый терморезистор с до-
бавочным резистором Ra в цепи нагрузки кремниевого фото-
диода. При полной компенсации температурной погрешности
параметры схемы должны определяться из выражения

R-~-------------Г я S?K+\'-----я-Гй-------’	(3'5>

[К (Т— 273) + 1 ] ( 1 +	-I )-----------

\ Ru /	/ В В \

Л273 ехр(--—1 + Лд

где Т?273 —сопротивление терморезистора при температуре
273 К; В—коэффициент, постоянный для данного экземпляра
терморезистора; К—температурный коэффициент фототока,
град , Т—температура фотодиода; Ra— сопротивление до-
бавочного резистора.
Подробный анализ такой схемы дан в [3.3].

Другой вариант термокомпенсации был предложен в [3.4].
Он учитывает тот факт, что фототок фотодиода /ф увеличи-
вается с увеличением температуры, а его внутреннее сопро-
тивление уменьшается, т. е. в режиме короткого замыкания
выходной сиграл с увеличением температуры увеличивается, а в
режиме холостого хода уменьшается. Следовательно, при
оптимальной нагрузке выходной сигнал не будет изменяться с
изменением температуры. Методика выбора нагрузки дана в
[3.4].

3.3.	УСИЛЕНИЕ СИГНАЛА В ОЭСИТ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ
ИЗМЕРЕНИЕМ. ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА

Основным ограничением, определяющим нижнюю границу
измерения ОЭСИТ, является минимальный уровень сигнала,
что требует введения специальных устройств, повышающих
уровень сигнала и уменьшающих уровень шумов.

Рассмотрим два таких устройства.

Для улучшения отношения сигнал/шум на измерителе после
усиления могут быть применены различные способы сужения
полосы (контуры, усилители с обратной связью). Однако узкую
полосу на звуковых частотах, сохраняющую постоянное зна-
чение в течение длительного времени, получить с помощью
указанных средств затруднительно. Для уменьшения погреш-
ностей, вызываемых плохим отношением сигнал/шум на при-
емнике, при определении потока излучения можно использовать
синхронное детектирование с последующим интегрированием.
Повышение отношения сигнал/шум на выходе синхронного
детектора основано на совпадении фазы сигнала с фазой
работы детектора.

Рассмотрим количественные соотношения, характери-
зующие работу устройства, состоящего из усилителя и син-
хронного детектора,— коэффициенты передачи по сигналу Кс,
по шуму Кш.

На рис. 3.5, а приведена эквивалентная схема устройства.
Сфокусированный поток от объекта попадает на приемник
только при совпадении кадрового окна с окном, расположен-
ным на обтюраторе. Дуги секторов на обтюраторе выбраны
значительно больше диаметра сфокусированного потока, поэ-
тому импульсы имеют трапецеидальную форму, возрастая по
амплитуде по мере того, как обтюратор пересекает поток.

Обозначим: Uy — амплитуда импульсов на выходе усилителя;
ти, Тф — длительность импульсов по вершине и длительность
фронта; Тп—период следования импульсов; —внутреннее
сопротивление усилителя; К—ключ, находящийся в замкнутом
состоянии во время ти; Uy—амплитуда импульса, отсчитанная
56
Рис. 3 5. Эквивалентная схема устройств для выделения шума

от среднего значения; Uc—напряжение на конденсаторе при
действии серии импульсов; Um напряжение шума на конден-
саторе; Кс—коэффициент передачи устройства для сигнала;
Кш — коэффициент передачи устройства для шума; v — опре-
деленным образом заданный шум на входе.

Для шума с постоянной спектральной плотностью о0
(«белый шум») v = ct0.

Для шума с переменной спектральной плотностью (полу-
проводниковый шум, шум фликкер-эффекта) v=ct1//° , где
Сд—спектральная плотность на частоте 1 Гц.

Тогда погрешность измерения определяется как

—=1^.	(3.6)

Эквивалентную схему на рис. 3.5, а можно заменить схемой
на рис. 3.5, б, поскольку в большинстве случаев RH^>R6 и

При применении усилителя переменного тока Uy = Uy — Uo.
Значение Uo определяется из условий равенства нулю среднего
значения напряжения после разделительных конденсаторов:

=	£70 = (1 — у5ф) £7у;	(3.7)

О

где т=т,/Г„;

Принципиально возможно использовать как механический
ключ, так и электронный. Однако применение механического
ключа делает схему ненадежной, поэтому целесообразно ис-
пользовать электронный ключ на полупроводниковых диодах.

Коэффициенты передачи сигнала Кс и шума Кш можно
определить, зная передаточную функцию синхронного де-
тектора.

Для их определения для случая, когда R2 имеет небольшое
сопротивление и R2^R3, синхронный детектор представим как
элементарную импульсную систему с изменяющимися пара-
метрами, состоящую из импульсного элемента (в нашем
случае — ключа К) и непрерывной части (PC-фильтра), что
позволяет воспользоваться общими выражениями для пере-
даточных функций импульсных систем.
Передаточная функция k(qcty такой импульсной системы

1 _gpfe)-»p[-И1 ->)]exp(-та
'	7	ехр(4с)-ехр(-Р) '	'

при 0 <2,^ у;

при у^^1,

где 6,— относительное время, отсчитываемое от начала дей-
ствия импульса; р = Гп/тсд; тсд=Я3С3; qc=pTn; Тп — период
следования импульсов.

Если Р <к 1, т. е. если постоянная времени ЛС-цепи тсд < 1
и Тп = 0,04 —0,01 с, то с достаточной точностью имеем
1-ехр(-р) = Р, ехр( —р)=1 —р, sbP = P-

Тогда получим формулу, определяющую напряжение на
конденсаторе:

t/c=^{l-(l-Y)(l-p^ + P(l-P^)exp[-p(nc + l)]}

при 0«?^у;

Uс =	{(1 - Py) - [1 - Р (£ - Y)] ехР [ ~ Р («с +1 )]}

при у 1; где пс — количество периодов, прошедших с начала
процесса.

Установившееся напряжение на конденсаторе будет при
ис->оо:

Uc^U'y.

Следовательно, коэффициент передачи устройства

^c = Y(Y + 8$).

Коэффициент передачи устройства по шуму Кш определяется
как параметрами синхронного детектора (тсд, у), так и полосой
пропускания предварительного усилителя.

Если полоса пропускания определяется только постоянными
времени анодной и сеточной цепей (та = ЛаСа и хд = RgCg) одного из
каскадов усилителя, то можно показать, что для «белого» шума

^ = та/т9;
для полупроводникового шума
Полученные зависимости позволяют выбрать параметры
синхронного детектора (если известны спектральная плотность
шума и амплитуда сигнала) таким образом, чтобы погрешность
измерения сигнала не превышала заранее заданной величины.

Для ОЭСИТ без модуляции (особенно для ОЭСИТ с
фотодиодами [3.5]) весьма эффективным методом снижения
нижней границы измерения температуры является использова-
ние интегральных схем — операционных усилителей, охвачен-
ных глубокой обратной связью [3.6]. При этом фотодиод
работает как генератор тока, а операционный усилитель служит
преобразователем этого тока в напряжение (рис. 3.6). Если
операционный усилитель ОУ с разомкнутой петлей обратной
связи имеет коэффициент усиления, равный К, и входное
сопротивление RBX, то входное сопротивление усилителя с
замкнутой петлей обратной связи уменьшается и становится
равным R'BX = RBX/ К. Это сопротивление, являющееся нагрузкой
фотодиода, может быть меньшим 10 Ом. Использование низко-
омной нагрузки позволяет увеличить быстродействие ОЭСИТ,
поскольку в этом случае исключается влияние емкости фото-
диода. Уменьшение нагрузки также позволяет повысить линей-
ность световой характеристики: при малой нагрузке нагрузоч-
ная характеристика фотодиода линейна.

Если коэффициент усиления операционного усилителя с
разомкнутой петлей обратной связи много больше единицы
мС»1), то ток обратной связи становится равным фототоку.
В этом случае напряжение на выходе усилителя равно

UBm = I^R0.c.	(3.10)

Важное преимущество пары фотодиод — операционный уси-
литель состоит в том, что путем изменения сопротивления
обрашой связи от 100 Ом до 100 МОм удается регистрировать
мощность потока излучения в диапазоне от 10 11 до 10“3 Вт.

Из уравнения (3.10) следует, что при заданном потоке
излучения напряжение на выходе операционного усилителя
зависит только от сопротивления обратной связи и чувствитель-
ности фотодиода. Поэтому при использовании в цепи обратной
связи температурно-стабильного резистора требуется произво-
дить температурную компенсацию только в отношении чувстви-
тельности фотодиода.

Недостатком схемы на рис. 3.6 является то, что выходное
напряжение присутствует даже при неосвещенном фотодиоде;
это необходимо учитывать при работе с малыми потоками.
Такое остаточное выходное напряжение обусловлено: наличием
входного остаточного напряжения операционного усилителя
Uon, которое по цепи обратной связи полностью передается на
выход усилителя; наличием тока смещения на входе усилителя
1В, протекающего по резистору обратной связи Rac. Полное
59
Рис 3.6 Схема соединения
фотодиода с операцион-
ным усилителем (первый ва-
риант)

Рис. 3.7. Схема соединения
фотодиода с операционным
усилителем (второй вариант)

выходное остаточное напряжение определяется выражением
^вых ^оп •^о.с^в'

При измерении низких температур, когда приходится ис-
пользовать резисторы обратной связи большого сопротивления,
необходимо уменьшать входной ток смещения операционного
усилителя, так как в противном случае возникает заметное
выходное остаточное напряжение. В таких случаях следует
использовать операционные усилители с полевыми транзисто-
рами на входе, обладающие малой утечкой.

На рис. 3.7 приведена схема, в которой для уменьшения
остаточного напряжения на вход операционного усилителя ОУ
включен каскад на двух полевых транзисторах: Т\ и Т2.

Как следует из гл. 1, зависимость выходного сигнала
С'вых== f(T) нелинейна. Одним из наиболее гибких методов ее
линеаризации является коррекция характеристик путем последо-
вательного соединения выхода или предварительного усилителя
ОЭСИТ со вспомогательным нелинейным звеном.

Характеристика вспомогательного звена должна быть про-
порциональна обратной функции характеристики ОЭСИТ.

Наиболее часто для получения заданной характеристики
используется метод кусочно-линейной аппроксимации [3.7].

Этот метод заключается в составлении заданной кривой из
отрезков прямых линий. Реализуется он путем последователь-
ного соединения нескольких простых звеньев.

В частном случае простое звено состоит из диода и
источника опорного напряжения (или тока). Когда входное
напряжение (или ток) становится больше или меньше соответ-
ствующей опорной величины, возникает или исчезает ток через
диод и соответственно меняется наклон рабочей части харак-
теристики.

Разбив заданную характеристику на необходимое (исходя из
допустимого отклонения выходного сигнала от линейного)
число отрезков, можно получить необходимую линейность.
60
Рис. 3.8. Кусочно-линейная аппроксимация характеристики пирометра

На рис. 3.8 для примера характеристика разбита на четыре
участка: A j — реальная зависимость выходного сигнала пиро-
метра от температуры; Atl—кусочно-линейная аппроксимация
характеристики пирометра; Б—сигнал на выходе линеаризую-
щего устройства.

На рис. 3.9 приведена схема устройства линеаризации.
Кроме датчика 1 и усилителя 2 она содержит: усилитель 3,
резистор определяющий начальный коэффициент передачи
между усилителями 2 и 3, диоды Dt, D2—Dm, резистор R2 в
цепи обратной связи усилителя 3 и резисторы R3, /?4— Rn,
определяющие опорное напряжение на диодах D2 — Dm.

У ОЭСИТ с кремниевым фотодиодом выходной сигнал
связан с температурой зависимостями, весьма близкими к
экспоненциальной или степенной, линеаризованный выходной
сигнал может быть получен с помощью преобразования с
коэффициентом передачи [3.8]

Рис. 3.9. Схема электрическая функциональная линеаризующего устройства

61
1

5

8

9

10

Рис. 3 10 Схема электрическая структурная линеаризующего устройства.

1 — блок логарифмирования, 2~ блок задания начального напряжения, 3 -блок возведе-
ния в квадрат, 4 -блок возведения в куб, 5,6 7 9—нормирующие блоки с коэффициента-
ми передачи Аг 43	8 10 — сумматоры, 11— блок установки начального значения

Un о Uq

где п = 0, 1, 2, 3, ..., i.

Чем больше п, тем в большем динамическом диапазоне с
большой точностью выходной сигнал будет линейно опре-
деляться температурой.

На рис. 3.10 приведена структурная схема такого преобразо-
вателя при п = 3. Выходное напряжение такой схемы можно
представить как

Увы* — аТ— ^о + ^4

Л1 log + А 2 log2 + А 3 log3
с/о	с/о	Vo

. (3.11)

В качестве примера на рис. 3.11, 3.12 приведены зависимости
отклонения А7'=/(7) от линейной зависимости d—aT для
пирометров прямого измерения с кремниевым фотодиодом для
диапазонов от 500 до 1600° С и от 550 до 1100° С для случаев
п = 1 (один блок логарифмирования); п = 2 (блок логарифмиро-
вания и блок возведения в квадрат) ии = 3 (блок логарифмиро-
вания и блоки возведения в квадрат и куб).

Рис. 3.11. Зависимость АТ от Т для диапазона 550 -1100 С
62
Рис 3 12 Зависимость AT от 'Т для диапазона 500 —16G0° С

Как следует из кривых для диапазона 300—400° С, достаточ-
но высокая линейность (отклонение не превышает 0,2%) может
быть получена при л = 3.

Специфической особенностью такого преобразователя (ли-
неаризатора) является наличие блока вычисления ln(Ln/L-'o).

3.4.	ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОЭСИТ

ОЭСИТ, использующие широкий спектр излучения. Пиро-
метр РАПИР [3.9] предназначен для измерения и регули-
рования температуры поверхностей нагретых тел (печей, то-
пок и т. д.) в диапазоне 400—2500° С. На блок термоба-
тарей с помощью оптики визируется изображение исследуе-
мого объекта. Пирометр может иметь два показателя ви-
зирования: 1/7 и 1/20, причем переход с одного показа-
теля визирования на другой осуществляется сменой объек-
тивов. В том случае, когда температура окружающей среды
превышает 60—100° С, пирометр должен быть размещен в
специальном кожухе, имеющем водяное или воздушное охлаж-
дение. При этом в случае выхлопов пламени автоматически
действующая заслонка закрывает входное отверстие пирометра
и специальное устройство (СУРП-55) сигнализирует о ее
срабатывании.

Пирометр может работать в комплекте с одним или двумя
вторичными измерительными приборами, в качестве которых
могут быть применены электронные потенциометры и мил-
ливольтметры. При этом панель с уравнительными и эк-
вивалентными резисторами (типа ПУЭС-54) обеспечивает не-
зависимость показаний телескопа при различных сочетаниях
вторичных приборов.

Компенсированный пирометр ПРК-600 предназначен для
измерения радиационной температуры поверхности тел от 600
до 2000° С при температурах окружающего воздуха от 0 до
63
Рис. 3.13. Пирометр с фотодиодом

200° С. Пирометр снабжен автоматической компенсацией по-
грешностей показаний, возникающих вследствие изменения
температуры его корпуса [3.3]. Пирометр ПРК-600 предназна-
чен для работы в комплекте с электронными потенциометрами
ЭП-120, ЭП-107 или БП-102. Тепловая инерция пирометра не
превышает 1,8 с, показатель визирования равен 1/18.

Пределы измерений и основная погрешность . пирометра
ПРК-600 следующие:

Пределы изме-

рения, °C . . .	600-1200	700 1400	900 -1800	1100 2000

Основная по-
грешность, не

более, С . . .	+ 12	+14	±18	+ 22

ОЭСИТ с непосредственным измерением сигнала на приемнике
излучения с ограниченным участком спектра. В качестве чувстви-
тельных элементов в пирометре с фотодиодом [3.10] исполь-
зуются фотодиоды типов ФД-3 и ФД-ЗА. Пирометр (рис. 3.13)
состоит из тубуса 4 и крышки 8. В тубусе установлены
защитное стекло 1, диафрагма 2, линза в оправе 3, зеркало 5,
диафрагма 6, фотодиод с элементами электрической схемы 7.
В крышке размещены линза окуляра 9 и малогабаритный
штепсельный разъем 10.

Излучение от нагретой поверхности проходит через защит-
ное стекло, входную диафрагму и фокусируется линзой в
плоскости диафрагмы, расположенной перед фотодиодом. Для
наводки на нагретую поверхность, температура которой должна
быть измерена, в пирометре предусмотрена визирная система,
состоящая из зеркала 5 и линзы 9. Изображение нагретой
поверхности на диафрагме перед фотодиодом через зеркало и
линзу попадает в глаз наблюдателя. При правильной наводке
изображение нагретой поверхности полностью перекрывает
отверстие диафрагмы перед фотодиодом.

Нижний предел измерения температуры 800° С, основная
погрешность ±10° С, показатель визирования 1/50.

Разновидности такого типа ОЭСИТ широко распространены.

Ц табл. 3.1 приведены характеристики ОЭСИТ комплекса
АПИР-С с непосредственным измерением сигнала [3.11, 3.12].
64
Тип пирометра	Диапазон изме- ряемых темпе- ратур, С	Используемый участок спектра, мкм	Показа- тель визи- рования	Основная погреш- ность, %	Воздей- ствие, с
ППТ-121	400 - 1000  600- 1200 700—1500	0,4—4,0	1:25	1,5	2,0
	900- 1800  1000 - 2000		1: 50		
	1400—2500	0,4—2,5			
ППТ-131	100—400 300—600  400 — 1000	0,4—8,0 0,4—0,8	1:15  1:25	2,0	
	600—1200  700—1500	0,4- -4,0	1:50	1,5	2,0
	900 -1800 1000—2000		1:100		
	1400- 2500	0,4—2,5			
ППТ-142	10—100  50— 200  100-300	0,4—14,0	1 :5	2,0	2,0
ПЧД-111	800- 1300  1000 1600  1100 -2000 1500—2200 2000—2500	0,7—1,1	1:25  1:50  1:50  1:100 1.100	1,5  1,5  1,0  1,0  1,5  1,0  1,5  1,0	0,1
	700—1100  600—1300  1100 -1700	0,8—1,8	1:25  1:50 1:100		
ПЧД-121	800—1300 1000- 1600 1100 - 2000 1500—2200 2000-2500	0,7—1,1	1:50  1:100  1; 100 1:200 1:200	1,5  1,5  1,0  1,0  1,5  1,5  1,0  1,5  1,0	0,1
	450—750  700-1100 600 -1300 1100—1700	0,8-1,8  0,8—1,8	1:25  1:50 1:100  1:200		
ПЧД-131	800—1300 1000—1600 1100- 2000 1500 -2200 2000— 2500	0,7- 1,1	1:100 1:200 1:200  1:300  1 :300	1,5  1,5  1,0  1,0  1.5	0,1
	450—750  700—1100  600-1300  1100 -1700	0,8—1,8	1:50  1:100  1:200  1:300	1,5  1,0  1,5  1,0	
Продолжение табл. 3.1.

Тип пирометра	Диапазон изме- ряемых темпе- ратур, °C	Используемый участок спектра, мкм	Показа- тель визи- рования	Основная погреш- ность, %	Воздей- ствие, с
„Смотрич-1”	100—200	2,5	1.50		1,0
	150—350	2,4	1:150		0,5
	300—700	2,3	1 150	1,о	0,025
	500—1400	2,3	1-300		0,025
	50—200		" ' " 		1.50	2,0	1,0
	150—350	3,43	1:50	1,0	0,5
	300—700		1:100	1,0	0,025
„Смотрич-2”	30—150	8—14	1:25	2,0	2,5
	100—350	8—14	1:50	1.0	1,0
	30—150	8,5		2,0	2,5
	100—350	8,5	1:25	2,0	? -
	30—150			2,0	
	100—350			1,5	1 (1
	300—1100	5,0	1:50	1,0	и,25
	1000—1400		1.100	. 1,0	0,1
	1400—2200		1:100	1,5	0,1
„Смотрич-3”	800—1200		1 :25		1,0
	1000— 1600	0,656	1:50	1,5	0,1
	1200—1800		1:100		0,1
	1400—2000			1,5	
	1700 -2600		1:200	2,0	0,05
	2100—3500			2,0	

В ОЭСИТ типа ППТ в качестве приемника излучения исполь-
зуется хромель-копелевая термобатарея из фольги. В ОЭСИТ
предусмотрена температурная компенсация погрешности при
изменении температуры окружающей среды.

В ОЭСИТ типа ПЧД в качестве приемников излучения
используются германиевые и кремниевые фотодиоды. В
ПЧД-121 и ПЧД-131 фотодиоды термостатированы. ОЭСИТ
типов ППТ-131, ППТ-142 и ПЧД-131 имеют визирные устрой-
ства, в ОЭСИТ типов ППТ-121, ПЧД-111 и ПЧД-121 они
отсутствуют и наводка на объект осуществляется с помощью
визирных устройств монтажного комплекса. В ОЭСИТ типов
ППТ и ПЧД модуляция потока излучения отсутствует.

В ОЭСИТ типа «Смотрич» в качестве приемников излучения
используются вакуумные мультищелочные фотоэлементы, фото-
резисторы на основе PbS и PbSe, а также пироэлектрические при-
емники излучения. Фоторезисторы и пироэлектрические приемни-
ки излучения термостатированы. Спектральные диапазоны опре-
деляются обычными и интерференционными светофильтрами.
Поток излучения модулируется механическим обтюратором.

В большинстве ОЭСИТ комплекса — линзовая оптика. В
ППТ-142 оптическая система зеркальная, зеркало от загрязне-
66
Таблица 3.2. Основные характеристики пирометров фирмы Chino (Япопня)

Тип пирометра	Диапазон изме- ряемых темпе- ратур, С	Используе- мый участок спектра, мкм	Основная погрешность	Быстро- действие, с
IR-SS; IR-SB	400- 600 500-750 600 -900 700—1100 800—1200 900—1400 1000—1600 1200—2000	0,7—1,1.	1% (в диапазонах 400— 800 и 1500—2000° С);  0,7% (в диапазоне 800— 1500" С)	0,001
IR-SP	100 —600  300—1000		±10' Ц	0,3
IR-STH	800—1200  900- 1400  1000 -1600  1200—2000	0,7—1,1	1,0%	—
IR-L  (Pyrosco pe-L)	-50—+ 100 0—200  50—300  100 - 400  150 500  200- 600	—	1,0%	—
IR-Q  (Pyrosco pe-P)	100- 3500 (13 поддиапа-  зонов)	—	2% (в диапазонах 100— 200 и 2000—3500 С);  1% (в диапазонах 200—  600 и 1500—2000° С);  0,5% (в диапазоне 600— 1500" С)	0,001

ния защищено лавсановой пленкой. В ОЭСИТ некоторых типов
возможно использование светопроводов.

ОЭСИТ комплекса АПИР-С снабжены устройствами линеа-
ризации и введения коррекции на определенное значение
излучательной способности объекта. Некоторые модели имеют
устройство запоминания максимальной температуры.

В табл. 3.2 приведены характеристики энергетических
ОЭСИТ японской фирмы Chino [3.13]. В ОЭСИТ IR-SS, IR-SB,
IR-STH модуляция отсутствует; в ОЭСИТ IR-S и IR-Q поток
модулируется обтюратором. В приборах IR-SS, IR-SB, IR-STH в
качестве приемника излучения используется кремниевый фотоди-
од; в приборах IR-SP — термобатарея, в приборах IR-L — тер-
мисторный болометр, в приборах IR-Q — фоторезисторы на
основе PbSe (для диапазона измеряемых температур 100—500° С),
PbS (для 7= 150-1000 С) и Si (для 7= =600—3500° С).
ОЭСИТ компенсационного типа. Фотоэлектрический пиро-
метр ФЭП-3 (ФЭП-4) [3.14] предназначен для измерения и
записи температуры металла в процессе прокатки. В пирометре
используется узкая спектральная область излучения — от 0,6 до
0,-7 мкм. Выделение рабочего участка спектра достигается
применением вакуумного сурьмяно-цезиевого элемента и крас-
ного светофильтра.

Пирометр выполнен по схеме на рис. 3.1. Благодаря
применению компенсационной схемы показания пирометра в
этом случае мало зависят от изменений коэффициентов усиле-
ния отдельных каскадов, чувствительности фотоэлемента и
изменений температуры прибора.	/

Пирометр состоит из водоохлаждаемой визирной голов-
ки; силового блока; феррорезонансного стабилизатора (типа
ЭПА-15); быстродействующего электронного потенциометра
(типа БП-102); разделительного трансформатора (типа Т-74).

Визирная головка является основным узлом прибора. Внут-
ри визирной головки установлены фотоэлемент, лампы и
электромагнитный модулятор.

Пирометр ФЭП-3 имеет пять диапазонов измерения: 600—
1100, 800 1300, 900—1400, 1000—1700, 1100—1800° С (у
ФЭП-4—до 4000° С). Переход с одного диапазона на дру-
гой осуществляется заменой диафрагмы в объективе.

Основная погрешность измерения составляет 1% верхнего
предела шкалы прибора. Показатель визирования пирометра
равен 1/20 При измерении температуры с расстояния 1 м
диаметр визируемой поверхности составляет 5 см.

Быстродействие прибора такое, что его указатель при
мгновенном изменении температуры проходит всю шкалу за
2,5 с (у ФЭП-4 — за 1 с).

Незначительная переделка пирометра ФЭП-3 (замена фото-
элемента германиевым фотодиодом или фоторезистором) [3.15]
позволила снизить нижний предел до 200° С.

В пирометре ФЭП-8 [3.16] в качестве чувствительного
элемента использован сернисто-свинцовый фоторезистор. Мак-
симум чувствительности фоторезистора приходится на диапазон
от 2,1 до 2,6 мкм, а весь диапазон спектральной чувствитель-
ности— от 1,8 до 3,5 мкм. Эффективная длина волны пиро-
метра в зависимости от температуры контролируемой поверх-
ности изменяется в пределах от 2,2 до 2,7 мкм.

В качестве эталойного источника сравнения в пирометре
используется лампа накаливания типа СМ-37. Стабильность
потока излучения лампы от тока достигается предварительным
старением лампы и режимом включения, при котором вольфра-
мовая нить лампы не нагревается свыше 1500° С. Достаточно
жесткая подвеска нити в лампе предохраняет ее от провисания и
межвитковых закорачиваний при ударных нагрузках.
Рис 3 14 Схема пирометра с управляемым усилителем

/ объект, 2- оптическая система, 3—светофильтр, 4 - модулятор (диск с двумя рядами
отверстий), 5 — полевая диафрагма, 6 — приемник излучения, 7 — управляемый усилитель,
8 частотный фильтр 9 выпрямитель, 10—блок сравнения, 11 — стабилизированный
источник напряжения 12 — профилированная диафрагма 13 - лампа сравнения

Конструктивно пирометр ФЭП-8 состоит из визирной
головки, электронного блока и электронного потенциометра, а
также стабилизатора напряжения, электрически соединенных
между собой. Все блоки пирометра, кроме визирной головки,
смонтированы в общем шкафу.

Визирная головка устанавливается на расстоянии 0,5—10 м
от контролируемой поверхности. Специальная подставка, обес-
печивающая возможность поворота головки в горизонтальной
(±180°) и вертикальной ( + 30°) плоскостях, позволяет точно
свизировать визирную головку на требуемый участок поверх-
ности. В визирной головке помещены фогочувствительный
приемник, лампа обратной связи, модулятор потоков излуче-
ния, визирное устройство и предварительный усилитель. Визир-
ная головка имеет объемную рубашку водяного охлаждения,
которое необходимо включать при окружающей температуре
свыше Т 30е С.

В качестве регистратора в пирометре используется электрон-
ный потенциометр типа КСП-4. Потенциометр может быть
снабжен трехпозиционным сигнальным устройством и 100%-
ным дополнительным реостатом для включения пирометра в
систему автоматического регулирования.

Допустимая основная погрешность показания пирометра
ФЭП-8 — не более 1,5%. Воспроизводимость показаний пиро-
метра составляет 1—2° С на всех точках шкалы. Время
установления показаний в любой точке шкалы при мгновенном
появлении визируемого тела — не более 1 с. Динамические
характеристики пирометра позволяют измерять изменяющуюся
температуру тела при скорости до 100° С в 1 с с точностью, не
превышающей основной погрешности.

Показатель визирования пирометра составляет от 1/22 до
1/70 в зависимости от диапазона измерения.

Основным недостатком компенсационных ОЭСИТ является
их малое быстродействие из-за использования в качестве
69
сравнивающего элемента лампы накаливания. Использование
других источников сравнения пока не привело к успеху.
Поэтому интерес представляет пирометр, в котором лампа
сравнения служит лишь для получения сигнала, с помощью
которого автоматически поддерживается постоянство коэффи-
циента передачи усилительно-преобразовательного тракта
[3.17].

В этом пирометре (рис. 3.14) на приемнике излучения 6
«смешиваются» два сигнала: опорный, модулируемый с часто-
той /о = 800 Гц, и рабочий, прерываемый этим же модулятором
4, с частотой = 13 кГц. Суммарное напряжение с выхода
приемника 6 разделяется на составляющие фильтром 8, и
сигналом с частотой fQ регулируется на заданном уровне
коэффициент усиления усилителя 7. Сигнал с частотой
является выходным. В пирометре используется диафрагма 12
специальной (синусоидальной) формы для синусоидальной
модуляции сигнала сравнения. Кроме того, введена монохрома-
тизация светового потока лампы сравнения 13 для уменьшения
влияния на фотоприемник (фотокатод) изменения температуры
окружающей среды. Операционные усилители также устойчивы
к колебаниям температуры и питающих напряжений. Пирометр
разработан для измерения температур в диапазоне 1173—
2773 К с двумя поддиапазонами. Быстродействие оценивается в
10“4 с. Инструментальная погрешность — не более 1%.

ГЛАВА 4

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

4.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОЭСИТ

Оптико-электронные системы измерения температуры, ис-
пользующие спектральное распределение, по принципу измере-
ния температуры разделяют на три группы:

1)	ОЭСИТ, в которых излучение в двух участках спектра от
измеряемого тела сравнивается с излучением от эталонного
излучателя модели «черного тела» или температурой лампы.
Температура эталонного излучателя контролируется термопа-
рами или косвенным методом (для эталонных температурных
ламп — по току накала).

Большая инерционность эталонных температурных источни-
ков препятствует распространению таких ОЭСИТ;

2)	ОЭСИТ, у которых измерение отношения двух потоков
излучения с различными спектральными составами осуще-
70
Рис. 4.1. Форма трапецеидального импульса
ствляется по положению редуцирующего устройства, вводимого
в один из потоков;

3)	ОЭСИТ, в которых непосредственно по излучению в двух
участках спектра определяется отношение потоков, а следова-
тельно, и температура.

По принципу измерения отношения двух потоков ОЭСИТ
могут быть разделены на двухканальные и одноканальные. В
двухканальных ОЭСИТ измеряемые потоки раздельно преобра-
зуются в электрический сигнал приемниками, раздельно усили-
ваются усилителями (которые иногда отсутствуют) и подаются
в вычислительное устройство, где и вычисляется их отношение.
В одноканальных системах используется один приемник, на
который поочередно падают измеряемые потоки, и один
усилитель. Применение одноканального метода позволяет ис-
ключить влияние изменения коэффициента преобразования и
коэффициента усиления усилителя.

При необходимости введения усилителя между приемником
излучения и вычислителем отношения наиболее рациональной
схемой ОЭСИТ является одноканальная схема. Однако при
этом надо учитывать, что быстродействие одноканальных
ОЭСИТ значительно хуже, чем двухканальных.

Рассмотрим некоторые из возможных вариантов преобра-
зования отношения потоков (или непосредственно самих пото-
ков) в электрический сигнал.

1.	Преобразование потоков в поочередно следующие трапе-
цеидальные импульсы.

Параметры импульсов определяются формой кадрового
;окна и окна на диске обтюратора. Если кадровые окна и окна
на обтюраторе выполнены в виде секторов, то на приемнике
излучения формируются трапецеидальные импульсы, имеющие
форму, показанную на рис. 4.1.

В дальнейшем при анализе измерительных схем представят
интерес параметры импульсов не относительно их начала, а
относительно нулевой линии [70, определяемой выражением
f (U—Uo)dU = 0.

О
Рис 4 2 Форма сигналов на
выходе приемника излучения
и узкополосного усилителя

Проведя интегрирование, получим

и о = и2[у (У1 + 51) - (у2 + 52)];

[/'1 = t7i_t/o = E72[j;(l-Yi-5i)-(Y2 + 52)];

[/' = и2 - Uo = Uo [1 - у (Y1 - 5J - (у2 + 32)];
8i=8ij-1 IX1 — Yi—$0—(y2+82)];

8'2 = 82 [1 - У (Yi + 82)- (y2 + 82)]

и, наконец,

y0-Yi~8i)-(y2+82)

1-J’(Yi+8i)-(y2 + 82)’

где у — отношение потоков и соответственно импульсов:
y=UlIU2’, =	— —

62 ~ Zg ^7, 32 — tg.

2.	Преобразование отношения потоков в синусоидальное
напряжение, коэффициент модуляции которого пропорционален
отношению потоков.

Если на приемник поочередно подаются предварительно
промодулированные по синусоидальному закону два потока, то
электрический сигнал на приемнике имеет вид. показанный на
рис. 4.2, а. а после прохождения через узкополосный усили-
тель— вид, показанный на рис. 4.2,6, т. е. будет синусоидаль-
ным напряжением, модулированным по амплитуде. Коэффици-
ент глубины модуляции этого напряжения пропорционален
отношению потоков у:

3.	Преобразование потоков в синусоидальное напряжение,
фаза которого пропорциональна отношению потоков.

Поток от измеряемого объекта разделяется на два потока и
модулируется. Форма кадровых окон на обтюраторе и непод-
вижные кадровые окна выбираются таким образом, чтобы
потоки модулировались по синусоидальному закону:
72
Рис 4 3 Зависимость параметров сигнала при преобразовании отношения в
фазу

Ф1 = Ф01 sin со/;

Ф2 = Фо281П —9)-

Таким образом, на приемнике при действии первого и
второго потоков возникают сигналы

U1 = ^макс sin at;
^2=^макс8т(®/-0);
результирующий сигнал будет равен

Up = y/U2 + U2Jr2UlU2 COS0,
или в относительных единицах (относительно U2)
— = ^/1 +у2 + 2у cos 0.

Ui

Угол между Е7 и U2 составляет

Ф = arcctg —(у + cos 0),
sin 0'	’

где 0 — фазовый сдвиг между модулированными потоками;
у — отношение потоков.

Таким образом, угол ф при 0 = const однозначно определяет
отношение двух потоков.

На рис. 4.3 приведены зависимости угла ф и относительной
амплитуды Upl U2 от отношения потоков у и начального сдвига 0.
Рис. 4.4. Чувствительность фазового метода

Обозначим фн и ун— начальное значение фазы и отношения,
а фх и ух — искомое значение отношения и фазы, тогда
изменение фазы Аф = фх —фн равно

Аф = arctg

——(yx + cos0) — Аа>,
sin0Vx ' т

где ^ = arcctg

—— (y+cos 0)

после преобразования

Аф = arcctg J^"+cos0(-Vji+>").

V S (л-л>пО

Зависимость ф от у наиболее полно характеризуется
параметром

бу _(1 +y2)+2ycos0

8ф	у sin 0

и приведена на рис. 4.4 (на рис. 4.4, а 8у/Аф = Лу при заданном
0 и на рис. 4.4, б 8у/Аф=/(0) при заданном у).

Как видно из графиков, при 0= 130-е-140° значение 8у/8ф при
изменении ф от 0,75 до 1,5 изменяется мало, при этом Ur№U2.
Следовательно, такой угол 0 наиболее оптимален.

Возможно также использование и других способов преобра-
зования потоков (например, использование приемников, в
74
«эторых изменяется собственная емкость пропорционально
мощности падающего потока, конденсаторных приемников,
фотодиодов и др.).

Однако отмеченные способы являются наиболее простыми и
конструктивно проще осуществимыми.

4.2.	ОЭСИТ С УРАВНОВЕШИВАНИЕМ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ

Этот тип измерителей может быть выполнен по двум

схемам:

а)	редуцирующий цветной клин может вводиться в общий
поток, при этом он в значительно большей степени ослабляет
поток на одном участке [1.4] спектра и незначительно на
другом (по такой схеме выполнены ОЭСИТ типа «Веселка 1»,
«Веселка 2», «Веселка 3» [1.5]);

б)	нейтральный редуцирующий клин может вводиться в
один из потоков.

В первой схеме (рис. 4.5) поток от измеряемого объекта с
помощью оптики 1 фокусируется на фотоприемник 2. Сфокуси-
рованный поток проходит через цветной клин 3 и прерывается
обтюратором 4 (со светофильтрами Фх и Ф2), вращаемым
электродвигателем 5.

Клин в значительной степени ослабляет поток, проходящий
через фильтр Фъ и незначительно ослабляет поток, проходящий
через фильтр Ф2; следовательно, с помощью клина всегда
можно уравнять потоки, падающие на приемник излучения.
Если потоки, проходящие через Фг и Ф2, не равны, то разность

потоков на приемнике вызывает появление электрического
сигнала, который после усиления усилителем 6 приводит в
действие электродвигатель 7. С помощью редуктора 8 клин

перемещается до такого положения, когда потоки, попадающие
на фотоприемник, вызывают в его цепи одинаковые сигналы,
т. е. положение клина пропорционально цветовой температуре.

Во второй схеме (рис. 4.6) поток от объекта разделяется на два.
Фильтры Фг и Ф2 выделяют необходимые участки спектра.
Обтюратор 4 модулирует оба потока (в противофазе). С помощью
оптической системы 1 оба потока фокусируются на приемник 2.

В один из потоков с помощью редуктора 6, приводимого от

двигателя 5, вводится нейтраль-
ный клин 3. Напряжение на
.двигатель подается через уси-
литель 7 с приемника. Клин
перемещается до тех пор, пока
потоки, падающие на прием-
ник, не станут равными.

Рис. 4.5. ОЭСИТ с цветным клином
4

пользуется цветной селективный

Рис 4 6 ОЭСИТ с нейтральным
клином

Рис. 4.7 К работе ОЭСИТ с цвет-
ным клином

Так как вторая схема
является частным случаем
первой, то рассмотрим ра-
боту первой схемы. В ка-
честве редуцирующего ор-
гана, который уравнивает
спектральные потоки и оп-
ределяет их отношение, ис-
клин 5. Его положение в

момент равенства сигналов определяется цветовой темпера-
турой объекта. На рис. 4.7 схематически показаны спектральные
характеристики 1 и 2 системы (излучатель + фотоэлемент + све-
тофильтры) и семейство Z-образных линий пропускания идеали-
зированного клина в трех положениях: I, II, III (штрихпунктир-
ной линией IV показана одна из кривых пропускания реального
клина). По оси ординат отложены относительные величины
спектральной чувствительности, а по оси абсцисс — длины волн.
Характеристика 1 соответствует коротковолновой части спект-
ра, а характеристика 2—длинноволновой. При перемещении
клина, например, в сторону увеличения оптической плотности
его поглощение в красной области спектра больше, чем в синей,

что позволяет изменять величину отношения пропущенных на
фотодетектор потоков излучения и сохранять при этом с
достаточной степенью точности постоянство эффективных длин

волн.
Уравнение, описывающее зависимость положения (толщины)
цветного клина х от измеряемой цветовой температуры Та,
определяется выражением

т, ф, . = т,, ф,
кх И к2.х к2

На основании закона Бугера—Ламберта

Tix=exp(-a1x); тК2х = ехр(-й2х),	(4.1)

где Й! и й2— соответственно показатели поглощения свето-
фильтра клина в заданных участках спектра.

Из (4.1) получаем

ехр( —а2х) = ФХ1Го

ехр( — а2т)	Ф12Та

или

х = —1—Iny,	(4.2)

»1 — а2

ИЛИ

Act AotA/o

где Л = ХД2/(Х2 —	—эквивалентная длина волны пирометра

отношения

А = 51п — + In —; Ай = й< — й2.
\ Qi	12

Из (4.2) следует, что обратные значения цветовой температу-
ры объекта излучения Ти связаны с соответствующей толщиной
клина линейной зависимостью.

Дифференцируя и преобразуя (4.3), получаем уравнение
пирометра в конечных приращениях:

Ах=-^-—.	(4-4)

ActAr Т

Это напряжение подается на усилитель и далее на двигатель.
Принцип работы второй схемы аналогичен описанному с
учетом того, что ^=0 и Ай=й2.

4.3.	ОЭСИТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ПОТОКОВ
ЭНЕРГИИ В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Электронные устройства, позволяющие измерить отношение
двух потоков при преобразовании их в трапецеидальные импуль-
сы, можно разбить на четыре группы; устройства с логометрами,
устройства со стабилизаторами, устройства с логарифмирующи-
ми элементами и устройства со следящей системой.
Рис 4 8. Устройство с логометром

Устройства с логометрами. Простейшим способом измерения
отношения двух импульсов является использование электро-
механических логометров. При этом один импульс подается на
первую катушку логометра, другой—на вторую.

На рис. 4.8 приведены две схемы ОЭСИТ с логометрами:
схема с восстановлением постоянной составляющей (рис. 4.8, а)
и схема с ограничением (рис. 4.8, б).

Если после усиления восстанавливается постоянная состав-
ляющая диодом D (рис. 4.8, а), то показание логометра

a=k^y^±h = kyh±h.
^2 Y2+82	Y2 + 82

Если переключение осуществляется после ограничения (ди-
од Д) на рис. 4.8, б, то

U 2 (¥2 + 82)

И1 -Y1 - 51)~(72 + 52)] {-у, + 8у 1 [у(1 — Y1 — 8J—(у2 + 62)]}

{г — [(уI +>') (уI + 51)-(У2 + 82)]} {У2 + 5 [1 -у (У1 + 81)-(ъ + 82)]} ’

ОЭСИТ со стабилизаторами. В одноканальных ОЭСИТ
со стабилизаторами коэффициеш передачи одного из бло-
ков, например предварительного усилителя, изменяется при
изменении потоков излучения таким образом, что один из
импульсов, как правило меньший, поддерживается на стро-
го постоянном уровне и измерение отношения заменяется
измерением разности двух импульсов или амплитуды другого
импульса:

U=U1-U2=-L(y-l) = k{y-\)	(4.5)

С/2

или U^U~2l(y-\)-U2.

78
Рис. 4 9 К определению выходного
сигнала ОЭСИТ со стабилизатором

Рис. 4.10. Принципиальная схема ло-
гарифмического преобразователя

В двухканальных ОЭСИТ—два идентичных блока с управ-
ляемым коэффициентом передачи, включенных в оба канала.

Одновременно изменяется коэффициент передачи обоих
блоков таким образом, что один из сигналов поддерживается
постоянным. Тогда сигнал второго канала определяется отно-
шением потоков в двух участках спектра [1.5].

В [4.1] обобщен и развит метод измерения отношения двух
импульсов, основанный на использовании инерционного стаби-
лизатора, поддерживающего Ua= const (рис. 4.9), и показано,
что измерение отношения может быть заменено измерением
амплитуды Um (наибольшего из положительных импульсов
Смакс — Uо, отрицательных импульсов Uo, суммы этих импуль-
сов С/х), измерением среднего значения обоих положительных
или, что то же самое, обоих отрицательных импульсов, или
измерением среднего значения Ucp большего из положительных
импульсов, лежащих выше определенного уровня (запирающего
напряжения Сзап).

Каждому из этих случаев соответствуют определенная схема
оконечного каскада и определенный характер шкалы прибора
при заданных форме, длительностях и скважности логометри-
руемых импульсов. Подробный разбор этих вариантов проведен
в [4.1].
ОЭСИТ с логарифмирующими преобразователями. Впервые
такие ОЭСИТ были описаны в [4.2]. Рассмотрим варианты, в
которых вычисление отношения импульсов осуществляется
путем предварительного преобразования импульсов по лога-
рифмическому закону с последующим измерением разности
преобразованных импульсов:

A y=k\x\U А 2 = к In U у,

и Г	(4.6)

а = к (A j — А 2) = /с In -А-.

Здесь возможны два случая.

1.	Характеристика преобразователя такова, что на его
выходе амплитуда импульса пропорциональна логарифму амп-
литуды на входе при неизменной ширине: А = U=k\nUBX [4.3].

2.	Характеристика преобразователя такова, что на его
выходе ширина импульса пропорциональна логарифму ампли-
туды при неизменной выходной амплитуде: /1 = т = /с1п Йвх [4.4].

Различные способы получения зависимости 4=/clnL'BX рас-
смотрены в [4.4]. Здесь мы рассмотрим логарифмические
преобразователи с использованием операционного усилителя, в
цепь обратной связи которого включен элемент с логарифми-
ческой характеристикой [4.5].

Основным элементом таких логарифмических преобразова-
телей является биполярный транзистор, в котором соотношение
между током коллектора и напряжением эмиттер — база из-
меняется по логарифмическому закону при токе от 1 • I012 до
1 • 10“3 А. Для построения логарифмических преобразователей
используются попарно подобранные биполярные транзисторы и
операционные усилители. Принципиальная схема логарифмичес-’
кого преобразователя показана на рис. 4.10.

Транзистор является основным элементом цепи нелиней-
ной обратной связи, охватывающей операционный усилитель
УР Коллекторный ток транзистора Ту равен току на резисторе
7?вх. Транзистор Т2 включен в цепь обратной связи операцион-
ного усилителя У2- Коллекторный ток транзистора Т2 равен
току через резистор и составляет в рассматриваемой схеме с
указанными параметрами около 10 мкА. Постоянство коллек-
торного тока транзистора Т2 обусловливает постоянное напря-
жение эмиттер — база этого транзистора, а в цепи транзистора
Ту это напряжение изменяется при изменении входного тока.
Выходное напряжение преобразователя является функцией раз-
ности АПБЭ напряжений база—эмиттер транзисторов Ту и Т2:

^вых =	--~(^БЭ2 — ^БЭ1)'

/<2
Ti	TZ

Рис. 4.11 Принципиальная схема быстродействующего логарифмического пре-
образователя

Для пары транзисторов с согласованными характеристиками
и разными коллекторными токами справедливо

ДС7БЭ= —1Пу^-.

е Л<2

Таким образом, при С'вх>0 выходное напряжение пропор-
ционально логарифму входного сигнала:

U

ВЫХ

кТ Rl+R2 in

д ^2

(4-7)

Здесь коэффициент при логарифме линейно зависит от
абсолютной температуры, поэтому необходима температурная
компенсация. Самый простой способ сделать резистор R2 также
линейно зависящим от температуры.

Принципиальная схема логарифмического преобразователя с
постоянной времени на два порядка выше, чем у предыдущего,
представлена на рис. 4.11. Динамический диапазон этого пре-
образователя равен 80 дБ. Транзистор 7\ здесь включен в цепь
положительной связи операционного усилителя для осуществле-
ния фазовой компенсации в диапазоне 3,5 МГц и снижения
постоянной времени преобразователя.

Рассмотрим работу преобразователя, основанного на пред-
варительном логарифмическом широтно-импульсном преобра-
зовании каждого сигнала. Обобщенная структурная схема
такого преобразователя приведена на рис. 4.12. Преобразо-
ватель состоит из датчика 7, в котором формируются тра-
пецеидальные импульсы, отношение амплитуд которых оп-
ределяет измеряемый параметр. После усилителя 2 им-
пульсы поступают на блок формирования остроконечных
импульсов 3 и далее на логарифмический широтно-импульс-
ный формирователь 4. Блок 4 формирует импульсы с посто-

6-3219
Рис. 4.12. Обобщенная структурная схема логарифмического широтно-импульс-
ного преобразователя

янной амплитудой, длительность которых пропорциональна
логарифму амплитуды входных импульсов. На выходе бло-
ка 4 эти импульсы выделяются на резисторах Лвых1 и
ЛВЫХ2- Среднее значение разности этих импульсов после
фильтра 5 пропорционально отношению амплитуд импульсов
на входе.

Рассмотрим основные соотношения, характеризующие рабо-
ту такого измерителя отношения.

Уравнение шкалы. Амплитуды (712 и фронт /ф импульса на
резисторе R (рис. 4.13) при подаче на вход усилителя трапецеи-
дального импульса с амплитудой (7вх12 и фронтом /ф вх
определяются выражениями

ur, 2=свх1,2	.	(48)

Ч вх [ехр (Гф/гс)— 1]

(4-9)

^ф ^ф. вх

Ус |п еХР [(?ф вх/Та)—1]
тс-т„ ехр(?ф.м/тс)-1

Рис. 4.13. К определению параметров логарифмического широтно-импульсного
преобразователя
Рис. 4.14. Структурная схема преобразователя с электрическим переключением
диапазонов

где tc = RcCc— постоянная времени входной цепи блока 3
(рис. 4.12); ia=RaCa—эквивалентная постоянная времени вы-
ходных цепей предварительного усилителя.

Далее импульсы с выхода блока 3 через диод Д заряжают
конденсатор Сд до амплитудного значения импульса U12.
В период отсутствия импульсов конденсатор Сд разряжается
через резистор Ra. Экспоненциальные импульсы подаются на
пороговое устройство с уровнем срабатывания Ucp. В частном
случае на пороговое устройство могут быть поданы непосред-
ственно импульсы с блока 3. При таком варианте возможно
применение пороговых схем с малым порогом ограничения.

Следует отметить, что для упрощения настройки, а также
для обеспечения электрического переключения шкал возможно
изменение амплитуды импульсов Ur и U2, как показано на
рис. 4.14, где они снимаются не со всего резистора Rc, а с его
части.

Для упрощения анализа будем считать, что нарастание
импульсов происходит по линейному закону. Тогда длитель-
ность импульсов на выходе блока 4 (см. рис. 4.12) на резисторах
Лвых1 и Лвых2 ПРИ подаче импульсов U1 и U2 равна

(4Л0)

Если период следования одинаковых импульсов равен Тя, то
среднее значение последовазельности импульсов на резисторах
Явых! и ЯВЫх2 равно Ult2=~^tUi2. Так как амплитуды
импульсов на Явых1 и /?вых2 равны URmK1 = 17Явых2 = С/Явых,
среднее значение разности импульсов длительностью tv и tv
определяется выражением

TJ _ ^Квых

UP~ т
л и

alny-h	—-

п \ v

(411)

где y=UJU2; n=U2/Ucp, ct=CaRa.
Из этого выражения следует, что логарифмическое широт-
но-импульсное преобразование может быть использовано также
и для измерения логарифма отношения.

Максимальное значение постоянной времени амплитудного
детектора (при условии, что расстояние между импульсами
/ = 0,5 Ти) определяется максимальными значениями U2, U2 и у
из соотношения

1 макс

0,5 Г
ехр —5
а

—ьи2мж,

где /> = 0,7-?-0,8 — коэффициент, учитывающий возможную не-
стабильность С7с , отсюда

«макс = 0,5Ти/1п^.	(4.12)

Методическая погрешность определения отношения. Из
выражения (4.11) следует, что при абсолютном изменении
U2 2 (при неизменном у) возникает погрешность измере-
ния у. Погрешность определения отношения 5^ образуется
за счет того, что при одном и том же отношении у ве-
личина Up будет различна в зависимости от а и абсолютно-
го значения U.

Погрешность от изменения абсолютных уровней сигналов
будет различна при использовании логарифмического широт-
но-импульсного преобразования для измерения отношения или
логарифма отношения. 

Для первого случая

а+—s-
пку

учитывая, что а» —, получим

5=1* у~х 1 izl
у а У пк у

Для второго случая

х =т (y-tyy Y-1 1
ln>’ * alny у пИ

Из уравнения (4.13) следует, что если Ucp увеличивать
пропорционально U2, то при увеличении у будет увеличиваться
п, а следовательно, погрешность 8 увеличиваться не будет
(y=U2y/U2ll, пя=и2я/иер).
84
Рис. 4 15. Структурная схема ОЭСИТ с реохордом и следящей системой

ОЭСИТ с реохордом и следящей системой. Рассмотрим
ОЭСИТ, в которой вычисление отношения импульсов осуще-
ствляется с помощью следящей системы с реохордом.

Структурная схема устройства приведена на рис. 4.15. После
усиления импульсы подаются на реохорд. При этом возможны
два варианта: а) после усиления на реохорде восстанавливается
постоянная составляющая импульсов; б) после усиления им-
пульсы подаются на реохорд через диод, т. е. происходит их
ограничение по минимуму.

Рассмотрим первый вариант. В момент времени, когда
отсутствуют импульсы, синхропереключатель подключает вход
усилителя следящей системы У2, то к делителю, состоящему из
резисторов и Л2, то к движку реохорда Rp таким образом,
что когда действует больший импульс, переключатель подклю-
чен к движку реохорда, когда меньший — к делителю.

Следящая система поддерживает постоянным отношение



Л3+ЛР-Л'

+Л4 + Лр

тт

= C/2v, —5—

2 2Rt+R2

(4-14)

где R' — сопротивление между верхним концом реохорда и
движком; vr и v2 — коэффициенты передачи усилителя для первого
и второго импульсов соответственно. С учетом обозначений
R’/Rp = a. RJR2 = q, R3/Rp = m, RJRp = n [a — положение движка
реохорда	выражение (4.14) можно записать как

1+m — a v, <ц + 1 _ J
1+,да+п v2 <?

(4-15)

Если равенство нарушается вследствие изменения отношения,
то на вход усилителя У2 подается напряжение рассогласования

АС=(у + Ау)

R3 + Rp+R'v
Л3 + Л4 + Лр 1

Ri

----1-V2

R. + Rz 2

Это напряжение после усиления воздействует на двигатель
М, который перемещает движок реохорда (т. е. изменяет а) до
восстановления отношения (4.14), т. е. чтобы положение движка
было пропорционально отношению
Рис. 4.16 Зависимость выходного сигнала от параметров импульсов:						л=1
1... Yi =''2=0,2;	m=l,	n = 0	2.	 Yi=Y2 = 0,2;	т = 0,	
3...	Yi=Y2=0,2;	m=l,	л=1	4.	. у, =у2 = 0,3;	т = 0,	п=1
5... Y1=Y2=°,3;	m = 0.	л = 1	6.	У1=у2 = 0.3;	т=1.	п=1
7... у, =0,2; у2 = 0,3;	m=l,	л = 0	8.	 Yi =0,2; у2 = 0,3,	т=1,	и=1
9... у,=0,3; у, =0,2;	m=l,	n = 0	10.	.. У! = 0,3; у2=0,2;	т=0,	п=1
11... у, = 0,3; у, =0,2:	m= 1,	и=1				

а = (1 +т) — (1 +т + п)-^~ — v \

(4-16)

Рассмотрим случай, когда усилитель У2 имеет узкую полосу
и реагирует только на первую гармонику последовательности
импульсов. Раскладывая последовательность трапецеидальных
импульсов в ряд Фурье и ограничиваясь первой гармоникой,
получаем

• / о \ sin л8,
sm (nYi	1

2

V2 = ~
Л

 i . о \ sinnS,
sin (тгу2 + 7г82) ——

ЛО2

Подставляя значения vt и v2, получаем основное уравнение
пирометра с узкополосным усилителем:

\	, \ q sin(ny2 + nS2) 8,sinn82

a=(l+m)-(l+m+n)4-~ г-у \
'	’ '	q+1 sinpryj+nSj) OjSinno!

Если Tt8^1O°, то sinnS = тг8, и, учитывая, что у»8, получаем

a = (l +т) — (1 +т + п)-^— у
'	' '	<?i + l

sinn(y2+82)

sinn(y1 + 81)

(4-17)

На рис. 4.16 приведены построенные по формуле (4.17)
кривые для различных значений параметров импульсов.

Для частного случая, если =	81 = 82» выражение (4.17)

упрощается:
86
Рис. 4.17 Автоматическое переключение диапазонов

а=(1 +т)—(1 + ш + п) —- у *.

Для варианта, когда происходит ограничение по минимуму,
XmUl	[1+у(72+82)~(82+Y2)]sinn{Y2 + 82[l—у(у2 +

'	' '	\+1	b(l-Yi-8i)-(81+y1)]sinn{Y1 + 81T-1x

r	+82)~(Y2+82)]}	х

x[(t-Yi-8i)-(8i + 8i)]}

sinn{82[l-y(Y2 + 8i)-(r2 + 82)]}81 [у(1 — YtSQ—(у2 + 82)]	„

sinn {81/1 [у—(Yi — 80—(Yi -bSj)]}ySt [1 -т(у2 + 82)-(у2 + 82)] ’

и для случая, если тг8>10°,

/1	/1	[l->'(Yi+8i)-(Y2 + 82)]smn{62[l-y(Y2 +

'	'	«7+1 [>’(l-Y2+82)-(Yi + 81)]sinn[Y1+81T“1x

+ 82)~(y2 + 82)]}	z, <q,

x[(y-Yi-81)-(Y1+81)]} ’

Для случая, если 8 «у,

a=(l+mHl+™+")—(4Д0)

v	* * * * v	’ g+1 У-П1-Г2 sin7tYi

а если Чх—уг,

а=(1+т)-(1+т+и)-^-	.	(4.21)

Из (4.18) — (4.21) следует, что рассматриваемая схема весьма
гибка и позволяет в широком пределе изменять характер-
шкалы.

Для уменьшения погрешности отсчета при использовании
следящей системы с реохордом рассмотрим многократное
использование реохорда (переключение шкал) путем изменения
(автоматического или ручного) значений п, т или q при подходе
Рис. 4.18 Структурная схема ОЭСИТ с бесконтактной обратной связью

движка реохорда в крайнее положение таким образом [4.6],
чтобы равновесие наступало в другом крайнем положении.

Переключение шкал осуществляется автоматически с по-
мощью концевых выключателей П< (контакты М\ и М'[) и П2
(контакты М'2 и М2) на рис. 4.17. Если пирометр выключен, то
реле Р3 и Р2 обесточены. Предположим, что движок реохорда
находится в крайнем верхнем (по схеме) положении и нажимает
на концевой выключатель П}, контакт М) которого разомкнут,
а Мi замкнут. При включении пирометра реле Р2 срабатывает
и контакты K'pi закорачиваются и замыкают резистор Rr.

Если отношение импульсов увеличивается (за счет изменения
измеряемой температуры), то движок реохорда перемещается в
нижнее положение. При этом контакты М'[ замыкаются, а
контакты М'2 разомкнуты, однако это не изменяет режима
работы реле.

Когда движок реохорда достигает крайнего нижнего положе-
ния, срабатывает концевой выключатель П2 (М"2 замыкается,
М'2 размыкается и реле Р2 обесточивается). Контакты K'Pi
размыкаются, вводится резистор Rx и контакты КР2 заворачи-
вают резистор R3. Одновременно контакты П2 включают реле
/*!, контакты К'Р2 которого дополнительно разрывают цепь реле
Р2, а контакты КР[ блокируют М2, так что при перемещении
движка вверх режим работы реле не нарушится.

Соотношение сопротивлений резисторов R3—Л4 выбирается
таким образом, что конец шкалы на первом диапазоне
соответствует 15 — 20 делениям на втором диапазоне, а начало
второго диапазона соответствует 80 — 85 делениям первого
диапазона.

В [4.7] предложен пирометр со следящей системой без
скользящего контакта*, содержащий ь качестве исполнитель-
ного элемента подогревный терморезистор, включенный в одно

* В качестве примера ОЭСИТ со следящей системой без скользящего
контакта следует также указать на отдельные модификации пирометров типа
«Спектропир» и «Ardacol».
ис 4.19 Структурная схема ОЭСИТ
о стабилизацией уровня сигнала

Z

1

1—ЛП-г-П-

— 5 ь

13 плеч мостовой схемы с микроамперметром в диагонали,
икала которого проградуирована по температуре.

Структурная схема пирометра приведена на рис. 4.18.

С помощью оптической системы, состоящей из объектива 1,
юлупрозрачного зеркала 2, зеркала 3, кадровых окон 4 и 5,
юток от объекта подается поочередно на приемники 6 и 7.
Применяя приемники с различной спектральной чувствитель-
зостью, можно получить напряжение, пропорциональное мощ-
ности лучистой энергии в той или иной области спектра.
Потоки модулируются обтюратором 8. Очевидно, при исполь-
зовании в обтюраторе фильтров возможно применение одного
приемника.

На резисторе Rt выделяются импульсы, амплитуда которых
пропорциональна потокам. После усиления узкополосным уси-
лителем 9 напряжение сигнала подается на делитель, со-
стоящий из резистора /?4 и терморезистора R5. С помощью
синхронно работающих с обтюратором 8 ключей Клх и Кл2 на
детектор Dr подается напряжение с выхода усилителя, когда
действует напряжение с меньшей амплитудой, и напряжение с
терморезистора R5, когда действует напряжение с большей
амплитудой.

Разность напряжений после усиления усилителем 10 пода-
ется на подогрев терморезистора и уменьшает его сопро-
тивление. Коэффициент усиления усилителя 10 выбран таким
образом, что абсолютное значение напряжения на выходе
усилителя 9 не оказывает влияния на сопротивление резистора
R5. Таким образом, по сопротивлению резистора R5 можно
определить отношение потоков, а следовательно, и цветовую
температуру.

Величина температуры отсчитывается по разбалансу моста,
состоящего из резисторов R2 — R5 и питаемого через дроссель
от стабилитрона Z>2. Для правильной работы пирометра
необходимо, чтобы напряжение на одном из приемников всегда
было больше, чем на другом.

Для нормальной работы приемника излучения, поддержания
усилителя и измерителя отношения в линейном режиме в
ОЭСИТ спектрального отношения применяются различные
автоматические системы регулирования потока или коэффици-
ента усиления предварительного усилителя в одноканальных
ОЭСИТ с помощью регулирующих устройств, работающих
аналогично системам регулирования усиления в радиоустройст-
вах. Однако эти системы усложняют конструкцию, понижают ее
надежность. Схема устройства для уменьшения изменения
амплитуды сигналов по сложности часто не уступает схеме
измерителя отношения' (например, ЦЭП-3).

Рассмотрим структурную схему ОЭСИТ (рис. 4.19), в кото-
рой применен способ поддержания сигналов на одном уровне
[4.8], характеризующийся тем, что коэффициент пропускания
редуцирующего устройства 2 изменяют пропорционально поло-
жению указателя температуры 4. При этом с увеличением
показания указателя температуры (вследствие увеличения тем-
пературы измеряемого объекта) изменяется коэффициент про-
пускания редуцирующего устройства с помощью блока 5,
увеличивается оптическая плотность нейтрального поглотителя
или коэффициент деления делителя и т. д. (см. рис. 4.22).
Остальные элементы схемы (/—датчик; 3 — измеритель отно-
шения; 4 — указывающий прибор) — обычные для приборов
подобного типа. Подбором необходимой зависимости измене-
ния коэффициента пропускания (с помощью редуцирующего
устройства, оптической плотности поглотителя, коэффициента
усиления усилителя и т. д.) достигают такого положения, когда
абсолютный уровень сигнала по всему тракту пирометра
остается постоянным. Изменением абсолютных уровней сигна-
лов за счет изменения спектрального коэффициента излучения*
можно пренебречь, так как обычно это изменение не влияет на
работу приемника, усилителя и измерителя отношения.

Связь указателя температуры с регулирующим устройством
может быть как механической, так и электрической (например, с
помощью сельсина).

Применение такого способа позволяет: упростить пиро-
метр, так как исключается следящая система (усилитель,
мотор, сравнивающее устройство), повысить надежность (уп-
рощение пирометра также повышает и надежность) и быстро-
действие.

Время установления показания ОЭСИТ, в которой исполь-
зуется вспомогательная система регулирования, будет всегда
больше времени установления схемы измерения отношения т15
так как точное измерение отношения возможно только после
того, как вспомогательной системой абсолютный уровень
потоков (или усиления) установится на определенном уровне
(через время т2).

Если учесть, что т2~тп а часто т2>т1 (см-> например,
ЦЭП-3), то влияние т2 будет значительно.

При использовании предлагаемого способа отсутствует
вспомогательная система регулирования, т. е. т2 = 0, а сле-
довательно, время установления пирометра определяется толь-
ко Тр

* Это изменение ниже использовано для формирования сигнала коррекции
на изменение е.
4.4.	ОЭСИТ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛОВ

В ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ

Рассмотрим несколько вариантов ОЭСИТ, в которых благо-
даря применению преобразования отношения потоков в измене-
ние фазы совмещены элементы модуляции и измерения.

Цифровая ОЭСИТ спектрального отношения (рис. 4.20).
В датчике поток измеряемого тела преобразуется в электричес-
кое синусоидальное напряжение с частотой со, фаза которого
изменяется с температурой объекта [4.9].

Поток от измеряемого объекта с помощью оптической
системы, содержащей линзу 1 и полупрозрачное зеркало 3,
разделяется на два потока. Светофильтр 2 ограничивает
спектральный состав каждого потока областями Ал^ и АХ2.
С помощью обтюратора 4 и кадровых окон 5 каждый из
потоков модулируется по синусоидальному закону, причем
один из них сдвинут по фазе относительно другого на 0.

Одновременно в датчике с помощью системы, состоящей из
лампы 6, линз 7 и 8 и приемника излучения 9, генерируется
вспомогательное напряжение с частотой /м.

После усиления предварительными усилителями 11 и 12
напряжение с приемника 10 и вспомогательное напряжение с
приемника 9 подаются на усилительно-преобразовательное
устройство, причем напряжение с усилителя 12 подается
непосредственно на усилительно-преобразовательное устройство
14 (УПУ), а с усилителя 11 — через регулирующее фазосдвигаю-
щее устройство 13, которым устанавливается необходимый
сдвиг фаз между сигнальным и вспомогательным напряже-
ниями.

На выходе УПУ формируются импульсы с периодом
следования 2тг/а> и длительностью т, пропорциональной разности
фаз между сигнальным и вспомогательным напряжениями.

Прямоугольные импульсы поступают на схему совпадения
75, которая пропускает за время действия импульса синусо-

Рис. 4.20. Цифровая ОЭСИТ с фазовым преобразованием
Рис. 4.21. Быстродействующая многоканальная ОЭСИТ с фазовым преобразо-
ванием

идальное напряжение с частотой /э от эталонного генератора
16 на электрический счетчик 17, который считает количество
периодов, прошедшее за время т: п = /(т).

Быстродействующая многоканальная автоматическая

ОЭСИТ. На рис. 4.21 приведена схема многоканального пиро-
метра [4.10], позволяющего с большой скоростью осуществить
запись на пленку показаний температуры нескольких датчиков
(до 20). ОЭСИТ состоит из датчиков (7 — объектив, 2—свето-
делительное устройство, 3, 6—светофильтры, 4,7 — кадровые
окна, 5 — обтюратор, 8 — приемник излучения), регулируемых
фазосдвигающих устройств 9, маркирующих устройств 10,
усилительно-преобразовательных устройств 77, стробоскопичес-
кого устройства 72 —14, кассеты с фотопленкой и протягиваю-
щим механизмом 75.

Датчики пирометров работают аналогично описанным.
Напряжения с датчиков после прохождения через регулируемые
фазосдвигающие цепочки 9 и маркирующее устройство 10
поступают на усилительно-преобразовательное устройство 77,
где формируется остроконечный импульс в момент прохожде-
ния синусоидального напряжения через нулевое значение.

Импульсы после усиления импульсным усилителем 72,
общим для всех каналов, подаются на точечную импульсную
92
Рис. 4.22. Переносная ОЭСИТ

лампу 13, которая зажигается на время действия импульса.
С помощью оптики 14 и зеркала 16 светящийся элемент лампы
проектируется на фоточувствительную пленку. Положение све-
тового пятна на пленке зависит от угла поворота зеркала.
Зеркало приводится во вращение от электродвигателя 17.

Пленка во время измерения перематывается с кассет. Таким
образом, на пленке образуется ряд кривых, положение которых
будет пропорционально цветовой температуре каждого из
измеряемых объектов.

Регулируемое фазосдвигающее устройство устанавливает
начальный сдвиг фазы на выходе каждого датчика (устанавли-
вается начальное положение записи на пленке).

Маркирующее устройство закорачивает на очень короткий
промежуток времени поочередно выход каждого из датчиков,
что позволяет расшифровать запись на пленке.

Положение кривой на пленке определяется выражением
x = /(7’) = £tg<p,
где <р — угол, определяемый отношением у, L—минимальное
расстояние зеркала от пленки.

Переносная ОЭСИТ спектрального отношения. Измерение
отношения потоков с переносной ОЭСИТ на рис. 4.22 осуще-
ствляется стробоскопическим методом [4.11]. Результирующий
поток после прохождения оптической системы / — 3 преобразу-
ется в синусоидальное напряжение приемником излучения 4.
Это напряжение усиливается, ограничивается и дифференциру-
ется усилительно-преобразовательным устройством 5.

Остроконечные импульсы, временное положение которых
зависит от фазы ф синусоидального напряжения на приемнике
излучения, подаются на неоновую лампу 6, выполненную в виде
кольцевой трубки.

Трубка устанавливается под прозрачной шкалой 7. Диск 8,
имеющий узкую радиальную щель, приводится во вращение
тем же электродвигателем 9, что и - обтюратор 3; диск
установлен между трубкой и шкалой. Таким образом, во время
действия импульса на шкалу проектируется узкий луч от лампы.
Рис. 4.23. Датчик цветовой температуры с радиоканалом

Благодаря стробоскопическому эффекту положение светового
зайчика на шкале кажется неподвижным. Угловое положение
светового индикатора на шкале 7 зависит от фазы синусоидаль-
ного напряжения на приемнике излучения:

л 60/ Л.Т1
Дер = —- АТ,
п

где Аср — изменение положения светового пятна на шкале;
АТ — изменение фазы напряжения на приемнике излучения;
f — частота синусоидального напряжения на приемнике излуче-
ния; п — частота вращения диска, об/мин.

Таким образом, увеличивая дробь в кратное число раз,
можно получить изменение Аср значительно большее, чем АТ.

Переносный пирометр позволяет осуществить одновременно
с визуальным наблюдением запись и выдачу во внешнюю цепь
тока, пропорционального температуре.

С этой целью с другой стороны лампы 6 устанавливаются
второй диск с прорезью и потенциометр с фотоэлектрическим
контактом.

Таким образом,

Лмакс

где Лмакс — максимальное сопротивление потенциометра; Rx —
сопротивление части потенциометра между его началом и
контактом.

Датчик цветовой температуры (рис. 4.23). Рассмотрим работу
предложенного в [4.12] датчика цветовой температуры, совме-
щенного с приемником излучения, модулятором и радиопере-
датчиком, обеспечивающим передачу температуры по радио-
каналу.

Датчик содержит объектив 1, фокусирующий поток от
объекта на приемник излучения 2, который изменяет свою
емкость пропорционально мощности падающего потока. При-
емником излучения может, например, служить фоточувстви-
94
тельный конденсатор или фотодиод. Приемник излучения
является элементом контура передатчика 3. Датчик снабжен
обтюратором 4 со светофильтрами 5 и 6. Девиация частоты
передатчика пропорциональна мощности излучения, падающего
на приемник излучения 2. В приемнике 7 сигнал с передатчика 3
усиливается и подается на частотный детектор 8, на выходе
которого выделяются импульсы, с амплитудой, пропорциональ-
ной мощности излучения, падающего на приемник излучения 2.
Для вычисления отношения импульсов используются обычные
измерительные схемы.

Оценим возможности пирометров спектрального отношения
(ПСО).

Цифровой ПСО. При разработке системы управления возни-
кает необходимость в цифровом варианте ПСО, основанном на
применении быстродействующей цифровой вычислительной ма-
шины. В настоящее время возможно построение цифровых
пирометров на базе обычного пирометра и цифрового преобра-
зователя отношения. Однако такое решение сложно.

Значительно проще пирометр, представленный на рис. 4.20:
здесь не нужен усилитель с высокой линейностью, не нужна
система АРУ; быстродействие такого пирометра определяется
частотой обтюрации и может быть доведено до 0,01 с.

Если при применении вычислительной машины возникает
необходимость в цифровом ПСО при низком уровне сигнала на
приемнике излучения, необходимо использовать цифровой
пирометр с накоплением сигнала.

Быстродействующий многоканальный пирометр спектраль-
ного отношения. В ряде областей новой техники требуется вести
одновременную запись температуры различных участков объек-
та или нескольких объектов при большой скорости изменения
температуры. В качестве примера можно указать на определе-
ние распределения температуры по слитку, определение распре-
деления температуры в различного рода металлургических
печах, определение температурного поля объекта при скорост-
ном нагреве.

Быстродействущий многоканальный пирометр спектрального
отношения фиксирует (записывает) температуру объекта. Запись
производится дискретно, через каждые 1// с. Таким образом,
при f = 500 Гц температура записывается через каждые 2 мс.
Время единичной записи, меньшее 0,001 с, будет определяться
шириной импульса, поступающего на импульсную лампу, и
инерционностью лампы. Оно может быть уменьшено до
нескольких микросекунд. Следовательно, предлагаемый много-
канальный автоматический пирометр позволяет практически
безынерционно (0,02 с) вести одновременно запись температуры
нескольких объектов (до 20). Ни один из известных пирометров
не обладает таким быстродействием при записи показаний.
Регистрирующее устройство пирометра по конструктивному
оформлению аналогично конструкции осциллографа с записью
на пленку. Следовательно, по габаритным размерам предлагае-
мый пирометр меньше, чем любой из существующих, исполь-
зующих для записи осциллограф (если это только возможно).
К тому же следует заметить, что вместо трех электродвигателей
в регистрирующем устройстве может быть применен один с
соответствующими редукторами.

Применение регулируемых фазовращателей позволяет свести
операции согласования работы нескольких датчиков к операции,
аналогичной юстировке вибраторов в обычном осциллографе.

Многоканальный автоматический пирометр проще, чем
существующие пирометры, обладающие к тому же значительно
большей инерционностью (0,5 — 5 с) и позволяющие регистри-
ровать температуру только одного объекта.

Переносный пирометр спектрального отношения. Необходи-
мость такого пирометра в заводской практике очевидна.

Переносный пирометр спектрального отношения позволит
осуществить оперативный экспресс-контроль температуры не-
посредственно оператором.

Конструкция датчика переносного ПСО может быть взята за
основу при разработке серии ПСО (переносный, цифровой,
многоканальный и общепромышленного применения).

Датчик цветовой температуры. В ряде технологических
процессов необходимо измерять температуру объектов в мало-
доступных, а также движущихся местах. Примером может
служить измерение температуры металла в ковше при разливе.

Относительно большие расстояния, на которые перемеща-
ется ковш, исключают применение выносного датчика, соеди-
ненного кабелем с основным прибором. Очевидным решением
является передача температуры по радиотракту. Для этого
необходимо над ковшом установить пирометр с передатчиком.
Однако такой вариант не может быть использован в заводских
условиях из-за большой громоздкости, большой массы, необхо-
димости подведения питающего кабеля, малой надежности
(устройство состоит из нескольких сложных приборов).

В заводских условиях затруднен или практически невозможен
доступ к подобным установкам для замены в процессе работы
отдельных элементов. Поэтому несмотря на технологическую
необходимость измерения температуры в ковше установки
подобного рода из-за малой надежности не нашли применения.

Для измерения цветовой температуры можно рекомендовать
датчик на рис. 4.23. Малая мощность потребления датчика
(генератор может быть выполнен на одном-двух полупроводни-
ковых приборах) позволяет использовать для питания кремние-
вую батарею, воспринимающую энергию потока излучения от
объекта, т. е. от ковша, температура которого измеряется.
96
Высокая надежность (из-за простоты схемы и отсутствия
химических источников тока) позволяет использовать датчик в
течение длительного времени без замены отдельных элементов.
Установив датчики на всех работающих в цеху ковшах (частоты
разнесены), можно измерить температуру в нескольких ковшах
с помощью одной стендовой установки.

4.5.	ОЭСИТ ПРИ НИЗКОМ ОТНОШЕНИИ СИГНАЛ ШУМ

НА ПРИЕМНИКЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

При измерении низких температур сигнал на приемнике
становится соизмеримым с шумами приемника излучения и
усилителя. Это затрудняет разделение сигналов и точное
измерение их отношения.

Использование одноканальной схемы ОЭСИТ с предва-
рительным преобразованием потоков в трапецеидальные им-
пульсы, амплитуда которых пропорциональна потокам, тре-
бует применения усилителей с достаточно широкой поло-
сой, что ухудшает отношение сигнал/шум, а следователь-
но, и увеличивает ошибку при измерении отношения из-
вестными методами, так как погрешность в изменении от-
ношения амплитуд двух трапецеидальных импульсов в ко-
нечном счете зависит от отношения сигнал/шум на измерителе
о [ношения.

Применение поочередного синхронного детектирования каж-
дого из логометрируемых импульсов позволяет разделить
и выделить из шума сигнал, пропорциональный амплиту-
дам этих импульсов. Устройство для поочередного синхрон-
ного детектирования каждого из импульсов приведено на
рис. 4.24.

Ключ X, в момент времени t подключает фильтр RxCr к
выходу усилителя 1 на время Аг = /)1у1Т1 (Ух^— продолжи-
[ельность первого импульса Uv по вершине, /?^1). В остальную
часть периода фильтр отключен.

Ключ К2 подключает к усилителю фильтр Х2С2 на время
^272^2-

Напряжение на конденсаторах С\ и С2 равно

Рис 4 24 Схема устройства для выделения и разделения импульсов при
большом' уровне помех

7-3219
где

Рис 4 25 Отношение сигнал/шум при
вания

Номер кривой	1	2

у,	0,1	0,1

а	0,5	1,0

использовании синхронного детектиро-

^С1 VC1O И ^C2 — VC20 ^2>

vCio=J’ 1b(1 -Y1-§1)-(?2 + 82)];
VC20 = [1 -У (Y1 + 51 ) - (?2 + 82 )]•

Следовательно, отношение напряжений г0 = Ucx0jUC20 равно

Уо = ^з

[т(1-ау2-52)-(у2+52)]

[1-т(<тг2-81)-(ы-82 )]’

(4.22)

где а = У!/у2; b3=br/b2.

Таким образом, отношение напряжений на конденсаторах
определяется отношением измеряемых импульсов.

При поочередном синхронном детектировании каждого
импульса погрешность определения у состоит из погрешности
измерения отношения у, определяемой несовершенством изме-
рителя отношения (эта составляющая может быть сведена к
нулю выбором параметров схемы), и погрешности за счет
влияния шума 8Г

Максимальное значение погрешности равно

8у = 8171 + 81/2>

где 8^,=-—Ш1 , 8,72 =

Vl уи2кс^ V2

V^2

^2^4.20
v — определенным образом заданное спектральное распределе-
ние шума (см. гл. 3); А^ш1 и Кш2—коэффициенты передачи по
шуму, определяемые по (3.8) или (3.9). Формулы позволяют
выбрать постоянную времени синхронных детекторов таким
образом, чтобы 5V не превышала величины, сказывающейся на
точности определения температуры.

На рис. 4.25 приведена зависимость 5V: — B=f(yy),

Ui

где

^«1 , ^ш2
	1	
^С10-----^-С20

Из кривых следует, что оптимальным является значение
у = 0,2 при изменении у от 0,5 до 2,0.

Рассмотрим несколько схем ОЭСИТ, в которых использует-
ся синхронное разделение и выделение сигнала из шума.

В ОЭСИТ на рис. 4.26, а вычисление отношения напряжений на
конденсаторах С15 С2 осуществляется с помощью специального
устройства, формирующею прямоугольные импульсы, длитель-
ность которых пропорциональна отношению, с последующим
измерением длительности обычной измерительной схемой [4.20].

Формирование импульсов, ширина которых пропорциональ-
на отношению, производится следующим образом: ключом К3
конденсатор С3 подключается через резистор R3 к конденсатору
С], при этом конденсатор С3 заряжается напряжением UC3. При
переключении С2 на /?4 конденсатор С3 разряжается до нуля.
Напряжение на конденсаторе С3 определяется выражением

(7'=(7гзехр( — ).

\ лс /

Одновременно ключом Кд конденсатор С4 подключается к
конденсатору С2 и заряжается через резистор R6 напряжением
UC4.. Разряд конденсатора С4 происходит через резистор Rs.
Напряжение на резисторе R6

U" = UU 1-ехр( --М .

Сравнивающее устройство СУ формирует импульс в мо-
мент, когда напряжение U'=U". Триггер Т запускается импуль-
сом с резистора Л6, а импульсом с СУ через время t,
определяемое у, перебрасывается в исходное положение.

Измерительная схема ИС имеет два выхода — цифровой и
аналоговый. Для формирования выходного сигнала в цифровой
форме прямоугольные импульсы поступают на схему совпадения,
пропускающую за время действия импульса синусоидаль-
ное напряжение от эталонного генератора на электрон-
ный счетчик, который считает число импульсов, прошедшее за

99
Рис. 4.26. Схемы ОЭСИТ с синхронным детектированием

время t. Для формирования выходного сигнала в аналоговой
форме прямоугольные импульсы поступают на ограничитель,
средний ток на выходе которого определяется выражением

4Р=^лс(у+1).

(4.23)
Постоянная времени RC и период Т определяются из
соотношений

лс=ет; Г=Л('““+ЗЛС)’

где рмакс — максимальное отношение напряжений на конденсато-
рах; 1макс— постоянные времени разряда конденсаторов; А —
коэффициент запаса, А = 1,1 1,2.

На рис. 4.26,6 приведена схема пирометра, в котором
измерение отношения осуществляется с помощью реохорда и
следящей системы. Импульсы напряжения и собственный шум
фотодиодов с выхода датчика через делители Л3, и Л5, Я6,
Rp поступают на синхронные детекторы через ключи К{ и К2.
Один синхронный детектор подключен к делителю А3, R±, а
другой — к движку реохорда. Работа синхродетекторов синхро-
низирована таким образом, что когда действует импульс
большой амплитуды, ключ Кх закорачивается, при импульсе
меньшей амплитуды закорачивается ключ К2. На выходе
синхронных детекторов имеются интегрирующие ЛС-цепи: RtCt
и R2C2.

Таким образом, при постоянных J?3, Л4 и Л5, R6 напряжение
на интегрирующем конденсаторе первого синхродетектора
пропорционально амплитуде импульсов, а на интегрирующем
конденсаторе второго синхродетектора — амплитуде импульсов
и положению движка. Напряжение с интегрирующих конденса-
торов подается на сравнивающее устройство СУ. При нера-
венстве напряжений на конденсаторах и С2 на выходе СУ
появляется переменное напряжение рассогласования, амплитуда
которого пропорциональна разности, а фаза зависит от знака
разности и будет меняться на 180° при переходе от U2 > U2 к
иг<и2.

Полученное на СУ напряжение рассогласования АС усилива-
ется усилителем у2. Усилитель управляет вращением электро-
двигателя М2, причем направление вращения меняется с
изменением фазы.

Электродвигатель через редуктор перемещает движок рео-
хорда до исчезновения напряжения рассогласования, тогда

а = (1+ш) —(1+ш+«)^уо 1,
где q = Rz]R2, m = Ri)Rp, или

'	'	'	> q + \ ab3 |>(1-«Y2-8i)-(y2+82)]

Из (4.24) следует, что, меняя величины m, п, q, а и Ь2 в
широких пределах, можно менять характер зависимости а = /(7),
101
ОС
0,8
0,6
0,4
0,2
0
ос
0,8
0,6
0,4
0,2
О

Рис 4 27 Зависимость выходного сигнала от параметров схем
а)

1	Yi = 0-2.	у2 = 0,3,	«7 = 1,	и=0	2	у, =0,2,	у2=0,3,	т=0,	«=1

3	у, =0,2,	у2 = О,3,	«7=1,	н=1	4	у, =0,3,	у2=0,2,	«7=1,	« = 0

5	у,=0,3,	у2 = 0,2,	«? = 0,	н=1	6	у,=0,3,	у2 = 0,2,	«7=1,	« = 1

6)

1	у,=у2 = 0,2	2

3	у, =0,2, у2 =0,3	4

Yi=Y2 = 0,5
у, =0,3, у2=0,2

что может быть использовано как для корректировки шкал, так
и для электрического переключения (т, п, q).

На рис. 4.27, а приведена зависимость а (1) для различных
значений т, п, q.

Рассмотрим применение синхронного детектирования при
вычислении отношения с применением логарифмирующего
преобразователя (рис. 4.26, в). Переключатель К3 поочередно
подключает цепочку R3C3 к конденсаторам и С2. Постоян-
ная времени цепи R3C3 принята такой, чтобы на резисторе R3
выделялись остроконечные импульсы, амплитуда которых про-
порциональна напряжению на конденсаторах С3 и С2. Эти
импульсы подаются на логарифмирующее усилительно-преоб-
разовательное устройство, вычисляющее отношение

1 1 U'i
a = kln—.

U 2

Подставляя значение U'i/£7'2, получаем

а=A- In

1-Л’(ь+81)-Ь + 82)

-(4.25)
На рис. 4.27,6 приведены зависимости а=/(у) для различных
значений у.

На рис. 4.26, г показана схема пирометра с предварительным
преобразованием отношения импульсов в фазу электрического
сигнала.

Предварительно усиленное напряжение с приемников 1
и 2 через регулируемые фазосдвигающие устройства 3 по-
дается на фазовый детектор 4, на выходе которого на-
пряжение равно нулю, если напряжения на его входах сдвинуто
на ф = 90\

Если ф/90°, то на выходе фазового детектора появляется
напряжение рассогласования, которое после усиления подается
на электродвигатель 5. Электродвигатель через редуктор пере-
страивает фазосдвигающее устройство 3 так, чтобы ф = 90°.
Таким образом, положение регулируемого органа фазосдвигаю-
щего устройства пропорционально цветовой температуре объек-
та. Второе фазосдвигающее устройство служит для установки
необходимого начального сдвига фаз.

Рассмотрим применение в качестве регулируемого фазосдви-
гающего устройства моста из RC. Как известно, фазовый сдвиг
такой цепочки при R1 = R2

t 2юС(Л3 + Л4)

и коэффициент передачи к = 1/вых / UBX = 0,5.

Следовательно,

7? = — tg
wC &

0,5 arcctg



(тн-л)япе

Возможность использования того или иного варианта
ОЭСИТ для измерения низких температур зависит от двух
факторов:

а)	от коэффициента использования потока кп, проходящего
через оптическую систему;

б)	от помехоустойчивости измерительной системы.

Из рассмотренных схем ОЭСИТ спектрального отношения
максимальным коэффициентом использования потока обладают
схемы с преобразованием потоков в следующие друг за другом
импульсы. Так как размеры входного окна фотодиода малы
(0 2—3 мм), то кадровые окна можно не устанавливать.
Следовательно, в таких схемах кп = 1.

В схемах с преобразованием изменения отношения потоков в
изменение фазы общий поток необходимо разделить на два
потока и использовать кадровые окра. При этом коэффициент
использования потока будет кп к 0,25 — 0,4.
Наилучшей помехоустойчивостью обладают варианты
ОЭСИТ, в которых используется синхронное детектирование,
так как они позволяют исключить влияние помехи и получить
эквивалентную полосу частот (по шуму) сколь угодно малой.
Полоса частот ограничивается только быстродействием пиро-
метра.

В ОЭСИТ с преобразованием отношения в коэффициент
модуляции основными факторами, ограничивающими уменьше-
ние полосы частот, являются нестабильность частоты модуля-
ции и нестабильность элементов схемы, определяющих избира-
тельность усилителя. Это не позволяет получить помехоустой-
чивость, соизмеримую с помехоустойчивостью ОЭСИТ с
синхронным детектированием. Все остальные варианты ОЭСИТ
требуют значительно большей полосы частот для получения
неискаженной передачи сигнала, необходимого для нормальной
работы измерителя отношений.

Наиболее простым способом электрическая корректировка
шкал и их переключение осуществляются в ОЭСИТ, основан-
ных на использовании для измерения отношения следящей
системы и реохорда. В остальных схемах требуется добавление
переключателя, изменение и усложнение схемы. В пирометрах
со следящей системой с определением отношения потоков по
положению движка реохорда функции регистрирующего, указы-
вающего и записывающего устройств могут быть совмещены,
что повышает надежность пирометров. В остальных схемах для
этих целей необходимы различные приборы.

При разработке ОЭСИТ со следящей системой и реохордом
могут быть использованы отдельные узлы (двигатель, реохорд,
усилитель, механизмы указателя и регулятора и др.) серийных
приборов типов КСП и др., а также узлы разработанных ПСО
(«Цветопир», ЦЭПИР, ЦЭП-3, «Спектропир», «Веселка»),
ОЭСИТ спектрального отношения со следящей системой могут
быть основой для датчиков регуляторов спектрального отноше-
ния. Недостатками схемы ОЭСИТ со следящей системой и с
цветным клином являются ограниченный выбор фильтров,
пропускающих один поток и ослабляющих другой, сложность
датчика (в датчике — измерительная схема, состоящая из двига-
теля, редуктора, цветного клина), необходимость использования
вспомогательной следящей системы для передачи показания
пирометра с датчика в систему управления.

С учетом того, что постоянная времени фотодиода мала,
быстродействие ОЭСИТ будет определяться схемой измерителя
отношения. В датчике регулятора быстродействие определяется
только частотой модуляции и, очевидно, также может быть
получено значение ~10-3 с и менее.

Следовательно, рациональным вариантом является ОЭСИТ
со следящей системой и реохордом, так как ее применение
104
позволяет: использовать узлы разработанных и серийно вы-
пускаемых приборов; на базе одного прибора осуществлять
выпуск как пирометра, так и датчика регулятора; исполь-
зовать синхронное разделение и выделение сигналов, что
снижает нижний диапазон измерения; использовать уже раз-
работанные базовые конструкции приборов или узлы от
них.

Перспективным является использование ОЭСИТ, в которых
отношение преобразуется в фазу с дальнейшим измерением
фазы с помощью следящей системы и реохорда (являющегося
составной частью фазовращателя).

4.6. ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОЭСИТ,
ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ДВА УЧАСТКА СПЕКТРА

Структурная схема низкотемпературного пирометра спект-
рального отношения с диапазоном измерения 300—500° С
[4.17] приведена на рис. 4.28, а. Поток от измеряемого тела
фокусируется на приемник излучения Пх объективом О (серий-
ный объектив типа «Юпитер»),

Показатель визирования оптической системы 1:20.

В качестве приемника излучения применен германиевый
фотодиод, работающий в фотодиодном режиме (6 =0.5 В).
Поток прерывается обтюратором с фильтрами, пропускающи-
ми тот или иной участок спектра. На приемник излучения
падают поочередно два потока, обладающие различным спект-
ральным распределением энергии и Фд/2. Эти потоки
преобразуются фотодиодом в импульсы напряжения, амплитуда
которых пропорциональна потокам Сх и U2.

В пирометре используются светофильтры СЗС-18 + НС-11 и
НС-12+ ФС-7. Для устранения влияния отраженного света перед
фотодиодом установлен светофильтр ИКС-3.

Импульсы напряжения и собственный шум фотодиодов
усиливаются усилителем

Одновременно с образованием основных импульсов с датчи-
ка ДС поступают синхронизирующие импульсы, продолжитель-
ность которых равна или меньше продолжительности импуль-
сов, получаемых с фотодиода Пх.

Длительность импульсов на фотодиодах Пх и П2 изменяется
с помощью специальных заслонок. Импульсы, совпадающие по
времени с рабочими импульсами, образовавшимися при попада-
нии на фотодиод Пх потока Ф^, поступают на синхронный
детектор СД3, а импульсы, совпадающие по времени с
рабочими импульсами, образовавшимися при воздействии пото-
ка Ф^2,— на синхронный детектор СД2.

Этими импульсами производится управление синхродетекто-
рами. Одновременно на СД2 подается напряжение с делителя
R2, R2, а на СДХ—с движка реохорда 1?р. Работа ключей
синхронизирована синхронизатором С таким образом, что
когда действует импульс, пропорциональный потоку Фди, то
подается синхронизирующий импульс на СДХ. При импульсе,
пропорциональном потоку Ф^2, синхронизирующий импульс
подается на СД2.

Таким образом, напряжение на выходе СД2 пропорциональ-
но амплитуде импульсов и отношению Rx /R2, а на выходе СДХ
пропорционально амплитуде импульсов и положению движка
реохорда. Характер зависимости а=/(у) рассмотрен в § 4.1.

Подбором соответствующих постоянных времени фильтров
можно добиться такого положения, что действующее напряже-
ние от шума на выходе СД будет во много раз меньше, чем
напряжение от рабочих импульсов.

Напряжения с выходов СДХ и СД2 подаются на сравнивающее
устройство СУ. Если напряжения на входах СУ равны друг другу,
то напряжение на выходе СУ равно нулю. При неравенстве этих
напряжений на выходе сравнивающего устройства появляется
переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна
разности, а фаза зависит от знака разности.

Полученное на сравнивающем устройстве напряжение рас-
согласования усиливается усилителем У2 и подается на усили-
тель мощности У3, который управляет вращением электродви-
гателя М2, причем направление вращения меняется с изменением
фазы. Электродвигатель через редуктор перемещает движок
реохорда до исчезновения напряжения рассогласования. Таким
образом, положение движка определяется цветовой температурой.
106
Рис. 4.29 Структурная схема низкотемпературного датчика-регулятора

Редуктор Р жестко связан с указывающей стрелкой, записы-
вающим устройством и задатчиком 3, выдающим сигнал при
работе пирометра в системе регулирования температуры. При
этом для увеличения быстродействия на выход задатчика
подается напряжение рассогласования с усилителя У2 (после
преобразования преобразователем Пр).

При изменении температуры объекта одновременно с изме-
нением отношения потоков в двух участках спектра происходит
значительно большее изменение абсолютных значений потоков,
а следовательно, и амплитуды напряжений на фотодиоде. Для
того чтобы усилитель работал в линейном режиме, имеется
система автоматического регулирования усиления' (АРУ). Ис-
пользование жесткой механической или электрической связи
! усилителя с элементом, регулирующим усиление, позволяет
избавиться от усилителя в цепи АРУ.

Индикатор И обеспечивает установление указателя на нуль
при сигнале, меньшем допустимого, а также позволяет контро-
лировать уровень сигнала. Индикатор обеспечивает при недо-
пустимо малых сигналах (или при отсутствии сигнала) переме-
щение указателя в крайнее левое положение и при недопустимо
больших сигналах — включение световой сигнализации сигнала.

На рис. 4.28,6 изображена схема ОЭСИТ с электрическим
переключением шкал.

На рис. 4.29 приведена структурная схема датчика регулято-
ра, разработанная на базе низкотемпературного пирометра.

Отличие датчика регулятора от ОЭСИТ заключается в
замене реохорда плавным Rl и ступенчатым R2— R6 делителя-
ми (задатчиком), в замене схемы АРУ делителем R2— Rl2,
жестко связанным с задатчиком, и во введении (вместо
двигателя, регистрирующего и указывающего органов) выход-
ного каскада, формирующего выходной сигнал при появлении
рассогласования.
Рис. 4.30. Структурная схема пирометра без синхронного детектирования

Большая гибкость схемы измерителя отношения следящей
системой позволяет легко корректировать шкалу в процессе
эксплуатации, а также при замене германиевого фотодиода и
фильтров.

Для измерения более высоких температур наиболее рацио-
нальной является схема, аналогичная описанной, но без
синхронного детектора [4.6].

Структурная схема такого пирометра приведена на рис. 4.30.
Пирометр состоит из датчика и усилительно-преобразователь-
ного устройства. В датчике установлен обтюратор со свето-
фильтрами и С2, вращаемый электродвигателем Поток
фокусируется оптической системой О на фотодиоде П. Усили-
тель Vi повышает уровень сигнала, что уменьшает влияние
наводки на соединительный кабель.

Усилительно-преобразовательное устройство состоит из уси-
лителя У2, делителя на выходе R'y, Ry, блока реохорда БР,
включающего реохорд Rp, резисторы Rx—R5, переключатель
шкал в варианте с электрическим переключением шкал (или
реохорд R5 и резисторы Rx—R4 в варианте без переключателя
шкал), усилители У2 и У3, электродвигатель М2 с редуктором Р,
указатель и систему записи, задатчик 3, преобразователь Пр и
индикатор И. Индикатор позволяет контролировать уровень
сигнала по прибору и включает световую сигнализацию при
превышении уровня выше максимально допустимого. Потен-
циометром R'y сигнал может быть установлен в необходимых
пределах. Для установки стрелки указателя на нуль при отсутствии
сигнала или при недостаточном сигнале индикатор подает на
усилитель У3 переменное напряжение с такой фазой, при которой
стрелка указателя перемещается в крайнее левое положение.

В пирометре предусмотрены как электрическая корректиров-
ка шкалы, так и электрическое переключение шкал.
1

Рис. 4.31. Структурная схема датчика-регулятора

На базе пирометра был разработан датчик регулятора,
формирующий сигнал при отклонении температур от заданной.

Структурная схема датчика-регулятора приведена на рис.
4.31. Она аналогична схеме пирометра: вместо блока реохорда
установлены плавный Rx и ступенчатый R2— Rb задатчики
отношения, а на выходе усилителя вместо электродвигателя
включены два реле (блок 77).

Предварительно задатчиками устанавливается необходимое
отношение импульсов Ul / U2 (а следовательно, и необходимое
значение температуры). Если импульсы на входе усилителя У2
не равны, то в зависимости от того, какой импульс больше,
срабатывает одно из реле. Контакты реле используются в
системе автоматического регулирования. С выхода усилителя
снимается также сигнал, пропорциональный разности заданной
и действительной температур объекта. Для регулирования
температуры по программе изменение положения задатчика
осуществляется от программирующего устройства.

Рассмотрим кратко два варианта пирометров серии «ЦвеТо-
пир», выполненных (так же, как и описанный пирометр) по
схеме измерения отношения с помощью следящей системы и
реохорда.

Автоматический цветовой пирометр «Цветопир-1» состоит
из трех блоков: датчика ГЦА-1. блока питания БП-02,
регистрирующего и указывающего прибора ЭПП-94 с пози-
ционным регулирующим устройством. Фотоэлемент пирометра
термостатирован. В электрическую схему терморегулятора
входят измерительный мост и усилитель постоянного тока с
выходом на реле, через контакты которого подается питание на
нагревательную обмотку термостата фотоэлемента.

Пирометр снабжен диафрагмами, предназначенными для
автоматического регулирования яркости падающего на фотоэле-
мент светового потока. Время полного установления показания
при внезапном облучении датчика — не более 6 с.

Автоматический цвеговой пирометр «Цветопир-2» не имеет
автоматической диафрагмы. Схема его упрощена. Быстродейст-
вие прибора — до 1 с. Вторичный преобразователь пирометра
является одновременно показывающим прибором. При необхо-
димости записи показаний к прибору может быть подключен
любой стандартный автоматический самопищущий прибор —
мост или потенциометр. Прибор разработан в двух вариантах:
общепромышленном и для исследовательских целей. Общепро-
мышленный прибор градуируется на любой поддиапазон
протяженностью 300—400° С в интервале температур от 1300
до 2800 °C. Благодаря измерительной схеме (обеспечивающей
корректировку градуировочной характеристики в широких пре-
делах) прибор градуируется непосредственно в градусах. Много-
диапазонный вариант прибора, предназначенного для исследо-
вательских целей, имеет четыре поддиапазона, охватывающих
интервал температур 1400—2800 С. В основу его положена
схема электрического переключения диапазона.

«Цветопир-2» состоит из двух блоков: датчика — первичного
преобразователя ППЦ — и вторичного преобразователя ПВЦ.

В многодиапазонном варианте прибора для всех поддиапа-
зонов используются одни и те же светофильтры, а переключение
поддиапазонов производится электрическим путем с одновре-
менным изменением уровня сигнала в датчике. Отсутствие систе-
мы автоматической регулировки яркости, исключение феррорезо-
нансного стабилизатора напряжения и широкое использование по-
лупроводниковых элементов уменьшают габариты конструкции.

В пирометрах спектрального отношения серии «Спектропир»
[4.19] для формирования сигналов используются два приемника
излучения. Пирометры основаны на принципе следящего уравно-
вешивания сигналов, пропорциональных излучению объекта в двух
спектральных интервалах, и конструктивно состоят из трех бло-
ков: датчика, блока термостатирования и сброса показаний и авто-
матического показывающего и записывающего логометра КСЛ2.

Датчики пирометров отличаются простотой конструкции,
отсутствием движущихся деталей и не требуют никаких
регулировок в процессе измерения. Сигналы приемников излуче-
ния с выхода датчика поступают на измерительную схему
логометра. Автоматическая регулировка усиления обеспечивает
устойчивую и надежную работу пирометров в широком
диапазоне температур и при изменении яркости объекта
(диапазон измерения их охватывает практически всю область
температур линейных процессов). При недопустимо малой
яркости объекта или нарушении визирования датчика специаль-
ное устройство осуществляет сброс показаний и включение
сигнальной лампы «Яркость мала».
Единая для всех пирометров (за исключением пирометра
«Спектропир-5») система термостатирования поддерживает пос-
тоянную температуру в термостате для приемников излучения,
что вместе с водяным охлаждением обеспечивает независимость
показаний пирометров от окружающей температуры в диапазо-
не 5—50 °C.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-3»: диа-
пазон измерения 1200—1800 °C, погрешность ±1%, показатель
визирования 1/70, порог чувствительности 4 °C, время установ-
ления показаний 2,5 с.

Для процессов, которые характеризуются чрезвычайно быст-
рым изменением температуры (до нескольких сотен градусов в
секунду), предназначен пирометр «Спектропир-2» — быстро-
действующий пирометр-регулятор цветовой температуры. Этот
пирометр может измерять и регистрировать температуру со вре-
менем пробега всей шкалы 1 с, а также давать сигналы для си-
стемы регулирования или сигнализировать о достижении задан-
ного уровня температуры с быстродействием порядка 0,01 с.
Кроме того, у пирометра «Спектропир-2» хорошая помехоза-
щищенность; его рабочий диапазон температур 1300—1700 °C.

В отличие от пирометра «Спектропир-3», в котором
приемники излучения работают при непрерывном облучении, в
датчике пирометра «Спектропир-2» световой поток модулиру-
ется модулятором-генератором камертонного типа с частотой
порядка 400 Гц. Комплект пирометра состоит из датчика, блока
регулятора цветовой температуры и логометра КСЛ2.

Разработан ряд модификаций пирометра «Спектропир-2»,
различающихся между собой оптической системой датчика
(линзовая, светопроводная) и измерительной схемой.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-2»: диа-
пазон измерения 1300—1700° С, погрешность ±1%, показатель
визирования 1/100, порог чувствительности 2° С, быстродейст-
вие при измерении 1 с, при регулировании 0,01 с.

Пирометр спектрального отношения «Спектропир-Ь> является
одним из первых отечественных пирометров для измерения низких
температур малых объектов с излучательной способностью,
изменяющейся в широких пределах. Он может быть исполь-
зован для измерения температуры катодов электровакуумных
приборов, капель расплавов различных материалов и пр.

Действие пирометра основано на принципе стабилизации
полного потока излучения по спектральной яркости. Конструк-
тивно (в зависимости от комплектности) пирометр может
состоять из датчика и стандартного прибора для измере-
ния напряжения (комплект «Спектропир-1-01») или из дат-
чика, измерительного преобразователя и любого регистри-
рующего прибора с пределом измерения 0—100 мВ (комплект
«Спектропир-1 -02»).
Датчик пирометра «Спектропир-1» содержит два приемника
излучения, один из которых термостатирован и работает в
измерительном режиме, а другой работает в нулевом режиме,
являясь одним из звеньев следящей системы. Это позволило
исключить влияние нестабильности характеристик приемников
и упростить конструкцию датчика. В датчике применена
оригинальная оптико-механическая система.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-1»: диа-
пазон измерения 600—1100J С, погрешность ±1%, показатель
визирования 1/100, порог чувствительности—не более 4 С,
время установления показаний 3 с.

Объективный переносный пирометр спектрального отноше-
ния «Спектропир-5-01» предназначен для оперативного измере-
ния температуры расплавленных металлов и может быть
рекомендован для использования в сталеплавильных и литей-
ных цехах широкого профиля для измерения температуры струи
жидкого металла в процессе разливки. По принципу действия
он аналогичен пирометру «Спектропир-1».

Электрический сигнал с одного фотоэлемента через схему
контроля светового потока и температуры стабилизации посту-
пает на прибор — индикатор уровня яркости, указатель которо-
го в процессе измерения температуры поддерживается на
контрольной риске. Сигнал, поступающий со второго фотоэле-
мента на измерительный прибор со специальным фиксатором
положения указателя, однозначно определяет цветовую темпе-
ратуру.

Индикатор имеет прозрачную шкалу и установлен таким
образом, чтобы шкала и стрелка были четко видны в окуляр на
фоне светящегося объекта.

Предусмотрена возможность периодической проверки опор-
ного напряжения. Для этого переключатель ставится в пбложе-
ние «Контроль», положение указателя измерительного прибора
на контрольной риске красного цвета проверяется.

Технические характеристики пирометра «Спектропир-5»: диа-
пазон измерения 1400—1900° С, погрешность ±1%, показатель
визирования 1/33, порог чувствительности 7° С.

Все рассмотренные модификации пирометров типа «Спек-
тропир» разработаны как базовые конструкции для ряда
пирометров цветовой температуры (переносных и автоматичес-
ких). Путем различных сочетаний модулей можно получить
разные по своим техническим характеристикам приборы.

Все пирометры выполнены по двухканальной схеме—с
двумя одинаковыми или разными приемниками излучения.
Применение двух приемников упрощает конструкцию датчиков,
исключает необходимость установки в них электродвигателей и
вращающихся обтюраторов со светофильтрами, повышает
динамические свойства пирометров.
Модификация пирометра	Диапазон изме- няемых темпера- тур, С	Эффективные длины волн, мкм	Показа- тель визи- рования	Основ- ная пог- реш- ность, %	Быстродейст- вие, с
«Спектропир-4»	1200--1700	0,85; 1,47	1:100		4,0
«Спектропир- 6»	900—1300	0,85; 0,98	1:25		2,5; 10,0
	1200—1800	0,85; 0,98	1:50		2,5; 10,0
	1600—2200	0,85; 0,98	1.100		2,5; 10,0
«Спектропир-7»	500—800	1,5; 1,7	1:50	1,0	2,5
	700—1000	1,5; 1,7	1:50		2,5
«Спектропир-8»	300—500	1,5; 1,7	1:25		0,5; 10,0
	400—700	0,99; 1,6	1:50		
	500—800	0,99; 1,6	1:100		
	700- 1000	0,99; 1,6	1:100		
	900—1400	0,99; 1,6	1:100		
«Спектропир-9»	300 - 500		1:25		
	400—700	—	1:50	1,0	0,25—0,5
	 700- 1000		1:50		
	800—1200		1:50		
«Спектропир-10»	300- 500	1,5; 1,7	1:25		
	500 - 700	0,92; 1,62	1:25	1,5	
	600—1000	0,92; 1,62	1:50		0.05
	900—1300	0,92; 1,62	1:200		
	1200—2000	0,87; 1,55	1:200		
	1800—2200	0,87; 1,55		1,0	
	2000—2800	0,82; 1,6	1:500		
	2200—3000	0.82; 1,5			

Разделение светового потока во всех пирометрах осуществ-
ляется эффективными светоделительными устройствами с высо-
ким КПД—интерференционными светофильтрами. Применение
таких фильтров существенно повышает возможности пиромет-
ров в отношении чувствительности, уменьшения показателей
визирования и снижения диапазона измеряемых температур.

Блочно-модульное построение конструкции, схемы электрон-
ных узлов, полностью изготовленные на полупроводниках,
единый объектив, ахроматизированный в рабочей области
спектра,— все это характерно для всех описанных пирометров.
Во всех пирометрах применены печатные шкалы в градусах
Цельсия и имеются схемы коррекции показаний в широких пре-
делах. Такие узлы, модули и целые блоки, как визирная
система, усилитель системы термостатирования, модуляторы,
автоматический логометр КСЛ2 и т.д., не только могут
113

8-3219
Таблица 4.2. Некоторые характеристики пирометров фирмы Chino (Япония)

Тип пирометра	Диапазон из- меряемых температур, °C	Эффективные длины волн, мкМ	Гнп использу- емого прием- ника излуче- ния	Основная пог- решность	Быст- родей- ствие, с
	200—3500 (12 диапазо- нов)	2,15; 2,4  2,05; 2,35  1,75; 2,35	j. PbS	1% (в диапазо- нах  200—700 °C)	1,0
IRQ		0,85; 1,0  0,5; 0,58	Si Фотоумно- житель	0,5% (в диапа- зоне 1500—  2000° С) 2% (в диапазоне 2000—3500° С)	
IR-QF  (со светопро- водной опти- кой)	700—1500  800—1600	0,85; 1,0	Si	0,5	1,0
1R-AQ  (с цифровым отсчетом)	400—3100	—	Si Ge	—	—

применяться в дальнейших модификациях пирометров, но и
имеют самостоятельное значение.

В табл. 4.1 приведены характеристики некоторых типов
пирометров «Спектропир» [4.20; 4.21]. В 7—10-й модификациях
прибора типа «Спектропир» вместо электромеханического лого-
метра используется электронный.

Из зарубежных пирометров такого класса следует указать на
пирометр «Колопир», выпущенный в ГДР. Для разделения
потоков на две чак: и в пирометре использован раздваивающий-
ся гибкий светопровод.

В пирометре фирмы Siemens (ФРГ) [3.1] разделение по-
токов происходит с помощью интерференционного фильт-
ра.

В табл. 4.2 приведены характеристики пирометров спект-
рального отношения фирмы Chino [3.14].

Наиболее типичным пирометром с логарифмическими пре-
образователями является ЦЭП-3 [3.1]. Структурная схема
пирометра приведена на рис. 4.32.

Принцип работы такого пирометра заключается в сле-
дующем. Световой поток от объекта измерения через оптичес-
кую систему 1 и светофильтры диска 3 поступает на приемник
2. Диск вращается с постоянной частотой при помощи
электродвигателя 4. После усиления предусилителем 5 импуль
сы с приемника поступают на вход усилителя 6 с автоматичес-
114
Рис. 4.32. Структурная схема пирометра ЦЭП-3

кой регулировкой усиления и затем на амплитудный детектор 7,
формирующий импульсы экспоненциальной формы.

Для осуществления логарифмирования экспоненциальные
импульсы подаются на амплитудный ограничитель 8, в резуль-
тате чего получаются прямоугольные импульсы равной ампли-
туды с длительностью T = AlnUi и т2 = Э1п£72.

С помощью переключателя 9 синхронно с обтюратором
прямоугольные импульсы, соответствующие двум спектраль-
ным яркостям, подаются в противофазе на фильтр 15.

Постоянная составляющая тока на выходе /ср определяется
разностью импульсов и измеряется стандартным электронным
потенциометром типа ЭПП-09:

/^(In^-ln и2)-Л1п^1.

Автоматическое регулирование яркости осуществляется спе-
циальной электронной системой, управляющей электродвигате-
лем, на оси редуктора которого укреплен диск-ослабитель
светового потока. Принцип регулирования яркости заключается
в следующем: импульсы напряжения, пропорциональные спект-
ральным яркостям излучения, сравниваются посредством моду-
лятора 14 с эталонным напряжением, которое соответствует
нормальному уровню яркости. Если излучаемые яркости превы-
шают требуемый уровень, на выходе модулятора появляется
напряжение, фаза и амплитуда которого соответствуют измене-
нию яркости по сравнению с нормальным уровнем. После
усиления усилителем 13 это напряжение поступает на исполни-
тельный двигатель 12 и редуктор 11, приводящий диск-ослаби-
тель потока излучения 10 в нужное положение.

Ручное регулирование яркости осуществляется путем ручно-
го ввода диска-ослабителя потока излучения.

Пирометр позволяет измерять и регистрировать цветовую
температуру в диапазоне 1400—2800° С, число поддиапазо-
нов— три — пять, предельная инструментальная погрешность
+1 % верхнего предела используемого поддиапазона.

При использовании в ЦЭП-3 более рациональных режимов
логарифмирующего счетно-решающего устройства и при приме-
нении в качестве приемника излучения германиевого фотодиода
115
Рис. 4.33. Структурная схема пирометра с электрическим переключением
диапазонов

(в вентильном режиме) удалось снизить нижний диапазон
измерения до 600—650 °C, а при использовании фотодиода с
внешним напряжением или фототриодов—до 450—500° С.

Аналогично выполнены пирометры типов ЦЭПИР, ЦЭП-
ЗМ, ПИРСО, ПИРЭД.

По оригинальной схеме выполнен пирометр, показанный на
рис. 4.33 [3.1]. Поток, испускаемый источником, температуру ко-
торого необходимо измерить, проходит через оптику 1 на свето-
фильтр, установленный на диске 3, вращаемом электродвигателем
4, и воздействует на фотоумножитель 2. На диске 3 на равных
расстояниях друг от друга расположены восемь светофильтров.

В течение полного оборота диска каждый из восьми
светофильтров проходит перед фотоумножителем 2. Сигналы
фотоумножителя — U4 пропорциональны потокам с эффек-
тивными длинами волн —и подаются на электронный
усилитель 6, затем на логарифмический преобразователь 7 и на
усилитель 8. Амплитуды выходных сигналов усилителя U'2,
U'i, U4 соответственно пропорциональны логарифмам ампли-
туд сигналов их, U2, U3 и U4. Сигналы С/), U'3 соответствуют
одному пределу измерения цветовой температуры, а сигналы
U 2 и U4 — другому. Для разделения эти сигналы подают на два
электронных ключа 9а и 96.
116
На той же оси, что и диск 3, укреплены генераторы 10а и
Юб. Вход блока формирования 12 с помощью ключа 11
подключается или к генератору 10а, или к 106. Блок формиро-
вания 12 при его подключении ключом 11 к генератору 10а
формирует сигналы (Z15 d3, отпирающие коммутаторы 9а и 96
так, что пропускаются сигналы U\ и 1/'3. Разделенные таким
способом сигналы V\ и U'3 вводятся в «память» (построенную
на конденсаторах и С2). Постоянные напряжения с
конденсаторов С, и С2 подаются через каскады согласования
13а и 136 к электронному потенциометру 5, который регистри-
рует их разность. Резисторы 7?t — /?4 позволяют регулировать
диапазон измерения прибора.

Когда на блок формирования 12 подаются сигналы с
генератора Юб, он пропускает сигналы U2, U4 и соответственно
в памяти удерживаются сигналы U'2 и 17 д. Таким образом,
простое переключение ключа 11 позволяет перейти от одного
предела измерения цветовой температуры к другому, т. е. от
одной градуировочной кривой к другой, без остановки враще-
ния обтюратора.

Цветовой пирометр ЦЭПИР [4.22] состоит из датчика,
блока электроники и вторичного прибора — автоматического
потенциометра. Оптическую систему датчика составляют кон-
структивно объединенные в одном блоке объектив, призма-куб,
окуляр, полевая диафрагма, визирное устройство и установлен-
ный перед фотоэлементом дополнительный объектив, состоя-
щий из двух плосковыпуклых линз.

Основная часть светового потока от объекта, попадая на
призму-куб, отражается диагональной гранью и образует
изображение излучателя в плоскости полевой диафрагмы. Лучи,
пропущенные диагональной гранью, создают такое же по
величине изображение в визирном устройстве.

Оптическая система обеспечивает надежную работу с малы-
ми углами визирования (1/50 при температуре 1400° С, 1/150
или 1/250 при температуре свыше 1800° С).

Характерной особенностью цветового пирометра ЦЭПИР-010
является устройство переключения диапазонов, обеспечивающее
возможность применения пирометра для контроля термических
процессов с непрерывным изменением температуры в широких
пределах.

В приборе установлен специальный многодиапазонный об-
тюратор с тремя парами светофильтров, соответствующих трем
диапазонам измерения. Переключение диапазонов без вскрытия
датчика и замены обтюратора не требует последующей наладки
прибора, обеспечивает непрерывный контроль температуры в
широком диапазоне (1400—2800° С).

Цветовой пирометр ЦЭПИР разработан в двух модифика-
циях: ЦЭПИР-010, работающий в видимой части спектра
117
Таблица 4.3. Основные характеристики пирометров типа «Веселка»

Модификация пирометра	Диапазон изме- ряемых темпе- ратур, ’ С	Эффективные длины волн, мкм	Показатель визирова- ния	Основная погреш- ность, %	Быстродей- ствие, с
«Веселка-4»	1300 - 1800 16002200  2000 - 2800	0,44; 0,68	1:25  1:50  1:100	1	0,05
«Веселка-5»	500 — 800  700 - 1100  900—1400	1,25; 1,65	1:25  1.50 1:100	1,5  1,0  1,0	2,5/0,1
«Веселка-6»	200 — 500  300 700	2,65; 3,05	1:15  1:25	2,0  2,0	2,5/0,1  2,5/0,1

(диапазон 1400 — 2800° С), и ЦЭПИР-021, использующий инфра-
красную область (диапазон 700 —1400° С). Основная инстру-
ментальная погрешность приборов ЦЭПИР не превышает +1%,
порог чувствительности — 0,25% верхнего значения используе-
мого диапазона, показатель визирования—от 1/50 до 1/250.

Логарифмическое широтно-импульсное преобразование для
измерения отношения сигналов, пропорциональных потокам из-
лучения в двух участках спектра, использовано и в пирометрах
типа «Веселка», характеристики которых приведены в табл.4.3
[3.12; 3.13].

ГЛАВА 5

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ
СПЕЦИАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ,
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1.	ОЭСИТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ УЧАСТКОВ СПЕКТРА

По мере усложнения алгоритма обработки сигналов, про-
порциональных собственному излучению объекта, увеличива-
ется возможность уменьшения погрешности измерения темпе-
ратуры от изменения излучательной способности объекта.

Так, при использовании отношения потоков в двух участках
спектра действительная температура объекта может быть
определена при условии, что значение e1/s2 = const. Исполь-
зование более сложных алгоритмов обработки сигналов, про-
порциональных собственному излучению объекта, позволяет в
некоторых случаях измерять действительную температуру объ-
екта и при Ej/£2= const.
118
Рис. 5.1. Структурная схема ОЭСИТ с коррекцией по
параметру излучения объекта [(«1/«2)(Гя1 — Тя2)}/[(ц1/и2)— 1]

Наиболее простым решением является струк-
турная схема ОЭСИТ, приведенная на рис. 5.1, где
используются два приемника излучения.

Сигналы с двух приемников излучения 1 и 2
поступают на линеаризующие устройства 3 и 4,
обеспечивающие линейное изменение сигналов U1
и U2 с изменением температуры, причем коэф-
фициенты усиления устройств выбираются так,
чтобы выполнялось соотношение V1jV2 = n1ln2,

т. е. напряжение было в пх!п2 раз больше
напряжения U2. Оба напряжения подаются на устройство 5,
выполняющее следующую операцию: (С5 — U2)l(niln2 — 1). На-

пряжение на выходе устройства 5 измеряется прибором 6.

Коэффициенты б, и п2 характеризуют рост сигналов на

приемниках (см. гл. I).

Работает ОЭСИТ следующим образом. Если Тя1 и Тя2—
значения температур, измеренных по сигналам Ux и U2, то

можно записать

Тя1 = Т-АТя1; Тя2 = Т—АТя2,

где Т—действительная температура объекта; АТЯ1 и АТя2—
разности между Т и Тя1 и Тя2, существующие из-за отличия от
единицы соответствующих излучательных способностей объекта.

Учитывая, что при аппроксимации выражением (1.11)

8Гя1=^=15е1; gra2-^ = 15s2>

Гц,	Т п2

и полагая	получим

ТЯ1 п2Тя2.

Так как Тя1 — Тя2 = АТя2 — АТЯ1, то после некоторых преобра-
зований получим

Дтя1«(тя1-тя2)/(--1\

\П2	/

Следовательно, можно записать

Т= Тя1 + АТя1 = (ТЯ1 - Ta2)/f—— 1 ] = —(Тя1 - Тя2) Д-1 ).	(5.1)

\П2 J П1	\П2 J

Практически [5.1 ] была реализована ОЭСИТ, в которой
использовались датчик с кремниевым фотодиодом (nt = 14,5) и
датчик с термобатареей, у которого с учетом оптической
системы п2 = 5.

Следует отметить, что отношение не имеет решаю-
щего значения, так как даже большая ошибка в поправке
119
1

Рис. 5.2. Структурная схема двухканального ОЭСИТ

Рис. 5 3. Структурная схема блока обработки сигналов-

Г' —нормирующие узлы с коэффициентами передачи К’ и К", 2—суммирующий узел
3—нормирующий узел с коэффициентом передачи К,

составит лишь малую долю измеряемой температуры. Напри-
мер, если погрешность канала измерения яркостной темпера-
туры с использованием термобатареи составляет 50° С, тогда,
исходя из коэффициента л1/н2 = 3, в показания канала с
кремниевым приемником излучения следует ввести коррекцию,
равную 16,7° С. При и1/и2 = 2,3 коррекция составила бы 21,7° С,
т. е. на 5° С больше. Поэтому в ОЭСИТ отношение п21п2 было
принято равным трем, а затем по экспериментальным данным
вводилась дополнительная подстройка.

Во втором варианте ОЭСИТ применялось светоделительное
устройство, благодаря которому была создана единая оптичес-
кая система для обоих приемников. Визирование ОЭСИТ на
какую-либо определенную точку полосы автоматически влечет
за собой визирование на ту же точку обоих приемников.

На рис. 5.2 приведена структурная схема ОЭСИТ с исполь-
зованием двух широких участков спектра, в которой действи-
тельная температура определяется по предварительно опреде-
ленным в двух каналах цветовой и яркостной температурам.

ОЭСИТ содержит датчик 1, формирующий два электрических
сигнала, пропорциональных соответствующим потокам; канал
измерения цветовой температуры 2 с линеаризующим устройст-
вом; канал измерения яркостной температуры 3 также с
линеаризующим устройством и блока обработки сигналов 4,
структурная схема которого приведена на рис. 5.3.

Возможны два режима работы блока обработки: 1) а=
= к\ (Тя + к'2Тп) и 2) a = Zc't' (Тп+к2Тя), где для первого режима

=	к'{ = 1, ^г = (1 —Для второго режима fci = r|2,

М =	к'^ = (\-т]2)/з]2; при этом т]1=(Тц-7’)/(Гц-Гя); т)2 =

= (Т-ТЯ)/(ТЦ-ТЯ).

В первом режиме выходной сигнал пропорционален а =
= Тц — г|! (Тц — Тя), а во втором режиме он пропорционален а =
= Гя + т]2(Гц-Т’я).

Возможность использования этих схем ОЭСИТ определяется
только при наличии однозначной связи Ta—Tx=f(Tn—T) или
Тп—Тя=/(Т—Тя}. В частности, такая связь разности между
действительной температурой и температурой, измеренной
пирометром суммарного излучения, пирометром частичного
120
Рис. 5.4. Погрешность различных типов ОЭСИТ при измерении температуры
стальной ванны с различным содержанием кремния и с различным характером
поверхности.

1 — пирометр суммарного излучения, 2— пирометр частичного излучения с селеновым
фотоэлементом. 3 — пирометр спектрального отношения типа «Биоптикс», А — поверхность
ванны чистая, Б—образование все увеличивающихся участков с окисной пленкой
Б' — участки пленки малых размеров, Б’ — участки пленки больших размеров, В— поверх-
ность ванны полностью покрыта пленкой

излучения с селеновым фотоэлементом и пирометром спект-
рального отношения (для стальной ванны), исследована в [5.2].
При измерении изменялись процентное содержание кремния в
расплаве и характер поверхности ванны (неокисленная, част ично
окисленная и полностью окисленная).

Результаты приведены на рис. 5.4, откуда следует, что в
рассматриваемых условиях измерение действительной темпера-
туры стальной ванны ОЭСИТ (рис. 5.2) весьма эффективно.
Эффективность такой ОЭСИТ в [5.3 ] показана и при измерении
температуры алюминиевой полосы как при чистой поверхности,
так и при поверхности, покрытой специальным составом.

5.2.	ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ ПИРОМЕТРИИ

При использовании одного спектрального участка действи-
тельная температура определяется только при условии е = const.
При использовании двух участков спектра для определения
действительной температуры объекта требуется априорная
информация о независимости излучательной способности от
длины волны (bj /е2 = const).

Естественно, возникает вопрос, является ли зависимость
Ej= const или е1/с2 = const единственным видом функции е=ДХ.),
когда можно исключить методическую погрешность ОЭСИТ, и
не появляются ли другие виды таких функций при увеличении
числа спектральных участков измерения (т. е. при переходе к
многоцветовой пирометрии).

При использовании двойного отношения потоков энергии в
четырех ограниченных различными фильтрами участках спектра
температуру определяют согласно выражению

Фц . Ф13 Г/'ГХ

В частном случае, если в первом и втором отношениях
используется один общий участок спектра, возможно получение
двойного спектрального отношения и при использовании трех
участков спектра, т. е.

_ Фц . Ф>.2 _ ФцФкЗ _//-гЦ

Уз~фГ2 ^~~^1Г~л у

Отдельные попытки ответить на вопрос о целесообразности
многоспектральной пирометрии в ряде работ [5.4—5.8] в лучшем
случае сводились к некоторым частным выводам. Достаточно пол-
ный и убедительный ответ на этот вопрос дали работы [5.9, 5.10],
из которых следует, что при использовании т участков спектра ме-
1 одическая погрешность исключается, если изменение излучатель-
ной способности определяется зависимостью Е=/(Хт-2).

Методическая и инструментальная погрешности ОЭСИТ,
использующих четыре и три участка спектра, определяются
выражениями

8<4’=------

ln—4~
8283

.	8^4

1П----

8263

Х1Х.2А.3Х.4

___(n1 + n4)-(n2 + n3)

Сг

Т

х(3)________________InfctSj/e^)______________ + n -2п /	/2.

8 1пе1£э	V 1 Д 2,

£2	Т

g(4) __________Х1Х2Х3Х4_______________g ________8.У2	.

А.3А.4(А.2 — Х1)—А-1 Л.2(Х.4 — Х3) С2	(л, +я4)—(л2 + л3)

2(3)	А,11213	Т £	1	£

О и — у т:	, т: ГТ - з--------------	- оу 3

Х1) A-i(a.3 Х2) С2 а?[-)-л3 2л 2

соответственно. В этих формулах Зу3, Зу4—погрешности
измерения соответствующих отношений.

Из рассмотрения приведенных выше выражений следует, что
г	„ 1.1,	А.3Х4	Х3(Х2—Л.,)—X. (Л-я —Л.,)

при приближении отношении —и	к

Х4 Х3 X2~Xj	Х^Х2Х3
Рис. 5 5. Структурная схема пи-
рометра двойного спектрально-
го отношения при использова-
нии четырех участков спектра

Рис. 5 6 Структурная схема пирометра двойного спектрального отношения при
использовании трех участков спектра

единице погрешность ОЭСИТ двойного спектрального отно-
шения быстро возрастает.

Число сочетаний длин волн, при которых происходит резкое
увеличение погрешности, возрастает еще больше при использо-
вании пяти и более участков спектра, что делает нерациональ-
ной разработку ОЭСИТ, основанных на измерении температуры
по отношению потоков излучения более чем в четырех областях
спектра [5.11, 5.12], или же необходимо использовать сочетание
двух и более каналов двойного спектрального отношения
[5.13—5.15] с дальнейшей обработкой сигналов. Примером
такого решения является [5.14] шестиспектральная ОЭСИТ,
содержащая два канала, каждый из которых включает систему
измерения двойного спектрального отношения по излучению в
трех участках спектра. Все шесть узких участков спектра лежат
в диапазоне 0,7—1,8 мкм.

Однако сравнительные испытания шестиспектральной ОЭСИТ
и ОЭСИТ спектрального отношения на ряде материалов
(латунь, нержавеющая сталь, чугун и т. д.) как при их нагреве,
так и при охлаждении в диапазоне 820—920° С [5.14, 5.16, 5.17]
показали, что методические погрешности обоих типов для
испытанных материалов различаются незначительно.

Следовательно, для ответа на вопрос о целесообразности
использования многоспектральной ОЭСИТ в том или ином
процессе требуется проведение предварительных исследований в
реальных условиях.

Структурная схема ОЭСИТ двойного спектрального отно-
шения [5.18] при использовании четырех участков спектра
представлена на рис. 5.5. В датчике 1 формируются сигналы,
пропорциональные потокам излучения. После блока логариф-
мирования 2 получаются электрические сигналы, пропорцио-
нальные логарифмам сигналов датчика: Л, = 1п Ut. Ключами 3
сигналы At и А3 посылаются на первый, а сигналы А2 и —на
второй вход блока вычисления разности 4, вследствие чего на
показывающий прибор 5 поступает сигнал, пропорциональный
логарифму двойного отношения потоков излучения в четырех
участках спектра.
Рис. 5.7. Структурная схема шее гиспектральной ОЭСИТ:

1, 3, 4 -линзы, 2—прерыватель, 5 — фильтры. 6—приемники излучения, 7—предваритель-
ные усилители, 8 — каналы двойного спектрального отношения, 9 микропроцессор,
10 — таймер, 11 —дви! атель

Структурная схема трехцветного ОЭСИТ двойного спект-
рального отношения приведена на рис. 5.6. В датчике 1 форми-
руется серия импульсов, амплитуды которых пропорциональны
потокам излучения в трех достаточно узких участках спектра.
Эти импульсы после логарифмирования в блоке 2 синхронным
переключателем 3 подаются на два входа блока вычисления
разности 4 гак, что импульс Аг попадает на первый, а
импульсы А, и А3 через делитель напряжения Rt, R2 — на
второй вход. Таким образом, на показывающий прибор 5
поступает сигнал, который зависит от двойного отношения
потоков излучения в трех различных участках спектра.

На рис. 5.7 приведена в качестве примера реализация
шестиспектрального пирометра с микропроцессорной обработ-
кой сигналов.

5.3.	ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ОТНОШЕНИЮ ВОЗВЕДЕННЫХ В
ОПРЕДЕЛЕННУЮ СТЕПЕНЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ,
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим четыре метода [5.19] измерения температуры по
излучению в двух или четырех участках спектра, обеспечиваю-
щих также измерение действительной температуры при других
видах зависимости е=/(Х). При измерении первым методом
величину, пропорциональную потоку в коротковолновой об-
124
ласти спектра, возводят в степень (1 — Ру), а величину,
пропорциональную потоку в длинноволновой области спект-
ра,— в степень (1 — у); температуру определяют по отношению
возведенных в соответствующие степени величин, т. е.

(5.2)

где D^Q^i5; D2 = Q2'k25; D2 = q1; D4 = q2; p = X1/X2 при
аппроксимации формулой Вина; р = и2/и1 при аппроксимации
степенной зависимостью.

При измерении вторым методом величину, пропорциональ-
ную потоку в коротковолновой области спектра, возводят в
степень (1 + Ру), а величину, пропорциональную потоку в
длинноволновой области спектра,— в степень (у); температуру
определяют по отношению возведенных в соответствующие
степени величин:

(5-3)

Третий и четвертый методы расширяют возможности
использования излучения в четырех участках спектра.

Сущность третьего метода заключается в том, что величину,
пропорциональную отношению потоков с меньшим значением
Л (или большим AQ, возводят в степень (1—Ру), а величину,
пропорциональную отношению потоков с большим значением
Л (или с меньшим ЛГ),— в степень (1—у). Температуру
определяют по отношению возведенных в соответствующие
степени величин:

e.Ei/EjEiy D5( Db\

,=—	— -4 exp

e2e3\E4e?J Db\DlJ

-|(A11-A21)

ei e4 /E3EIV Д? / Да V
£2ЕЛ\£4Е?/ Ds\D$J

(5-4)

где £>5=(e1/e2)(X1/X2)-5; £>6=(63/e4)p.3/X4)'5; П7=?1/?2;

08 = <?3/g4; Р — At/A2 при аппроксимации формулой Вина;
P = .V2/A1 при аппроксимации степенной зависимостью.

При измерении четвертым методом величину, пропорцио-
нальную отношению потоков с меньшим значением Л (или с
большим AQ, возводят в степень (1 + Ру). а величину, пропор-
циональную отношению потоков с большим значением Л (или с
меньшим А),— в степень (у). Температуру определяют по
отношению возведенных в соответствующие степени величин:
у _si /ЕзЕ? V^5 ( V _ _ ( ^2 \ 

4 еДеЛ/лДл!/ Р\ КТ)

^Y^zf Y TN

E2\E4EV -D8\DV

(5.5)

Погрешность за счет изменения е при определении темпера-
туры рассмотренными методами определяют по следующим
формулам:

для первого метода

для третьего метода

1п [е1е4Гезе1

I е2е3 Le4Sl

(5-6)

(5-7)

е1е4Г езе!
e2E3LE4E?

(5.8)

*1~*2

Е1в4 Г Е3Е|Т

Е2Езке4Е1_

для четвертого метода

(5.9)

Анализ (5.6)—(5.9) показывает, что для исключения мето-
дической погрешности необходимо выполнение соотношений:
для первого метода
Рис. 5.8. Структурная схема для ре-
ализации новых методов измерения
температуры реальных объектов

ч з н н

для второго метода

(с \ I + Py

е1-7(1-₽)= 1;

Е2 /

для третьего метода

_L_i I	I Ьз I — 1 •

Е2Е3/	\64/

для четвертого метода

/	М + Рт/р

( flfl I I — I =1

\Е2Е3/	\Е4/

Следовательно, значения у и р (а при заданном |3 — значе-
ние у) должны выбираться из следующих условий:

для первого метода

(1-у)/(1-₽у) = 1пе1/1пЕ2;

для второго метода

У/(1 +Ру) = 1пе1 /1пе2;

для третьего метода

для четвертого метода

—=1п —
1 + ₽у е2

1П—.

Е4

5.4.	ОЭСИТ СПЕКТРАЛЬНОГО И ДВОЙНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО
ОТНОШЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ

На рис. 5.8 приведена обобщенная схема для реализации
рассмотренных выше методов в автоматических объективных
устройствах. Функции отдельных блоков схемы рассмотрены
ниже.

При реализации первого метода датчик 1 формирует сиг-
налы, пропорциональные Ф1Л и Ф^Уц и иХ2)', логариф-
мирующие устройства 2, 3 формируют сигналы In их1 и In 1Д2;
блоки 4, 5 используются для согласования с коэффициен-
том передачи соответственно I—у(3 и 1—у. В частном слу-
Состояние поверхности (сирое. 5.Э)

Рис. 5.10. Изменение обобщенных излучательных характеристик при изменении
излучательной способности в пределах, оговоренных рис. 5.9.

Такое поведение излучательной способности в общем виде
является характерным для металлов. Крайние значения и
характер изменения в промежуточных положениях постоянны
для определенных групп материалов.

Погрешность в определении температуры классическими
методами возникает за счет того, что неизвестно, какое
состояние имеет измеряемая поверхность в момент изме-
рения.

На рис. 5.10 приведены значения е при (кривая 7), eJej
при и Х2 (кривая 2) и Е^з/Ег ПРИ 'Ч и ^2 (кривые 3,
4 — два случая) в зависимости от изменения состояния поверх-
ности (от 7 до 7 согласно рис. 5.9).

На рис. 5.11 приведено значение погрешности 8Т для
пирометра частичного излучения при ^ = 0,5 мкм (кривая 7),
пирометра спектрального отношения при =0,5 мкм и 12 =
= 1,0 мкм (кривая 2) и пирометра двойного спектрального

Рис. 5.11. Погрешность измерения температуры новыми методами
130
отношения для двух случаев: Xi =0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм, Х3 =
= 2,0 мкм (кривая 5) и >ч=0,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 = 1,375 мкм
(кривая 4) при температуре 1500 К.

Как следует из уравнений (5.27)—(5.30), погрешность рас-
смотренных выше методов определяется соответственно сле-
дующими величинами:

Из этих выражений следует, что значение необходимо
выбирать таким образом, чтобы

s е	е?

In —+ yln -|-»min; 1пе< + yln — ->min;

е2 е?

1п ^ф+yln

Е2

In —+ yln

е2

-»min

е2



во всех областях изменения е, соответствующих различным
состояниям поверхности.

Для принятых выше случаев (Xt =0,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 —
= 2,0 мкм, Х'з= 1,375 мкм и Т=1500 К) и изменения е согласно
рис. 5.9 значения Т минимальны соответственно при у =1,55,
у = 0,25, у = 0,32, у = О,835.

На рис. 5.10 приведены зависимости

(ei/e2)(e2/ei'5)0,25 (кривая 5)	£i(e?’5/£2)1,55 (кривая б):

с2
е2

“10,835
е2

Е3_

(кривая 7); —

Е2

)0,5 “10,32

Ез
е2

(кривая 8), а на

рис. 5.11 кривые 5—8 характеризуют погрешность четырех
рассмотренных выше методов при изменении излучательной
способности в пределах, указанных на рис. 5.9.

Для другого класса материалов возможны другие пределы

изменения е, а следовательно, значения у.

Из рассмотренных выше примеров следует, что описанные
методы позволяют обеспечить резкое уменьшение погрешности
путем несложной перестройки коэффициента передачи в отдель-
ных элементах измерительной схемы.

Иногда возможен и другой характер окисления поверхности:
на неокисленной поверхности, излучательная способность кото-
рой определяется прямой 1 (см. рис. 5.9), возникают окисленные
участки, излучательная способность которых определяется,
например, прямыми 5 и 7, причем соотношение площадей
1,0

Рис. 5.12. Изменение излучательной способности в двух участках спектра при
относительном изменении отношения площадей поверхности поля визирования
с различной излучательной способностью

неокисленной и окисленной поверхностей может меняться от О
до 1. Тогда излучательная способность ел такой поверхности
определяется выражением

ЕэХ = Ехм + ^(еХо-М’

где е1м и е)о—излучательные способности соответственно
чистой и окисленной поверхности металла; N—отношение
площади неокисленного металла к площади окисленного.

Значения езИ, ез12, ез13, e3U/e3X2, e3Ji2/e3U и	при

изменении е от 0 до 1 приведены на рис. 5.12.

Кривые 1—6 характеризуют изменение указанных парамет-
ров при условии, если неокисленная и окисленная части
поверхности определяются зависимостью е=/(Х), представлен-
ной на рис. 5.9 прямыми 7 и 5, а кривые 7—12 — прямыми
1 и 7.

Следует отметить, что зависимость между еэ>1 и еэ12
постоянна и не зависит от величины N.

Действительно, уравнение связи между величинами е3>1 и
ез12, каждая из которых зависит от N, выглядит так:

Е-,щ

~ (ЕэХ2

„	\еИ0~6>.1м । „

420""fc2M

При использовании как классических, так и рассмотренных
выше методов при измерении температуры поверхности, излу-
чательная способность которой изменяется согласно рис. 5.9,
погрешность измерения температуры определяется кривыми,
аналогичными приведенным на рис. 5.10. Таким образом, и для
подобных объектов измерения преимущества новых методов
очевидны. При этом условия получения минимальной погреш-
ности измерения температуры и методики определения пара-
метров схемы остаются прежними.
132
В качестве примера рассмотрим применение первого метода
для измерения температуры стальной ванны, поверхность
которой изменяется от чистой неокисленной до полностью
окисленной при использовании видимого участка спектра
(Xj = 0,45 мкм; Х2 = 0,65 мкм).

На рис. 5.13, а приведена зависимость е=/(Х) для чистой
(кривая 7) и окисленной (кривая 2) поверхностей стальной
ванны. На рис. 5.13, б, в приведены зависимости Ei и In Ei
(кривые 7), е2 и 1пе2 (кривые 2), eJ&2 и 1п(Е1/е2) (кривые 3) для
чистой и окисленной поверхностей ванны в поле визирования
пирометра.

Значение погрешности классических пирометров (яркостных
с Xi = 0,45 мкм или Х2 = 0,65 мкм и цветового при тех же длинах
волн) приведено на рис. 5.13, г (кривые 7—3).

На рис. 5.13, г приведено также значение погрешности
(кривая 4) при тех же условиях при использовании первого
метода.

5.5.	ОЭСИТ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРУ ПО ДВУМ
УСЛОВНЫМ ТЕМПЕРАТУРАМ

По двум значениям условных температур (Тя1 и Тя2, или Тя
и Тц, или Тц1 и Тц2) также возможно определение действитель-
ной температуры при условии £x/const или s1/£2 = const [5.21].

Легко показать, что

« = Y2^ry21-Y1^Ty-11=^f^-^ + y1ln£1-y2ln£2,(5.10)
где если температура определяется яркостным пирометром, то
ТЦ=ТЯ, £ = Х, Е=е; если же температура определяется цветовым
пирометром, то Ту-Та, Л = Л = Х1Х2/(Х2-Х1) и E-eJe2. При
условии у11пЕ1 = у21пЕ2 разность обратных значений условных
температур, уменьшенных соответственно в yxC2ILv и УгС2!Е2
раз, определяется только действительной температурой объекта.

Если же у11п£'1^у21п£'2, то погрешность определения
действительной температуры по двум условным определяется
выражением

Yllni?! Y2I11E2	(5 11)

г 1 г 1 с 1 ^2/Т1
[у. In	I—I

В общем случае 8Т=0, если (EJE-^iE^~т2 = 1.

Следовательно, значения ух и у2 необходимо выбирать из
условия

А = Y1/Y2 =1п Е2/}пЕ1
во всей области изменения излучательной способности объекта.
Выполнение последних двух равенств и является условием
применимости данного метода для определения действительной
температуры объекта.

Для устранения влияния изменения yt и у2 на градуировоч-
ную кривую необходимо также обеспечить условие

У 2 ~ (А2 ~ А1)/(А-^2	А1)’

при этом (5.11) примет вид

8Т=----------------------- (5.12)

Возможности описанного выше метода рассмотрим на
примере реальной металлической поверхности, излучательная
способность которой изменяется аналогично рис. 5.9 и 5.12.

Хотя условия получения 8Т=0 (для случая изменения
излучательной способности согласно рис. 5.9 и 5.12) и не
выполняются при использовании рассмотренного выше метода,
погрешность определения температуры может быть значитель-
но уменьшена.

На рис. 5.14, а, б показана погрешность определения темпе-
ратуры по двум яркостным температурам (Xt =0,5 мкм; Х2 =
= 1мкм; ух = 1; у2 = 0,9; Т=1500К).

На рис. 5.14,в, г приведена погрешность определения темпе-
ратуры по яркостной (Х1=0,5 мкм) и цветовой (Хг = 0,5мкм и
Х2 = 1,0мкм) температурам при ух = 1, у2 = 7, Т=1500 К.
134
Рис. 5.14. Погрешность метода измерения температуры по условным темпера-
турам

На рис. 5.14, д, е приведена погрешность определения темпе-
ратуры по двум цветовым температурам (Xi =0,5 мкм; Х2 =
= 1,0 мкм и к2 = 1,0мкм; к3 = 2,0 мкм) при у3 = 1, у2 = 0,3,
Т=1500 К.

На кривых рис. 5.14,6, г, е приведены значения погрешности
при значениях излучательной способности окислительного ме-
талла, равных 0,7 (кривые 7) и 0,9 (кривые 2).

Такой метод может быть реализован как использованием
ЭВМ, так и в виде автоматической ОЭСИТ, структурная схема
которой аналогична схеме, приведенной на рис. 5.8.

В блоке 1 излучение от объекта преобразуется в электриче-
ские сигналы. В блоках 2, 3, основой которых являются
логарифмические преобразователи, осуществляется вычисление
ЛТ1 и Ту-21.

Блоки 4, 5 являются согласующими, в них происходит
умножение выходных сигналов блоков 2 и 3 в ylC2/L1 и
7iC2/L2 раз.

Разность этих сигналов вычисляется в блоке 6 и измеряется
указывающим прибором 7.

5.6.	ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ОБ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ

СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТА

Априорная информация об излучательной способности
объекта может иметь двоякий характер: прямой, когда известны
либо величина е, либо характер ее изменения, т. е. функция
Е=/'(Х), и косвенный, когда определена разность между дей-
ствительной и условной температурами объекта.

За последнее время появилось много работ (например, [5.6,
5.22—5.24]) по определению излучательной способности на
основе собственного излучения объекта. Однако, как показано в
[5.25], погрешность определения значения е велика и без
априорного знания характера изменения излучательной способ-
ности [5.26] ни одна из описанных методик не может быть
использована.

Метод введения поправки в показания ОЭСИТ для получе-
ния по его собственному излучению значений температуры
объекта, более близких к его действительной температуре, чем
условные температуры классических методов, основан на
дополнительных преобразованиях потоков излучения или соот-
ветствующих им электрических сигналов. В результате таких
преобразований получаются некоторые величины, не зависящие
от температуры объекта, а зависящие от спектральной чувстви-
тельности пирометра и вида функции излучательных способ-
ностей объекта в его рабочих спектральных участках. Зависи-
мость между такого рода величинами и поправками к
измеряемым ОЭСИТ условным температурам объекта устанав-
ливается опытным путем. Действительная температура объекта
может быть получена лишь в том случае, если электрический
сигнал, полученный в результате преобразования потоков
излучения, однозначно связан со значением излучательной
способности или отношением двух или более излучательных
способностей объекта в рабочих спектральных участках [5.27].

Г. Рибо [5.28], а затем К. Тингвальд и Ф. Хоффман [5.29]
предложили метод извлечения информации об излучательных
характеристиках реального объекта из показаний цветовой и
яркостной ОЭСИТ. Зная Тц и Тя, можно вычислить «цветную
излучательную способность» объекта в рабочем спектральном
участке [5.29]:

(5.13)

С 2

Цветную излучательную способность можно также опреде-
лить по двум яркостным температурам Тя1 и Тя2 при двух
эффективных длинах волн X] и Х2:

(5.14)
'-'2

Возможность использования величины ец для вычисления дей-
ствительной температуры обусловлена ее физическим смыслом:

Ь° =е Ь®. =еТ>° .
лТя И 7|| л 'Т
Из соотношения (5.14) следует, что

Т-1 — Т”1 = — — In—.	(5.15)

6-2 Ех

*

Уравнения (5.13) — (5.15) показывают, что, измерив Тц и Тя
или Тя1 и Тя$, можно вычислить величину ец и по ней ввести
поправку к Ти или Тя.
136
Как видно из (5.15), возможность введения поправки к Та на
«нечерноту» объекта связана с наличием однозначной связи
между ец, вычисляемой по значениям Тц и Тя или Гя1 и Гя2, и
величиной ец/ех, используемой для вычисления поправки к Тв.
Эта возможность существует тогда, когда е,= const или
однозначно связана с ец.

Однако для реальных тел случай е,= const чрезвычайно
редкий. Наиболее вероятен второй случай, в рамках которого
возможно определение действительной температуры по уравне-
ниям (5.14), (5.15). Такая возможность существует тогда, когда
в используемом спектральном участке пирометров «Биоптикс»
или «Триколор» форма зависимости ех=/(Х) неизменна при
любом состоянии поверхности контролируемого объекта.

Для пирометров спектрального отношения, которые изме-
ряют цветовую температуру реального тела Та по отношению
спектральных энергетических яркостей в двух эффективных
длинах волн, поправка к цветовой температуре объекта
является функцией отношения zx^z2.

Если одновременно с измерением цветовой температуры Тц
существует возможность измерения яркостных температур ГЯ1 и
Тя2, то аналогично методу Г. Рибо, К. Тингвальда и Ф. Хофф-
мана можно извлечь дополнительную информацию об излуча-
тельных характеристиках объекта.

Взяв два уравнения для яркостных температур Тя1 и Тя2 для
двух эффективных длин волн и к2 и исключив значение
действительной температуры Т, получим

Тя7-Тя7=^1пе2-^1пе1=-±ь4.	(5.16)

С2	с2	I 2 е2

Аналогично выводят соотношения между цветовой и яркост-
ной температурами:

Т^-Т-я11= --31^1п|;	(5.17)

(5.18)

/\<2 А1 ЪТ'

Уравнения (5.16) — (5.18) дают одинаковую информацию об
излучательных характеристиках объекта в виде величины т =
— Ej>/£22 = (e1/e2)X'1 E^i^a’.

Сравнение уравнений (5.14)—(5.18) показывает, что цветовая
температура Та является лишь частным случаем цветовой
температуры Тц, когда излучательные способности в обоих
рабочих участках спектра равны и имеют значение ец. Тогда
е^/Ег2 — Ец1 ~^2\ что ставит в полное соответствие уравнения
(5.14), (5.15) и (5.16) —(5.18).
Извлекаемая из потока собственного излучения объекта
информация в виде модуля ш — е^/е^ может быть исполь-
зована для введения поправки к Тц или Тя для полу-
чения действительной температуры Т только в том слу-
чае, когда между величиной ш, с одной стороны, и ве-
личиной е или е1/е2, с другой, существует однозначная
связь. Тогда между поправкой к Г, или Тя контролируе-
мого объекта и величиной m может быть определена эмпири-
ческая зависимость, которая затем используется для введения
поправки.

Представляется целесообразным подробно рассмотреть воз-
можности введения поправки на основе использования вели-
чины АТя’^ТЬ-Т^-

Рассмотрим прежде всего возможность коррекции показаний
энергетических ОЭСИТ. Речь пойдет о квазимонохроматических
или близких к ним ОЭСИТ, так как только в этом случае
применимо понятие эффективной длины волны как неизменной
характеристики ОЭСИТ.

Поскольку уравнение (5.16) — с двумя неизвестными, опреде-
лить величины е15 е2 или Ех/е2 невозможно, следовательно,
нельзя расчетным путем определить поправку АТ на действи-
тельную температуру объекта. Остается лишь возможность
экспериментальным путем установить для каждого конкретного
объекта и процесса, в котором объект участвует, связь АТ^1 с
АТ’1, с тем чтобы затем вводить поправку в показания
пирометра либо расчетным путем по измеренной АТ^1, либо
автоматически.

Следует рассмотреть прежде всего требования, которые
накладываются на величину АТ71 для того, чтобы ее можно
было использовать для введения поправки на показания
пирометра. Будем считать, что поправка вводится к яркостной
температуре Тя1. В этом случае АТ’1 = Т~1 — Тя\.

Очевидно, что АТ71=/(АТ’1) должна быть монотонной
функцией в строгом смысле, поскольку величина АТЯ 1 пропор-
циональна lnEii/Ег2, а величина АТ-1 в данном случае пропор-
циональна In Ер То же требование монотонности справедливо и
ДЛЯ функции Е11/Е22=/(е1).

Таким образом, если для объекта известны изменения в
течение процесса, то, анализируя функцию е)1/е22=/(ех), можно
оценить, допускает ли объект возможность температурной
коррекции в этих спектральных участках.

Следует заметить, что условию монотонности этой функ-
ции отвечают самые различные виды функции е2 = ф(е1),
которые могут иметь как монотонный, так и экстремаль-
ный характер. Например, для функции е^/е^дЕх зависи-
мость е2 = (р(е1) имеет монотонный, а для функции Ex1/e2j =
= ae£i — экстремальный характер. Поэтому пользоваться функ-
138
циями с2 = <р(е1) для оценки объекта вряд ли целесооб-
разно.

Если же данных о характере изменения Et и е2 нет, то, как
указывалось выше, необходимо экспериментально снять зависи-
мость Д7'Я1=/(Д7’1), т. е. для того, чтобы оценить возмож-
ность коррекции показаний ОЭСИТ в данном процессе,
необходимо предварительно в течение всего процесса измерять
Т, Тя1 и Тя2 и затем рассчитать для каждого значения Д7"1
величину Т'^-Тя/.

Измерение двух яркостных температур ТЯ1 и Тя2 позволяет
определить ДТ71, а при наличии известной и пригодной
зависимости ДТ71=/(ДТ-1) или £ii/E22=/(Ei) можно определить
ДГ и, следовательно, действительную температуру объекта
расчетным путем.

Аналогичные требования должны быть выполнены и для
зависимостей Тя 1 — Тц 1 и других для формирования поправки к
показаниям цветового пирометра.

Теперь рассмотрим возможность формирования поправ-
ки, определяемой только е, с использованием дополни-
тельного измерения отношения энергий в двух участках
спектра.

Связь между излучением в четырех областях спектра
и излучательной способностью выявляется при измерении
разности обратных значений цветовых температур T^i и
Г;?:

(5.19)

Aj — А1Х2/(Х2 — Aq); Л2 — Х3Х4/(Х.4 Х3).

Из формулы (5.19) следует, что величину ех/Е2 по (е1е4/е2е3)л1 х
х(е3/£4)л1“л2 можно определить только при однозначной
зависимости между ними.

Выбирая необходимые значения Xj — Х4, можно для конкрет-
ных изменений е==/'(Х) получить наиболее близкое приближение
к этому условию. Методика определения поправки по уравне-
нию (5.19) аналогична методике определения поправки по Тя^ и
г,?.

Легко заметить, что при использовании четырех областей
спектра получаемая информация значительно полнее характе-
ризует излучательную способность объекта. Например, при
«сером» излучении путем измерения ТяХ и Тя2 мы не можем
судить о постоянстве t-j£.2, а при измерении Тц1 и Тц2 такая
возможность появляется.
5.7.	ОЭСИТ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ПОПРАВКИ
ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ПО ОПРЕДЕЛЕННОМУ АЛГОРИТМУ СИГНАЛОВ,
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫХ ПОТОКАМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Величину, независимую от температуры и определяемую
только излучательными характеристиками объекта, можно
получить путем обработки по специальному алгоритму потоков
излучения объекта (или электрических сигналов, пропорцио-
нальных этим потокам) в двух различных участках спектра.

При аппроксимации потоков зависимость (1.11) можно
записать:

Г21П^'Г

— In (4 т = -4- In—+

Х2	ХД2 ф

+—In
^•1^-2

______

A.jA.2 ^-22

(5.20)

MkT~MnCV = ln^ +
e22

+ lnfc^£-51n^;

(kzQiV2 X22

^1пС7кг-1п^2Г=11п4+

^2	^2	&22

(5-21)

	—1—In  1^1'.— 51П-2-.	(5.22)
	(k2Q2)^	M'2	
При	аппроксимации потоков зависимости (1.12)	можно
записать	те же зависимости в следующем виде:	
	n2lnt/17.-/?1t/27. = lni^ + -- In^p;  2	lT 1 2Т	Е"2. nin2 (к2<ф’	(5.23)
	п2\пи1Т-П1^и2Т = \пЕ±+\пШ1-,	(5.24)
	—In UlT-In t/2r=lln?+lln^.  «1	л, е2‘ «1	(k2q-^n'	(5.25)
При	использовании излучения в четырех участках	спектра

можно записать:

1 1	1 1	1 1

— Ina, — 7-lna9 = T—— In

1 Л!	2 AjA2

Л2

+t~X~ ln
AjA2

(^i6i	A^i

(k3Q3/k4Q^	AKI’

(5.26)
Ai ,	,	1 . (Е1/Е2)Л1

— Ina. —lna2=—In* 2/. +
л2	Л2 (ез/Е^г

I 1	(^161	|n .

kA_(k3Q3lk<Q^ лкг

Aj In a( — A2 In a2 — In ^1/E2^/.-|-
(е3/е4)'2

+ln^6i/^g2)A-_5inMi;
(кзйз/к^Г2 A)2

Ui,t . x.x, . x.x,
где a.=——; a2=——; Л.=- 1 <; Л2=—

Ц,2т	k2 — Xt	X2 —X,

1	1	1 i (si/ei)*2 ,

N. 1 N2 2 A',A2 (83/E4)ni

(5-27)

(5.28)

,___I j (^i/*^)*2.

NtN2 (k3q3fk4qi'jr<i

(5-29)

N2	1 1

(El/Ea)*2 , 1 1 (^191/^292)2.

(k3q3/k4q^

(5.30)

N2al — A\a2 = ln

+ ln

(Mi/^)*2

(^з/Ма)*1 ’

(5.31)

Так как при аппроксимации выражениями (1.11) и (1.12)
приведенные выше зависимости аналогичны друг другу, то в
дальнейшем будем рассматривать лишь зависимости, получен-
ные при аппроксимации выражением (1.11).

На рис. 5.15 приведены две схемы ОЭСИТ, в которых
поправки формируются согласно зависимости (5.22).

В схеме на рис. 5.15, а поправка вводится в показания
ОЭСИТ частичного излучения. ОЭСИТ состоит из датчика 1,

логарифмирующего преобразователя 2, блока введения поправ-
ки 4, показывающего прибора 5, блока вычисления разности 6 и
блока формирования 7. В качестве логарифмирующего преобра-
зователя может быть использован и приемник излучения,

Рис. 5.15. Структурные схемы пирометров с коррекцией по излучению в двух
участках спектра:

а—частичного излучения, 6—спектрального отношения
работающий в логарифмирующем режиме. Возможно выпол-
нение ОЭСИТ и по одноканальной схеме с одним логарифми-
рующим преобразователем; при этом в датчике осуществляется
преобразование потока излучения в последовательность чере-
дующихся импульсов с амплитудами, пропорциональными
потоками излучения, с последующим разделением электричес-
ких сигналов на выходе. Электрические сигналы (7и и (7Х2 от
датчика 1 поступают на логарифмирующий преобразователь 2,
на выходе которого формируются сигналы

At = ln t/u =ln(fc121) + lne1 —SlnXx —

А2 = In t/X2 = In (fc2Q2) + In e2 - 5X2 - C2/(X2 T).

Сигнал Aj, подается на вход блока вычисления разности 7
ослабленным делителем Rr, R2 в 'krl'k2 раз, а сигнал А2 — без
изменения.

Блок вычисления разности формирует сигнал

т,	1 Г гЧ

ap=pln СА —In -Ь = ~ \n^+A-b ,

>-2	1	2 Л, L Е12

где А — коэффициент, не зависящий от излучательной способ-
ности объекта и определяемый только параметрами измери-
тельной схемы:

b — составляющая, устраняющая постоянную, не зависящую от
излучательной способности объекта часть А сигнала, т. е. Ь = А.

Напряжение ар подается на блок формирования поправки,
который формирует сигнал аЕ = аар.

Коэффициент а устанавливается экспериментально путем
градуировки ОЭСИТ по образцовым излучателям; при этом его
значение устанавливается так, чтобы в некоторой области
изменения Et и е2 соблюдались следующие условия:

a^ln^/Ej) при ае = 1п£1.	(5.32)

В общем случае для увеличения области значений и е2, где
сохраняются эти равенства, коэффициент а может зависеть и от
ар, т. е. коэффициент передачи блока поправки определяется
также и уровнем входного сигнала*.

Показывающий прибор 5 измеряет разность сигналов с
выхода одного из логарифмических преобразователей и поправ-
ки (эта разность вычисляется в блоке 4\.

а = А1-ае = 1п(Л1б1)-51пХ1+1пЕ1-ас-Д;.

Л. £ У

* Это положение справедливо и для других схем.
Тогда в некоторой области изменения е при выполнении
условий (5.32) получим

a = ln(fc1g1)-51nk1-C2/(X1T).

Погрешность ОЭСИТ частичного излучения с коррекцией по
излучению в двух участках спектра будет равна

8Т=	.	(5.33)

ln[E1(E)1/E^]-^

Л, £ У

На рис. 5.15, б приведена схема ОЭСИТ с поправкой на
изменение е, введенной в показания пирометра спектрального
отношения. Блоки 1, 2, 4—7 и их работа аналогичны блокам
описанной выше схемы.

Отличие этой схемы от предыдущей заключается в том, что
из логарифмических преобразователей сигналы Aj и Л2 посту-
пают на блок формирования цветовой температуры 3, вычис-
ляющий разность Ai — А2, т. е.

a = А! - А2 = In	- 5 In +In

ц	a2Q2 X2 ё2 AT

Из этого напряжения в блоке 4 вычитается напряжение аЕ,
при этом коэффициент а настраивается таким образом, чтобы
a^ln^/Ej.

Таким образом, показания прибора пропорциональны вели-
чине

а	—51n—+ln——аЕ—-^2-.

ц k2Q2 X2 £2 E AT

Если в некоторой области изменения е1/е2 разность будет
равна 0, то

1	ci с2

a = In	5 In-1—-.

Л22г ^2 TiT

Погрешность ОЭСИТ спектрального отношения с коррек-
цией определяется формулой

gJ>_ 1Д [e1/s2	34)

1п[Е1/е2(^/^Н-(С2/ЛГ)’

На рис. 5.16 приведены две схемы пирометров, в которых
поправка формируется по потокам излучения в четырех
участках спектра.

При анализе схем ОЭСИТ, в которых осуществляется
введение поправки на изменение излучательной способности

143
Рис. 5.16. Структурные схемы пирометров спектрального отношения (а) и
двойного спектрального отношения (б) с коррекцией в четырех участках
спектра

объекта по излучению в четырех участках спектра, рассмотрим
вариант (5.27), тогда

аЕ = —In
Л2

е1е4 Г* / ^3

Ё2е3/	\Ё4

где

= — In
А 2

На рис. 5.16, а приведена структурная схема ОЭСИТ спект-
рального отношения с коррекцией.

Блоки ОЭСИТ выполняют следующие функции: датчик 1
формирует сигналы Cu, U^2, и t/k4, пропорциональные
потокам с эффективными волнами Х2, и л4; измери-
тели отношения 2, 3 вычисляют отношения —
a2 = ln({7k3/Ck4); делитель RJRi ослабляет электрический сиг-
нал а в At/A2 раз; a'^Aj/A^a; блок 4 вычисляет разность
ap = ai — a2 — b; блок 8 формирует поправку aE = a-ap; блок 6
вводит поправку а = ац — аЕ. Показания снимаются с показываю-
щего прибора 5.

Коэффициент Ь, устанавливаемый в блоке 4, устраняет
неизменяемую часть сигнала и численно равен значению А.

Коэффициент передачи блока формирования поправки а
устанавливается экспериментально (при градуировке) таким,
чтобы в некоторой области изменения излучательных ха-
рактеристик объекта соблюдалось приближенное равенство
aE»ln(£i/£2).

Тогда

а = ац-aE = ln^|i-51п£*-
K2S/2	Л2



Погрешность ОЭСИТ спектрального отношения с коррекци-
ей по излучению в четырех областях спектра определяется
выражением

g т=_______ 1п{(е1/е2)[(е4/е3)Л2/(е1/е2)Л-]}

1n{(e1/£2)[(e4/e3/2/((e1/s2/1-(C2/A1T))]}

(5.35)
Схема ОЭСИТ двойного спектрального отношения с введе-
нием поправки на изменение излучательных характеристик
объекта согласно рис. 5.8 приведена на рис. 5.16, б. Блоки 1, 6 и
8 аналогичны блокам схемы рис. 5.16, а. Блок 7 вычисляет
значение (ах — а) в этой схеме ОЭСИТ таким образом, чтобы
соблюдалось приближенное равенство

aE = aaD«;ln^i^.
р e2s3

В этом случае погрешность ОЭСИТ двойного спектрального
отношения за счет изменяющейся излучательной способности
минимальна.

Погрешность такой ОЭСИТ определяется выражением

gji fa {(е1е4./е2Ёз)С(ез/е4)Л2/(е2/е1 У4']“}	(J 36)

In {(eie4)/(e2e3) [(83/8^2/(826! ^1]“}у

Как следует из уравнений (5.33) — (5.36), при использовании
ОЭСИТ с коррекцией погрешность может быть как меньше, так
и больше погрешности ОЭСИТ излучения без коррекции. Это
зависит от характера изменения 8 и от параметров' схемы
данной ОЭСИТ.

Например, для ОЭСИТ спектрального отношения с исполь-
зованием для формирования поправки излучения в двух
участках спектра необходима однозначная зависимость

£.1,	/ С \ / £. \1,

—	— ) = ( — ) 8(^1 -Х2>

е22	\е2/ \е2/

Это приводит к тому, что у ОЭСИТ спектрального отношения с
коррекцией появляется значительная погрешность при измерении
температуры объектов с «серым» излучением при изменении
абсолютного значения излучательной способности.

Следовательно, для решения вопроса о возможности исполь-
зования ОЭСИТ с коррекцией необходимо детальное исследо-
вание характера изменения излучательной способности объекта.

Если путем предварительного изучения характера изменения
излучательных характеристик объекта определено, что по мере
изменения отношения одновременно изменяется 8*1/б^ и
эта связь однозначно сохраняется при всех условиях работы
того или иного технологического агрегата, то целесообразно
применять ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией.

В качестве примера следует указать на [5.30], где рас-
смотрена практическая работа одного из вариантов такого типа
ОЭСИТ.

Если же при изменении абсолютной величины б отношение
Ej/82 изменяется незначительно (при изменении 8^/8г2), то
Состояние поверхности (см.ри. с. 5.9)
поправку целесообразно вводить
частичного излучения (например,

Рис. 5.17. Погрешность различных
типов пирометров при измерении
температуры поверхностей, излуча-
тельная способность которых из-
меняется согласно зависимостям
на рис. 5.9.

в показания пирометров
при нагреве алюминиевых

сплавов).

Аналогичные условия можно сформулировать и для случая
использования ОЭСИТ спектрального отношения и ОЭСИТ
двойного спектрального отношения с формированием поправки

по излучению в четырех участках спектра.

Сигнал, пропорциональный аЕ, может быть введен как в
ОЭСИТ спектрального отношения, так и в ОЭСИТ двойного
спектрального отношения в зависимости от характера измене-
ния излучательной способности объекта. Если существует
однозначная зависимость между ае и	то необходимо

использовать ОЭСИТ спектрального отношения с коррекцией
(рис. 5.16, а), если существует однозначная зависимость между
аг и с,£4/£2£3, то используется ОЭСИТ двойного спектрального
отношения с коррекцией.

Возможности рассмотренных ОЭСИТ определим на примере
измерения температуры реальной металлической поверхности,
излучательные характеристики которой изменяются согласно
рис. 5.9.

Погрешность определения температуры классическими мето-
дами пирометрии излучения возникает за счет того, что
неизвестно, какое состояние имеет измеряемая поверхность в
момент измерения.

•На рис. 5.17 приведены погрешности классических методов
пирометров излучения (кривые 7, 2 для пирометров частичного
излучения с А = 0,5 мкм и пирометров спектрального отношения
с Ах =0,5 мкм, А2 = 1,0мкм), пирометров двойного спектраль-
ного отношения (кривая 3: kj =0,5 мкм, Х2 = 1,0мкм, А3 =
= 2,0 мкм; кривая 4: >^ = 0,5 мкм, А2 = 1,0 мкм, А3 = 1,375 мкм) и
пирометров с коррекцией (кривая 5 для ОЭСИТ частичного
излучения с А = 0,5 мкм с коррекцией по излучению в двух
участках спектра с А, =0,5 мкм и А2 = 1,0 мкм, а= 1,55; кривая 6
для пирометра спектрального отношения с А1=0,5мкм и
А2 = 1,0 мкм с коррекцией по излучению в тех же участках
спектра, « = 0,25; кривая 7 для ОЭСИТ спектрального отноше-
ния с Х,!=0,5мкм, Х2 = 1,0 мкм с коррекцией по излучению в
трех участках спектра с =0,5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 = 2,0 мкм,
« = 0,16; кривая 8 для пирометра двойного спектрального
отношения с /ч =0.5 мкм, Х2 = 1,0 мкм, Х3 = 2,0 мкм, « = 0,417 с
коррекцией в тех же участках спектра). Кривые построены для
температуры 1500 К.

Из кривых 3 и 4 видно, насколько важно правильно выбрать
используемые участки спектра для ОЭСИТ двойного спектраль-
ного отношения. При неправильном выборе используемых
участков спектра погрешность ОЭСИТ двойного спектрального
отношения может превышать погрешность ОЭСИТ частичного
излучения. Из кривых 3 и 4 также следует, что для рассмотрен-
ных выше пределов изменения 8 (см. рис. 5.14) введение
коррекции позволяет значительно уменьшить погрешность как
ОЭСИТ частичного излучения и спектрального отношения, так
и ОЭСИТ двойного спектрального отношения.

Для другого класса материалов возможны другие пределы
изменения 8, вследствие чего необходимо определять другое
значение коэффициента а.

Из вышеизложенного следует, что рассмотренные методы с
точки зрения уменьшения методической погрешности при
а = const равноценны методам, рассмотренным в § 5.4 и 5.5,
причем у = «Х2 или у = «Л2.

5.8.	ОЭСИТ С ФОРМИРОВАНИЕМ ПОПРАВКИ ПРИ ШИРОКИХ
УЧАСТКАХ СПЕКТРА

Структурная схема такой ОЭСИТ приведена на рис. 5.18.

Зависимость коэффициента передачи функционального бло-
ка 7 выбирается таким образом, чтобы при визировании
ОЭСИТ на «черное» тело напряжение на выходе было равно
напряжению на приемнике 6, т. е. при любом значении темпера-
туры «черного» тела (в измеряемом диапазоне) Ckl^=C/k2.

Тогда при визировании ОЭСИТ на реальный объект, у
которого 8^1, на выходе блока разности 8 появится напря-
жение, определяемое значением 8, т. е. ДС = ЕС7и, где S—
величина, определяемая только 8.

1 Z 3 5 ________________________|7g

Рис. 5.18. Структурная схема двухканальной ОЭСИТ:

/—объектив; 2 — светоделительное устройство; 3,4— фильтры; 5,6—приемники излуче-
ния; 7—функциональный блок; 8—измеритель разности; 9 — нормирующий блок; 10—
сумматор
Например, если объект измерения имеет металлический
характер излучения, когда с увеличением длины волны величина
излучательной способности убывает монотонно, т. е. при к1<к2
всегда сохраняется неравенство 8Х>82, величина напряжения АС/
отражает одновременно степень «серости» и степень «черноты»
объекта (или степень окисленности его поверхности, если
объектом является постепенно окисляющаяся металлическая
поверхность).

Напряжение АС/ нормируется блоком 9 с коэффициентом
передачи ки и суммируется в сумматоре 10 с напряжением С/-,.

Таким образом, С/ВЫх = Si C/°i + S С/и = (в+А:нЕ) C/°i, значе-
ние кя выбирается из условия 8+A:HS=l. Если возможно
пользоваться аппроксимациями (1.11) или (1.12), то значение к
можно определить аналитически:

при аппроксимации (1.11) напряжения на приемниках излу-
чения при визировании их на абсолютно черное тело с
температурой Т будут равны

U^k^1

/ 1

Ui2=k2Q\p

к 4^2

=ггг^ехр

£/1' 2

к

откуда

ГС О К	к

С/£ = = 1	= ^_L2([/°y-W,

U*-2 к2(и°!/^2 ki

где X। <А.2, к। <к2)

при визировании ОЭСИТ на реальный объект с излучатель-
ными способностями 8t и 82 напряжение АС/ будет равно

AU= C/kl - С/к2 = Б1 иъ - Z (С/и) 82^°2 -	(£1	е2U°2.

к2

Так как



то

АС/ = 81С/1 — Sjg/1 “ММ (C/kl)°< 1 “kl/k2> (C/°i)kl/k2 =	C/jj —

_ e Ъ TTP
или

£=1“s??	(537)

Аналогично и при использовании аппроксимации (1.12)

=	[7o = 92r"2=^92T'12<"i/',i)=^^2riW= .

_ g 2	В;/Л| ’рп1(„21п1').

qn2/ni Ч !

?л2/»1 V* 1	)	qK2/n1 \ Ч

откуда

г/0 „nJn,

*ф4=т(<("2/Л1)

С<2	<7 2

и

и, - U2=BUl ~^ktu<l = U,(1-^X

х=1-^-	(538)

В качестве примера реализации этого метода в [5.19]
описана ОЭСИТ с измерительной системой с реохордами,
усилителем и двигателями для обработки сигналов с двух
пирометров.

5.9.	ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОЭСИТ СПЕКТРАЛЬНОГО
ОТНОШЕНИЯ СО СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ

Большое распространение в практике нашли ОЭСИТ спект-
рального отношения, в которых величина отношения потоков
излучения объекта определяется по положению регулирующего
органа следящей системы (движка реохорда, если осуществляет-
ся редуцирование электрических сигналов, или переменного
поглотителя, если осуществляется редуцирование потоков излу-
чения) [5.31].

Несмотря на относительно большое разнообразие схем
реализации таких ОЭСИТ их обобщенная функциональная
схема может быть представлена в виде, показанном на
рис. 5.19.

В блоке 1 из излучения объекта выделяется два потока
различного спектрального состава, которые преобразуются в
электрические сигналы. С помощью редуцирующего органа 2
(устанавливаемого или в потоке излучения, или в цепи

149
Рис. 5.19. Обобщенная структурная схема ОЭСИТ со следящей системой

электрического сигнала) снижают уровень одного, а иногда и
обоих сигналов. Электрический сигнал, пропорциональный
разности потоков излучения, усиливается предварительным и
выходным усилителями 3 и 4 и подается на серводвигатель 5,
который перемещает через редуктор 6 редуцирующий орган 2
сервосистемы.

Редуцирующий орган изменяет уровень сигнала до тех пор,
пока разностный сигнал на входе усилителя 3 не станет равен
нулю.

С редуцирующим органом 2 соединен указатель 7, по
положению которого относительно делений шкалы и отсчиты-
вается измеряемая пирометром условная (цветовая) температу-
ра. Часто такие пирометры снабжаются регистрирующим
устройством 8.

Статические (чувствительность, вариация показаний) и осо-
бенно динамические (время установления показания) характе-
ристики пирометров определяются в основном свойствами
схемы измерения отношения потоков излучения, так как
постоянная времени фотоэлектрических приемников излучения
мала (10“4—10“5 с).

Обозначим через Як1 и Л/2 обобщенные величины, действую-
щие по тракту ОЭСИТ, на которые воздействует федупирующий
орган, через G—параметр оптической системы и через v —
коэффициент преобразования приемника.

Если редуцирование осуществляется воздействием на потоки
излучения, то под А-)Л и А-)2 понимаются значения потоков. При
этом при аппроксимации (1.11)

А1 = А1 = С£?АГ5ехр^-А2 = фи = се2х2-5ехр

и при аппроксимации (1.12)

=	1^' » ^Х2 = ^?2^ц-

( _сЛ

\ xrJ
Если редуцирование осуществляется воздействием на электри-
ческие сигналы, то под Лк1 и Л12 понимаются значения
(амплитуды) этих сигналов. Соответственно

4и — ^41— v^6А1 5ехр	; А12 — ^12 —

= vG(22Z2 5exp ( - -Дм

(- G I
\ ^Tj

и

A^U^vGqJ^; At2 = U^=NGq2T^.

Измерительная схема всегда поддерживает автоматически
равенство следующих величин:

ПА1 = Аг> т. е. тр2ДГ5ехр(-
или

П?1^ц1=92^,
где т| — коэффициент передачи редуцирующего органа.

На вход предварительного усилителя подается сигнал,
пропорциональный Ли=т]Ак1 — Ак2. Учитывая, что Ai=/i(m
и АК2 = f2(T^, можно записать

А(7=А:1ДТ,

где ДГ—некоторая разность температур, соответствующая
напряжению рассогласования ДСЛ

Эту разность температур можно рассматривать как разность
между температурой объекта и температурой, при которой
^]Ац = А12, т. е. цветовой температурой ТПд. С учетом этого
сигнал на входе усилителя можно Записать следующим об-
разом:

ЛС7=г|б'1А,1 5ехр

С2

Q 2х 2 5ехр

С2

Q'r^GQc, Q'2 = vGQ2.

Разлагая в ряд это выражение и ограничиваясь первым
членом разложения, после некоторых преобразований получим

Д(7=’ДрМ'2Х2 5ехр ( - ДГ,

7«0Л	\ Л2Уц0/

где Л = (Х1А,2)/(А,2-Х1).

Аналогично при аппроксимации (1.12)
С2 \
wJ

Д^П^1(ГцДЛГ)"'-д2(ТЦо±ЛГ)"2; bU=(ni-n2)q2T%-1 ЬТ;
q'1 = vGql', q'2 = vGq2.

Следовательно, при аппроксимации (1.11)

~ ~кт* 62^-2 5ехр
“о

и при аппроксимации (1.12)

fci=(ni-n2)g27’(«02_1’-

Для того чтобы статическая погрешность определения
отношения была минимальной, необходимо, чтобы значение
коэффициента преобразования измерительной схемы пирометра
кп = к2к2 было как можно большим. Пределом увеличения этого
коэффициента является нарушение динамической устойчивости
системы. Чтобы система была устойчивой, необходимо выпол-
нение условия

+ъ)/(чч),

где т,—постоянная времени серводвигателя; т2 — постоянная
времени управляющей обмотки серводвигателя.

Коэффициент к2 определяется параметрами измерительной
схемы, и его выбор аналогичен выбору параметров электричес-
ких следящих систем; коэффициент к2 характеризует связь
электрического сигнала на входе усилителя с температурой
объекта.

Особенностью измерительной схемы ОЭСИТ является то,
что в пределах одного диапазона измерения значение к}
изменяется, а значение АС в начале диапазона меньше, чем в
конце. Следовательно, значение кп необходимо выбирать из
условия сохранения устойчивости системы в конце диапазона
измерения. Вследствие этого в начале диапазона возникает
значительная статическая погрешность.

Так, например, у пирометра «Ардокол» в конце измеритель-
ного диапазона погрешность равна 1%, а в начале диапазона
1,5%.

Этот недостаток устраняется введением в систему добавоч-
ного редуцирующего органа 11 (см. рис. 5.19) с коэффициентом
передачи k\=kil, т. е. введением жесткой обратной связи
между регулятором усиления усилителя (или дополнительным
нейтральным поглотителем излучения, или переменным дели-
телем напряжения в усилителе) и положением указателя
условной температуры ГЦ(). При этом можно легко добиться
постоянства произведения трех коэффициентов krk\k2 = const во
всем измеряемом диапазоне [4.8].

Введение такой обратной связи в пирометрах «Спектро-
пир-2» и «Спектропир-3» позволило обеспечить равномерную
152
чувствительность по всему измеряемому диапазону, вследствие
чего инструментальная погрешность этих пирометров постоян-
на по всему диапазону и не превышает 1%.

Быстродействие пирометров рассматриваемого типа опреде-
ляется системой, перемещающей указывающий, регистрирую-
щий и редуцирующий органы, т. е. в основном серводвигате-
лем, редуктором, другими элементами кинематики, в том числе
имеющем люфты, и составляет 1 — 10 с.

Для многих технологических процессов, где ОЭСИТ являет-
ся измерительным звеном автоматического регулятора или
датчиком предельных значений температуры, такое запаздыва-
ние нельзя допустить, если учесть, что в ряде случаев, как,
например, при высокочастотной термообработке металлов,
скорость изменения температуры достигает 300 — 800°/с.

В настоящее время в подобных случаях используются два
прибора: для измерения — обычный пирометр, для регулирова-
ния—датчик регулятора, выдающий сигнал отклонения темпе-
ратуры от заданного значения. Иногда оба прибора совмеща-
ются в одном, как это сделано, например, в пирометре
«Спектропир-2».

Недостатки такого решения очевидны. Незначительная до-
работка ОЭСИТ излучения, работающего по компенсационной
схеме, позволяет получить один прибор, который при работе в
системе автоматического регулирования обладает теми же
динамическими характеристиками, что и датчик регулятора.

Повышение быстродействия пирометра при его использова-
нии в системе автоматического регулирования может быть
осуществлено путем подачи сигнала в схему регулирования как
с задатчика 9, так и с выхода малоинерционного элемента
измерительного тракта — фазового детектора 10, постоянная
времени которого значительно меньше постоянной времени
серводвигателя и остальных элементов кинематики.

При отклонении температуры объекта ЛТ от заданного
значения ТЦо сигнал на выходе задатчика имеет вид кривой 1
(рис. 5.20). Величина определяется люфтами, а Д(2 — посто-
янными времени Tj и х2. Сигнал на выходе усилителя при
небалансе следящей системы также пропорционален ЛТ и по
мере отработки следящей системой этого разбаланса уменьша-
ется до нуля, т. е. сигнал изменяется во времени по кривой 2.

Время Л?з определяется только постоянной, времени усили-
теля и в общем случае значительно меньше суммы Д^ + Л^2.

Суммарный сигнал имеет вид штриховой кривой 3 и не
зависит от динамических свойств измерительной схемы.

При измерении температуры подавляющего большинства
реальных объектов возникает значительная методическая по-
грешность из-за непостоянства излучательной способности
объекта. Трудности учета этого рода погрешности общеизвест-
Рис. 5.20. Эпюры напряжений на регулирую-
щем выходе ОЭСИТ. структурная схема
которой приведена на рис. 5.19

ны. Они могут быть существенно уменьшены, если пирометри-
ческая система одновременно с измерением условной темпера-
туры дает возможность определять отклонение излучательных
характеристик объекта от некоторых начальных значений.

Не меньшие трудности возникают и при изменении прозрач-
ности промежуточной среды, защитных окошек при измерении
температуры в вакуумных печах и т. п.

При использовании метода уменьшения изменения сигналов
в ОЭСИТ спектрального отношения при изменении темпера-
туры возможно и определение величины только с помощью
излучательной способности [5.31]. Для этого сигналы и А12
вторым редуцирующим органом 11 (рис. 5.19) уменьшаются в
кр раз, т. е.

S	S

Блок управления 12 вторым редуцирующим органом переме-
щает его таким образом, что

или

Следовательно, сигнал после ослабителя будет равен при
аппроксимации (1.11)

/ y2/(4-ki>
Лх^хР Sx,

\е1 /

где D ,= const, а при аппроксимации (1.12)

— D2

£х,

где Т>2 = const.

Если принять £p=j’ki/(X2'ki* или kp=yn2l(n2~ni\ то сигнал А{2
после ослабителя 2 будет такой же, что и в первом случае (но в
другом канале): при аппроксимации (1.11)
154
( у^-кр

\ 1 /

где Z>3 = const, и при аппроксимации (1.12)

/ Xn^ -пр
л;2=п4р щ,
\е1 /

где Л4 = const.

Таким образом, сигнал после ослабителя 2 не зависит от
температуры объекта и определяется только его излучатель-
ными характеристиками и значениями рабочих участков спектра
ОЭСИТ. Сигнал Ai измеряется прибором 73.

Сформированные сигналы Ац, определяемые излучатель-
ной способностью, могут быть использованы для коррек-
ции значения температуры, определяемой ОЭСИТ частичного
излучения или спектрального отношения. Для этого необ-
ходимо экспериментально или аналитически исследовать за-
висимости А и от £ или Ei/^2 Для заданного технологичес-
кого процесса.

При наличии однозначных связей определяются коэффи-
циенты связи для ОЭСИТ частичного излучения ая = г/А1
и для ОЭСИТ спектрального отношения ац = (Е1/с2)Л1. Дей-
ствительная температура определяется путем вычисления от-
ношений а = ая/аТя или а = ац/аТц, где ая и ац—сигна-
лы, определяемые яркостной или цветовой температурами

объекта. Тогда при степенной аппроксимации а = -~ = дТп

или	Вычисление указанных отношений мо-

ацДк

жет быть выполнено как аналоговыми, так и цифровыми
средствами.

Если излучение, воспринимаемое ОЭСИТ, исходит от объек-
та с неизменяющимися спектральными характеристиками, то по
сигналу А'и (или А’12) можно оценить степень постоянства
поглощения излучения в промежуточной среде.

Если же спектральные характеристики объекта и про-
межуточной среды не изменяются с изменением темпера-
туры объекта и других факторов, то сигналы А'Х1 или
Ai2 характеризуют изменение характеристик пирометра, что
может быть использовано для диагностики состояния ОЭСИТ.

Аналогичными свойствами будет обладать и ОЭСИТ
спектрального отношения, в которой используется не элек-
тромеханическая, а электронная система измерения отноше-
ния.
ГЛАВА 6

ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ
СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

6.1.	ВАРИАНТЫ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИХ ОЭСИТ

Кроме рассмотренных в гл. 3, 4 автоматических ОЭСИТ в
настоящее время имеется ряд систем, в которых для выполне-
ния ряда операций, делающих возможным отсчет температуры,
требуется оператор.

Пирометры с исчезающей нитью, снабженные электронно-
оптическим преобразователем [6.1, 6.2], применяются для
бесконтактных измерений температуры малых тел (размерами
порядка 1 мм и меньше). Специальные микропирометры,
приспособленные для таких измерений, разработаны в СССР
(МОП-48, ОМП-019, ОМП-054 и др.) и за рубежом [«Пиро»
(США), «Жабон-ивонн» (Франция), «Пиро-верк» (ФРГ) и др.].

Как и обычные оптические пирометры, микропирометры
градуируются на яркостные температуры от 800 или 900° С и
выше. Между тем задача понижения нижнего предела измере-
ния микропирометров (и вообще пирометров с исчезающей
нитью) весьма актуальна и возникает в ряде отраслей промыш-
ленности (например, при измерении температуры внутренних
элементов электровакуумных приборов, в порошковой метал-
лургии и т. д.).

Применение электронно-оптического преобразователя совме-
стно с визуальным пирометром позволяет решить эту задачу.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) устанавли-’
вается в окулярной части пирометра, а специальная линза,
расположенная между ним и пирометрической лампочкой,
создает на фотокатоде изображение нити сравнения на фоне
изображения объекта, температура которого измеряется. На-
блюдатель рассматривает оба эти изображения на экране ЭОП
и, изменяя накал нити сравнения, уравнивает яркости. Особен-
ностью использования пирометра с исчезающей нитью совмест-
но с ЭОП является то, что с понижением температуры нити
пирометрической лампочки ее тепловая инерция увеличивается.
Кроме того, при снижении температуры нити пирометрической
лампочки увеличивается ее температурный коэффициент, т. е.
отношение изменения температуры нити к изменению темпера-
туры окружающей среды. Указанные эффекты объясняются тем,
что с понижением температуры уменьшается доля энергии,
отдаваемой нитью путем лучеиспускания.

Однако несмотря на эти недостатки подобные системы
находят применение (отечественный пирометр ВИМП-015).

Применение ЭОП дает возможность снизить предел измере-
ния пирометра с исчезающей нитью до 350 — 400° С.
Рис. 6.1. Датчики регуляторов с использованием одного участка спектра:
1 — объектив, 2—кадровые окна, 3—модулятор, 4—приемник излучения, 5 — усилитель,
6 — эталонная лампа, 7—редуцирующий элемент, 8 — регулятор

Вторым вариантом полуавтоматических ОЭСИТ являются
пирометрические устройства — датчики регуляторов (упрощен-
ные варианты схем на рис. 3.1, 3.2), которые выдают сигнал при
отклонении измеряемой температуры от заданной.

Структурные схемы таких датчиков приведены на рис. 6.1.

Большинство из существующих пирометрических датчиков для
систем регулирования построено по указанным схемам [6.3].

Аналогично датчикам с использованием одного участка
возможно применение в системах автоматического регулирова-
ния датчиков-регуляторов спектрального отношения (ДРСО),
формирующих сигнал (релейный илй непрерывный) при откло-
нении температуры от заданной, значение которой определяется
специальным задатчиком. Датчики ДРСО по существу являются
ОЭСИТ спектрального отношения со следящей системой с
разомкнутой цепью обратной связи.

При отклонении температуры объекта от заданной на входе
усилителя появляется напряжение рассогласования, которое
преобразуется в соответствующий сигнал.

В ДРСО задатчиком является устройство, которое в ПСО
используется для изменения отношения.

На рис. 6.2 приведены несколько вариантов ДРСО (обозначе-
ния аналогичны соответствующим обозначениям в ОЭСИТ).

Основой ДРСО на рис. 6.2, а является ОЭСИТ с реохордом.
Основой ДРСО с накоплением (рис. 6.2,6) является ОЭСИТ с
накопителем. Такой ДРСО необходим для регулирования
низких температур (О—объектив; СХС2 — фильтры; Мх — дви-
гатель; У15 У2 — усилители; П—выходной блок).

Основой ДРСО на рис. 6.2, в является ОЭСИТ с предвари-
тельным преобразованием отношения потоков в фазу перемен-
ного напряжения (7 — фазовращатель управляемый; 2—син-
хронный детектор; .7 — фазовращатель управляемый; У—усили-
тель; П—выходной блок).

Во всех трех случаях задатчиком служит потенциометр.

В ДРСО на рис. 6.2, г за основу принят ПСО с клином.
В качестве задатчика используется цветной клин (7 — объектив;
2—приемник; 3—обтюратор с фильтрами; 4—двигатель;
5 — усилитель; 6—редуцирующее устройство; 7— регулятор).
Рис. 6.2. Датчики регуляторов с использованием двух участков спектра

Связь положения задатчика с температурой, которую необ-
ходимо регулировать в ДРСО, определяется формулами для
соответствующих ОЭСИТ.

6.2.	ЗАДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ

Типичным представителем ОЭСИТ такого типа является
регулятор АРТ-2М [6.3], выполненный по схеме на рис. 6.1, а.
Конструктивно датчик регулятора выполнен аналогично датчи-
ку ФЭП-8. Для наведения на объект датчик имеет лампу
визирования с установленной перед ней сеткой, перекрестие
которой проектируется на объект двумя зеркалами — неподвиж-
ным и откидным. Величина светового пятна на объекте
измерения при наведении соответствует минимальной площади,
визируемой прибором. Переключение температурных диапазо-
нов в приборе производится сменой светофильтров.
Рис. 6.3. Схема сигнализатора ФЭСТ-13

В зависимости от диапазона температуры различают две
модификации прибора: АРТ-2М-Н и АРТ-2М-В. Модификации
прибора различаются спектром работы, типом фотоприемников
и светофильтров, а также предварительными усилителями
фототоков [6.3]. В модификации АРТ-2М-Н использован
фоторезистор на основе PbS со светофильтром из стекла
СЗТ-21, ограничивающим длинноволновую часть спектральной
характеристики фотоприемника. Во втором температурном
диапазоне применены дополнительные стеклянные светофильт-
ры НС-11 и ЖЗС-18. В модификации АРТ-2М-В используется
кремниевый фотоэлемент, причем во втором диапазоне в канал
фотоприемника вводится светофильтр из стекла СЗС-14.

Основные технические данные регулятора: диапазон темпера-
тур 200 400 и 350 —800° С для АРТ-2М-Н; 600 — 900 и
800 —1200 С для АРТ-2М-В.

Несколько по другой схеме выполнен фотоэлектронный
сигнализатор температуры ФЭСТ-13 [6.4], предназначенный для
автоматического управления блюмингом.

В систему управления блюмингом должны поступать сигна-
лы о нахождении температуры слитка в одном из трех
заданных диапазонов, а также сигналы на запрет прокатки
охлажденных и перегретых слитков. Диапазоны температур
слитка смежные, т. е. конец одного диапазона служит началом
следующего. Сигнал о нахождении температуры в одном из
заданных диапазонов или вне их должен быть выдан в течение
0,1 с.

Структурная схема прибора приведена на рис. 6.3. Поток
излучения от объекта направляется оптической системой на
приемник 1 (германиевый фотодиод ФД-3). На этот приемник
направляется также поток от опорного излучателя, представ-
159
ляющего собой лампу накаливания, питаемую стабилизирован-
ным напряжением. Оптическая коммутация производится обтю-
ратором 3, одна половина которого прозрачна, а вторая имеет
зеркальное отражение. Обтюратор с плоскостью, находящейся
под углом 45° к осям потоков, вращается электродвигателем 2
и осуществляет попеременную засветку фотодиода потоками
излучения от нагретого тела и опорного излучателя.

На нагрузочном резисторе, включенном в цепь фотодиода,
выделяется импульсное напряжение. Переменная составляющая
этого напряжения усиливается предварительным усилителем 4,
расположенным в датчике, и по соединительному кабелю
подается на вход усилителя 5, размещенного в электронном
блоке. Усиленное напряжение поступает на входы четырех
параллельно подключенных задатчиков температуры 6.
К каждому из задатчиков подключены выходные каскады 7,
питание на которые поступает со стабилизатора 8. Блок 9
обеспечивает питание всего регулятора. Стабилизация тока
накала опорного излучателя осуществляется стабилизатором 10.

ГЛАВА 7

СКАНИРУЮЩИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ
КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

7.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

Во многих случаях требуется производить контроль и
измерение температуры в нескольких точках объекта или
распределение температуры по объекту. Температурное поле
характеризует такие свойства объектов, как присутствие и
распределение в них примесей, дефектов, напряжений, локальные
нарушения тепловых режимов технологических и других процес-
сов и т. п. Температурные поля контролируют при прочностных
испытаниях и термообработке изделий в машиностроении, при
прецизионной выплавке слитков в металлургии, в медицинской и
технической диагностике, в космических исследованиях и т. д.

Как известно [7.1, 7.2], контроль и измерение (далее —
просто контроль) температурных полей можно производить
методом параллельного или последовательного (сканирующего)
съема информации. С помощью ОЭСИТ при параллельном
съеме информации осуществляется одновременный контроль
температуры в различных точках объекта, при сканирующем —
контроль температуры последовательно оз одной точки объекта
к другой. И тот и другой метод съема информации применяется
при оптико-электронном контроле температурных полей.
Примерами ОЭСИТ с параллельным съемом информации
являются электронно-оптические преобразователи (ЭОП), эдже-
ографы, устройства, использующие жидкие кристаллы и фото-
чувствительные пленки, устройства с набором световодов и
фотоприемников и т. п. Они чаще всего используются для
визуализации температурных (и прежде всего низкотемператур-
ных) полей.

Более универсальными и приспособленными к автоматиза-
ции диагностических и технологических процессов являются
сканирующие ОЭСИТ, рассмотрению которых и посвящена
данная глава.

Сканирующие ОЭСИТ характеризуются не только метрологи-
ческими и эксплуатационными параметрами (диапазоном контро-
лируемых температур и точностью их измерения, сроком службы и
допустимыми климатическими условиями работы, габаритными
размерами, массой и т. д.), но и параметрами процесса
сканирования: видом траектории сканирования, периодом скани-
рования, показателями мгновенного и полного визирования (или
углами мгновенного и полного визирования), быстродействием в
точке, разрешающей способностью и некоторыми другими.

Ниже даются определения и описание параметров сканиро-
вания. Для формулирования этих параметров использовано
понятие фиктивной поверхности (части плоскости или сферы),
расположенной в пространстве объекта (а не приемника
излучения). Прежде отметим, что сканирующий контроль
температурных полей (и вообще оптических полей) осуществля-
ется системами двух типов, которые обладают постоянством
угловых или линейных параметров визирования. В системах
первого типа постоянен угол визирования при всех положениях
оптической оси визирования. В системах второго типа постоян-
на разрешающая способность по всей плоскости изображения
входного объектива системы. В результате разрешающая
способность на объекте будет одинакова в первом случае, если
поверхность объекта—часть вогнутой сферы, во втором — если
поверхность объекта плоская.

Соответственно иллюстрации основных параметров будем
проводить или на поверхности части сферы с центром,
совпадающим с центром сканирующего блока (узлом линий
визирования системы), или на плоскости, перпендикулярной
среднему положению ОО' оси визирования системы (рис. 7.1, а, б).
Указанные части плоскости или сферы будем называть картинной
поверхностью. Все приводимые параметры сканирования инва-
риантны к положению этой поверхности относительно системы
контроля, т. е. постоянны при любых значениях R. Положение
картинной поверхности обычно связывают с некоторой средней
точкой объекта или с самим объектом, если его поверхность
соответствует указанным поверхностям.
Рис. 7.1. Сканирование с постоянным угловым (а) и линейным (б) разреше-
нием сканирующим пятном различной формы (в)

Картинную поверхность можно охарактеризовать распре-
делением температуры Т (х, у, t), однозначно соответствующим
распределению температуры на объекте. В координатах этой
же поверхности можно описать функцию чувствительности
ОЭСИТ. В общем случае эта функция имеет вид

1(х, у, ?) = Z0(?)(p(x, у, t),
где х, у—координаты картинной поверхности (на плоскости
или на части сферы); t — время; Zo(?)—интегральная чувстви-
тельность; ф(х, у, t) — нормированная функция распределения
чувствительности [ jj <р (х, у, t) dxdy — 1, где {ТУ}— область

{ХУ}

определения функции (р (х, у, ?)].

При сканирующем съеме информации функцию чувствитель-
ности /(х, у, t) удобно записывать относительно подвижной
системы координат, жестко связанной с центром (или с любой
другой точкой) функции чувствительности. Центром функции
чувствительности можно считать центр «тяжести» функции
162
(р (х, у, ?) (которая нормирована и постоянна), причем координа-
ты центра определятся по формулам

хф (х, у, t)dxdy:

{XT)

Jo(0 = jj УЧ>(Х’ У’ t)dxdy.

{XY)

Учитывая обратное преобразование координат

£ = (х — х0) cosa + (у—у0) sina;

т|= — (х —x0)sina + (y—y0)cosa,

где (<;, т|)—подвижная система координат, жестко связанная с
центром функции чувствительности; х0, у0—координаты цент-
ра; a — угол поворота подвижной системы координат относи-
тельно неподвижной, а также предполагая,' что имеет место
только поступательное движение (а = 0) функции i (х, у, t) в
пространстве, можно записать функцию чувствительности в
виде

Z(x, у, 0 = /o(0<p[x-xo(?), j-y0(?), d-

В этом выражении функция <р Гх — х0 (?), у - у0 (?), ?] =
= <р (q, г|, ?) характеризует закон (или форму) распределения
чувствительности ОЭСИТ в подвижной системе координат
(относительно центра), а х0 (?) и (?) определяют закон
движения этого центра, или закон сканирования.

В подавляющем большинстве рассматриваемых систем
чувствительность ОЭСИТ не меняется в процессе работы ни по
значению, ни по форме, в результате для ОЭСИТ можно
записать

1(х, у, ?) = /0(р[х-х0(?), у-у0 (?)].	(7.1)

Выходной сигнал сканирующих ОЭСИТ без учета аберраций
в общем случае можно записать в виде

w(?)= Т(х, у, ?)/оф[х-хо(?), у-у0 (?)] dxdy.

fXY}

Предполагая, что цикл сканирования поля осуществляется
значительно быстрее, чем изменяется распределение темпера-
туры, можно записать Т(х, у, Т{х, у). При /(х, у, ?) =
= 8 [х — х0(?), у—у0(?)] имеем
М(0= П T(x, y)3[x-x0(z), y-y0(z)]<7x<7y =

{ХУ}

= Т[хо(0> Л) (01

т. е. в случае 3-образной чувствительности ОЭСИТ производит-
ся считывание температурного поля без искажений. Во всех
остальных случаях будут иметь место так называемые апер-
турные искажения информации, вызывающие отличие измеряе-
мого распределения температуры от реального [2.15].

Формулировки основных параметров сканирующих ОЭСИТ
удобнее всего давать, исходя из понятия сканирующего пятна.

Сканирующим пятном (D) будем называть область опреде-
ления функции <р(^, т|), в которой сосредоточена основная часть
«энергии» чувствительности — 95%:

0,95 П ср(^,	=	ц)^б7ц.	(7.2)

{ХУ}	D

Размеры и форма сканирующего пятна в ОЭСИТ опреде-
ляются способом сканирования, типом фотоприемника, апер-
турными и полевыми диафрагмами, характеристиками усили-
тельно-преобразовательного тракта и др.

В оптико-механических системах функцию <р (4,, п) можно
описать равномерным, косинус-квадратным, колоколообразным
и некоторыми другими законами [7.2]. Для равномерного и
косинус-квадратного закона {XY } = D, т. е. «теоретические» и
«практические» размеры этих сканирующих пятен совпадают.
Оптико-электронные системы измерения температуры с телеви-
зионными передающими трубками имеют нормальный круго-
вой закон (закон Гаусса) распределения чувствительности

ф(р) = ^ехр(-А:р2),

где к—коэффициент сосредоточенности функции чувствитель-
ности;

Р = у/(х~хо)2 + (у-Уо)2-

Теоретически область определения такой функции беско-
нечна.

Преимущественная форма сканирующего пятна — круглая,
иногда используются прямоугольные, крестообразные и другие
формы (рис. 7.1, в). Системы, в которых размеры сканирующего
пятна неодинаковы в различных направлениях, будем называть
неизотропными. Удобно оценивать сканирующее пятно в двух
направлениях: вдоль вектора скорости (dv) и перпендикулярно
вектору скорости (dvl). В неизотропных системах dv^dVj_-
164
Рис. 7.2. Некоторые типы траекторий сканирования, реализуемых ОЭСИТ:
а — однострочная; 6—однострочная возвратная, в—крестообразная; г—построчная; д —
строчно-треугольная; е — круговая, ж—розеточная; з—спирально-возвратная; и—дискрет-
но-построчная

Траектория сканирования — последовательность точек [x0(z),
То (z )j, занимаемых центром функции чувствительности при своем
движении по картинной поверхности. Траектория сканирования
может образовывать непрерывную линию, набор линий или
дискретное множество точек (рис. 7.2 и 7.3). Задание траектории
сканирования связано не только с заданием множества точек,
«посещаемых» центром [х0, у0] при своем движении, но и с
заданием во времени последовательности этого «посещения».
Задание траектории сканирования может быть осуществлено
параметрически: x0 = x0(z), Уо=3’о(г)’ или в виДе явных или
неявных функций в прямоугольных или полярных координатах.

При непрерывном законе сканирования положение центра
определится его скоростью, движения K(z) и исходным поло-
жением (хоач, уоач):	t

*о(t) = -хо*4 + j Vx(y)dv,

О
Рис 7 3 Основные углы визирования сканирующей ОЭСИТ

То(0 = ^аЧ + I

О

где Е2= Г2+И2.

В основном сканирующие ОЭСИТ имеют непрерывную или
частично непрерывную траекторию сканирования (рис. 7.2,
а—з). В сканирующих системах с дискретной траекторией
сканирования (рис. 7.2, и) чаще всего процесс сканирования
осуществляется путем переключения в определенном порядке
элементов из набора приемников излучения или световодов.
Ниже будет рассмотрена система с дискретным законом
сканирования, реализованная с помощью одного приемника
излучения и оптико-механического сканирующего устройства с
дискретным законом сканирования.

Большинство сканирующих систем осуществляет регулярное,
т. е. периодически повторяющееся в пространстве и во времени,
сканирование поля и имеет постоянную траекторию сканиро-
вания в процессе работы.

Частично непрерывные траектории (рис. 7.2, в, г) могут быть
реализованы с различной последовательностью сканирования.
В частности, построчная траектория может быть реализована
(например, с помощью барабана Вейлера) не с последователь-
ным, а с произвольным во времени просмотром строк (как
показано на рис. 7.2, г). Если вдоль всей траектории сканирую-
щее пятно движется в прямом и обратном направлениях, т. е.
для каждой точки траектории существует сканирующее пятно с
противоположно направленным вектором движения, то такую
траекторию будем называть возвратной. В частности, если
движение сканирующего пятна поступательное, то траектория
будет возвратно-поступательной (рис. 7.2, б, з).
166
Траектории сканирования могут быть замкнутыми и разомк-
нутыми. Для последних можно определить начало (и) и конец
(к) траектории. Замкнутые траектории (рис. 7.2, е, ж) не имеют
начала и конца, в них любая точка может быть принята за
начало траектории, эта же точка будет и концом траектории.

Кривую, образованную при непрерывной траектории скани-
рования, можно оценить длиной L. Длина частично непрерыв-
ной кривой сканирования равна сумме длин кривых, составляю-
щих всю кривую. Траекторию сканирования будем оценивать
также ее проекциями на ортогональные оси х и у. Lx и Ly
(рис. 7.3). Для круговых траекторий Lx = Ly при любом распо-
ложении осей х и у.

Период сканирования поля тк, который имеет место при
регулярном сканировании,— время, в течение которого скани-
рующее пятно проходит всю траекторию сканирования и
возвращается в начальную точку. При равномерном непрерыв-
ном движении сканирующего пятна для невозвратных траек-
торий тк = £/И, для возвратных тк = 2£/К Построечную траек-
торию иногда характеризуют периодом строки, т. е. временем
просмотра одной строки и перехода к началу следующей
строки.

Как видим, понятие периода сканирования включает в себя
не только время просмотра температурного поля вдоль
траектории сканирования хх, но и время возвращения 'скани-
рующего пятна в начальную точку т°. Величина определяется
или временем обратного хода (в электронно-вакуумных систе-
мах), или временем холостого сканирования (в оптико-механи-
ческих системах, например в системе с зеркальным барабаном).
Аналогично обстоит дело и со строчным периодом.

В общем случае можно ввести понятие «степень холостого
сканирования» системы, определяя его отношением Х = Тк/тк =
= Хк/(Тк+т°), и оценивать его в процентах тк (или тс). Для
электронно-вакуумных сканирующих систем х=\ — 5°/о, для
оптико-механических х — 5 — 20%.

Подобно точечным ОЭСИТ сканирующие системы удобно
оценивать показателями визирования, причем сканирующие
системы можно оценить следующими показателями: мгновен-
ного и интегрального визирования, а также показателями
полного визирования по осям х и у. Первый оценивает как бы
«точечные» свойства, а остальные — интегральные сканирующие
свойства системы.

Показатель мгновенного визирования р — отношение линейно-
го размера сканирующего пятна d к расстоянию до картинной
поверхности R: p = d/R. Для неизотропных систем имеют место
два показателя мгновенного визирования: px = dx) R и py = dy;R,
где dx, dy — линейные размеры сканирующего пятна в ортого-
нальных направлениях.
Показатель интегрального визирования р — отношение длины
траектории сканирования к расстоянию до картинной поверх-
ности: P=(L+d)/R.

Показатели полного визирования по осям х и у — отношения
проекций длины траектории сканирования на ортогональные
оси Lx и Ly к расстоянию до картинной поверхности:
Px = (Lx + d)lR и Py=(Ly+d)l R для изотропных систем и
Px = \Lx + dx)lR и Ру—\Ly + dy)IR для неизотропных систем.

Эти параметры инвариантны к расстоянию до картин-
ной поверхности, т. е. p = d1; R1=d2/R2 = d/R, P^I^+d^i R} =
= (L2 + d2) I R2=(L+d)/R и т. д. (см. рис. 7.1).

Некоторые системы удобнее оценивать угловыми парамет-
рами мгновенного и интегрального визирования, а также углами
полного визирования на осях х и у (рис. 7.3). Определение этих
параметров проведем с помощью табл. 7.1. Отметим, что
угловые оценки могут быть пространственными и плоскими,
причем плоский угол интегрального визирования (0 = arctg (£//?))
есть фиктивный угол, образованный катетом, равным длине
траектории, и другим катетом, равным R. Оценки телесных
углов зрения, приведенные в табл. 7.1, являются приближен-
ными; их точное выражение связано с измерением площади
части сферической (а не плоской) поверхности, ограниченной d
или Lxx£ (см. рис. 7.3). Кроме того, при d<zzR nL«R имеем
p^v, Рхв. рх^ех и ру^еу.

Разрешающая способность Г сканирующей ОЭСИТ в общем
случае может быть определена как отношение показателя
интегрального визирования к показателю мгновенного визиро-
вания: V = (L + d}[ d. Это есть полная разрешающая способность
(линейная), т. е. определенная по всей длине сканирования. Для
неизотропных систем полную разрешающую способность целе-
сообразно определять по размеру сканирующего пятна, изме-
ренному вдоль траектории сканирования, т. е. Ги = (£+б7и)/г/и.
В системах, в которых удобнее определять угловые параметры,
полную разрешающую способность можно определить по
углам интегрального и мгновенного визирования, измеренным
соответственно в плоскости траектории или в пространстве:
Tv = 0/v и Гщ = П/(о для изотропных систем и Tv = 0/vF и
Гш = П/ю для неизотропных систем (см. табл. 7.1).

Кроме того, несимметричное изотропное сканирование мож-
но оценить разрешающей способностью по взаимно перпенди-
кулярным осям: Vx = (Lx + d}l d и Vy=(Ly+d)l d. По тем же осям
несимметричные неизотропные системы сканирования оцени-
ваются в вйде Гх = (£х + б7х)/dx, Гy=(Ly + dy}/dy. Так, например,
строчная траектория оценивается разрешающей способностью в
направлении, перпендикулярном строке, равной единице. Коль-
цевая и спиральная траекторий (см. рис. 7.2, е, з) имеют
одинаковую разрешающую способность по осям х и у. При
168
дискретном сканировании (см. рис. 7.2, й) разрешающая способ-
ность системы равна числу просматриваемых точек поля.

Кроме того, системы с построчным сканированием характе-
ризуют числом строк, а системы со спиральным сканирова-
нием—числом витков. При этом могут быть неодинаковыми
оценки разрешающей способности по числу строк (числу
витков) и по ортогональным формулам: Ty = (Ly + dy) / dy. Это
возникает за счет того, что построчное и спиральное сканиро-
вание может осуществляться пятном d с различной скваж-
ностью h (см. рис. 7.2).

Если h<dVi, то имеет место перекрытие пятен сканирования
при их движении вдоль соседних строк или витков; если h>dv, ,
то строки будут следовать с «зазором». В результате при h<dVi,
Гу больше числа строк, при h>dvv Гу меньше числа строк.

Степень перекрытия строк будем оценивать отношением
— И)!dVj_ Если пятна перекрываются, то степень перекрытия
положительна; если пятна проходят с «зазором» относительно
друг друга, то степень перекрытия отрицательна. Аналогичным
образом можно ввести понятие степени перекрытия для
дискретного сканирования. Необходимо отметить, что степень
перекрытия может быть неодинакова для различных точек
траектории (например, для траектории, показанной на рис. 7.2, д).

Одним из важнейших параметров сканирующей ОЭСИТ, как и
любой контрольно-измерительной системы, является быстро-
действие системы, т. е. быстродействие обработки информации.
Интегральное быстродействие системы характеризует период ска-
нирования, т.\е. время, необходимое для того, чтобы провести
цикл исследования и быть готовым к следующему циклу. Однако
иногда (например, при использовании системы не для полного, а
для части цикла сканирования) более важно оценить систему пара-
метром локального быстродействия, т. е. быстродействием обра-
ботки информации в точке или просто быстродействием в точке.

Быстродействие в точке тэл — время, в течение которого
система контролирует температуру одного элемента поля, т. е.
для систем с непрерывным сканированием—время перемеще-
ния сканирующего пятна на расстояние, равное размеру
сканирующего пятна dv\ тэл = (/и/И(Е= const). При х = 0 тк = Гтэл.
В общем случае тк^Гтэл, так как период сканирования, как уже
отмечалось, складывается из времени контролирования поля
(Гтэл) и времени «холостого хода».

7.2.	ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

По способу сканирования и физической сущности сканирую-
щие ОЭСИТ можно разделить на четыре класса: механические,
оптико-механические, оптико-электронные (электронно-вакуум-
ные и полупроводниковые) и комбинированные [7.3, 7.4].
Рис. 7.4. Система с механическим сканированием температурного поля

Класс механических систем образуют, собственно, не скани-
рующие, а точечные пирометры, установленные, однако, на
какую-либо платформу и перемещающиеся с ее помощью
относительно объекта контроля. Выполнение сканирующего
блока в этом случае определяется размерами и видом объекта
контроля. Пирометры с механическим сканированием обладают
малым быстродействием и находят применение при контроле
объектов в основном вдоль линии.

Например, пирометр, приведенный на рис. 7.4, предназначен
для контроля температурного поля слитка 1, выплавляемого на
установках непрерывной разливки стали. Контроль осуществля-
ется с помощью пирометра частичного излучения с фотоприем-
ником 2 из кремния, область чувствительности которого соот-
ветствует окну пропускания ИК-излучения парами воды, нахо-
дящимися над слитком. Для уменьшения слоя паров, через
который измеряется температура, перед пирометром устанав-
ливается труба 3 длиной 1 м, через которую производится
частичный отдув паров от слитка. Охлаждающие трубу вода 4 и
воздух для отдува 5 должны быть очищены от примесей.
Пирометр с трубой помещается на сканирующую платформу 6,
которая с помощью электропривода перемещается вдоль
направляющей 7 со скоростью около 1 м/с.

Непосредственно/жанирующие ОЭСИТ строятся по одной из
пяти схем, представленных на рис. 7.5. Первые три схемы
относятся к оптико-механическим, четвертая — к оптико-элект-
ронным, пятая — к комбинированным ОЭСИТ.

Первая схема (рис. 7.5, а) предусматривает использование
пространственно-временного модулятора излучения для скани-
рования изображения объекта 1, формируемого входным объек-
тивом системы. Модулятор располагается в фокальной плоскос-
ти объектива 5 и работает на пропускание излучения. Проходящее
через модулятор излучение собирается с помощью допол-
нительной оптической системы 12' на точечный приемник
излучения 7. Эта схема обеспечивает постоянство линейных
параметров визирования (см. рис. 7.1-, б).
Рис. 7 5 Пять схем построе-
а—с модулятором распределения, б—с «внешним» сканирующим устройством, в—с «вну-
комбииированным сканированием, 1 —объект, 2—светоотбирающий элемент, 3—сканиру-
7—точечный приемник излучения, 8—зеркальце, 9—вспомогательный объектив визира,
13— сканирующий приемник излучения,
В качестве сканирующего устройства в системах, выполненных
по первой схеме, практически используются лишь оптико-
механические квазистатические пространственные модуляторы:
диск Нипкова, бесконечная лента с отверстиями и т. д. (см. § 2.3).

Такие системы имеют большие габаритные размеры и
невысокую разрешающую способность. Возможно выполнение
по данной схеме сканирующих ОЭСИТ с оптико-электрически-
ми модуляторами излучения.

Исторически первым прибором, выполненным по первой
схеме, был сканирующий пирометр с использованием в качестве
модулятора диск Нипкова.

Фирмой Instrument Development (США) разработан сканиру-
ющий пирометр на базе промышленного автоматического
яркостного пирометра «Piro-650» с использованием модулятора
излучения в виде бесконечной ленты с отверстиями. В этом
приборе изображение теплового поля проектируется объекти-
вом на катод фотоумножителя с большой площадью фото-
катода. Перед ФЭУ в фокальной плоскости объектива распола-
гается «бесконечная» лента с отверстиями. При движении этой
ленты отверстия сканируют поле построчно (с периодом 1/30 с).
Диапазон измеряемых температур 2000—5000° С (с тремя
поддиапазонами).

Во второй схеме построения сканирующих ОЭСИТ (рис.
7.5, б) сканирующее устройство устанавливается перед входным
объективом системы (между объектом и объективом), обеспе-
чивая «внешнее» сканирование. При этом сканирующее уст-
ройство является дефлектором излучения.

В качестве сканирующего устройства здесь используются
качающиеся зеркала, вращающиеся многогранные призмы,
зеркальные многогранные барабаны, оптические клинья и др.
(см. гл. 2). Вторая схема обеспечивает постоянство угловых
параметров визирования (см. рис. 7.1, а).

ния сканирующих ОЭСИТ

тренним» сканирующим устройством, г—со сканирующим приемником излучения, д—с
ющее устройство, 4 — входная апертура, 5—входной объектив, 6—полевая апертура,
10 — матовое стекло визира, 11—окуляр, 12—собирающая оптическая система,
14 — вспомогательный источник излучения
Системы, построенные по второй схеме, работают в
параллельном пучке лучей. При этом к объективу не предъявля-
ется жестких требований в угле полного визирования системы,
так как лишь в пределах угла мгновенного визирования он
должен обеспечить хорошее качество изображения. Кроме того,
расположение сканирующего блока до объектива ОЭСИТ
исключает дополнительные аберрации в оптическом тракте
системы, что позволяет выполнять сканирование в пределах
больших углов (до 40—50 ).

Еще одно преимущество данной схемы построения заключа-
ется в том, что она позволяет использовать имеющиеся
промышленные разработки точечных ОЭСИТ для построения
их сканирующих аналоюв. Для этого достаточно разработать
сканирующее устройство, установить его перед выбранным
точечным прибором, не меняя конструкцию последнего.

Таким путем изготовлена сканирующая ОЭСИТ на базе
отечественного пирометра спектрального отношения «Спектро-
пир» [7.5] В ней сканирующая приставка выполнена в виде
вращающегося зеркального шестигранного барабана, осущест-
вляющего однострочное сканирование. Вместо простого зер-
кального барабана был использован также зеркальный барабан
Вейлера, обеспечивающий построчное сканирование. Однако
число зеркал в этом барабане, а следовательно, и число строк
сканирования трудно сделать больший (в данной разработке
оно составляло 24). Это ограничение связано с увеличением
габаритов при увеличении числа зеркал на барабане

В рассматриваемой системе (рис 7.6) поток энергии от
объекта 22 отражается от плоского зеркала барабана 6 и
проходит на вход пирометра «Спектропир».

Блок визирования пирометра состоит из зеркала 11, проек-
тирующей линзы 72 и окуляра 75. Они позволяют рассматри-
вать изображение точки объекта в плоскости полевой диафраг-
мы 77 при визировании пирометра на объекте.

Основной недостаток второй схемы построения ОЭСИТ
заключается в больших габаритах сканирующего устройства,
что в свою очередь снижает быстродействие прибора и
приводит к его усложнению Расположение объектива за
сканирующим блоком также усложняет процесс изменения
полного угла визирования системы, так как для этого необходи-
мо менять параметры сканирования, а не объектив.

Несмотря на указанные недооатки с внешним сканировани-
ем выполнены многие современные ОЭСИТ, в том числе
японские термовизоры типа Thermo Tracer (фирмы NEC San-ei
Instr., Ltd.), описание которых дано в следующем параграфе.

Третья схема (см. рис. 7.5, в) предусматривает установку
сканирующего блока между объективом и точечным приемни-
ком излучения («внутреннее» сканирование). Сканирующий блок
174
Рис 7 6 Принципиальная схема ОЭСИТ на базе точечного пирометра
спектрального отношения типа «Спектропир» с использованием сканирующего
зеркального барабана

I оптико-механическая сканирующая приставка, 2—оптическая головка пирометра
«С пек гропир-8», 3- выходное устройство, 4—блок синхронизации, 5—двигатель, б —
зеркальный барабан, 7 8 16 защитные стекла, 9—объектив, 10 апертурная диафрагма,
11—зеркало, 12. 15 18—линзы, 13- стекло, 14 — диафрагма, 17 -полевая диафратма
/9—интерферационный светофильтр, 20 21—приемники излучения, 22 — объект, 23 тра-
ектория сканирования, 24 сканирующее пятно

перемещает изображение температурного поля относительно
приемной площадки фотоприемника или полевой диафрагмы,
установленной перед приемником. Эта схема обеспечивает
постоянство линейных параметров визирования. В качестве
сканирующего блока в этом случае могут быть использованы
оптико-механические или электрооптические дефлекторы (см.
гл. 2).

Системы, выполненные по третьей схеме, обладают малыми
габаритными размерами сканирующих блоков. Кроме того, в
них легко осуществлять изменение угла полного визирования (и
мгновенного соответственно) путем смены объектива или его
части (линзовой насадки). Последнее преимущество широко
используется в промышленных разработках тепловизоров (см.
§ 7.3).

Недостатком системы этого типа является возникновение
значительных аберраций и дефокусировки в фокальной плоскос-
ти объектива в результате взаимодействия фокусируемого
потока с расположенными на его пути сканирующими элемен-
тами системы В результате требования к объективам в этих
системах значительно повышаются, и во многих случаях
приходится разрабатывать специальные меры для улучшения
качества изображения объективов при сканировании [7.6].

По третьей схеме выполнены широко распространенные
термовизоры фирмы AGA (AGEMA), а также советские
тепловизоры типа АТП и ТВ. Их описание приводится в § 7.3.
Рис. 7.7. Принципиальная схема сканирующего радиометра «Термопрофиль»

В некоторых случаях реализуется комплексная схема построе-
ния ОЭСИТ с признаками, присущими второй и третьей схемам.
Кроме того, сканирование иногда осуществляют путем вращения
или колебания всего входного объектива или некоторых его частей.

Последняя схема реализована в системе «Термопрофиль»
шведской фирмы AGA, осуществляющей контроль температуры
вдоль линии. В этой системе (рис. 7.7) сканирование произво-
дится путем вращения вокруг вертикальной оси ИК линзового
объектива 2. На оси его вращения установлена призма 6,
которая направляет поток от объекта к охлаждаемому жидким
азотом приемнику излучения 11 (в рабочем режиме) или в
телескопический визир (в процессе наведения системы). Визир
состоит из зеркала 3 и линзы визира 4. Вместо визира можно
устанавливать объектив 7 с излучателем 8 и подсвечивать с его
помощью траекторию сканирования на объекте.

При вращении призмы на приемник излучения последова-
тельно проходит излучение от объекта и эталонного источ-
ника 8. В результате после усиления формируются рабочий 10 и
эталонный 9 сигналы, которые воспроизводятся на экране ЭЛТ
в виде двух линий. Положение эталонной линии на экране
устанавливается с помощью специального потенциометра со
шкалой, проградуированной в градусах. Линия 10, соответст-
вующая температурному профилю объекта, также может
перемещаться по экрану с помощью потенциометра, по шкале
которого можно считывать абсолютные значения температуры
в различных точках траектории сканирования. В измеряемом
поддиапазоне температур зависимость выходного сигнала от
температуры линеаризована.

Система имеет следующие параметры: диапазон измеряемых
температур 20—6003 С; минимальная регистрируемая разность
температур 0,1° С; траектория сканирования — однострочная;
176
Рис. 7.8. Компенсация неравномерности чувствительности СПИ с помощью
зеркальной камеры Ульбрихта

период сканирования 1/25 с; угол мгновенного визирования
1,14°; угол полного визирования 80°.

По четвертой схеме (см. рис. 7.5, г) реализуются ОЭСИТ со
сканирующими приемниками излучения (СПИ): электронно-ва-
куумными или полупроводниковыми приборами (см. гл. 2). В
таких системах сканирование осуществляется внутри приемника
излучения (электронным лучом, электрическим полем и т. д.). В
системах этого типа обеспечивается постоянство линейных
параметров визирования.

Отсутствие в ОЭСИТ, выполненных по четвертой схеме,
механических сканирующих элементов дает возможность реа-
лизовать в них большие скорости сканирования, высокую
разрешающую способность и повышенную надежность (особен-
но в полупроводниковых приборах) при малых габаритных
размерах. Без сомнения, эти приборы наиболее перспективны.
Однако сегодня они обладают существенным недостатком,
вызванным неравномерностью и непостоянством чувствитель-
ности по полю приемника излучения. Так, например, в
диссекторах неравномерность чувствительности по полю фото-
катода превышает 10%, в лучших ПЗС-приборах—5—10% и
т. д. [7.7]. Кроме того, многие СПИ обладают нестабиль-
ностью спектральной характеристики.

Большинство систем этого класса оценивают температуру по
интенсивности излучения в узком спектральном диапазоне,
обусловленном спектральной чувствительностью СПИ, т. е.
выполнены по схеме ОЭСИТ частичного излучения и рассчитаны
на применение в условиях известного и постоянного коэффициента
излучения объекта. Это ограничивает применение этих приборов.

В связи с отмеченными особенностями СПИ для данных
систем насущными являются проблемы выравнивания чувстви-
тельности и разработки схем многоцветовой пирометрии.

Рассмотрим одну из систем с компенсацией неравномернос-
ти по полю и нестабильности во времени чувствительности
передающей телевизионной трубки, используемой в качестве
приемника излучения в сканирующем пирометре [7.7]. Система
(рис. 7.8) состоит из объектива 2 и камеры 3 с внутренним
177

12-3219
зеркальным покрытием (камеры Ульбрихта), обеспечивающей
равномерную засветку фотокатода СПИ 5 потоком от объек-
та 1. В камере Ульбрихта в двух диаметрально противополож-
ных отверстиях расположены объектив и фотокатод СПИ, в
третьем отверстии расположен источник 4 эталонного модули-
рованного излучения. Частота модуляции /м излучения выбира-
ется большей (5-4-1О/тэл, где т —время сканирования одной
точки поля. В результате на фотокатоде кроме изображения
температурного поля формируется равномерно распределенная
фоновая засветка, модулируемая по интенсивности.

Кроме видеоусилителя система имеет избирательный усили-
тель 7, настроенный на частоту модуляции источника /м,
систему автоматического регулирования усиления 6 и регистри-
рующее устройство 8. Таким образом, если в данной точке
фотокатода чувствительность понижена по сравнению с номи-
нальной, сигнал с выхода усилителя 7 будет меньше номиналь-
ного и система 6 увеличивает коэффициент усиления путем
воздействия на видеоусилитель или на параметры трубки. В
качестве излучателя модулируемого потока может быть исполь-
зован полупроводниковый лазер с внутренней модуляцией,
обладающий высокими динамическими (/м может быть равна
108 Гц) и эксплуатационными характеристиками.

Для выравнивания чувствительности фотокатода СПИ при-
меняются также схемы, в которых в каждый цветовой канал
введены усилители, коэффициент усиления которых изменяется
пропорционально корректирующему сигналу. Такая схема обес-
печивает достаточно хорошее согласование чувствительности в
каждой точке растра, компенсируя большинство постепенных
равномерных изменений чувствительности при помощи спе-
циально генерируемых колебаний. Однако применение таких
способов коррекции приводит к чрезмерному усложнению
ОЭСИТ при большом числе элементов СПИ.

ОЭСИТ спектрального отношения на основе СПИ могут
быть выполнены по двум схемам (подобно точечным пиромет-
рам): с одним СПИ и дихроичным коммутатором или с двумя
СПИ и дихроичным разделением оптического сигнала (рис. 7.9).
При этом коммутатор оптического потока может быть выпол-
нен оптико-механическим или оптико-электрическим [7.8, 7.9].
Для того чтобы реализовать основные преимущества пиромет-
ров на СПИ (большое быстродействие и высокую разрешаю-
щую способность), необходимо применять оптико-электричес-
кую коммутацию потоков. Однако при этом возникает ряд
трудностей, связанных с передачей оптического сигнала через
модуляторы без искажений. Обычно неравномерность отноше-
ния ' чувствительности в различных спектральных диапазонах
меньше неравномерности интегральной чувствительности по
полю фотокатода. Поэтому ОЭСИТ, выполненные по схеме с
178
Рис. 7.9. Схемы построения сканирующих ОЭСИТ спектрального отношения с
использованием сканирующих приемников излучения:

а—с оптико-механическим дихроичным коммутатором, б—с оптико-элек i рическим дих-
роичным коммутатором, в—с двумя СПИ и полупрозрачным зеркальным разделителем
(7 — дихроичный коммутатор, 2, > светофильтры, 4—блок синхронизации, 5, 5' — скани-
рующие приемники излучения, 6, 6 —отклоняющие системы, 7—блок коммутации,
Я — двухканальный усилитель, 9, 16 — вычислительные блоки, 10—полупрозрачные зеркала,
11, 13— электрооптические модуляторы, 12— зеркала, 14— генератор отклоняющих напря-
жений; 15, 15’— усилители)

одной трубкой и дихроичным коммутатором, имеют меньшие
искажения информации по полю, чем энергетические ОЭСИТ, а
также ОЭСИТ спектрального отношения, выполненные с двумя
трубками.

При развертке изображения температурного поля в двух
СПИ (рис. 7.14, в) необходимо иметь достаточно точное сов-
падение линий разверток изображения, чтобы сканирование
происходило одновременно в двух спектральных диапазонах по
одним и тем же точкам объекта. Если такого совпадения
развертки не будет, то может быть внесена существенная
ошибка в измеряемую температуру. Совмещение развертки в
таких устройствах достигается путем прецизионной юстировки
деталей в оптической системе, узлах отклонения и в самих
приемниках излучения. Отклоняющие системы питаются от
одного генератора развертки. Добавочные схемы отклонения
обеспечивают согласование между двумя осями отклонения
СПИ. Отдельные регулировки размера, линейности, центровки
и перекоса, а также механический поворот отклоняющих систем
обеспечивают дополнительные регулировки отклонения для
достижения совмещения. Геометрические соотношения в опти-
ческой системе должны быть выдержаны очень точно при
сборке системы [7.10].

И, наконец, пятая схема (рис. 7.5,0), в настоящее время
наиболее интенсивно разрабатываемая, использует как оптико-
механическое сканирование, так и сканирующий приемник,
излучения. В качестве последнего используются полупроводни-
ковые многоэлементные приемники инфракрасного излучения, в
основном—линейки ПЗИ или ПЗС приборов. Преимуществен-
ная разработка систем этого типа объясняется тем, что
построить ОЭСИТ, удовлетворяющие заданным требованиям
точности и быстродействия, полностью по четвертой схеме (на
основе оптико-электронных трубок или многоэлементных полу-
проводниковых приемников) не удается в связи с неравномер-
ностью чувствительности в СПИ. Частично же приблизиться к
желаемым характеристикам можно, используя.линейки ИК-при-
емников излучения (с 10—64 элементами) с улучшенной
равномерностью чувствительности и со специальными цифро-
выми схемами коррекции неравномерности. Такие системы
успешно разрабатываются в тепловидении (см. § 7.3).

В заключение рассмотрим особенности построения устройств
визирование для всех пяти схем построения сканирующих ОЭСИТ
(см. рис. 7.5). С помощью устройства визирования обеспечивается
наведение системы на объект, т. е. совмещение траектории и пятна
сканирования с определенными зонами объекта. Желательно,
чтобы устройство визирования работало без параллакса относи-
тельно канала измерения. Для этого оптическую ось канала
визирования совмещают с оптической осью входного объектива.
Если входной объектив пропускает излучение в видимой части
спектра, то для визирования используют входной объектив, за
которым устанавливают светоотбирающий элемент. В качестве
светоотбирающего элемента могут быть использованы стацио-
нарные элементы: полупрозрачное зеркало или микрозеркало, а
также убирающееся зеркало.

В большинстве случаев с помощью визира обеспечивают
угол обзора, равный углу полного визирования системы или
180
немного больший него. При этом траекторию сканирования
наносят на матовое (или прозрачное) стекло, которое совме-
щают с фокальной плоскостью объектива визира, и с помощью
окуляра рассматривают изображение объекта контроля сов-
местно с траекторией сканирования.

В некоторых сканирующих ОЭСИТ, в частности в системах,
построенных по второй схеме, обеспечивают локальное визи-
рование, т. е. в глаз оператора проектируют только ту часть
объекта, которая в данный момент времени контролируется
системой (сканирующее пятно). Такое визирование возможно
при пропускании объективом и сканирующим устройством
видимого Глазом излучения. С помощью локального визирова-
ния труднее ориентироваться относительно всего объекта,
однако можно более точно навести систему на определенные
зоны объекта. Кроме того, такое визирование устраняет
неточности настройки во всем оптическом блоке.

Используется также так называемое активное визирование,
т. е. локальное наведение на объект луча маломощного лазера или
какого-либо другого источника света, оптическая ось которого
совмещена с оптической осью прибора. Наиболее удобно
применить это визирование для ОЭСИТ, реализуемых по второй
схеме (см. рис. 7.5, б). Здесь лазерный луч от источника 14
(установленного вместо элементов 8—II) с помбщью светоотби-
рающего элемента 2 и сканирующего блока 3 направляется на
объект. В результате реальные (с аберрациями) точки сканиро-
вания можно наблюдать визуально на объекте, что часто более
удобно для работы, чем визирование через окуляр. Подобное
визирование реализовано в цифровом сканирующем пирометре с
дискретным законом сканирования, описанным в § 7.3.

7.3.	ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ

7.3.1.	Тепловизоры

Основную часть сканирующих ОЭСИТ составляют теплови-
зоры, которые называют также термовизорами, термоскопами,
инфравизорами, анализаторами температурного поля и т. д.
Они осуществляют контроль, измерение и визуализацию темпе-
ратурных полей, а также цифровую обработку информации. На
последнюю функцию тепловизоров в настоящее время обра-
щают особое внимание разработчики. Температурный диапазон,
перекрываемый тепловизорами, непрерывно расширяется. Если
ранее [7.И] ориентировались на температуры —20—+ 100° С,
то сейчас тепловизоры перекрывают диапазон —50—1-3000° С.
Расширяются и области их применения: медицина, микро-
электроника, машиностроение, строительство, металлургия, ме-
теорология, космические исследования и т. д.
Конструктивно тепловизоры состоят из двух основных
частей: оптической термочувствительной камеры и устройства
воспроизведения и обработки информации.

В оптической камере с оптико-механическим сканированием
располагаются входной объектив, сканирующее устройство,
один или несколько приемников излучения, модулятор потока
излучения, синхроузлы, предусилитель, визир и др. В оптико-
электронных системах сканирующее устройство объединено с
приемником излучения в СПИ.

Оптико-механическое сканирующее устройство, как уже
отмечалось, может устанавливаться как до, так и после
объектива. Каждая схема установки имеет свои преимущества
и недостатки, описанные в § 7.2. Промышленно освоенные
ОЭСИТ строятся как с внешним, так и с внутренним
сканированием.

В блок воспроизведения и обработки информации входят
черно-белый и/или цветной монитор, электронные блоки фор-
мирования видеосигналов, отклоняющих напряжений и других
сигналов, цифровое устройство обработки информации (в
последних разработках — персональный компьютер), панель
управления режимами работы тепловизоров и т. д.

Кроме указанных двух основных блоков в состав многих
тепловизоров входят сменные объективы или линзовые насадки,
оптические фильтры и зеркала, эталонные излучатели, фотоап-
паратура, видеомагнитофон, регулятор температуры оптической
камеры, печатающее устройство, тележка и подставка для
оптической камеры, устройство подачи жидкого азота, кабель-
ный удлинитель и др.

К тепловизионным системам в настоящее время предъяв-
ляются требования, приближающиеся к телевизионным, в
частности: по разрешающей способности «105 элементов
(«500x500 элементов), по быстродействию просмотра поля —
не хуже 1/16 с, по пороговой температурной чувствитель-
ности— не хуже 0,Г С [7.12, 7.13].

Построить полностью немехаиические системы, обеспечиваю-
щие эти характеристики, пока не удается. Еще не созданы ни
многоэлементные матричные приемники излучения, ни вакуум-
ные передающие трубки, способные удовлетворить указанным
требованиям. Хотя имеется надежда в ближайшее время
построить такие приборы на монолитных кремниевых ПЗС-
структурах. В [7.14] анализируются предельные характеристики
таких структур и указывается на возможность создания
многоэлементных (до 256 х 256 элементов) матричных приемни-
ков излучения на диодах Шотки, чувствительных в диапазоне
длин волн 3—5 мкм и имеющих хорошую равномерность
чувствительности по элементам матрицы (до 0,5% в среднем) и
высокую пороговую чувствительность («0,1 К) при времени
182
накопления сигнала, равном длительности телевизионного кад-
ра. Однако диоды Шотки при этом приходится охлаждать до
температур, равных 80 К при работе в диапазоне 3—5 мкм и
40 К при работе в диапазоне 8—14 мкм.

Второе направление реализации немеханических тепловизо-
ров связано с развитием пировидиконов [7.15, 7.16]. Пироэлект-
рические приемники обладают одним замечательным свой-
ством— они не требуют охлаждения при работе. Однако они
обладают и рядом недостатков: невысоким температурным и
геометрическим разрешением (эти параметры связаны обратно
пропорциональной зависимостью), потребностью в термостаби-
лизации мишени, высокой чувствительностью к вибрациям.
Кроме того, так как пироэлектрики реагируют только на
изменение падающего потока излучения, для них необходимо
создавать динамический режим работы или панорамированием
теплового потока по мишени, или прерыванием (модуляцией)
этого потока. Эти недостатки устраняют с помощью современ-
ной цифровой техники и схем покадрового накопления и
обработки видеосигнала [7.15].

В настоящее время в ряде стран осуществляют серийный
выпуск тепловизиров первой группы на основе пировидиконов, в
том числе во Франции — анализаторов температуры поверх-
ности ATS 625 (фирма HGH Ingenierie Systemes Infrarouges) и в
Англии — термических камер фирмы EEV.

Приведем характеристики английской портативной терми-
ческой камеры Р4430 фирмы EEV: приемник излучения — пиро-
видикон типа Р8092; спектральная чувствительность 8—14 мкм
(определяется объективом);’ разрешающая способность — 200
линий при пороговой температурной чувствительности около
2° С (в режиме прерывания) или около 1° С (в режиме
панорамирования); видеовыход — стандартный телевизионный
(на 625 или 525 строк) с цифровым преобразователем;
объектив — германиевый с F=50 (или 75 мм при 0 = 0,75),
обеспечивающий полный угол визирования 18° (или 12°), с
ручной фокусировкой и диафрагмированием; отображение тем-
пературного поля—на ЭЛТ с размером экрана по диагонали
40 мм, установленной на обратной стороне камеры; питание —
от сети или от батареи; размеры (без ручки) 160x270 мм; масса
(без батареи и дополнительного объектива) 3,6 кг; механические
характеристики: допустимое ускорение — до 2g при f= 1 = 3 Гц и
0,5g при /=15 = 40 Гц.

Вторая группа тепловизоров, интенсивно разрабатываемых и
промышленно осваиваемых в настоящее время, используют
оптико-механическое сканирование и многоэлементные прием-
ники излучения (рис. 7.5, 0). Эта схема позволяет приблизиться
к желаемым параметрам тепловизоров путем одновременного
приема ИК-излучения от объекта с помощью N элементов
183
Рис. 7.10. Схема базового тепловизора серии «Радуга»

приемника. В качестве последнего используют охлаждаемые
фотодиоды на основе полупроводниковых структур из InSb или
CdHgTe. Первый обеспечивает чувствительность в диапазоне
длин волн 3—5 мкм, второй — в диапазоне 8—14 мкм. Второй
имеет почти в 10 раз меньшую постоянную времени.

Как уже отмечалось, существенным недостатком этих
приемников является большая (более 10%) неравномерность и
непостоянство чувствительности элементов в матрице. Однако
эта проблема сравнительно легко решается с помощью цифро-
вой запоминающей техники при малом числе (<50) элементов
матрицы и малом динамическом диапазоне изменения темпера-
туры объекта. Для этого вводят режим калибровки приемника
излучения, во время которого на каждый элемент матрицы
подают эталонный поток ИК-энергии, выходные сигналы всех
элементов запоминают и по ним регулируют коэффициент
усиления в каждом канале. Калибровка производится перед
началом работы тепловизора, а также периодически в процессе
его эксплуатации. (Осуществить такую калибровку для матрицы
с большим числом элементов чрезвычайно трудно.)

В настоящее время создано несколько тепловизоров этой
группы [7.12, 7.17—7.19]. Они имеют приблизительно одинако-
вые показатели по быстродействию (Тк=0,04 4-0,02 с), разре-
шающей способности («150x150 элементов) и пороговой
температурной чувствительности (0,1—0,2 К).

В [7.20] описан тепловизор, обладающий повышенным
порогом температурной чувствительности (0,02 К при 20° К) и
высоким пространственным разрешением («200 х 256), однако он
имеет малое быстродействие (Zfc=lc). В нем используются
64-элементный линейчатый приемник излучения с инжекцией
заряда и зеркальный барабан Вейлера с 12 гранями. Цифровая
184
обработка позволяет осуществлять широкий круг функциональ-
ных преобразований над тепловым изображением.

Промышленностью освоен серийный выпуск тепловизоров из
ряда «Радуга» [7.18. 7.21, 7.22]. Остановимся более подробно на
его исполнении и характеристиках. Базовыми модулями теплови-
зоров этого ряда являются оптический и электронный (рис. 7.10). В
оптическом модуле установлено сканирующее устройство в виде
зеркальной вращающейся пирамиды 7. Зеркала этой пирамиды
наклонены под различными углами к оси ее вращения, обеспечивая
полный угол обзора 18° по вертикали. Оптический поток
фокусируется зеркальным объективом 5 на 11-элементный
фотодиодный приемник излучения 6, охлаждаемый жидким
азотом. На пути потока установлен модулятор излучения 3 со
специальными отверстиями для рабочего и вспомогательного
потоков излучения. С помощью последнего в блоке 2 форми-
руются синхроимпульсы. После усиления в блоке предусилителей
7 рабочие сигналы поступают на аналоговый коммутатор 8,
управляемый формирователем сигналов управления 14. Для
калибровки и стабилизации выходных сигналов используются
навесные эталонные излучатели 4 и 4'.

В электронном модуле осуществляется обработка видеосиг-
нала с помощью функционального преобразователя 9, АЦП 10
и цифровой системы обработки информации 13. Отображение
информации производится на экране телевизора 75 (черно-бе-
лого и/или цветного), запись термограмм и другой информа-
ции— в блоке цифровой памяти 77 и на электрохимической
бумаге 72. Для улучшения отношения сигнал/шум (и соответ-
ственно для уменьшения порога чувствительности) осуще-
ствляется цифровое интегрирование видеосигнала по двум или
четырем кадрам с помощью ОЗУ. В тепловизоре производится
также коррекция геометрических искажений, вносимых скани-
рующим устройством.

На экран телевизора выводятся термограмма (черно-белая
или цветная), изотермы, оптический дискретный клин 10
градаций яркости или цвета, буквенно-цифровая служебная
информация и т. п. Предусмотрены «электронная лупа» с
выводом на весь экран части исследуемого поля, маркер,
фиксирующий точку измерения температуры, а также возмож-
ность определения термопрофилей поля по ортогональным
координатам и оцифровка любой точки термограммы (две
последние возможности — в «Радуге-4»).

Основные характеристики базового тепловизора серии «Ра-
дуга»: диапазон измеряемых температур 20 — 200° С; порог
температурной чувствительности 0,1—0,2° С; период сканиро-
вания 0,04 с; число строк сканирования 132; число элементов в
строке 142—168; полный угол визирования 20° х 18°; угол
мгновенного визирования 7'; расстояние до объекта 0,4 м—со.
Третья группа тепловизоров, основанных на второй и третьей
схемах построения (см. рис. 7.5,6, в), является самой обширной
и наиболее освоенной в серийном производстве как в СССР, так
и за рубежом [7.23—7.32]. Эти тепловизоры имеют одноэле-
ментный приемник излучения, в большинстве случаев — фото-
диод из InSb (реже — из CdHgTe), охлаждаемый жидким
азотом. В эту же группу входит и тепловизор с одноэлемент-
ным пироэлектрическим приемником, не требующим охлажде-
ния, но обладающим худшими характеристиками по быстродей-
ствию и порогу температурной чувствительности [7.16]. Тепло-
визоры отличаются друг от друга видом сканирующего
устройства и набором функций, выполняемых в электронном
модуле. Для сканирования используют колеблющиеся зеркала,
вращающиеся призмы, работающие на пропускание, вращаю-
щиеся зеркальные барабаны и пирамиды, зеркальный барабан
Вейлера и их сочетания. В переносных дешевых тепловизорах
выполняется ограниченный набор преобразований над видеосиг-
налом, например выделение изотерм и фиксация температуры в
заданных точках, в стационарных (универсальных) — обширный
спектр преобразований с использованием мощных ЦВМ.

Из отечественных тепловизоров этой группы выделим три:
1) анализатор температурного поля АТП-44; 2) тепловизор
ТВ-03 и 3) комплект телевизионной аппаратуры КТ А. Освоено
их серийное производство для целей медицины и технической
диагностики.

Анализатор температурного поля АТП-44 относится к тепло-
визорам серии АТП (АТП-31, АТП-34, АТП-41 и др.) [7.23—
7.26]. В них (особенно в последних разработках) широко
применяется цифровая техника как для обработки информации,
так и для повышения технических характеристик. Тепловизор
АТП-44М этой серии выпускается промышленностью, его
модификация АТП-44И также подготовлена к серийному про-
изводству. Обе модификации обладают простотой в эксплуата-
ции, легко транспортируются, имеют сравнительно невысокую
стоимость и находят широкое применение в медицине и
технике.

В тепловизорах этой серии осуществляется внешнее сканиро-
вание с помощью одного зеркала, совершающего сложное
пространственное движение относительно двух осей; привод
этого зеркала — торсионный резонансный; объектив — зеркаль-
ный сферический, визирование — локальное с использованием
рабочего объектива и окуляра. Калибровку прибора и проверку
его работоспособности производят с помощью двух выносных
ИК-излучателей с регулируемой температурой.

В последней модификации тепловизора АТП-44 осуще-
ствляется цифровая обработка видеосигнала и черно-белое
и/или цветное воспроизведение теплового поля объекта с
186
Рис. 7.11. Схема оптической головки тепловизора ТВ-03

использованием нормального телевизионного стандарта. С
помощью перемещаемой по экрану метки можно выделять на
объекте точку, определять ее координаты и амплитуду цифро-
вого сигнала в этой точке. Кроме выделения изотерм и
проведения ряда локальных операций в тепловизоре происходит
определение интегральных характеристик теплового поля и
построение соответствующих гистограмм. Цифровая техника
используется также для коррекции геометрических искажений,
возникающих при переходе от синусоидального закона сканиро-
вания в оптическом модуле к линейному в тепловизионном
блоке.

Технические характеристики тепловизора АТП-44М: порог
температурной чувствительности— не хуже 0,2° С (при 25° С);
период сканирования при измерении 2,5 с, при воспроизведении
1/25 с (телевизионный стандарт); число строк сканирования при
воспроизведении 256; число элементов в строке при измерении
128; полный угол визирования 12x12°; расстояние до объекта
0,75—30 м; емкость памяти 64 кбит; приемник излучения — ан-
тимонид индия охлаждаемый; габаритные размеры и масса:
оптической камеры 540 x 168 x335 мм, 12 кг; электронного мо-
дуля 470x520x220, 17 кг.

Тепловизор ТВ-03 является быстросканирующим многофунк-
циональным тепловизором [7.27, 7.28]. Оптическая головка
этого тепловизора (рис. 7.11) содержит зеркальный объектив со
сменной линзовой насадкой 1 (плоское зеркало 2 и сферическое
зеркало 4) и конденсатор 7. Плоское зеркало 2 этого объектива
качается с помощью кулачка, совершая кадровую развертку
поля с частотой 16 Гц. В сходящемся пучке объектива
установлена восьмигранная вращающаяся призма 3, осуще-
ствляющая строчную развертку с частотой 1600 Гц. Приемник
излучения 5 выполнен из InSb.

В последней модификации установлен приемник из CdHgTe,
сделано соответствующее (на спектр 8—14 мкм) просветление
оптики, а кремниевая призма 3 заменена на .германиевую. В
этой модификации также проведен ряд измерений [7.28],
обеспечивающих повышение качества работы тепловизора:
фаски призмы 3 использованы как опорный излучатель для
компенсации с помощью схемы фиксации уровня дрейфа
видеосигнала; разработана новая схема предусилителя 6, улуч-
шающая порог температурной чувствительности до 0,1 К;
введен буферный усилитель для обеспечения работы на кабель
длиной до 100 м.

В тепловизоре ТВ-03 предусмотрено выполнение с помощью
цифровой техники целого ряда операций над видеосигналом:
выделение изотермических зон; определение температуры в
любой точке с помощью перекрестия на экране; определение
максимальной, минимальной и средней температур в выбран-
ной зоне; определение площади изотермических областей [7.27].
Перечень этих операций непрерывно расширяется.

Основные характеристики тепловизора ТВ-03 (в скобках
указаны характеристики модификации этого тепловизора):
порог температурной чувствительности 0,2 К (0,1 К); период
сканирования 1/16 с; число строк сканирования 100; полный
угол визирования 4,5 х 4,5° (7x7°, 2,5x2,5°—со сменными
линзовыми насадками); приемник излучения — InSb(CdHgTe),
охлаждаемый жидким азотом; спектральный диапазон прини-
маемого излучения 3—5 (8—14) мкм.

На базе тепловизора ТВ-03 был также разработан двухка-
нальный тепловизор [7.29]. В нем использованы два последова-
тельно расположенных и выполненных в едином конструктив-
ном исполнении приемника излучения, чувствительных в об-
ластях спектра 3—5 и 8—14 мкм (см. гл. 2). Сигналы с обоих
каналов вводятся в ЭВМ «Электроника-60» через блок нако-
пления информации, который позволяет запомнить одновре-
менно 12 кадров. Отображение информации о двух яркостных и
цветовой температурах объекта производится на цветном
мониторе. Следует отметить, что при использовании алгорит-
мов обработки сигналов с выходов обоих каналов, рассмотрен-
ных в гл. 5, возможны как минимизация методической погреш-
ности-измерения, так и формирование сигнала об излучательной
способности объекта.

Комплект тепловизионной аппаратуры типа КТА по своим
характеристикам близок к тепловизору ТВ-03 [7.30]. Компакт-
ность, малая масса и возможность работы от аккумуляторов
делают эту аппаратуру весьма удобной для работы в заводских
и полевых условиях.

Из числа зарубежных тепловизоров этой группы выделим
последние разработки тепловизоров шведской фирмы AGEMA
и японской фирмы NEC San-ei Instr. Они обладают высо-
кими технико-эксплуатационными характеристиками, широкими
функциональными возможностями и получили большое распро-
странение на мировом рынке.

Тепловизор Thermo Тгасег-6Т61 (фирмы NEC San-ei Instr.)
использует внешнее сканирующее устройство, состоящее из двух
188
Рис. 7.12. Схема японского тепловизора Thermo Tracer-6T61:

7 — оптическая камера; 2—устройство обработки и воспроизведения информации; 3 — за-
щитное окно; 4, 5— сканирующие нлрские зеркала; 6 — объектив; 7 модулятор потока
излучения; 8 — приемник излучения; 9 — предусилитель; 10—гальванический привод;
77—устройство управления фокусировкой; 12—синхроблок; 13 датчик температуры
оптической камеры; 14 — усилитель-линеаризатор, 15 — видеоконтрольное устройство; 16—
блок видеопамяти; 17—блок коррекции видеосигнала; 18—микропроцессорное устройство
обработки информации; 19— блок управления режимами работы

колеблющихся зеркал 4 и 5 (рис. 7.12) [7.31]. Привод 10 этих
зеркал магнитоэлектрический (гальванический), причем обеспе-
чена возможность изменения периода сканирования (от 0,5 до
2 с) и масштаба сканирования (с увеличением от 1 до 5) как
раздельно, так и одновременно по обеим осям. Независимое
изменение масштаба очень удобно в тех случаях, когда
контролируется температура продолговатых объектов.

Тепловизор Thermo Tracer-6T61 обладает повышенной разре-
шающей способностью (до 300 х 248 при Тк = 2 с), однако имеет
среднее быстродействие (7к = 0,5^-2 с). Эта система обладает
также широкими функциональными возможностями, в том
числе возможностью черно-белой и 64-уровневой цветной
индикации температурного поля, запоминания и воспроизведе-
ния до четырех кадров поля, увеличения масштаба индикации
любой части термограммы, вычитания и оконтуривания термо-
грамм, цветной индикации изотерм, дистанционного управления
режимами, «прокрутки» изображений и т. д. Система имеет
также возможность наращивания математического обеспечения
с подключением к большой ЭВМ или к персональному
компьютеру. Для проведения длительных измерений темпера-
туры без участия человека предусмотрен режим автоматической
подачи жидкого азота к приемнику излучения.

Основные характеристики тепловизора Thermo Тгасег-6Т61:
диапазон измеряемых температур —50—2000° С (с тремя
поддиапазонами: —50-^200; 120—800; 700—2000° С); порог
температурной чувствительности (при 30° С) 0,1° С; дискрет-
ность уровня температуры: 0,Г (до 100° С) и Г (свыше 100° С);
период сканирования 0,5; 1; 2 с; разрешающая способность 300
(по горизонтали) х 248 (по вертикали); полный угол визирова-
ния 30x25° (с 1—5-кратным непрерывным уменьшением по
обеим осям); приемник излучения — CdHgTe, охлаждаемый
жидким азотом; время непрерывной работы дозаправки жидкого
азота 4—5 ч; расстояние до объекта 0,15 м — оо; габарит-
ные размеры, масса оптической камеры 177 х 140x286 мм, 7 кг;
блока воспроизведения 380 x 191 x495 мм, 17,5 кг; температур-
ные условия работы 0—40е С (с автоматической коррекцией
видеосигнала).

Тепловизор Thermovision-880 является последней моделью из
серии термовизоров шведской фирмы AGEMA (бывшей AGA).
В СССР и других странах мира хорошо известны термовизоры
этой фирмы моделей 650, 680, 750, 780, 782 и др. Они
зарекомендовали себя как надежные высокоскоростные системы
с большим набором функций преобразования термоизображе-
ния и запасных элементов к системе.

Последняя модель — тепловизор Thermovision-880—является
высокоскоростной высокочувствительной системой, обладаю-
щей малыми габаритными размерами и массой. В оптической
камере используется зеркально-призменное сканирующее
устройство, установленное в сходящемся пучке лучей («внутрен-
няя» схема сканирования). Применение для вращения зеркала и
призм бесколлекторных двигателей постоянного тока обеспечи-
вает высокие энергогабаритные характеристики системы. Три
сменных линзовых объектива с байонетным креплением и
микроскопическая приставка позволяют оперативно менять
полный угол визирования и исследовать объекты самых
различных размеров: от микрообъектов (площадью 1,6 х 1,6 мм)
до макрообъектов. Имеется большой набор светофильтров для
устранения оптических помех.

В оптической камере установлены два миниатюрных эталон-
ных излучателя, сканируемых в каждой строке. Это обеспечи-
вает точное регулирование усиления и уровня черного в
системе. Кроме того, в оптической камере установлены три
датчика температуры стенок камеры, по сигналам которых
компенсируется дрейф усилителей от температуры. Калибровка
каждого прибора производится индивидуально, калибровочные
константы при этом заносятся в запоминающее устройство,
находящееся в оптической головке. Благодаря выбору прием-
ника излучения (типа МСТ), чувствительного в длинноволновой
части ИК-излучения (8—12 мкм), повышается чувствительность
при измерении низких температур, а также при измерении
температуры удаленных на большое расстояние объектов.

Система Thermovision-880 комплектуется новым комплексом
вычислительной аппаратуры TJC-8000 и средств программного
обеспечения для анализа гермоизображений CATS. Система
TJC-8000 построена на базе персонального компьютера, совмес-
тимого со стандартом фирмы ИБМ. Программное обеспечение
охватывает разнообразные требования анализа термограмм,
вывода термоизображений и другой информации на дисплей,
снятие отсчетов с точек и с зон поля, использование цветовой
190
индикации, снятие профилей поля. Производятся также статисти-
ческие вычисления, построение гистограмм, вычитание изобра-
жений, их увеличение, запись кадров термограмм через заданные
промежутки времени, их хранение и т. д. В целом система
Thermovision-880 имеет очень широкое программное обеспечение
и обладает большими функциональными возможностями.

Основные характеристики тепловизора Thermovision-880:
оптической камеры: диапазон измеряемых температур
-204- +800° С (может быть расширен до 1500° С при помощи
фильтра); порог температурной чувствительности (при 30° С)
0,07° С; приемник излучения — типа МСТ, охлаждаемый жид-
ким азотом; спектральная характеристика 8 —12 мкм; аппара-
турная погрешность измерения температуры +2% или + 2° С;
разрешающая способность 175 (по гориз.) х 280 (по верт.);
период сканирования 0,04 с; полные углы визирования (с
использованием сменных объективов) 2,7; 7; 12; 20°; габаритные
размеры, масса 93 х 150x205 мм, 2,5 кг; температурные условия
работы — 15-?--1-55° С;

устройства отображения информации: размер термоизобра-
жения 50 х 50 мм; типы изображений - нормальное, обратное,
черное, серое, ступенчатое, шкала; термический диапазон — 8
калиброванных диапазонов; габаритные размеры, масса 253 х
х 129x322, 4,5 кг.

7.3.2.	Сканирующие пирометры

В последние годы сканирующие ОЭСИТ развивались не
только в направлении тепловидения, но и в направлении,
которое можно назвать пирометрическим. Последнее направле-
ние возникло в результате потребностей различных отраслей
промышленности в высокоточном бесконтактном измерении
температурных полей объектов. Четкой грани между тепловизо-
рами и сканирующими пирометрами провести нельзя, можно
лишь отметить особенности последних.

Основные проблемы, которые решались и решаются при
построении сканирующих пирометров,— обеспечение высоких
точности и быстродействия измерения температуры при нали-
чии сканирования. Сканирующая пирометрия имеет дело с
более высокими температурами, чем тепловидение. Еще одна
особенность сканирующих пирометров заключается в том, что
они в большинстве случаев используются как датчики в
системах регулирования различных теплотехнических процессов.
Иногда параметры сканирующих пирометров должны быть
согласованы с параметрами управляющих устройств или
объекта. Например, при управлении процессами с подвижными
источниками энергии типа электронного или лазерного луча
скорость и период сканирования пирометра должны быть
согласованы с параметрами луча.
Создание сканирующих пирометров, как и тепловизоров,
осуществляется на базе одних и тех же пяти схем построения.
Выделим три разновидности рассматриваемых систем из числа
известных.

Первая из них — тепловизионная пирометрическая система
ИК-42Т— построена на основе видикона, чувствительного в
видимой и ближней ИК областях спектра излучения [7.33, 7.34].
В ней используется микро-ЭВМ «Электроника ДЗ-28», обеспечи-
вающая получение, накопление и обработку информации о
температуре и ее распределении по поверхности объекта. При
вычислении температуры используются градуировочные кривые,
предварительно заложенные в память ЭВМ. Блок видеопамяти
содержит три кадровых ЗУ (емкостью по 16 Кбайт), каждое из
которых позволяет хранить видеокадр объемом 128x128
элементов с восьмиразрядным кодом. Количественная и ка-
чественная информация воспроизводится на экране цветног о
монитора и на газоразрядном индикаторе. Термограмма
строится в различных видах: плоском (цветном), псевдорель-
ефном (теневом), псевдообъемном (цветном и черно-белом).

Система ИК-42Т имеет два режима измерения — измерение
двух яркостных температур (в двух различных участках спектра)
и измерение цветовой температуры. Это осуществляется с
помощью сменяемых светофильтров, установленных перед
видиконом, и накопления сигналов поочередно в двух участках
спектра. Вводятся поправки на излучательную способность
объекта и пропускание среды. Неравномерность чувствитель-
ности фотокатода видикона учитывается программными сред-
ствами. Стабильность видеосигнала обеспечивается температур-
ной компенсацией.

Некоторые параметры тепловизионной пирометрической си-
стемы ИК-42Т:

диапазон измеряемых температур: яркостных 500—1800,
цветовых 800—2000;

инструментальные погрешности измерения температуры:
яркостной +0,5%, цветовой +1,5%;

период измерения температуры всего объекта: яркостной
0,04 с, цветовой 0,64 с;

расстояние до объекта 0,5 м — оо.

Вторая система—многофункциональный сканирующий пиро-
метр JR-N — разработана японской фирмой Chino, специализи-
рующейся в области систем контроля, измерения и управления
для промышленности [7.35]. Пирометр имеет две модифика-
ции— монохроматическую и двухцветовую. Имеется дистан-
ционная установка коэффициента излучения объекта. Сканиро-
вание осуществляется колеблющимся вокруг одной из осей
зеркалом. Углы визирования определяются набором объективов
и равны 50 х 50°, 25 х 25° или 7 х 7°.
Рис. 7.13. Схема сканирующего пирометра с перестраиваемыми параметрами
СКАПИР-2 (ДСУ-901М):

1—объект; 2—текущая точка измерения температуры; 5—сканирующий модуль; 4 — мо-
дуль приемников излучения; 5—электронный модуль; 6—блок синхронизации; 7, 7'—ша-
говые приводы; 8, 8'—датчики угла; 9,9'— колеблющиеся зеркала; 10—лазер; 11, 11'—
приемники излучения; 12, 12'—усилители; 13—блок управления сканированием, 14— муль-
типлексор, 15 — блок обработки информации; 16 —блок управления режимами работы;
17 — видеоконтрольное устройство

В пирометре используется матричный приемник излуче-
ния на основе ПЗС-структуры. Обработка информации — пол-
ностью компьютерная. Формирование термограммы осуще-
ствляется на экране монитора. Кроме того, формируется
информация о температуре в заданной точке или вдоль
произвольной линии на объекте, вычисляется средняя тем-
пература зоны объекта с максимальной температурой и др.
Пирометр рассчитан на измерение температуры в пределах
600—1500° С.

Третья система—сканирующий пирометр с перестраивае-
мыми параметрами СКАПИР (ДСУ)—разработана для вы-
сокоточного дискретного измерения температуры в произ-
вольном множестве точек объекта [7.36, 7.37]. Пирометр
способен в процессе работы перестраивать параметры ска-
нирования (последовательность опроса точек и время опро-
са каждой точки), а также способ измерения температу-
ры (яркостной, цветовой, с введением поправок и др.). Пе-
рестройка осуществляется программно с помощью микро-
процессора в соответствии с заложенными алгоритмами, из-
лучательными свойствами объекта и свойствами промежу-
точной среды. Выборка точек сканирования—произвольная,
время измерения температуры в каждой точке—программи-
руемое.

Схема данной системы приведена на рис. 7.13. Сканирование
осуществляется зеркалами 9 и 9', колеблющимися относительно
ортогональных осей с помощью шаговых двигателей 7 и 7'.
Управление двигателями осуществляет микропроцессорный
блок 13, в котором используется информация о положении
зеркал от датчиков углов 8 и 8' (через синхроблок 6). Излучение
от объекта 1 поступает на входы приемников излучения 11 и 1Г
193
(их число может быть больше двух). Выходные сигналы
приемников обрабатываются в блоке 15 по различным алгорит-
мам в зависимости от излучательных свойств объекта и
других априорных данных. Кроме того, в зависимости от
получаемой информации может корректироваться закон ска-
нирования. Например, могут быть сформированы сигналы,
обеспечивающие остановку сканирования на заданное вре-
мя в точках, имеющих экстремальные значения темпера-
туры.

С помощью микропроцессорного блока обработки ин-
формации 15 в системе СКАПИР-2 (ДСУ-901М) произво-
дятся следующие преобразования над информацией: выде-
ление изотерм, фиксирование глобального и локальных экстре-
мумов температуры на объекте; фиксирование максималь-
ных и минимальных градиентов температуры, а также
зон с наибольшей и наименьшей динамикой температуры.
Вся эта информация выводится на знако-буквенный инди-
катор.

Общий режим работы системы задается программно, а
закон сканирования может быть задан как программно,
так и оператором в режиме «обучения» системы. В по-
следнем случае используется луч лазера 1, последователь-
но наводимый в точки объекта, которые необходимо про-
контролировать. При этом автоматически фиксируется по-
следовательность опроса и с пульта оператора — время контро-
ля каждой точки.

Блок обработки информации имеет гибко перестраивае-
мую структуру, обеспечивающую измерение температуры на
объекте в следующих четырех режимах: 1,2) пирометра ча-
стичного излучения или спектрального отношения; 3,4) пи-
рометра частичного излучения или спектрального отношения с
автоматическим формированием и введением поправки на
изменение е по излучению в двух участках спектра. Форми-
рование и введение поправок осуществляется в соответст-
вии с алгоритмами, приведенными в § 5.6. Более подроб-
но аппаратурная реализация сканирующих пирометров типа
СКАПИР приведена в [7.37].

Сканирующий пирометр типа СКАПИР-2 (ДСУ-901М),
выполненный на базе цветового точечного пирометра «Спектро-
пир-10», имеет следующие технические характеристики: диапа-
зон измеряемых температур 300—3000° С (с пятью поддиапазо-
нами); инструментальная погрешность измерения температуры
1 —1,5%; максимальные углы полного визирования + 31,5 х
х + 2Г; погрешность позиционирования + 3'; максимальное
число точек сканирования 104 (200x50); время перехода из
точки в точку (10 3тУ-+10 2)с, где N—расстояние между
точками.
ГЛАВА 8

ВЛИЯНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЫ И ОПТИЧЕСКИХ

ПОМЕХ

8.1.	ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЫ

Промежуточная среда, т. е. твердые, жидкие и газооб-
разные элементы, находящиеся между ОЭСИТ и объектом
контроля, может оказывать существенное влияние на точ-
ность определения температуры по излучению объекта. Не-
посредственное влияние промежуточной среды на точность
измерения температуры рассмотрено в ряде работ [8.1—8.4].
Так, в [8.1 J приведены результаты экспериментального ис-
следования влияния различных компонентов, находящихся
в промежуточной среде, на результат измерения темпера-
туры с помощью ОЭСИТ трех типов. Как видно из
1абл. 8.1, построенной по результатам этой работы, про-
межуточная среда может существенно изменить показания
ОЭСИТ.

Очевидно, что оптимальный метод измерения температуры
не может быть выбран без оценки влияния промежуточной
среды и определения условий его исключения (или уменьшения
до приемлемых размеров).

Влияние промежуточной среды в основном проявляется в
ослаблении излучения от объекта.

Погрешность, возникающая за счет ослабления излуче-
ния промежуточной средой, может быть найдена по фор-
мулам для определения погрешности от изменения излу-
чательной способности е при замене в последних излуча-
тельной способности £ пропусканием' т, определяемым из
выражения

Таблица 8.1. Влияние промежуточной среды на точность некоторых типов
ОЭСИТ

ОЭСИТ	Погрешность, %, вследствие поглощения слоем толщиной 1 м				
	ВОДЫ	перегретого пара	конденсиро- ванного па- ра	воздуха с брызгами	со2
Суммарного излучения	30	8	—	15	1,3
Частичного излучения с кремниевым приемником излучения	2,5	0,3	2,5	7,5	0
Спектральною отноше- шения с кремниевым приемником излучения	1	0	1	0,1	0
Рис. 8.1. Номограмма для определения w

f т (А)/>(*•! T}v(k)dk

f T(K)b(\T)dk
0

где b(kxT)— спектральная энергетическая яркость объекта;
т(Х)— спектральный коэффициент пропускания оптического ка-
нала; v(X)— спектральный коэффициент пропускания среды,
v (X.) = 1 — а (X) [а (X) — спектральная поглощательная способ-
ность среды].

На основании закона Бугера — Бера поглощательная способ-
ность определяется выражением

а(Х)= 1 —exp (—к(Х)/),	(8.1)

следовательно,

v(X) = exp [ —&(Х)/],	(8.2)

где к (к)— спектральный коэффициент ослабления излучения;
/—толщина поглощающего слоя по линии визирования.

Спектральный коэффициент ослабления излучения определя-
ется составом промежуточной среды.

Влияние на излучение защитных стекол рассмотрено в [8.5,
8.6].

Поглощение в газовой промежуточной среде является изби-
рательным. Это объясняется тем, что оно происходит на длинах
волн, являющихся резонансными для молекул газовой 'среды,
находящейся между ОЭСИТ и объектом [8.7].

Сильнее всего излучение поглощается парами воды, а из
газов — углекислым газом СО2. Спектральный коэффициент
ослабления, учитывающий поглощение парами воды и углекис-
лым газом, зависит от толщины поглощающего слоя, поэтому т
определяют непосредственно для заданной толщины [8.8].

Так как оптические свойства водяного пара зависят как от
относительной влажности, так и от температуры (т. е. от
196
абсолютной влажности), то пропускание слоя толщиной /
определяют по пропусканию эквивалентного слоя 1В осажденной
воды:

w = ao/B-103,

где а0 — абсолютная влажность, г/см3.

На рис. 8.1 приведена номограмма, позволяющая опреде-
лить «0 и w по относительной влажности и температуре [8.8].

Если известно значение w, то пропускание среды может быть
определено эмпирической формулой

v(X) = exp { —

где w[ w'o — коэффициенты, зависящие от и1.

Методика выбора коэффициентов w', w'o, 6, % дана в [8.9].

Для оценки влияния поглощения можно воспользоваться
таблицами, приведенными в [8.8].

Для примера на рис. 8.2 даны кривые пропускания водяного
пара и углекислого газа.

Ослабление излучения жидкими и твердыми частицами,
находящимися в промежуточной среде, вызвано дифракцион-
ным и геометрическим рассеянием излучения. Наиболее часто
встречающимися частицами являются частицы воды (конденси-
рованный пар, туман) и углерод (сажа).

Значение k (X) для среды со взвешенными частицами
(капельками воды) определяется выражением

^(Х) = 2лг2А:р2У,	(8.3)

где г—радиус рассеивающих частиц; N—число частиц в 1 см3;

— функция рассеяния, /ср = /(р), здесь р = 2лг/Х.

Функция /ср=/(р) приведена на рис. 8.3 [8.10].

В области рассеяние зависит не от длины волны, а
только от размера частиц: при к —г рассеяние достигает
Рис 8.3 Зависимость функции рассеяния кр
от р

максимума; при Х>2г начинается область рассеяния, подчи-
няющаяся закону Рэлея (Х(Х)%Х'4).

Размер конденсированных капелек пара можно считать
соответствующим размеру капелек тумана (5—50 мкм) при
числе капелек соответственно 107—106 в 1 м3, что соответству-
ет содержанию воды 6-10-3—6-10~2г/м3.

Если размер капелек воды более 50 мкм, то они выделяются
в виде осадков. Наиболее достоверным следует считать размер
капелек 3—10 мкм.

Следовательно, при измерении температуры по излучению в
наиболее распространенном диапазоне длин волн (0,4—12 мкм)
возможно как селективное, так и неселективное ослабление
жидкими частицами [8.11].

-Наличие в объеме между ОЭСИТ и объектом взвешенных
твердых частиц (сажа, зола) существенно изменяет поглоща-
тельную способность объема. Размеры таких частиц колеблют-
ся от единиц до сотен микрометров. Поглощательная способ-
ность таких объемов зависит от размеров, концентрации и
физических свойств твердых частиц. Экспериментальное иссле-
дование поглощения таких сред показывает, что спектральная
поглощательная способность такого объема уменьшается с
ростом X [8.12]. Спектральный коэффициент поглощения для
такой среды равен

/с(Х)=^/с(г0),

где ц—концентрация поглощающих частиц; у — плотность
частиц; Х(г0)— функция, определяемая оптическими размерами
частиц.

Зависимость усредненного значения к (X) от г0 (экспе-
риментально проверенного для Х = 4—16 мкм) приведена на
рис. 8.4.

При больших значениях г0 величина к (X) стабилизи-
руется и перестает зависеть от оптического диаметра ча-
стиц. Оптический радиус частиц определяется как геоме-
трическими размерами частицы /ч. так и длиной волны
излучения и физическими свойствами частиц (его комплекс-
ным показателем преломления). Ход зависимости г0/гч от
X для частиц углерода различного размера показан на
рис. 8.5.
198
Рис. 8 4

Зависимость <•(/.) от оптического размера частиц

Рис. 8 5

Зависимость г0/гч от длины волны и размеров частиц

Особенностью приведенных на рисунке кривых является то,
что все они по мере уменьшения X стремятся к единице, т. е. по
мере увеличения размеров частиц или уменьшения длины волны
падающего излучения дифракционные явления на частицах
ослабевают и при 2г/Х->оо частицы по своим оптическим
свойствам становятся эквивалентными системе больших не-
прозрачных экранов, подчиняющихся законам геометрической
оптики.

8.2.	ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧАСТИЦ, НАХОДЯЩИХСЯ
В ПРОМЕЖУТОЧНОЙ СРЕДЕ, И ПУТИ ЕГО УМЕНЬШЕНИЯ

Если частицы в промежуточной среде нагреты до темпера-
тур, сравнимых с температурой объекта, например если частицы
являются продуктами сгорания, то ОЭСИТ будет воспринимать
излучение как от объекта, так и от этих частиц [8.4].

Так как диаметр частиц d4 значительно больше длины волны
излучения, воспринимаемого пирометром, то частицы можно
рассматривать как непрозрачные экраны.

Тогда.выходной сигнал ОЭСИТ может быть записан в виде

Сн = ес[(50-л’ч)£о + 5чЕч],	(8.4)

где 0 — коэффициент преобразования излучения приемником;
50 — площадь пятна визирования ОЭСИТ; лч = nd * /4; Ео, Еч —
энергетическая яркость объекта и частицы; G — параметр
оптической системы.

Если частиц нет, то

CH=C=0Gso£o.	(8.5)

Погрешность определения температуры при наличии частиц
можно определить по формулам, характеризующим погреш-
ность от изменения излучательной способности, заменив s на
величину UJU'.
Рис. 8.6. Устройство для компенсации влияния промежуточной среды

Рис. 8.7. Вариант устройства для компенсации влияния промежуточной среды
(без ключевой схемы)

UJU=(l-^+r\EJEo,	(8.6)

где v\ = QGs4Eo.

Заменив Ео и Еч на температуры объекта То и частиц Тч,
выражение (8.6) можно записать при аппроксимации формулой
Вина и степенной зависимостью соответственно в виде

^(1-п) + ЬПехр -SLJ: ;	(8.7)

С/	OQ	Л. 1 V

^=1-U ^v"-l ),	(8.8)

U \ео /

где v=T4/To; ^ = ,s4/.vo; А—длина волны; п—показатель степени;
8О, 8Ч—спектральная излучательная способность соответственно
объекта и частицы.

Рассмотрим схему ОЭСИТ, в которой компенсируется
влияние излучающих частиц. Для этого сигнал с датчика 1
после усиления усилителем 2 (рис. 8.6) с коэффициентом
усиления к подается на фильтр 3 и ограничитель 4.

Напряжение на выходе фильтра 3 равно

U* = kUK.cv.

На выходе ограничителя 4 формируются импульсы

Наличие этих импульсов свидетельствует о наличии частиц.

Для того чтобы получить напряжение Свых, определяемое
только средней температурой объекта, из напряжения (7ВЫХ ср
вычитается (с помощью сумматора 5) среднее значение напря-
жения импульсов на выходе ограничителя 4 [7ф и ср, нормиро-
ванное с помощью согласующего устройства 6.

Следовательно, указатель на выходе сумматора 5 измеряет
напряжение, определяемое средней температурой объекта.

При использовании ОЭСИТ для регулирования температуры
объекта в систему регулирования необходимо подать сигнал,
пропорциональный максимальному значению температуры. Это
200
напряжение формируется пиковым детектором 7. Сигнал с
усилителя 2 поступает на пиковый детектор через ключевую
схему с запоминающим блоком 8. Ключевая схема закрывается
импульсом с одновибратора 9. Одновибратор запускается
импульсом от ограничителя 4. Длительность импульсов, фор-
мируемых одновибратором, равна максимальному значению
длительности импульсов помехи.

В момент появления импульса помехи ключевая схема
закрывается и на ее выходе запоминается напряжение, равное
напряжению на выходе усилителя 2.

За счет конечного значения сопротивления ключа в закрытом
состоянии, емкостных связей и некоторого рассогласования вре-
мени срабатывания одновибратора и момента появления помехи
возможно завышение напряжения выхода пикового детектора.

Это завышение устраняется в сумматоре 10, на второй вход
которого в обратной полярности подается часть напряжения с
согласующего каскада 11.

Недостатком рассмотренного варианта устранения влияния
импульсных помех на точность определения максимальной
температуры объекта является необходимость включения в
основной канал ключевой схемы с запоминанием на выходе
напряжения, равного напряжению, действовавшему на ее входе
перед появлением помехи.

На рис. 8.7 приведен вариант устройства, в котором
отсутствует ключевая схема в цепи основного канала, что
повышает надежность такого устройства.

Напряжение с датчика 1 после усилителя 2 подается на
входы двух управляемых ограничителей: по максимуму 3 и по
минимуму 4. Напряжение на ограничитель по минимуму 4
подается непосредственно с фильтра 5, а на ограничитель по
максимуму 3 — через управляющий ключ 7.

Режим работы ограничителя 3 выбран таким образом, что
когда ключ 7 закрыт, напряжение с усилителя 2 полностью
подается на измеритель 8 максимального значения напряжения.
Как и в ранее описанной схеме, режим работы ограничителя 4
выбран таким образом, чтобы не пропустить напряжение с
усилителя 2, если оно вызвано только излучением объекта.
Пороги срабатывания ограничителей 3 и 4 определяются
средним значением напряжения, действующего на ю |\оде
ограничителя 3 (усреднение осуществляется фильтром

Импульсная помеха проходит на выход ограничителя 4 и после
нормирующего каскада 6, где формируется импульс необходимых
длительности и амплитуды, открывает ключ 7. Через ключ 7 (на
время действия импульса с нормирующего каскада 6) подается
напряжение ограничения, вследствие чего ограничитель 3 не
пропускает импульс, амплитуда которого выше уровня напря-
жения, определяемого только излучением объекта.
Таким образом, импульсы помехи не будут проходить на
измеритель максимального значения температуры.

8.3.	ВЛИЯНИЕ СМОТРОВЫХ ОКОН

Измерение температуры в вакуумных и некоторых других
термических установках осложняется наличием смотровых окон,
находящихся на пути потока излучения от объекта к ОЭСИТ
[8.6]. При этом оправа смотрового окна диафрагмирует
лучистый поток от объекта измерения, а смотровое стекло
ослабляет лучистый поток от объекта, и это ослабление
необходимо учитывать при измерении температуры. В вакуум-
ных установках процесс измерения осложняется тем, что
частицы испаряющегося вещества постепенно загрязняют смот-
ровое стекло (осаждаются на стекле).

Рассмотрим процесс диафрагмирования излучения от объекта.
На рис. 8.8 изображены объект визирования I, диафрагма II
диаметром d и ОЭСИТ излучения III с диаметром диафрагмы
объектива D. Здесь L—расстояние от ОЭСИТ до объекта, а
/—от диафрагмы до объекта.

Пучок излучения от точки А объекта полностью заполняет
объектив ОЭСИТ, и диафрагма в этом случае не влияет.

Для точки Аг лучи также беспрепятственно проходят к
объективу. Для точек, лежащих выше И15 край диафрагмы II
будет срезать часть лучей и доля лучистой энергии от них,
воспринимаемая ОЭСИТ, будет уменьшаться. Например, для
точки А 2 срезается примерно половина потока, от точки А3
энергия вообще не поступает в датчик.

При равномерной яркости объекта I в плоскости изображе-
ния круг радиусом ААХ будет иметь также равномерную
яркость (область /). Затем яркость объекта будет постепенно
уменьшаться (область 2) и за пределами круга радиуса АА3
сменится полной темнотой (область 3) Так происходит
частичное затенение объекта, или виньетирование. Измерение
температуры может быть произведено только в случае, когда
площадка имеет размеры, не выходящие за пределы круга ААЛ.
Примем отрезок ААЛ=В/2, тогда связь между d, D, Ь и I имеет
вид

----£----=_—i------	(8 9)

Наименьший размер объекта, равный Ь, может быть
рассчитан по показателю визирования, который обычно приво-
дится в паспорте ОЭСИТ. Во многих случаях значение
blj(d—b) мало, и тогда выражение упрощается:

^0 /'о ~	1^0-

(8.10)
Рис 8 8. Измерение температуры через смотровое окно

Из (8.10) допустимый (минимальный) диаметр смотрового
окна определяется неравенством

Диафрагма не обязательно должна быть круглой, она может
быть в виде прорези или иметь другую конфигурацию. Тогда
вместо d в формулы подставляется наименьший размер
диафрагмы. Для некоторых типов ОЭСИТ допускается диаф-
рагмирование объектива. Тогда вместо диаметра объектива
подставляется допустимое значение диафрагмы объектива.

Рассмотрим процесс поглощения потока от объекта защит-
ным стеклом. При прохождении через защитное стекло излуче-
ние от объекта ослабляется.

Поправки на ослабляющее действие стекла легко учитыва-
ются аналитически, если известен коэффициент пропускания
стекла т, который в общем случае является произведением трех
составляющих т'(А), т"(А) и т'"(А), характеризующих относи-
тельные потери соответственно за счет отражения и поглощения
окном и осаждающимися на стекле материалами.

Определение значения т'(Х). Единичный поток излучения,
нормально падающий на стекло, отражается от его первой грани, и
часть его, равная (1 —р(А)) [где р(А)— монохроматический
коэффициент отражения], пройдет ко второй грани. У второй
грани лучистый поток снова частично отразится, и часть его,
вышедшая из стекла, будет равна т'(А) = [1 — р(А)]2. При выводе
этой формулы принималось во внимание лишь первое отражение.

Коэффициент отражения р(А) для монохроматического излу-
чения легко вычисляют с помощью формулы Френеля

р(А) = [и'(А)-и"(А)]2/[и'(А)+д"(А)]2,	(8.11)

где и'(А)— монохроматический показатель преломления стекла;
и "(А) — монохроматический показатель преломления среды,
граничащей со стеклом.

В вакуумных и газонаполненных электропечах п" (А) берут
равным единице. Тогда
т'(Х) = 16я'(Х)/(я'(к)+1)4.	(8.12)

Значение т"(Х) определяется зависимостью

тг’(Х) = е~^1,	(8.13)

где ап—коэффициент поглощения: I—толщина стекла.

Следовательно, коэффициент пропускания защитного стекла
может быть определен из уравнения

(8Л4)

Выражение справедливо, если угол падения излучения
составляет не более 10° с нормалью к поверхности.

На рис. 8.9 приведена номограмма для определения коэффи-
циента пропускания смотрового окна [8.6].

Чтобы использовать эту номограмму, нужно прежде всего
найти произведение толщины и коэффициента поглощения
материала для интересующей нас длины волны. Если это значение
лежит в пределах 4,5—0,0085 мм-1, то пропускание будет в
диапазоне 1 —100%. В большинстве практических случаев
коэффициенты поглощения находятся в области 10—
0,01 мм-1, поэтому толщины, соответствующие интервалу этой
номограммы, изменяются от 0,85 до 450 мм.

При коэффициентах поглощения, значительно меньших
0,01 мм -1, поглощение становится пренебрежимо малым и потери
на пропускание обусловлены по существу френелевским отражени-
ем. В этом случае пропускание приближенно определяют по (8.11).

При наличии поглощения методика по существу остается
той же, за исключением того, что в этом случае необходима
другая кривая. Она начинается из точки, которая представляет
собой произведение толщины образца / и его коэффициента
поглощения ап.

Для примера определим пропускание материала толщиной
2,2 мм, имеющего коэффициент поглощения 1,5 мм-1 и показа-
204
Рис. 8.10. Зависимость показа-
теля преломления кварцевого
стекла от длины волны

тель преломления 2,5. Значение / умножаем на ап и получаем
3,3. Находим число 3,3 на шкале ап/ и проводим линию,
параллельную кривым, до пересечения ее с линией, соответст-
вующей показателю преломления 2,5. Далее от этой точки
проводим вертикальную линию до пересечения с осью пропус-
кания. Находим, что прошедшая энергия составляет 2,7%
падающей.

Указанная номограмма может быть также использована для
определения коэффициента поглощения материала, если извест-
ны его толщина и процент пропускания. Для этого находим
точку пересечения горизонтальной линии от оси пропускания и
вертикальной линии от оси показателей преломления. Переме-
щаем эту точку параллельно кривым до пересечения с осью ап I.
После этого, разделив ап/ на I (толщину материала), определим
коэффициент поглощения ап.

Значение коэффициента поглощения может быть также
использовано для определения пропускания того же материала,
но любой другой толщины, при выбранном показателе прелом-
ления. Наиболее широкое применение для изготовления смотро-
вых окон нашло кварцевое стекло. Температурный коэффициент
показателя преломления кварцевого стекла сравнительно неве-
лик, при изменении температуры от комнатной до 1100 К он
изменяется менее чем на 1% в интервале длин волн 0,2—
3,7 мкм. Это изменение легко учесть, воспользовавшись приве-
денными на рис. 8.10 зависимостями. При малом различии
показателя преломления у кварцевого стекла различных марок
коэффициенты поглощения могут различаться в несколько раз.
В зависимости от коэффициента поглощения и характера
изменения его с длиной волны отечественное оптическое
кварцевое стекло подразделяется на ряд марок. Наиболее
распространено кварцевое стекло марок КВ и КИ (КВ—кварце-
вое оптическое стекло, прозрачное в видимой области спектра, в
нем могут быть полосы поглощения в ультрафиолетовой
области спектра и вблизи 2,72 мкм; КИ—кварцевое оптическое
стекло, прозрачное в инфракрасной области спектра, в нем
отсутствует полоса поглощения при 2,72 мкм).

Самостоятельную группу образуют кварцевые стекла с по-
лосой пропускания, захватывающей ультрафиолетовую область.
Соответствующая модификация обозначается маркой КУ.
В большинстве случаев экспериментальные результаты по
измерению коэффициентов пропускания т(Х) даются в виде
зависимости коэффициента пропускания плоских образцов раз-
личных толщин от длины волны.

8.4.	УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ СМОТРОВЫХ ОКОН ОТ ЗАПЫЛЕНИЯ

К настоящему времени разработано много видов устройств
[8.5, 8.6] для защиты смотровых окон от влияния запыления,
которые можно подразделить на две группы: 1) устройства, в
которых производится обновление запыляемых участков защит-
ных прозрачных материалов; 2) устройства, уменьшающие
интенсивность потока запыляющих молекул.

В приспособлениях первой группы в зоне смотрового окна
устанавливают прозрачный защитный материал, который, как
правило, непрерывно перемещают, обеспечивая постоянство
пропускания.

Наиболее простой и общеизвестный способ — защита стекла
металлическим экраном. Экран полностью перекрывает поток
летящих частиц и отводится в сторону только на время
измерения температуры. Безусловно, такая защита не может
обеспечить непрерывное измерение температуры.

Поэтому вместо непрозрачного металлического экрана иног-
да применяют экран, выполненный в виде металлического диска
с несколькими стеклянными окнами. Конструктивно защитные
стекла удобно поместить в круглые окошки, равномерно
распределенные по окружности диска. Защитное устройство
подобного типа показано на рис. 8.11. Диск 1 расположен так,
что только одно защитное стекло 2, которое находится перед
основным смотровым стеклом 3, может непосредственно
загрязняться. По мере его запыления защитное стекло 2
выводится из поля зрения, а его место занимает новое.
Естественно, что такое устройство работает до тех пор, пока
все защитные стекла не загрязнятся, после чего защитное
устройство демонтируют и с запыленных секторов удаляют
налет. Для растворения пленок из тугоплавких металлов, таких
как вольфрам, молибден, ниобий, используют различные
кислоты и расплавы солей.

Устройство второй группы (рис. 8.12) защищает смотровое
стекло 2, помещенное в держатель 7, с помощью прозрачной
пленки. Устройство состоит из корпуса 3 и 4, в центре которого
скользит по патрубку 7 прозрачная пленка 6 из лавсана. Пленка
перематывается с катушки 5 на катушку 8 с помощью двигателя
и редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.

Увеличение времени использования смотрового защитного
стекла при этом обеспечивается вследствие того, что пары
металла задерживаются прозрачной пленкой, протягиваемой
206
Рис. 8.11. Устройство защиты со сменными защитными стеклами

перед смотровым стеклом. Скорость протягивания ленты
подбирают, исходя из ее термостойкости и допустимой степени
запыления. Обычно термостойкость полиэтилентерефталатной
пленки толщиной 15—25 мкм обеспечивает стабильность ее
механических и оптических свойств при тепловом потоке до
5 • 106 Вт/м2.

Отдельную группу составляют устройства, которые умень-
шают поток осаждающихся частиц, тем самым уменьшают
запыление основного смотрового стекла. Обычно эго достигает-
ся путем механического, электрического или газового воздейст-
вия на летящие частицы. Рассмотрим различные варианты
устройств этой группы.

1.	Вращающийся диск с прорезями Чем уже прорезь,
меньше угол, тем ослабляющее действие устройства сильнее.
Однако изготовлять диски со средней шириной прорези меньше
2—3 мм нецелесообразно, так как прорезь быстро «зарастает».

Рис. 8.12. Устройство защиты с движущейся пленкой
Рис. 8.13. Устройства защиты с двумя смещенными вращающимися секторами
(а) ис камерой с избыточным давлением (б)

В соответствии с законом Тильбота вращающийся диск
с прорезями не искажает наблюдаемой картины, а лишь
ослабляет яркость объекта, что позволяет измерять тем-
пературу. При этом в показания пирометров частичного
излучения (ПЧИ) помимо других поправок следует вводить
поправку на ослабление яркости вращающимся секторным
диском. При этом

тя = у/2л;,
где тд — коэффициент пропускания секторного диска; у — сум-
марный угол всех прорезей, рад.

Для исключения мелькания при гд от 1/2 до 1/60 частота
вращения диска должна составлять не менее 1800—2000 об/мин.

2.	Использование закрепленных на одном валу двух сектор-
ных дисков с прорезями. Схематичное изображение дисков
показано на рис. 8.13.

Медленно летящие капли металла 1 (рис. 8.13, а) попадают в
прорези первого диска 2. но не успевают попасть в прорези
второго диска 3, так как за время, когда капля летит от первого
до второго диска, второй успевает развернуться и перекрыть
путь частице. Расчеты показывают, что при расстоянии между
дисками /=0,04 мм, угле прорези у = 6°, частоте вращения
о = 2000 об/мин частицы, летящие со скоростью 80 м/с, не
успевают попасть в прорези второго диска.

Для усиления действия защитного устройства между вра-
щающимися дисками можно продувать инертный газ.
Рис. 8.14. Схема измерения с эталонным
источником излучения

3.	Защита струей инертного
газа. При определенной плот-
ности струя газа, омывающая
смотровое стекло, рассеивает по-
ток летящих частиц, в результа-
те чего уменьшается загрязнение.
Сама струя газа прозрачна и
погрешности при измерении тем-
пературы не вносит. Но инерт-
ный газ может значительно ухуд-

шить герметичность системы.

В ряде случаев уменьшить напыление удается созданием
области повышенной плотности газа непосредственно перед
смотровым стеклом. Для этого в пространство перед стек-
лом ставится перегородка с диафрагмой малого диаметра 1
(рис. 8.13,6). Уменьшение диаметра диафрагмы обеспечивает
уменьшение расхода газа в объеме 2 и уменьшает поступление газа

в рабочую камеру. Однако уменьшение размера диафрагмы ведет

к сужению поля зрения. Для увеличения сопротивления потоку
газа в вакуумный объем помещают не одну, а ряд диафрагм на
некотором расстоянии друг от друга. Это уменьшает расход газа.

Достоинствами метода являются простота конструкции и
отсутствие вращающихся частей.

4.	Электрический способ защиты. При этом способе форми-

руется поток электронов, движущихся в вакууме со скоростью
порядка 5 • 106 м/с. Он сталкивается с потоком летящих на
смотровое стекло частиц и ионизирует их. Ионизированные

частицы отклоняются электрическим или магнитным полем и
оседают на стенах вакуумной камеры. Идея достаточно проста,
однако ее осуществление связано с рядом технических трудностей.
Такой способ находит применение в лабораторных электро-

термических установках.

Уменьшить погрешность измерения можно путем устройства
непосредственного измерения т(Х) по проводимости Jn осаждае-
мых частиц или о помощью вспомогательного эталонного
источника излучения. В первом случае предварительно (для
каждого материала) определяют связь т(Х) с JD. Для измерения
т(Х) на защитном стекле (по краям) укрепляют два электрода,
между которыми измеряют проводимость напыленной поверх-
ности стекла. При появлении налета на поверхности происходит
увеличение проводимости.

Примером реализации второго варианта служит схема на
рис. 8.14. Диск с защитным стеклом 1 и двигателем 2 помещен в ра-
бочем пространстве установки нагрева 3. Установка позволяет че-
рез защитное вращающееся стекло измерять излучение от эта-
лонного источника £эт и объекта 4 Е{}. Тогда путем сравнения элек-
трических сигналов, пропорциональных потокам от эталонного
излучателя и прошедших через защитное стекло, определяется

т = £„/£„.

При выборе способа защиты и расположения смотрового
окна следует учитывать, что степень загрязнения стекла зависит
от скорости испарения вещества, глубины вакуума, геометрии
установки. Большое значение имеет расположение смотрового
окна относительно испарителей.

8.5.	ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ

При отличии излучательной способности объекта измерения
от единицы (е<1) коэффициент отражения этим объектом
внешнего излучения (оптической помехи) будет отличен от нуля.
В результате суммарная энергетическая яркость Ьс излучения в
узком участке спектра в направлении измерения будет опреде-
ляться двумя составляющими: собственной энергетической
яркостью объекта Ьоб и составляющей Ьтр, вызванной отражен-
ным от объекта излучением помехи, т. е.

Ьс = Ьа6 + Ьотр = sb „б+(1 - s) т| 1П2 Ьст,	(8.15)

где T|t—коэффициент, характеризующий взаимное расположе-
ние объекта и источника оптической помехи (стороннего
источника); т|2 — коэффициент, характеризующий вид обработки
поверхности объекта (т|2 = 1/л, если отражение диффузное, и
т|2 = 1, если отражение зеркальное); Ьст—яркость стороннего
источника.

Значение т| t в общем случае определяется выражением

Я

П^-cosa^,
Я

где £1—телесный угол, под которым виден сторонний источник
излучения на визируемой пирометром точки объекта; аст — угол
падения лучей от стороннего источника на объект.

Формула (8.15) при переходе от яркостей к потокам
излучения при виновской аппроксимации может быть записана
следующим образом:

ФС = 6Д 5ехр(- хестб2ехр^-^-^	IV-) 8 + 0 ~ 8) П 1 *12 х  ^J°6/ L  (8.16)  /\	\ Ы оЪ J _
и при степенной аппроксимации—выражением

Яг г"т

T’Se

— ^об

(8.17)

Из полученных формул, где Qx, Q2, qt> q2— постоянные
(см. гл. 1), следует, что влияние отраженного объектом излуче-
ния сторонних источников может быть учтено путем введения
понятия эквивалентной излучательной способности, в первом
случае равной

8экв = Е + (1 -е)П1 Пг61 ехР/ (е2еХр(-^))’ (8Л8)
во втором

Еэкв = Е + (1-е)П1П2^4-	(8-19)

1 об

Погрешность от влияния отраженного поверхностью объек-
та излучения при этом может быть оценена с помощью формул
(1.21), (1.22), в которые подставляется значение еэкв вместо е.
Эта погрешность может быть уменьшена при использовании
ОЭСИТ, описанных в гл. 5, а также в [5.19], [8.13].

На практике имеют место два случая: а) объект окружен со
всех сторон нагретыми поверхностями (например, объект
располагается в печи, стенки которой нагреты до температуры
Тст), б) вблизи расположения объекта имеется освещение
(дневное или электрическое).

В первом случае можно считать, что объект расположен в
замкнутой полости, излучение в которой приближается к
излучению абсолютного черного тела. При виновской аппрокси-
мации

Л1П2 фготр = 0^'5 ехр

и при степенной аппроксимации

М2% = ?^т.

Тогда формулы (8.18) и (8.19), определяющие эквивалентную
излучательную способность, могут быть записаны: при виновс-
кой аппроксимации

Еэкв^Е + (1-Е)|1ехр[-С2{(МТст)-1-(Х2Тоб)-1}],
V2

и при степенной аппроксимации

еэкв=е+(1-Е)91^/(?2т^).
Рис 8 15 Относительное спектральное распределе-
ния потока излучения при электрическом (1) и
дневном (2) освещении

При определении влияния нагретых окружающих стенок в
условиях близости температуры объекта и стенок можно
принять, что q1/q2 — i', Qi!Q2~U п1/п2=1; Х.1/Х2 = 1. Тогда

ЕЭКв=£ + (1-е)ехр

или

еэкв = е+(1-еХТст/То6)п.

Во втором случае какая-либо количественная оценка по-
грешности, возникающей от влияния оптической помехи,
затруднена из-за неопределенности значений коэффициентов
т|! и т|2. При выборе ОЭСИТ, работающих в условиях такого
рода помехи, необходимо учитывать относительные "распре-
деления энергии излучения солнечного света и электрического
освещения (от лампы накаливания), графически представленные
на рис. 8.15.

Рассмотрим погрешности, классических пирометров излуче-
ния при измерении каждым из них температуры объекта в печи
с температурой стенок, весьма близкой к температуре объекта
[5.19]. На рис. 8.16 приведены графики, характеризующие
погрешности соответственно пирометра суммарного излучения
(рис. 8.16, а), пирометра частичного излучения с кремниевым
фотоэлементом (рис. 8.16, б) и пирометра спектрального отно-
шения (рис. 8.16, в) с эффективными длинами волн 0,89 и
1,035 мкм при температуре стенок печи, равной 1100 °C.

Анализ этих кривых показывает, что вследствие влияния
отраженной составляющей показания пирометра тем выше (по
отношению к температуре объекта), чем ниже температура
объекта и чем меньше его излучательная способность. Измерен-
ные температуры слабо отличаются от действительных при
равенстве температур стенок печи и поверхности нагреваемых
объектов. В таких случаях методы измерения температур по
излучению могут применяться с успехом.

Наибольшее влияние оптической помехи будет наблюдаться
при измерении температур значительно меньших, чем темпера-
тура источника помехи. При Тет—Тоб>150°С следует учиты-
вать значительные погрешности измерения.
Рис 8 16 Зависимость погрешности измерения от температуры объекта для
пирометров различных видов

Если | То6 — Тст | То5, то можно считать
8экв«1+(1-е)л(То6-Тст)/То6.

Если излучательная способность объекта известна, то его
температура может быть определена и при неизвестной
температуре стороннего источника путем одновременного раз-
дельного измерения суммарного потока от объекта и сторон-
него источника [8.14]. При этом воспринимаемый ОЭСИТ
поток от стороннего источника необходимо ослабить редуци-
рующим органом (диафрагмой, нейтральным фильтром и др.) с
переменным коэффициентом пропускания к.

Суммарный поток, воспринимаемый ОЭСИТ от объекта,
определяется выражениями (8.16) или (8.17). Ослабленный поток
только от стороннего источника при использовании (8.17) равен

Фст = £(1-е)П1П2^т-

Разность потоков суммарного и ослабленного от помехи при
этом составит

Фоб - Ф0Тр = <7^ [е- (1 - е - к) ат^/ги],	(8.20)

где a, q = const.

Из (8.20) следует, что эквивалентная излучательная способ-
ное! ь при этом будет определяться выражением

I S—37 I ч
еэкв = Е - (1 - £ - Л) dTn„l Тпо6.

При выполнении равенства fc+s=l исключается влияние
отраженного излучения среды независимо от ее температуры.

Обозначим через t/„6 и UOKP сигналы на выходе ОЭСИТ при
визировании ее на черное тело, имеющее температуру соответ-
ственно объекта и стороннего источника, а через Uo6—сигнал
на выходе ОЭСИТ при ее визировании на объект при наличии
помехи.

Тогда Co6 = sC26 + (1-£)Cokp.

Для того чтобы исключить влияние помехи, сигналы
ОЭСИТ необходимо обрабатывать по алгоритму

Свых = к2 (Uo6 - к 1 Сокр) = к2 G [е? Тпо6 + (1 - е) q Тпокр - к t q Т^кр],
где к2, к2 — тарировочные коэффициенты; [7ВЫХ — выходной
сигнал.

Предварительной градуировкой устанавливается

s + Zcj = 1; к2 = 1/г.

Тогда UBM = GqTn0&, т. е. при неизменном значений г исклю-
чается влияние £ и отраженного излучения от окружающей
среды.

ГЛАВА 9

ЦИФРОВЫЕ ОЭСИТ

9.1.	ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЦВМ В ОЭСИТ

Цифровая обработка информации (сигналов) в ОЭСИТ, как
и в других контрольно-измерительных системах, обеспечивает
увеличение точности и быстродействия измерения, повышение
надежности работы приборов, расширение их функциональных
возможностей и другие преимущества. В результате использова-
ния цифровой обработки и микропроцессорных приборов
предполагается получить качественно новые измерительные
приборы [9.1—9.5]. Цифровая обработка сигналов позволяет
не только ускорить процесс измерения и повысить его точность,
но и по-новому посмотреть на сам процесс измерения, на
методы и средства -измерения.

Перечислим основные функции, выполняемые в ОЭСИТ с
помощью цифровой техники (рис. 9.1). Прежде всего необходи-
мо разделить эти функции на основные и вспомогательные.
В основные функции входит обработка информации, ее накопле-
ние и хранение (запоминание). Вспомогательные функции—это
функции управления режимами работы ОЭСИТ, тестовые
проверки аппаратуры и ряд других операций.
Функции цифровой техники 8 ОЭСИТ

Рис 9 1. Основные функции цифровой техники в ОЭСИТ

Управление режимами работы ОЭСИТ производится с
помощью устройства управления, в котором формируются
управляющие слова. Содержание этих слов зависит от схем
управления прерыванием и служебной индикацией. Управление
режимами может вестись также с клавиатуры оператором.

Характер обработки информации зависит от типа ОЭСИТ и
от назначения (области использования) системы. На рис. 9.1
показаны функции цифровой техники применительно: 1) к одно-
канальным системам, обрабатывающим один зависящий от
времени сигнал /(/); 2) к системам, использующим спектраль-
ную информацию 7(Х, ?); 3) к системам, обрабатывающим
спектральную и пространственную информацию 1{х, X, /). Вы-
деленные классы ОЭСИТ перечислены в порядке усложнения,
т. е. предполагается, что в спектральных ОЭСИТ могут
осуществляться все функции энергетических ОЭСИТ, а в
системах с использованием спектральной и пространственной
информации — функции энергетических и спектральных ОЭСИТ.
Это отмечено одной и двумя стрелками на рис. 9.1.

Обработка информации в ОЭСИТ может производиться в
двух режимах: в режиме реального масштаба времени и в
режиме запоминания информации в процессе измерения и
последующей ее обработки.

Наиболее сложные виды обработки информации осуществля-
ются при использовании ОЭСИТ в качестве датчиков информа-
215
ции о тепловом состоянии объектов управления в АСУ ТП и
при теплофизических исследованиях сложных пространственно
распределенных объектов.

Приведем примеры функций, осуществляемых ЦВМ в
ОЭСИТ.

Простейшей является функция аналого-цифрового преобра-
зования сигнала энергетического пирометра с целью цифровой
индикации результата измерения. Это осуществляется, напри-
мер, в пирометрах «Смотрич-4П» и «Смотрич-5П» агрегатного
комплекса переносных приборов АПИР-П [9.2]. В этих систе-
мах производится также цифровая индикация устанавливаемого
значения излучательной способности £ с дискретностью 0,001,
измерение и запоминание текущих и максимальных значений
температуры, индикация режима работы ОЭСИТ и тока
разряда источников питания, введение поправки на окружаю-
щий фон.

С помощью цифровой техники осуществляют линеаризацию
выходной характеристики измерительной системы, в запоми-
нающем устройстве (в ПЗУ) хранят массив коэффициентов и
набор программ переключения диапазонов [9.3].

Осуществляют также статистическую обработку сигналов
ОЭСИТ для уменьшения случайных возмущений по £ и г, для
устранения электрических и оптических помех и др. В [9.4]
сообщается об алгоритме, позволяющем уменьшить методичес-
кую погрешность и увеличить достоверность результатов
измерения температуры при наличии вышеперечисленных фак-
торов. Статистическая обработка здесь производится в реаль-
ном масштабе времени.

Для получения более полной информации о тепловом
состоянии объекта сейчас во многих ОЭСИТ формируется
информация не только о текущем значении температуры, но и о
скорости ее изменения, приращениях температуры за определен-
ный отрезок времени, о максимальном, минимальном и
среднем значениях температуры. Это требуется как при
автоматизации, так и при теплофизических исследованиях
объектов. Эти функции осуществляют как в реальном масштабе
времени, так и с запоминанием информации и последующей
обработкой ее.

Большой объем цифровой обработки информации осуще-
ствляют в спектральных ОЭСИТ. В цифровых пирометрах
спектрального отношения выходные сигналы с двух приемников
излучения после АЦП с помощью микропроцессорной техники
преобразуют в цифровой код логарифма их отношения в
соответствии с выражением

a = ln — =ln^i -51п— 4-In — -

С/Х2 ^2	^-2 s2

Сг

кт'

(9-1)
Рис. 9.2. Схема цифровой ОЭСИТ
спектрального отношения с аппара-
турным преобразованием сигналов:
1,2, 4 табличные преобразователи кодов;

3 — суммат ор

где кг и к2 — коэффициенты, зависящие от типа приемников
излучения, ширины используемых участков спектра и оптичес-
кой системы; Л = А,1А.2/(Х2 —X.t).

Эю преобразование можно производить чисто про-
граммным путем или с помощью аппаратурных средств.

Первый путь вычисления цветовой температуры в соответст-
вии с (9.1) требует значительного числа операций (включая
операции деления, логарифмирования, умножения и др.), что
связано со сравнительно большими временными затратами.
Так, в [9.5] сообщается, что вычисление а чисто программным
путем с помощью микропроцессорного набора серии К580
может быть произведено за 0,005 с.

Большего быстродействия вычисления, цветовой температу-
ры можно достичь путем использования специальных аппара-
турных средств [7.37]. На рис. 9.2 приведена схема цифрового
блока, преобразующего в соответствии с (9.1) сигналы {7К1 и С\2
в код температуры N(t\ В этом блоке цифровые коды U*r и U*2
с выходов соответствующих АЦП поступают на входы таб-
личных преобразователей кодов (ТПК) 1 и 2. Выходные
сигналы этих преобразователей 1пС/и и 1пС\2 есть цифро-
вые коды соответствующих значений логарифмов, причем
In{/*2 -инверсное значение кода lnt/*2. Формирование ци-
фрового кода а* осуществляется сумматором 3. Линеари-
зация результатов измерений производится ТПК 4, который
преобразует цифровые коды а* в соответствующие значения

Заметим, что ТПК 7, 2 и 4 могут быть реализованы как на
базе программируемых логарифмических матриц (ПЛМ), так
и на постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), в кото-
рые записывается таблица перекодировки входной инфор-
мации.

Эта таблица рассчитывается для каждого ТПК в соот-
ветствии с алгоритмом его работы. Разрядность ТПК опре-
деляется требуемой точностью преобразования сигналов С',,
и С-\2 в цифровой код 7V(1). Быстродействие такой схемы
определяется задержкой распространения сигналов в цифровых
схемах.
С помощью современных микросхем и описанного аппара-
турного решения можно получить быстродействие формирова-
ния информации о цветовой температуре — порядка 10~6 с.

Наиболее сложная обработка информации осуществляется в
сканирующих ОЭСИТ. В них добавляется информация о
пространственном распределении температуры (обычно о рас-
пределении температуры в двухмерном пространстве с линей-
ными или угловыми координатами).

Для анализа температурных полей могут быть использованы
алгоритмы и средства, предназначенные для обработки изобра-
жений (видеоинформации). Именно при обработке изображений
достигнуты наибольшие успехи как в программном, так и в
аппаратурном обеспечении. Наиболее известны следующие
системы обработки изображений (в различных модификациях):
IBAS фирмы Opton (West Germany), Magiscan фирмы Joyce-
Loebl (Англия) и Pericolor фирмы Numelec (Франция). Общими
для этих и подобных систем являются следующие качества:
возможность ввода в реальном масштабе времени в память
машины одного или нескольких изображений, получаемых с
помощью стандартных передающих телевизионных устройств;
широкий набор операций, производимых над изображениями;
оперативная работа с изображением, представленным на экране
монитора.

В качестве примера приведем некоторые характеристики
системы обработки изображений модели «Pericolor 2000Е». Эта
система представляет собой многопроцессорную универсальную
вычислительную систехг-., оборудованную оперативной памятью
большой емкости, графической памятью емкостью 22 Мбайт и
рядом вспомогательных блоков памяти. Доступ к памяти
осуществляется через две независимые адресные шины и две
шины данных; основная коммуникационная шина выполнена на
базе шины Multibus.

Система обеспечивает считывание и обработку изображения
(не более чем с четырех телевизионных камер) с разрешающей
способностью 512x512 и 1024x1024 элементов в кадре. Для
этого разработаны соответствующие видеопроцессоры и про-
цессор для оцифровки видеосигнала. Для обработки изображе-
ния используются 16-разрядный программируемый процессор и
32-разрядный арифметический сопроцессор с плавающей запя-
той. Последний позволяет выполнять такие сложные преобразо-
вания над изображениями, как быстрое преобразование Фурье,
свертка, смешивание и др.

Конфигурация системы «Pericolor 2000Е» позволяет пользо-
ваться имеющимися в системе многочисленными программами
обработки изображений, а также разрабатывать новые про-
граммы с использованием открытого принципа построения
программного матобеспечения. В наборе стандартных про-
218
грамм (их более 300) предусмотрены программы для: 1) выде-
ления контуров изображений; 2) построения гистограмм (в том
числе двухмерных); 3) вычисления функции корреляции двух
изображений; 4) классификации изображения по различным
признакам; 5) составления цветных композиций; 6) выделения
связных областей и др. Шаровое устройство управления курсо-
ром (меткой на дисплее) позволяет оперативно выбирать
программы из меню, устанавливать значения порогов, цветов и
положение окон на изображении и т. д. Каналы ввода — вывода
позволяют подключать следующие внешние устройства: накопи-
тели на магнитных дисках и лентах, телевизионные и тепловизи-
онные камеры (до четырех одновременно), видеомагнитофон,
интерактивную планшетку, цветное печатающее устройство,
устройство для твердой копии, другие ЭВМ.

Основной класс сканирующих ОЭСИТ, в которых осуще-
ствляют цифровую обработку пространственной информации,
составляют тепловизионные системы. Среди последних наи-
больший интерес представляют следующие системы: цифровой
анализатор тепловых полей типа АТП-44И (СССР); термовизо-
ры фирмы AGA и AGEMA (Швеция); термовизор Thermo
Tracer-6T61 фирмы NEC San-ei Instr., Ltd. (Япония). Для этих и
подобных систем можно использовать универсальные системы
обработки изображений, описанные выше. Однако конкретные
разработки тепловизионных систем снабжаются специализиро-
ванными системами обработки тепловых изображений, обычно
обладающими меньшими функциональными и аппаратурными
возможностями. Это вызвано необходимостью удешевления
систем и применением их в производственных условиях. Кроме
того, в тепловизионных системах — меньшая разрешающая
способность (по сравнению с телевизионными), например в
одном термоизображении в системе АТП формируется
128x128 элементов, в системе Thermovision-782 — 100x280
элементов, в системе Thermo Tracer-6T61 — 100x300 элементов.

Наиболее распространенные операции, производимые над
тепловыми изображениями, следующие: цветовая индикация
температурного поля (с 8, 10 или 64 градациями); выделение и
индикация изотерм; выделение зон с экстремальными темпера-
турами; индикация распределения температур вдоль произволь-
но выбираемых прямых; индикация температуры в заданных
рамках или точках; запоминание нескольких (до 1000) термо-
изображений.

Отметим также ряд других операций, производимых над
термоизображениями в системе Thermo Тгасег-6Т61, обладаю-
щей на сегодня наибольшими функциональными возможностя-
ми. В этой системе кроме описанных выше производятся
следующие операции по обработке термоизображений: воспро-
изведение на экране одновременно четырех изображений,
219
увеличение масштаба воспроизведения (до пятикратного) с
одинаковым или различным масштабом увеличения по ортого-
нальным осям, цветовая индикация выделенных изотерм с
черно-белым.фоном, перемещение уровня средней температуры;
формирование негативного изображения, оконтуривание изо-
бражения, индикация гистограмм, индикация теплового поля с
наложением распределения температуры по семи линиям,
вычитание изображений, регистрация изображений в памяти с
заданным временным интервалом (10 с — 24 ч).

9.2.	ЦИФРОВЫЕ ОЭСИТ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ СТРУКТУРОЙ

Применение цифровой техники в ОЭСИТ позволяет не
только производить сложную обработку сигналов, но и
перестраивать структуру системы измерения. Эта перестройка
может осуществляться как в процессе измерения, так и перед
измерением в зависимости от того, температура какого объекта
измеряется (с целью уменьшения влияния е), в каких условиях
происходит измерение (для уменьшения влияния т и помех) и
т. д. Рассмотрим несколько схем ОЭСИТ с перестраиваемой
структурой [7, 36].

В ряде ОЭСИТ используют следующее преобразование
сигналов для получения информации о температуре объекта
(см. гл. 5):

= 1п£1+у1п^ +1п^ +.у1п(9.2)

где Р = Х1Д2.

Значение у выбирается из условия 8Tf = 0, т. е. так, чтобы
выполнялось равенство

/ \ 1 +
(£1) gy-?(l-0)1 = ]
\82/

В устройстве, реализующем данный алгоритм преобразова-
ния (рис. 9.3), выходные сигналы кодовых преобразователей 1 и
2 поступают на входы дополнительных ТПК (блоки 3 и 4),
которые осуществляют преобразование кодов lnU*i в
(1 + ру) 1пс*i и In U *2 в у1пС*2. Назначение сумматора 6 и ТПК 5
аналогично назначению этих блоков в устройстве, описанном в
§9.1. Регистр 7 позволяет изменять у программным путем для
минимизации 8Те в различных технологических процессах. Инфор-
мация с выхода блока 7 подается на соответствующие адресные
входы ТПК 3, 4 и 5. При этом выбирается определенная зона
памяти ТПК, в которой записана таблица преобразования,
соответствующая заданному значению у. Запись информации в
регистр 7 может производиться автоматически от ЭВМ или
вручную оператором с помощью переключателей.
Рис 9 3 Схема цифровой ОЭСИТ с формированием поправки у

1, 2, 4 табличные преобразователи кодов, 3 5—дополнительные (табличные) преобразо-
ватели, б—сумматор, 7 — регистр формирования поправки у

Для ОЭСИТ, основанных на формировании поправок (гл. 5),
значения температуры находятся из выражения

а = ц —аар,	(9.3)

где р = 1п17ц в ОЭСИТ частичного излучения и ц=1п(/Х1/1пСх2 в
ОЭСИТ спектрального отношения; а—const.

При формировании поправки в ОЭСИТ спектрального
отношения значение ар определяется выражением

)	1	с*1	1	Ir*-* ‘s 1 i'-3

% = ^lnCu-lnt/,2-6 = 2 ln|C + llnjL _ 1 inir —b, (9.4)

Л<2	&2	Л 2	2	^"2

Ш	U1

где b = In -С _ 51п > .
кк22	А-2

Таким образом, значение вводимой поправки а6 = цар зави-
сит только от излучательных свойств объекта и коэффициента
пропорциональности а. Следовательно, для обеспечения равен-
ства 8Т£ = 0 характер изменения 8 = /(7//) объекта в технологи-
ческом процессе должен быть таким, чтобы a^lnEj в ОЭСИТ
частичного излучения и	в ОЭСИТ спектрального

отношения.

Рассмотрим схему (рис. 9.4) блока преобразования информа-
ции в ОЭСИТ спектрального отношения с формированием
поправки в соответствии с (9.3).

Аналогично предыдущему в данной схеме с помощью
ТПК 1 и ТПК 2 определяются цифровые коды InU*i и 1пС).2.
Сумматоры 7 и 8 и ТПК 3 и 5 служат для вычисления
инверсных кодов. На входы сумматора 7 подаются сигналы,
соответствующие 1пС*2 и Ь*, а на выходе этого блока
формируется инверсный цифровой ко^ выражения ( — 1пС\2 — 6*).
Блок ТПК 3 преобразует код In С*! в цифровую величину,
пропорциональную (Xi/k2) lnt7*15 а сумматор 8 вычисляет
значение а*. В блоке ТПК 5 производится преобразование а* в
Рис 9 4. Схема цифровой ОЭСИТ с формированием поправки аЕ:

1 — 5 табличные преобразователи кодов, 6 9—сумматоры, 10 устройства индикации

величину поправки а*. На выходе сумматора 9 формируется
цифровой код а* в соответствии с (9.3). Функции ТПК 4 те же,
что в схемах, приведенных выше.

К достоинству данной схемы следует отнести то, что
значение а* может быть выведено на устройство индикации 10,
что позволяет судить об изменении излучательной способности
объекта в технологическом процессе.

Быстродействие приведенного блока преобразования ин-
формации несколько ниже быстродействия такого же бло-
ка, построенного по схеме на рис. 9.3, вследствие введе-
ния дополнительных элементов в канале формирования N(ij.

Аналогичным образом могут быть построены блоки обра-
ботки информации с другими алгоритмами преобразования
сигналов Ulv Uln в код N(t), также блоки, использующие
излучение в трех, четырех и более участках спектра.

Рассмотрим схему цифрового блока преобразования инфор-
мации с гибко перестраиваемой структурой (рис. 9.5), позволяю-
щего реализовать несколько различных алгоритмов обработки

Рис. 9 5. Схема цифровой ОЭСИТ с гибко перестраиваемой структурой.
/ —10 — блоки, аналогичные блокам рис. 9 4, 11— мультиплексор цифровых кодов
Таблица 9.1. Режимы работы ОЭСИТ с гибкой перестраиваемой структурой

С,	С2	Режим работы
0	0	ОЭСИТ спектрального отношения
1	0	ОЭСИТ частичного излучения
0	1	ОЭСИТ спектрального отношения с формированием
		поправки по излучению в двух участках спектра
1	1	ОЭСИТ частичного излучения с формированием по-
		правки по излучению в двух участках спектра

информации приемников излучения. Программирование режи-
мов работы схемы осуществляется по входам и С2 в
соответствии с табл. 9.1.

Назначение блоков 7 —10 в этой схеме аналогично назначе-
нию тех же блоков, приведенных на предыдущих рисунках.
Обеспечение приведенных в табл. 9.1 режимов работы пиромет-
ра достигается введением в схему мультиплексора цифровых
кодов 77, управляемого по входу Q. а также введением
дополнительных входов управления ТПК 4 и 5, подключаемых
к выходам Ci и С2. Пусть С2 = 0, тогда значение поправки,
формируемой на выходе ТПК 5, а*=0. Если при этом Cj=0,
то мультиплексор И подключает к соответствующему входу
сумматора 9 выходной код сумматора 6 (In(f/*i/6\2)), т. е.
имеем обычный пирометр спектрального отношения. В случае
= 1 мультиплексор 77 подключает к соответствующему входу
сумматора 9 выходной код ТПК 7 (lnC\i). т. е. ПРИ Ci = l и
С 2 = 0 схема реализует алгоритм обработки информации,
соответствующий пирометру частичного излучения с эффектив-
ной длиной волны Л,. При С2 = 1 значение а* определяется так
же, как и в схеме на рис. 9.4. Значение а* при этом вводится в
показания пирометра частичного излучения (С\ = 1) или спект-
рального отношения (Cj=0).

Недостатком пирометров с чисто аппаратурной реализацией
блока цифровой обработки сигналов 17и, ..., ?7,„ является
значительная избыточность реализации схемы, работающей при
различных значениях у и а. Эта избыточность связана с
дополнительными объемами памяти, необходимыми для записи
таблиц перекодировки для разных значений у и я. Кроме того,
увеличение числа алгоритмов обработки при использовании
излучения в трех и более участках спектра ведет к резкому
усложнению схемы преобразователя.

Построение блока цифрового преобразования информации,
лишенного этих недостатков и реализующего различные алго-
ритмы преобразования сигналов приемников при произвольных
значениях у и я, возможно аппаратурно-программным путем.
(Недостатком чисто программной обработки сигналов является
малое быстродействие.)
Рис 9 6 Схема цифровой ОЭСИТ с аппаратурно-программной реализацией
/ — 4 8	10 табличные преобразователи кодов 5 муаьтиплексор, 6 вычислительное

устройс1во, 7 оператор, 11	13 -мультиплексоры адреса 44 —16 регистры. 17

сог ысователь магистралей

Рассмотрим схему блока преобразования с аппаратурно-
программной реализацией, в котором используется излучение в
четырех участках спектра (рис. 9.6).

Цифровые коды сигналов приемников излучения 17*1,
..., U*„ поступают на входы соответствующих ТПК 1 — 4,
построенных аналогично ранее рассмотренным ТПК. Выходы
ТПК 1.— 4 через мультиплексор 5 подключены к шине данных
D вычислительного устройства 6. Алгоритм обработки сигналов
С\, вместе со значениями параметров у и а записывается в
память блока 6 от ЭВМ верхнего уровня или с пульта
оператора 7.

В качестве алгоритма обработки информации может быть
выбран любой из рассмотренных ранее алгоритмов, причем
эффективные длины волн используемых приемников излучения
определяются множеством

Анализ законов обработки сигналов излучения показывает,
что для их реализации небходимо выполнить ряд следующих
операций:

преобразование U*, в величину 1п?7*, что в схеме, приведен-
ной на рис. 9.6, выполняется с помощью ТПК 7—4;

суммирование и вычитание кодов, что обеспечивается с
помощью блока 6;

вычислениефункцийтипа(Х1/Х2)1пС/*;(1 + Ру)1пЦ*,т. е. выпол-
нение операции умножения параметров, пропорциональных пото-
ку излучения, на постоянную для данного алгоритма величину.
224
Именно большое время выполнения операции умножения
вычислительным устройством определяет малое быстродей-
ствие блока обработки с программной реализацией алгоритма
вычисления .¥(/). Заметим, что для каждого из рассмотренных
законов обработки сигналов приемников излучения для опреде-
ления N (г) требуется выполнить не более трех таких операций.

В схеме, приведенной на рис. 9.6, вычисление указанных
функций осуществляется аппаратурным путем с помощью
ТПК 8, 9 и 10. Однако в отличие от преобразователей кодов
ранее рассмотренных схем, каждый из которых реализует одну
функцию преобразования, ТПК 8, 9 и 10 должны в зависимости
от конкретного алгоритма работы обеспечить выполнение
различных программ преобразования. Таким образом, ТПК 8, 9
и 10 должны строиться на базе блоков оперативной памяти, в
которые для каждого алгоритма записываются программы, соот-
ветствующие требуемым функциям преобразования. Запись про-
грамм в ТПК 8, 9 и 10 производится по шине данных D. При этом
мультиплексоры адреса 11, 12 и 13 по сигналам блока 6 подклю-
чают адресные шины ТПК к соответствующим шинам этого блока
6. После загрузки программ в ТПК 8,9 и 10 мультиплексоры 11,12
и 13 коммутируют адресные шины ТПК к выходам соответствую-
щих регистров 14, 15 и 16. Регистры 14, 15 и 16 используются для
записи в них из памяти блока 6 значения величины, перекодируе-
мой в соответствии с программой, записанной в данном ТПК.
Согласователь магистралей 17 служит для связи пирометрическо-
го преобразователя с ЭВМ верхнего уровня и позволяет выводить
результаты измерения на устройство индикации.

Быстродействие преобразователя, построенного в соответ-
ствии с рис. 9.6, удовлетворяет многим задачам контроля
температурных полей, хотя оно несколько ниже, чем у
рассмотренных схем с чисто аппаратурной реализацией алго-
ритма обработки сигналов приемников излучения. При исполь-
зовании в качестве вычислительного устройства микропроцес-
сора К580 среднее значение времени обработки сигналов
составляет (5 —20)-10“5 с.

Достоинством такого преобразователя является то, что без
изменения его аппаратурной части удается реализовать различ-
ные законы преобразования сигналов приемников излучения в
значение N(t). Эго обеспечивает малую методическую погреш-
ность в различных технологических процессах.

9.3.	ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДАТЧИКОВ

ПИРОМЕТРА «СПЕКТРОПИР»

В заключение приведем функциональную схему цифрового
преобразователя, разработанного применительно к серийно
выпускаемому пирометру типа «Спектропир» (рис. 9.7). Такой
225
Рис. 9.7. Схема цифровой ОЭСИТ на базе пирометра «Спектропир»:

А1.А2— хабличные преобразователи кодов; Э1 —Эб—микросхемы ППЗУ К556РТ5; С7 — СЗ— сумматоры К155ИМЗ; Ф -формирователь
импульсов
преобразователь реализует обработку сигналов приемников
излучения, работающих в двух участках спектра.

Выходные напряжения соответствующих приемников из-
лучения Uu и Ul2 преобразуются с помощью АЦП1 и
АЦП2 в десятиразрядные цифровые коды, поступающие на
входы соответствующих ТПК (блоки А1 и А2). ТПК А1.
и А2 выполнены на базе микросхем ППЗУ типа К556РТ5
с организацией памяти 512x8. Соответствующие адресные
шины АО, ...,А8 микросхем Э1,...,Э4 объединены между со-
бой и подключены к выходам DO, ...,О8 АЦП. Шины вы-
борки ИЗ, V4 микросхем ЭЗ и Э4 соединены с выхо-
дом D9 АЦП через инвертор. Соответствующие выходы
микросхем Э1 и ЭЗ, Э2 и Э4 связаны между собой и
образуют десятиразрядное поле данных блоков А1 и А2.
Таким образом, ТПК А1 и А2 имеют организацию памяти
1024x 10. Выходы ТПК А1 и А2 подключены к соответствую-
щим входам десятиразрядного сумматора, построенного на
микросхемах типа К155ИМЗ (блоки Cl, С2, СЗ). Преобразова-
тель, выполняющий функцию линеаризации результатов изме-
рений, построен на базе микросхем К556РТ5 (блоки Э5 и Э6) и
имеет организацию 1024x8. Разряды N0,...,N7 выходного кода
N(t) преобразователя могут быть подключены к магистрали
данных микро-ЭВМ или микропроцессора. Формирователь Ф в
соответствии с модулированными напряжениями фотоприемни-
ков Uu и Ul2 вырабатывает сигналы С1 и С2, поступающие на
входы S и R триггера готовности Тт и синхронизирующие
работу преобразователя.

Через время т3»(100-н 150) • 10“6 (равное суммарному быст-
родействию АЦП и остальной части схемы) после появления
истинных значений Uu и Ul2 на соответствующем выходе
формирователя вырабатывается сигнал Cl = 1. устанавливаю-
щий триггер Тт в единицу. В момент установки UKl = U22=0
формируется сигнал С2=1, сбрасывающий триггер в нуль.
Таким образом, значение выхода триггера, равное единице,
соответствует истинной информации N(t) на выходе преобразо-
вателя.

К недостатку приведенной схемы относится невозможность
изменения параметров алгоритма преобразования без замены
микросхем ППЗУ в блоках Э1 — Э6 на аналогичные, но с
другой таблицей прошивки. Для устранения этого недостатка
можно использовать схему преобразователя на базе микросхем
К573РФ5, позволяющих производить в них многократную
электрическую запись информации. Кроме того, эти микросхе-
мы имеют значительно больший объем памяти (до 2048 х 8),
что обеспечивает сокращение аппаратурного объема схем ТПК
в 2 раза.
ГДАВА 10

ПРИМЕНЕНИЕ ОЭСИТ

10.1.	ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Выше были кратко рассмотрены теоретические основы
классических и несколько более подробно неклассических
методов пирометрии излучения, что позволяет достаточно
обоснованно оценить возможности современной пирометрии из-
лучения применительно к решению практических задач измере-
ния температуры реальных объектов с требуемой точностью.

Эта оценка сводится в основном к следующему [1.17].

Только в относительно редких случаях излучательная спо-
собность реальных объектов в промышленных условиях доста-
точно близка к единице, вследствие чего методическая погреш-
ность измерения температуры таких объектов энергетическими
пирометрами, отградуированными по абсолютно черному телу,
равна или меньше допустимой.

Такого рода объекты встречаются только в двух принци-
пиально различных случаях.

Первый случай имеет место, когда реальный объект измере-
ния температуры окружен со всех сторон поверхностями,
нагретыми практически до одинаковой с ним температуры,
вследствие чего излучение объекта близко к излучению абсо-
лютно черного тела, если внутри замкнутого пространства нет
иных источников излучения с более высокой температурой, а
поглощение в промежуточной среде отсутствует. Среди процес-
сов и агрегатов черной металлургии можно насчитать лишь
около десятка типовых подобных объектов: поверхности слит-
ков в нагревательных колодцах в конце цикла нагрева,
поверхности заготовок в томильных зонах нагревательных
печей прокатных и трубопрокатных цехов, поверхности верха
насадок регенераторов мартеновских печей, огнеупорная кладка
верха воздухонагревателей доменных печей, простенки отопи-
тельных камер коксовых батарей, внутренняя футеровка миксе-
ров для жидкого чугуна и воздуховодов смешанного дутья
доменных печей и некоторые другие аналогичные объекты.

Второй случай относится к некоторым обычно прозрачным в
видимой области спектра материалам, к которым принадлежат
стекла и органические синтетические пленки. При достаточной
толщине эти материалы практически полностью поглощают
излучение в сравнительно широких участках ближней инфра-
красной области спектра, вследствие чего соответствующие
спектральные или интегральные (частичные) излучательные
способности этих материалов весьма близки к единице («0,96).

Для обычного стекла такие условия имеют место на участке
длин волн 5—7 мкм, а для ряда органических пленок с
228
толщиной около 0,2—0,3 мм (ацетат целлюлозы, полиэстер,
полиуретан, поливинилхлорид, полиамид, поликарбонат)—на
двух участках спектра с длинами волн 3,4—3,6 и 7,7—8,2 мкм
или только на первом из них (полипропилен, полиэтилен,
полистирен).

Если в первом случае рабочий спектральный участок
пирометра излучения не имеет решающего значения и выбор
того или иного вида энергетического пирометра диктуется
главным образом соображениями стоимости, надежности, прос-
тоты обслуживания и т. п., то во втором случае выбор
ограничен специализированными пирометрами частичного излу-
чения, чувствительными к излучению в ограниченных участках
спектра. Так как при этом иногда бывает удобно одновременно
избавиться и от влияния поглощения излучения объекта
промежуточной газовой средой, то выбор рабочего участка
спектра осуществляется с учетом расположения «окон прозрач-
ности» в обычно существующей в местах расположения объекта
и пирометра атмосфере, содержащей, как правило, такие
основные селективно поглощающие электромагнитное излуче-
ние компоненты, как двуокись углерода и пары воды „(наличие
пыли и пара приводит к неселективному рассеянию излучения).

«Окна прозрачности», где практически отсутствует поглоще-
ние излучения одновременно парами воды, и двуокисью
углерода, расположены в следующих участках ближней инфра-
красной области спектра: 0,72 —1,113; 2,6—2,9: 3—4; 4,3—5 и
8—14 мкм. Таким образом, для измерения температуры орга-
нических пленок наиболее целесообразно использовать пиромет-
ры частичного излучения с рабочими спектральными участками
3,4—3,6 и 8,0—8,2 мкм, а для измерения температуры стекла —
с участком 5—7 мкм, на котором излучательная способность
стекла наибольшая (около 0,96), практически отсутствует
поглощение двуокисью углерода, но остается поглощение
излучения парами воды. В тех случаях, когда газовая среда имеет
ту же температуру, что и объект измерения, эффект поглощения
излучения полностью компенсируется эффектом излучения того
же селективно поглощающего компонента газовой среды.
Вследствие этого печные газы, нагретые до температуры объекта и
всегда содержащие пары воды, практически не будут влиять на
показания пирометров излучения, а от присутствия паров воды в
атмосфере внепечного пространства можно избавиться путем
соответствующего отдува сухим сжатым воздухом.

Кроме того, в ряде случаев (также достаточно редких в
практике) излучательная способность объектов, близкая к еди-
нице, может быть создана искусственно за счет применения ви-
зирных труб, образования пневматическими средствами поло-
стей в жидких расплавах или облучения поверхности объекта пас-
сивными или активными сторонними источниками излучения.
Излучательная способность реальных объектов, встречаю-
щихся в практике измерения температуры, существенно меньше
единицы, и возникающей вследствие этого методической пог-
решностью отградуированных по абсолютно черному телу
энергетических пирометров нельзя пренебречь. Однако в некото-
рых случаях соответствующая охватываемому пирометром
спектральному диапазону излучательная способность объекта
лишь незначительно отклоняется под влиянием различных
факторов от некоторого среднего значения. При соответствую-
щей градуировке пирометра или же внесении в его показания
расчетных поправок это позволяет измерять температуру таких
объектов с заданной точностью.

Нахождение экспериментальным путем среднего (расчетно-
го) значения излучательной способности и пределов возможных
отклонений ее мгновенных значений от среднего значения
обычно не представляет особых трудностей и, как правило,
выполняется непосредственно на рабочем месте. Ниже приведе-
ны типичные примеры определения требуемой точности измере-
ния температуры рассматриваемых объектов, среднего значения
их излучательной способности и выбора на этом основании, а
также по ряду других соображений наиболее рационального
метода измерения и типа пирометра излучения.

К сожалению, подавляющая часть реальных объектов не
может быть охарактеризована некоторым средним значением
излучательной способности. Единственным путем решения
задачи остается использование существенно более трудно
реализуемых методов пирометрии спектрального отношения и
неклассических методов, рассмотренных выше.

10.2.	ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СЛИТКОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
СТАНАМИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Для повышения производительности прокатного оборудо-
вания и улучшения качества проката необходимо оснащать
прокатные станы средствами контроля технологических па-
раметров и системами автоматического управления процес-
сом.

При горячей прокатке меди и сплавов на ее основе
температура слитков перед прокаткой является одним из
определяющих параметров процесса. Расчеты, подтвержденные
экспериментом [10.1], показали, что учет разброса температуры
от слитка к слитку и соответствующая корректировка программ
обжатий обеспечивают сокращение разнотолщинности в партии
горячекатаных полос в 1,5—2 раза.

Для нормального функционирования систем автоматической
установки расстояния между валками по проходам в зависимос-
ти от фактической температуры каждого слитка требуются
230
Рис 10 1. Зависимость допустимой
абсолютной погрешности измере-
ния ЛТ от точности установки
межвалкового расстояния ЛЯ и
допуска на разброс толщины АЛ

Сигнал от пирометра, мВ

Рис. 10 2. Градуировочная кривая фотодиодного пирометра для латуни JI63 (1)
и меди (2)

надежные средства автоматического измерения температуры
движущихся слитков в диапазоне 650—1000° С.

При выборе методов и средств измерения температуры в
системах автоматического управления прокатными станами
важно оценить целесообразную точность измерения, которая в
общем случае связана с точностью реализации управляющих
воздействий и допусками на основные параметры готового
проката (геометрические размеры, механические свойства прока-
танной полосы и пр.). Обоснованная оценка требуемой точности
измерения температуры произведена в [10.1] с использованием
математической модели процесса прокатки слитков на реверсив-
ном стане.

Графики зависимости АГ от Ай и А//, приведенные на
рис. 10.1, позволяют получить оценку допустимой предельной
абсолютной погрешности измерения температуры слитка для
заданной точности установки межвалкового расстояния АТ/ и
допуска Ай. Из графиков видно, например, что на двухклетевом
стане 800, где система установки валков обеспечивает АН=
=+0,1 мм, для достижения Ай = 0,2 мм следует использовать
пирометр с предельной абсолютной погрешностью АГ=16,5° С
или относительной погрешностью 8Г=2% (при номинале
Г= 800° С для сплава JI63). В то же время в системе управления
двухклетевым станом 850, где реализуется АН= + 0,05 мм, для
достижения Ай = 0,2 мм можно использовать пирометр с
8Г=2,4%.

В общем случае можно сформулировать следующие основ-
ные требования к измерителям температуры слитков для систем
автоматического управления установкой валков на реверсивных
станах горячей прокатки тяжелых цветных металлов:

1)	допустимая погрешность (методическая и инструменталь-
ная) измерения температуры — не более 2%;
2)	быстродействие — не хуже 1 с;

3)	максимально возможные простота и надежность.

Максимальной простотой, а следовательно, и надежностью
обладают пирометры, построенные по схеме непосредственного
измерения электрического сигнала на приемнике излучения.
Анализ отечественных и зарубежных типов пирометров показы-
вает, что этому частному требованию наиболее полно удовлет-
воряют пирометры суммарного излучения и пирометры частич-
ного излучения с фотодиодом в качестве чувствительного
элемента.

С точки зрения быстродействия более предпочтительны
пирометры частичного излучения, так как время установления
показаний для таких пирометров с германиевым или кремние-
вым фотодиодом составляет 10~5 с, тогда как для пирометра
суммарного излучения оно равно 2—4 с.

Оценим методическую погрешность для данного случая
измерения.

Экспериментальные исследования в заводских условиях
показали, что для сплавов Л63, Л70, Л90, Ml, МЭ величина их
излучательной способности при выгрузке из нагревательной
печи колеблется в пределах 0,85—0,95, т. е. максимальный
относительный разброс составляет

8£макс = Аймаке /bCD~ 0,056,
где £ср—среднее значение излучательной способности. Тогда
при измерении температуры слитков пирометром частичного
излучения, например с германиевым фотодиодом, без специаль-
ной подстройки на излучательную способность каждого сплава
максимальная относительная методическая погрешность для
верхнего предела измерения (Т=1000°С, « = 7,4) составит

STMaKC = °^6100==0,7b.
макс *7 л	7

Таким образом, для измерения температуры слитков из
меди и латуней перед прокаткой с успехом могут быть
использованы пирометры частичного излучения с германиевыми
или кремниевыми фотодиодами, которые обеспечивают требуе-
мую точность измерения.

Фотоэлектрический пирометр частичного излучения с герма-
ниевым фотодиодом ФД-За был использован в качестве датчика
температуры слитков перед прокаткой в системе автоматичес-
кой коррекции программы обжатий на двухклетевом стане
горячей прокатки 800. Градуировку пирометра проводили на
образцах из меди и латуни Л63 с помощью зачеканенной
1ермопары хромель-алюмель (ХА). Отсутствие существенного
различия между градуировочными кривыми для меди и латуни
Л63 (рис. 10.2) свидетельствовало о практическом равенстве
232
дт°с
10

о

-10

-20

f)

Рис, 10.3. Абсолютная погрешность фотодиодного пирометра при измерении
температуры сплавов Л63 (а) и Л90 (б)

излучательной способности для этих металлов при выходе из
нагревательной печи. Этот результат подтверждается приведен-
ными ранее данными экспериментальных исследований в
заводеких условиях. При использовании общей градуировочной
кривой максимальная абсолютная погрешность составила
АГ%6 С (при Г=760° С), а максимальная относительная
погрешность

АГ

8Гмакс=^100% = 0,79%.

В линии прокатного стана пирометр установлен после
щеточной машины, которая очищает поверхность слитка от
отставших кусков окалины и загрязнений. Для обеспечения
стабильности градуировочной кривой применено внешнее тер-
мостат ирование всего пирометра.

Экспериментальную проверку погрешности пирометра в
заводских условиях проводили с помощью контрольной штыре-
вой термопары ХА. Графики погрешностей для сплавов Л63 и
Л90 приведены на рис. 10.3. Результаты экспериментальной
проверки показали, что общая погрешность измерения темпера-
туры слитков не превышает 1,5%.

Таким образом, применение фотодиодных пирометров в
качестве датчиков температуры в системах автоматического
управления станами горячей прокатки тяжелых цветных метал-
лов позволяет решить задачи объективного контроля темпера-
туры слитков перед прокаткой, стабилизации процесса прокатки
и сокращения разнотолщинности горячекатаных полос.

10.3.	ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКАНИРУЮЩИХ ОЭСИТ
В МЕХАНИКЕ СПЛОШНЫХ СРЕД

Механика сплошной среды является, пожалуй, одной из
наиболее обширных областей применения тепловидения как
метода изучения среды по особенностям ее теплового изображе-
ния. Возможность современных тепловизионных систем автома-
тизировать обработку измерений в большом количестве точек
значительно расширяет области экспериментальных исследо-
ваний.
В одних случаях анализ тепловых изображений связан
непосредственно с измерением температуры или ее изменений, в
других значительный интерес представляет определение место-
расположения на объекте Экстремумов температуры или их
динамика. Перспективными областями применения тепловизо-
ров является дефектоскопия материалов и отдельных конструк-
ций при проведении динамических и статических испытаний, а
также при отработке аэродинамических компоновок летатель-
ных аппаратов и их отдельных элементов в аэродинамических
трубах (на моделях) и в летных исследованиях [10.2, 10.3].

Источником теплового излучения при возникновении уста-
лостной трещины в металлах является зона вокруг этой
трещины. Тепловой градиент зависит от энергии, выделяемой в
материале при продвижении трещины.

Наблюдения за процессами образования и роста усталост-
ных трещин позволяют проследить динамику роста зоны
пластической деформации материала перед растущей трещиной.

При исследовании болтовых или заклепочных соединений
процессу возникновения трещины предшествуют трение элемен-
тов пакета в зоне крепежа и другие явления. Это сопровождает-
ся выделением тепла, которое и приводит к локальному
повышению температуры. Применение теплового метода для
обнаружения усталостных трещин или других дефектов в
неразъемных соединениях имеет ряд преимуществ перед други-
ми методами неразрушающего контроля, так как позволяет
визуализировать работу стыка и тем самым локализовать
критическую зону до появления в ней усталостных трещин.

Тепловой метод практически является единственным при
изучении динамики развития пластической зоны деформирова-
ния, так как расчетные методы могут быть применены для
ограниченного класса задач, а другие экспериментальные
методы исследования (ультразвуковые, изотопные и т. д.) либо
не могут быть использованы по технологическим причинам,
либо имеют низкую точность.

Существенным преимуществом теплового метода для интег-
ральной оценки повреждения элементов конструкции является
возможность контроля элементов конструкций из металличес-
ких и композиционных материалов — как магнитных, так и
немагнитных, а также простота методики контроля и получения
результатов непосредственно при проведении эксперимента.

Для экспериментальной проверки возможностей теплового
метода был проведен ряд испытаний различных элементов
конструкций. Были испытаны: образцы, предназначенные для
исследования вязкости материалов; образцы из углепластика в
виде полос; образцы двухсрезного заклепочного соединения.

Испытания первых образцов показали, что при нагрузках,
составляющих соответственно 10, 30 и 80% разрушающей,
234
обнаруживается рост усталостных трещин и зон пластического
деформирования в их вершинах. Зная чувствительность тепло-
визора, можно определить их размеры.

Образцы из углепластика подвергались статическому нагру-
жению. Один из образцов до испытаний имел' незначительное
механическое повреждение, необнаруживаемое визуально даже
при сильном увеличении. При нагрузке около 30% разрушаю-
щей с помощью тепловизора было определено это повреждение.
При чувствительности тепловизора Т=0,2 — 0,3 К оно выгляде-
ло как светлое пятно.

При увеличении нагрузки и при чувствительности Г=0,95 К
отчетливо зафиксирована дефектная зона образца, в которой
уже начали разрушаться волокна.

Изображение образца неразъемного соединения дало воз-
можность определить при чувствительноеги 0,8 К распределе-
ние нагрузки по рядам заклепок, а при чувствительности
0,4 К —зоны податливости стыка.

Изучение особенностей течения газового потока на хорошо
обтекаемой поверхности (определение момента перехода лами-
нарного пограничного режима течения в турбулентный при
изменении скорости потока) проводилось на модели профиля
исследуемого объекта. На профиле была установлена тонкая
пластина из нержавеющей стали размером 375 x 100 мм. По-
верхность пластины была подогнана заподлицо с поверхностью
обтекаемого профиля. С внутренней стороны пластины по всей
площади был установлен электрический нагреватель, позволяю-
щий осуществлять равномерный подвод энергии.

При заданной скорости потока и нагреве пластины теплови-
зором исследовалось распределение условной температуры на
ее поверхности. Значительный интерес представляло геометри-
ческое положение экстремальных значений температуры: при
Гп > ? м (где Лт и — температуры потока и модели) макси-
мальные значения температуры соответствуют началу перехода
ламинарного режима течения в турбулентный, а следующий за
ним минимум — завершению перехода.

Ввиду строгой монотонности связи сигнала на выходе
тепловизора с температурой модели определение геометричес-
кого положения экстремумов температуры не требует калибров-
ки прибора. Малая толщина пластины позволила однозначно
связать максимум условной температуры с минимумом коэффи-
циента теплоотдачи, а минимум условной температуры — с
максимумом коэффициента теплоотдачи. В случае ТП<ТМ
соответствие экстремальных значений температуры и коэффи-
циента теплоотдачи будет противоположным указанному выше.

Экспериментальные исследования показали, что при сравни-
тельно небольшой скорости набегающего потока (до 30 м/с)
тепловой энергии, выделяемой при трении воздуха о стенку
модели, недостаточно, чтобы сделать переход видимым. Незна-
чительный стационарный подвод энергии к поверхности модели
(Тм — Тп=10^15 К) не меняет положения экстремумов коэффи-
циента теплоотдачи и значительно усиливает контрастность
интересующего процесса.

При более высоких скоростях распределение экстремумов
теплоотдачи определялось и без подвода энергии к обтекаемой
поверхности.

Существенную информацию о возникающих напряжениях в
различных конструкциях и агрегатах при их динамических
нагружениях дают сканирующие ОЭСИТ [10.4, 10.5]. При этом
фиксируется уменьшение температуры в местах напряжений (не
'превышающих предела упругости материала). С целью умень-
шения влияния изменения излучательной способности объекта
на результат измерения и повышения достоверности контроля
желательно использовать методы измерения, рассмотренные в
гл. 5 данной книги. Для этого может быть использован, в
частности, сканирующий пирометр, с перестраиваемой структу-
рой СКАПИР-02 [10.5].

Важной областью применения сканирующих ОЭСИТ явля-
ется радио- и микроэлектроника. Здесь перегревы (или недогре-
вы) характеризуют тепловой режим работы элементов, уста-
новленных на печатной плате, или элементов в интегральной
схеме, определяют качество паяных или сварных соединений и
т. д. Получаемый с помощью ОЭСИТ тепловой «портрет»
изделия обычно сравнивается с записанным в ЗУ нормальным
«портретом», а «разность» между ними обрабатывается с
помощью компьютерной техники. Так, например, для этих
целей разработана модификация шведского «Термовизора-880»
с персональным компьютером IBM PC (модель 8000). Она
обеспечивает температурное разрешение 0,07° С на уровне 30° С
[10.6]. С помощью дополнительной оптики (микроскопа) мож-
но контролировать интегральные схемы размером 1,6 х 1,6 мм с
высокой пространственной разрешающей способностью.

Дискретное сканирование, реализованное в СКАПИР-02,
удобно использовать для быстродействующего выборочного
контроля температуры дискретных точек на изделиях радио- и
микроэлектроники, в частности для контроля мест пайки. При
этом может быть сведена к минимуму необходимость в
обработке информации. Здесь также могут быть использованы
многоспектральные методы измерения температуры.

Широкое распространение получили тепловизионные систе-
мы в медицине и строительстве. С помощью тепловизоров
диагностируются ревматические заболевания, облитерирующий
атеросклероз, заболевания грудных и щитовидных желез,
нарушения в желчном пузыре и многое другое. Подробное
изложение соответствующих результатов дано как в меди-
236
цинской, так и технической литературе, в частности в сборниках
«Тепловидение» (МИРЭА, 1982 — 1986 гг.), в трудах конфе-
ренции ТЕМП (см., например, [7.13]) и др.

Можно отметить также применение тепловизоров при
исследовании теплового состояния электрообогревных стекол,
тепловых свойств горных' пород и руд, качества асфальто-
бетонных покрытий аэродромов и автострад, элементов кон-
струкций зданий и защитных сооружений, состояния атмосферы
и поверхности планет и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

К главе 1

1.1.	Гордов А. Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971.

1.2.	Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975.

1.3	Гаррисон Т. Радиационная пирометрия. М.: Мир, 1967.

1.4.	Euler J., Kudwig К. Arbeitsmethoden der optischen Phyrometry. Leipzig,
1960.

1.5.	Приборы и методы температурных измерений /Б. Н. Олейник,
С. И. Лаздина, В. П. Лаздин, О. М. Жагулло. М.: Изд-во стандартов, 1987.

1.6.	Соколов А. В. Оптические свойства металлов. М.: Физматгнз, 1961.

17.	Старк Б. В., Шашков Ю. М. Влияние шероховатости поверхности и
пленки твердых и жидких металлов на точность измерения оптическими
способами // Изв. АН СССР. 1952. № 3. С. 395 -404.

1.8.	Невский А. С., Ильчукова Л. В. О влиянии микрошероховатости на
характер излучения поверхности // Теплофизика высоких температур. 1968.
Т. VI. № 6. С. 1035 1039.

1.9.	Хассен С. А, Дэйк А. М., Бюлов Ф. X. Исследование излучательных
характеристик композиций окисел-металл // Ракетная техника и космонавтика.
1968. Т. 6. С. 166—171.

1.10.	Брениов Р. Р., Голдстейн Р. Ж. Степень черноты окисных пленок на
металлической подложке // Теплопередача. 1970. № 2. С. 49—57.

1.11.	Киселева М. С., Непоренко Б. С., Федорова Е. О. Поглощение инфрак-
расной радиации при неразрешенной структуре спектра для наклонных путей в
атмосфере (действие Н2О и СО) // Физика атмосферы и океана. 1967. Т. 3. № 6.
С. 640 653.

1.12.	Howard J. N., Burch D. Е., Williams В. К. Infrared transmission of synthe-
tic atmospheres. Absorption by carbon dioxide. Absorption by Water Vapour // J. of
the Optical Sc. of America. 1956. V.46. P. 237—244.

1.13.	Киренков И. И. Метрологические основы оптической пирометрии. М.:
Изд-во стандартов, 1976.

1.14.	Поскачей А. А., Свеичаиский А. Д. Измерение температуры пиромет-
рии с учетом стороннего излучения // Электротермия. М.: Информэлектро. 1978.
№ 3 (187). С. 3-4.
К главе 2

2 1 Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-эчектронных
Приборов Л Машиностроение, 1986

2 2 Воронков Е. М., Гречушкин Б. Н. Оптические материалы для инфра-
красной техники М Наука, 1965

2 3 D. Е. Witt. Temperature, its measurements and control in science and
industry / Pittsburg, USA 1971 V 3 P 320

2 4 Ллойд Дж. Системы тепловидения М Мир, 1978

2 5 Чуриновский В. Н. Теория оптических приборов М Машиностроение,
1963

2 6 Гигтер В. М. Автоматизация в черной металлургии Черметинформа-
ция М Металлургия, 1968

2 7 Дукарский С. М. Теория радиационно! о пирометра со светопроводом
// Теплофизика высоких температур 1969 №4 С 1160 1167

2 8 Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках М
Физматгиз, 1963

2 9 Гридин А. С., Панков Э. Ф. Апертурные характеристики фотоприемни-
ков // Изв вузов Приборостроение 1968 № 1 С 105— 108

2 10 Halpert Н., Musicant В. L. N-Color (Hg, Cd) Те Photodetectors // Appl
Optics 1972 Vol 11. № 10 P 2157—2161

2 11 Пашковский M. В., Гречух 3. Г. Фотоэлектрические и инфракрасные
приемники на теллуридах кадмия ртути // Зарубежная электронная техника
1973 № 24 С 3 37

2 12 Берченко Н. Н., Матвеенко А. В. Многоцветные инфракрасные прием-
ники II Тр ЦНИИ «Электроника» 1979 № 16 С 46 56

2 13 Медведей Ю. В. Многоцветные приемники излучения // Тр ЦНИИ
«Электроника» 1983 № 10 С 40 —53

2 14 Модуляция и отклонение оптического излучения / Г П Катыс,
Н В Кравцов, Л Е Чирков, С М Коновалов М Наука, 1967

2 15 Катыс Г. П. Оптико-электронная обработка информации М Маши-
ностроение, 1972

2 16 Мустель Э. Р., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования
света М Наука 1970

2 17 Вистень Л. К., Чистяков И. Г. Приборы и системы управления на
жидких кристаллах // Приборы и системы управления 1975 № 3 С 19—23

2 18 Пространо венные модуляторы света/А А Васильев, Д Касасент,
И Н Компанец, А В Парфенов М Радио и связь 1987

2 19 Sims R. В., Place J. A. A surface-scanning pyrometer / J Sci Instr 1954
V 31, N 8 P 293-294

2 20 Блаут-Блачев P. H. Сканирующий пирометр // Теория и применение
автоматических систем управления н контроля М Наука 1964 С 288 —297

2 21 А.с. 179034 СССР. Цветовой сканирующий пирометр / Г П Катыс,
Е П Чубаров / Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные
знаки 1966 № 4

2 22 Катыс Г. П. Информационные сканирующие системы М Машино-
строение, 1965

2 23 Optical scanners Senes G//General Scanning Inc

2 24 Наивысшие параметры основных классов изделий электронной техни-
ки, достигнутые к 1986 г / В И Генкин, Т Г Грачева, Т М Калякина и
др //Зарубежная электронная техника 1986 № 8 (303) С 26—100

2 25 Forman J. R. Pyroelectric technology in modern thermal imaging sys-
tems//Electronic Eng 1977 № 1 P 38-41

2 26 Жигарев А. А., Шамаева Г. Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные
приборы М Высшая школа, 1982

2 27 Оптическая обработка изображений / Под ред С Б Гуревича и
Г А Гаврилова Л Наука, 1985

2 28 Артемьев Н. Л., Корнилов Б. В. Новая передающая телевизионная
трубка—инфракон // Радиотехника и электроника 1965 № 10 С 1909—1910
238
2 29 Слободян С. М., Кятенко Т. Н. Диссекторы—фотопрнемннки с произ-
вольной выборкой сигнала//Зарубежная радиоэлектроника 1985 hf> 7 С 27—
39

2 30 Катыс Г. П., Чубаров Е. П. Современные методы и системы контроля
температурных полей//Приборы и системы управления 1971 № 10 С 17—21

2 31 Достижения в технике передачи и воспроизведения изображения/Под
ред Б Кейзана Пер с англ М Мир, 1980

2 32 Журавлев А. А,, Белянина Е. К. Возможности улучшения минималь-
ной разрешаемой разности температур тепловизионных систем с пироэлектри-
ческим видиконом//Тепловидение М МИРЭА 1986 С 38—43

2 33 Крнксунов Л. 3., Рыбашко В. А. Пироконы Киев Техника, 1984

2 34 Аксененко М. Д., Бараночников М. Л. Приемники оптического излуче-
ния М Радио и связь, 1987

2 35 Справочник по приемникам оптического излучения/Под ред Л 3
Криксунова и Л С Кременчугского Киев Техника, 1985

2 36 Богомолов П. А., Сидоров В. И., Усольцев И. Ф. Приемные устройства
ИК-систем/Под общей ред В И Сидорова М Радио и связь, 1987

2 37 Фотодиоды на основе твердых растворов Cdx Hg, . ^ Те / Н Л Баже-
нов, С И Гасанов, В К Огородников, В И Процык//Зарубежная электронная
техника № 8(303) 1986 С 3 25

К главе 3

3 1 Поскачей А. А., Русин Е. П. Измерение температуры в электротехни-
ческих установках М Энергия, 1967

3 2 Чарихов Л. А. Автоматическая компенсация влияния температуры
окружающей среды на ТЭДС пирометра суммарного излучения // Измеритель-
ная техника 1969 № 10 С 15 —19

3 3 Федонюк И. И, Возможности уменьшения температурной погрешности
фотодиодных телескопов//Комплексная автоматизация сталеплавильного про-
изводства Киев Техника 1974 С 19 23

3 4 Фоменко В. А. Быстродействующий автоматический фотодиодный пи-
рометр // Приборы для исследования физических свойств газов н жидкостей н
контроля теплоэнергетических параметров М ГОСИНТИ 1962 С 31 —38

3 5 Ruffino G. Comparison of photomultiplier and Si photodiode as detectors in
radiation pyrometry//Applied optics 1971 V 10 N 6 P 1241-1245

3 6 Wandland P. H. Solid state combo senses well enough to vie with
tubes/ Flectronics 1973 N 11 P 50 54

3 7 Шаталов А. С., Гринберг Л. С., Шаталов Ю, А. Функциональные фор-
мирователи электрических сигналов М Энергия, 1974

3 8 Hoover В. R. A high accuracy novel Imeanzer for a silicon cell
phyrometer//Instrumentation in Aerospace Industry 1975 V 21 P 427-434

3 9 Катыс Г. П. Оптические датчики температуры М Госэнергоиздат,
1959

3 10 Федонюк И. И., Комарова Ж. И. Фотоэлектрический пирометр для
измерения температуры в индукционных печах//Приборы н системы управле-
ния 1969 jV' 4 С 17—18

3 11 Лах В. И., Самченко Г. П. Агрегированный комплекс пирометри-
ческих преобразователей и пирометров излучения АПИР-С//Приборы н
системы управления 1980 № 5 С 13—17

3 12 Температурные измерения Справочник/О А Геращенко, А Н Гор-
дов, В И Лах и др Киев Наукова думка, 1984

3 13 Temperature measurement by Heat Radiation Chino works, Ltd P 21

3 14 Гуревич A. M. Фотоэлектрический пирометр ФЭП-3//Заводская лабо-
ратория 1950 № 11 С 37 39

3 15 Поскачей А. А., Уральский М. П. Измерение температуры поверхности
изделий из алюминиевых сплавов пирометрами частичного излучения//Заводс-
кая лаборатория 1964 №7 С 4—6

3 16 ФоIоэлектрический пирометр ФЭП-8/В М Зуев, С С Гойхман,
Г П Решетов, А М Васильев//Приборы и системы управ тения 1971 X, 9
С 15 16

3 17 Щербина Д. М., Галуза А. И., Кириченко А. П. Скоростной пиро-
метр//Теплофизика высоких температур 1978 Т 16 № 4 С 887 -890

К главе 4

4 1 Гольдреер И. Г., Деньгии В. Ю. Логометрирование уровней импульсов
с помощью инерционных стабилизаторов напряжения//Измерительная техника
1958 № 3 С 33—40

4 2 Гуревич А. М. Фотоэлектрические пирометры и измерение цветовой
температуры / Автоматика и телемеханика 1940 № 4 С 133 — 150

4 3 Волков В. М. Логарифмические усилители Киев Наукова думка, 1965

4 4 Nolle A. W. Electronic circuit has Logarithmic Response//Electronics
1948 V 21 N 9 P 166 173

4 5 Dobkin R. C. Logarithmic converters//IEEE Spectrum 1969 V 6 N 11
P 69— 72

4 6 Поскачей А. А. Простой инфракрасный пирометр спектрального отно-
шения I/ Передовой научно-технический и производственный опыт
№ 33-63-375/3 М ГОСИНТИ 1963

4 7 А. с. 179033 СССР. Низкотемпературный пирометр спектрального
отношения / А А Поскачей // Открытия Изобретения Промышленные образцы
Товарные знаки 1966 № 4

4 8 А. с. 224856 СССР. Способ поддержания абсолютных уровней в
пирометрах спектрального отношения/А А Поскачей//Открытия Изобрете-
ния Промышленные образцы Товарные знаки 1968 № 26

4 9 А. с. 178145 СССР. Цифровой пирометр спектрального отноше-
ния/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товар-
ные знаки 1966 № 2

410 А. с. 178143 СССР. Автоматический многоканальный пирометр
спектрального отношения / А А Поскачей ;/ Открытия Изобретения Промыш-
ленные образцы Товарные знаки 1966 № 2

4 11 А. с. 178144 СССР. Переносный пирометр спектрального отноше-
ния/А А Поскачей//Открытия Изобретения Промышленные образцы Товар-
ные знаки 1966 № 2

4 12 А. с. 190622 СССР. Датчик цветовой температуры / А А Поска-
чей /1 Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1967
№ 2

4 13 Мерсон Я. И. О рациональных схемах построения цветовых пиро-
метров//Измерение температур пламени М Оборонгиз 1954 С 101 —114

4 14 Кролевец К. М., Янович В. С. Измерение логарифма отношения вели-
чин световых потоков//Автоматика и приборостроение 1960 Вып IV
С 19 21

4 15 Бутковский А. Г., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Методы н устройства
автоматического измерения температуры по собственному излучению объек-
та//Автоматика и телемеханика 1975 М» 4 С 153—163

4 16 А. с. 270296 СССР. Пирометр двойного спектрального отноше-
ния /ОМ Жагулло / / Открытия Изобретения Промышленные образцы Товар-
ные знаки 1970 М> 16

4 17 Поскачей А. А., Уральский М. П. Пирометр спектрального отношения
с диапазоном измерения 300—500° С//Приборостроение 1965 № 4 С 13—16

4 18 Цветовые автоматические пирометры «Цветопир»/В Т Негруцак,
О М Жагулло, Н В Россикова, Е В Трубицин // Приборы и средства автома-
тизации 1964 V 7 С 24—26

4 19 Негруцак В. Т., Россикова Н. В., Трубицин Е. В. Новые пирометры
спектрального отношения//Приборы и системы управления 1967 V 7 С 46

4 20 Егоров Д. Е., Сырцов С. П., Трубицын Е. В. Новые пирометры спект-
рального отношения//Приборы и системы управления 1980, №5 С 17—19

4 21 Пирометры спектрального отношения типа «Спектропир» / Д Е Его-
240
ров, В Т Негруцак, С П Сырцов, Е В Трубицын//Тезисы докладов V-й Всес
конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т II С 5—6

4 22 Цветовой электронный пирометр ЦЭПИР/ Я А Альтшулер,
И М Вешенчук, М П Липкович Я В Серафин/7Приборы и средства автома-
тизации 1963 № 10 С 16—17

К главе 5

5 1 Murrey Т. R. Measuiement of Hot Strip Mill Coiling And Finishing
Temperatures//Iron and Steel Engineer 1972 V 9 N 8 P 36 42

5 2 Naeser G., Engels G. Zur Straheungsanalyse von flussigem stahl//Stahl und
Eisen 1949 N 15 S 508-514

5 3 Anderson A. S. Accurate Noncontact Temperature Measurement of Alumi-
nium and Aluminium Alloy Surfaces Symposium on Major Problems of
Present-Day radiation Phyrometry Moscow 1986 IMEKO, HTJ AS USSR
P 234-240

5 4 Pyatt E. S. Some consideration of the erors of brightness and two-collour
tupes spectral radiation phyrometer / British Journal Applied Physics 1954 V 15,
N 5 P 269

5 5 Reyndol S. A review of multicollour pyrometry for temperatures below
1500 C//British Journal Applied Physics 1964 V 5, N 5 P 579 589

5 6 Г. В. Нуттер. Общие соображения, влияющие на устройство пирометра
высокой точности//Основные понятия и современные методы измерения
температур Т III 4 1 М Металлургия 1967 С 183 205

5 7 Korneff Т. Optical pyrometer with microsecond resolution time / Review of
scientific instruments 1971 V 42, N 11 P 1561-1565

5 8 Куинн. Температура Пер с англ / Под ред Д И Астрова М Мир,
1985

5 9 Жагулло О. М. Понятие условной температуры в современной пиро-
метрии//Теплофизика высоких температур 1970 Т VII .¥> 6 С 1260—1264

5 10 Жа! улло О. М. Метод пирометрии двойного спектрального отноше-
ния//Теплофизика высоких температур 1972 Т X № 6 С 622 628

5 11 Геда Я. М., Снопко В. Н. Измерение температуры по распределению
интенсивности в спектре излучения нагретого тепа//Теплофизика высоких
температур 1981 Т 19 №2 С 381 — 385

5 12 Coates В. Multi Wavelength Pyrometry / Metrologia 1981 V 17 N 3
P 103-109

5 13 Gardner J. L. Computer modeling oi a multi-Wavelength pyrometer for
measuring true surface temperature //High Temperatuies-High Pressuies 1980 V 12,
N 12 P 699-705

5 14 Gardner J. L., Jones T. R., Davies M. R. A six-wavelength radiation
phyrometer I High Temperatures-High Pressures 1981 N 6 P 459-466

5 15 Gardner J. L., Jones T. P., Sainty W. G. Induced Transmission inter-
ference-filter array for Multiwavelength//Applied Optics 1982 V 21 N 7
P 1259-1261

5 16 Геда Я. M., Киселевскии Л. И., Снопко В. Н. Об определении темпера-
туры по спектру теплового излучения конденсированных сред Доклады АН
БССР 1982 Т XXVI №4 С 314-317

5 17 Излучательные свойства твердых материалов Справочник / Под ред
А Е Шейдлина М Энергия 1974

5 18 Бутковский А. Г., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Методы и устройства
автоматического измерения температуры по собственному излучению объекта с
учетом изменения его излучательной способности Д Автоматика и телемеханика
1975 № 4 С 153—163

5 19 Поскачей А. А., Чарихов А. А. Пирометрия объектов с изменяющейся
излучательной способностью М Энергия, 1978

5 20 Геда Я. М., Снопко В. Н. Некоторые методы бихроматической пиро-
метрии//Теплофизика высоких температур 1981 Т 19, № 6 С 1260—1265

5 21 Поскачей А. А., Свенчанский А. Д. Уменьшение погрешности измере-
ния температуры пирометрами излучения//Специальные вопросы электротер-
мии Чебоксары 1977 Вып 7 С 111	118

5 22 Цхай Н. С. Спектральный метод определения излучательной способ-
ности поверхности нагретых тел//Журнал прикладной спектроскопии 1977
Т XXVII Вып 3 С 404 409

5 23 Свет Д. Я. Независимое определение излучательной способности по
спектру собственного теплового излучения//Доклады АН СССР 1975 Т 221,
№1 С 81 83

5 24 Слободкин Л. С., Флакс М. Я. Определение температуры и излуча-
тельной способности тел по спектру собственного излучения//Тепло- и
массоперенос исследования и разработки Минск Ин-т тепло- и массообмена
им А В Лыкова АН БССР 1981 С 22- 26

5 25 Снопко В. Н. К определению излучательной способности по спект-
ральному распределению энергетической яркости нагретого тела//Журнал
прикладной спектроскопии 1981 Т XXXIV Вып 3 С 487 491

5 26 Дукарский С. М , Зуев В. М., Поскачей А. А. Об одном мето те измере-
ния истинной темпера । \ры по его собственному излучению//Теплофизика
высоких температур 1973 Т XI № 6 С 1245 1250

5 27 Поскачей А. А., Жагулло О. М. О возможности введения в пиромет-
рах излучения коррекции на влияние излучательной способности объекта /Теп-
лофизика высоких температур 1974 Т XII, № 4 С8Н 817

5 28 Рнбо Г. Оптическая пирометрия М-Л Гостехтеориздат 1934

5 29 Hoffman F., Tingwald С. Optische Pyrometry Braunschweig, 1938

5 30 Новиков И. И., Глазман Е. Д., Абрамович Б. Г. Измерение действи-
тельной температуры объекта по его условным температурам (яркостным и
цветовым)//Теплофизика высоких температур 1976 № 5 С 2139

5 31 Поскачей А. А., Чарихов Л. А. Оптимизация характеристик пиромет
ров спектрального отношения со следящей системой/Методы и средства
оптической пирометрии М Наука, 1982 С 36 42

К главе 6

6 I Koi ан А. В. Микропирометр с электронно-оптическим преобразова-
нием Измерительная техника 1967 № 12 С 14—16

6 2 Коган А. В., Лукьянец Г. М. Особенности расчета пирометрических
систем с электронно-оптическими преобразователями / Измерительная техника
1968 № 7 С 31 34

6 3 Разоренов Н. Е., Куприна Л. В., Головня Н. Ю. Быстродействующий
-автоматический регулятор температуры АРМ-2М//Приборы и системы управ-
ления 1969 №12 С 47 48

6 4 Альтшулер Я. А., Липкович М. И., Колесниченко А. Н. Многопозицион
ный фотоэлектрический сигнализатор температуры ФЭСТ 013//Приборы и
системы управления 1968 № 5 С 26—28

К главе 7

7 1 Чубаров Е. П. Управление системами с подвижными источниками
воздействия М Энергоатомиздат, 1985

7 2 Ллойд Дж. Системы тепловидения М Мир, 1978

7 3 Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных прибо-
ров Л Машиностроение, 1983

7 4 Жуков А. Г., Горюнов А. Н., Кальфа А. А. Тепловизионные приборы и
их применение М Радио и связь, 1983

7 5 Чубаров Е. П., Емельянов А. Н., Кубышкин В. А. Оптико-электронные
сканирующие устройства для контроля и измерения температурных полей/При-
менение оптико-электронных приборов в контрольно-измерительной технике
М МДНТП, 1976 С 117 121

7 6 Куликовская Н. И., Шульженко Н. П. Способ сканирования в объекти-
вах тепловизоров // Тепловидение М МИРЭА 1980 М° 3 С 76 — 81

7 7 А. с. 402754 СССР. Сканирующий пирометр / В С Вихман, К Л Ле
онтьев, В А Цветков Открытия Изобретения Промышленные образцы
Товарные знаки 1973 № 42

7 8 А. с. 238826 СССР. Сканирующий цветовой пирометр Р Н Блаут-Бла-
чев' Открытия Изобретения Промышленные образцы Товарные знаки 1969
№ 10

7 9 А. с. 162344 СССР. Сканирующий компенсационный пирометр/
Г П Катыс, Р Н Блаут-Блачев, Ю В Стрельников//Открытия Изобретения
Промышленные образцы Товарные знаки 1964 № 9

7 10 Макарова А. К. Новые измерительные устройства и датчики для
измерения температуры жидкого металла и твердых поверхностей//Бюллетень
ЦНИИТЭИ черной металлургии 1974 № 22 (738) С 27 34

7 11 Куртев Н. Д. Тепловизионная аппаратура и некоторые задачи ее
совершенствования//Тепловидение М МИРЭА 1976 № 1 С 5—34

7 12 Богомолов Г. А., Куртев Н. Д., Сидоров В. И. Обзор современного
состояния тепловизионной аппаратуры за рубежом Тепловидение М
МИРЭА 1984 № 5 С 19 34

7 13 Жуков А. Г. Перспективы улучшения основных параметров тепловиде-
ния/'Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985
С 38 40

7 14 Сидоров В. И., Шумский В. Б. Сравнение характеристик многоэлемент-
ных приемников излучения с чувствительными элементами на диодах Шотки и
на узкозонных полупроводниках//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6
С 44-55

7 15 Падалко Г. А. К вопросу улучшения основных параметров тепловизо-
ра на пировидиконе//Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л
ГОИ 1985 С 20 31

7 16 Журавлев А. А., Белянина Е. К. Возможности улучшения минималь-
ной разрешающей разности температур тепловизионных систем с пирометри-
ческим видиконом//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 38 43

7 17 Proceeding of International Conference on Advanced IR Detectors and
Systems London 1981

7 18 Падалко Г. А. Разработка унифицированного ряда быстродействую-
щих цифровых тепловизоров в модульном исполнении '/Тепловидение М
МИРЭА 1982 № 4 С 20 29

7 19 Быстродействующий тепловизор с десятиэлементным фотоприемни-
ком / А Г Жуков А Н Горюнов, В А Поляков, К К Рычков//Тепловидение
М МИРЭА 1978 №2 С 80 86

7 20 Тепловизионная система на базе многоэлементного линейчатого
приемника излучения с инжекцией заряда/М А Ахмаметьев, В М Тымкул,
Р Е Кашдатый и др //Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л
ГОИ 1985 С 44 46

7 21 Падалко Г. А., Тарасов В. В. Тепловизионный комплекс «Раду-
га-3» /Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ 1985
С 11

7 22 Падалко Г. А., Самсонов А. О., Слива С. С. Быстросканирующий
цифровой тепловизор «Радуга-2»//Тепловидение М МИРЭА 1984 № 5
С 69 75

7 23 Мельчаков В. Н., Федюшкин М. Г., Воронов Н. Н. Прибор для иссле-
дования тепловых полей изделий микроэлектроники АТП-31//Тепловидение
М МИРЭА 1980 № 3 С 85—88

7 24 Хахин В. И., Мельчаков В. Н., Козис Е. В. Тепловизор АТП-41 /'Теп-
ловидение М МИРЭА 1982 № 4 С 30 —35

7 25 Тепловизор АТП-44 М / Н Д Куртев и др // Тепловидение М
МИРЭА 1982 № 4 С 75—80

7 26 Цифровые анализаторы тепловых полей / Н Д Куртев, А В Смирнов,
В И Хахин, В К Битюков//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84»
Львов Л ПИ 1984 Т II С 184
7 27 Жуков А. В., Пархоменко В. В., Трунов А. П. Многофункциональный
тепловизор//Тезисы докладов III Всес конф «Темп-85» (Фрунзе) Л ГОИ
1985 С 17 18

7 28 Расширение функциональных возможностей тепловизора ТВ-03 /
В Ф Измайлов, В Б Шумский, А Г Любимов, О М Малахов, С В Рыбни-
ков//Тепловидение М МИРЭА 1984 № 5 С 110—117

7 29 Жуков А. Г., Комарницкая О. Б., Трунов А. П. Двухдиапазонный теп-
ловизор /Электронная промышленность 1987 .№• 8 С 61—62

7 30 Крылов В. И., Борискин А. М., Волчек А. Д. Комплект тепловизион-
ной аппаратуры КТА-1//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 97—100

7 31 Теппо Tracer Т 61 Проспект фирмы NEC San-ei Instr (Япония)

7 32 AGA Termovision 780 Проспект фирмы AGA (Швеция)

7 33 Домаренок Н. И., Мороз И. Г. Методы и устройства измерения темпе-
ратуры в тепловидении//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84»
Львов ЛПИ 1984 Т П С 31 33

7 34 Тепловизионная пирометрическая система / Ю Ч Гайдукевич, Н И До-
маренок, А П Достанко, В М Марченко/Электронная промышленность 1987
К» 3 С 59- 62

7 35 Многофункциональный сканирующий пирометр IR-N Проспект фир-
мы Chino (Япония)

7 36 Поскачей А. А., Чубаров Е. П., Коц Л. Б. Цифровые пирометры излу-
чения с перестраиваемой структурой//Тезисы докладов V Всес конф «Темпе-
ратура-84» Львов ЛПИ 1984 С 68

7 37 Коц Л. Б., Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Дискретное сканирующее
устройство с управляемым законом сканирования//Тепловидение М МИРЭА
1984 № 5 С 89 104

К главе 8

8 1 Lieneweg F. Fehler und Einflusse bei der optischcn temperaturmssung mit
Gesamtstrahenugs-Teilgs-strahlunge-und Farbpyrometren // Arch Eisenhuttenwessen
1964 В 35, N 12 S 1145-1150

8 2 Мармер Э. В., Гуревич О. С., Мальцева Л. Ф. Высокотемпературные
материалы М Металлургия, 1967

8 3 Зуев В. С. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфе-
ре М Советское радио, 1970

8 4 Поскачей А. А., Чарихов Л. А. Погрешности пирометров излучения и
некоторые пути их снижения//Методы и средства оптической пирометрии М
Наука 1983 С 72-78

8 5 Поскачей А. А., Русин С. П. Измерение температуры в электротерми-
ческих установках М Энергия, 1967

8 6 Поскачей А. А., Свенчанский А. Д. Пирометры излучения в установках
нагрева М Энергия, 1978

8 7 Стриганов А. Р., Свентицкий Н. С. Таблицы спектральных линий ней-
тральных и ионизированных газов М Атомиздат, 1966

8 8 Хадсон Р. Инфракрасные-системы М Мир, 1972

8 9 Киселева М. С., Непорент Б. С., Федорова Е. О. // Известия АН СССР
Физика атмосферы и океана 1967 № 6

8 10 Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники М
Машиностроение, 1967

8 11 Бусярин В. П-, Жуков А. Г. Влияние атмосферных условий на работу
тепловизора//Тепловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 29—38

8 12 Блох А. Г. Тепловое излучение в котельных установках М Энергия,
1967

8 13 Rudolph R. G. Dual Sensor Radiation Pyrometer United State Patent
№ 4 579461 Cl 374-9 1986
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие	3

Глава 1 Оптико-электронные методы измерения температуры	5

1 1 Классификация методов	5

1 2 Погрешности измерения температуры	12

Глава 2 Оптические и чувствительные элементы оптико-электронных си-
стем измерения температуры (ОЭСИТ)	15

2 1 Оптические материалы	15

2 2 Оптические системы ОЭСИТ	19

2 3 Расчет электрического сигнала на приемнике излучения	22

2 4 Модуляторы и дефлекторы оптического	излучения	29

2 5 Сканирующие приемники излучения	41

Глава 3 Энергетические оптико-электронные системы измерения темпера-
туры	51

3 1 Измерительные схемы ОЭСИТ использующие один участок
спектра	51

3 2 Температурная компенсация в ОЭСИТ с непосредственным изме-
рением сигнала на приемнике	54

3 3 Усиление сигнала в ОЭСИТ с непосредственным измерением

Линеаризация выходного сигнала	56

3 4 Описание некоторых вариантов энергетических	ОЭСИТ	63

Глава 4 Спектральные оптико-электронные системы измерения тем-
пературы	70

4 1 Классификация спектральных ОЭСИТ	70

4 2 ОЭСИТ с уравновешиванием по оптическому каналу	75

4 3 ОЭСИТ с предварительным преобразованием потоков эйергии в
трапецеидальные импульсы напряжения	77

4 4 ОЭСИТ с преобразованием отношения сигналов в изменение
фазы и частоты	91

4 5 ОЭСИТ при низком отношении сигнал/шум на приемнике
излучения	97

4 6 Описание некоторых вариантов ОЭСИТ, использующих два
участка спектра	105

Глава 5 Оптико-электронные системы измерения температуры, основан-
ные на использовании специальных алюритмов обработки cm налов,
пропорциональных потокам излучения	118

5 1 ОЭСИТ с использованием двух участков спектра	118

5 2 Основные принципы многоспектральной пирометрии	121

5 3 Измерение температуры по отношению возведенных в опреде-
ленную степень электрических сит налов, пропорциональных по-
токам излучения	124
8 14 Лутовннов В. М., Поскачей А. А., Сухарев В. И. Некоторые метроло-
гические характеристики тепловизоров при измерении температурных по-
лей//Тепловидение М МИРЭА 1982 № 2 С 60 88

К главе 9

9 1 Мартынюц-Лотоцкий П. Ю., Борис Я. В, Вида С. Г. Анализ погрешнос-
тей цифровых измерителей температуры//Тезисы докладов V Всес конф
«Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т II С 8 9

9 2 Засименко В. М., Самченко Г. П. Цифровые пирометры «Смотрич-4П»
и «Смотрич-5П» агрегатного комплекса АПИР-П // Приборы и системы
управления 1987 № 2 С 20—21

9 3 Гаврилюк М. А., Дудыкевич В. Б., Корыло О. Б. Микропроцессорная
система для обработки пирометрической информации//Тезисы докладов V
Всес конф «Температура-84» Львов ЛПИ 1984 Т II С 95 - 97

9 4 Марусенков А. В., Фуртак Б. Л. Алгоритм статистической обработки
выходных сигналов пирометров излучения / Тезисы докл дов V Всес конф
«Температура-84» Львов ЛПИ 1984 ТИС 28—29

9 5 Зубов В. Г., Мельник В. И., Хлюнев А. Л. Цифровой пирометр спект-
рального отношения на базе микропроцессора с расширенной сферой эффектив-
ного применения//Тезисы докладов V Всес конф «Температура-84» Львов
ЛПИ 1984 ТИС 140—144

К главе 10

10 1 Беленький А. А., Поскачей А. А., Рубинштейн Н. А. Контроль темпера-
туры слитков в системах управления станами горячей прокатки цветных
металлов // Исследование процессов литья и обработки цветных металлов М
Гипроцветметобработка 1976 Вып 49 С 37—43

10 2 О некоторых применениях тепловидения в механике сплошных
сред/Ю П Бородин, В М Лутовинов, А А Поскачей и др //Тепловидение
М МИРЭА 1982 № 4 С 87 91

10 3 Головкин М. А., Горбань В. П., Поскачей А. А. Использование инфра-
красных сканирующих оптико-электронных (тепловизионных) анализаторов
тепловых полей при исследовании аэродинамики летательных аппаратов//Теп-
ловидение М МИРЭА 1986 № 6 С 117—124

10 4 Stanley Р. Appraisal of a new infrared-based stress analysis technique
«Opt End», 1987 N 1 P 75 — 80

10 5 Использование сканирующего пирометра с перестраиваемой структу
рой для оптимизации конструкций и технологических процессов//Тезисы
докладов VI Всесоюзной конференции «Управление в механических системах»
Львов ЛГУ 1988

10 6 Вавилов В. Р. Тепловые методы контроля композиционных структур и
изделий радиоэлектроники М Радио и связь, 1984
5 4 ОЭСИТ спектрального и двойного спектрального отношения с
предварительной обработкой сигналов	127

5 5 ОЭСИТ, определяющие температуру по двум условным темпе-
ратурам	133

5 6 Формирование сигнала об из ту нательной способности объ-
екта	135

5 7 ОЭСИТ с предварительным формированием поправки путем
обработки по определенному алгоритму сигналов, пропорцио-
нальных потокам излучения	140

5 8 ОЭСИТ с формированием поправки при широких участках
спектра	147

5 9 Оптимизация характеристик ОЭСИТ спектра гьного отношения
со следящей системой	149

Глава 6 Полуавтоматические оптико-электрониые системы измерения
температуры	156

6 1 Варианты полуавтоматических	ОЭСИТ	156

6 2 Задатчики температуры для систем автоматического регулиро-
вания	158

Глава 7 Сканирующие оптико-электронные системы контроля и измере-
ния температурных полей	160

7 1 Основные параметры сканирующих ОЭСИТ	160

7 2 Принципы построения сканирующих ОЭСИТ	170

7 3 Описание некоторых вариантов сканирующих	ОЭСИТ	181

7 3 1 Тепловизоры	181

7 3 2 Сканирующие пирометры	191

Глава 8 Влияние промежуточной среды и оптических	помех	195

8 1 Влияние поглощения промежуточной среды	195

8 2 Влияние излучения частиц находящихся в промежуточной
среде, и пути его уменьшения	199

8 3 Влияние смотровых окон	202

8 4 Устройства для защиты смотровых окон от запыления	206

8 5 Влияние оптических помех	210

Глава 9 Цифровые ОЭСИТ	214

9 1 Общие вопросы применения ЦВМ в ОЭСИТ	214

9 2	Цифровые ОЭСИТ с перестраиваемой структурой	220

9 3 Цифровой преобразователь для датчиков пирометра «Спектро-
пир»	225

Глава	10 Примеиеиие ОЭСИТ	228

10 1	Общие рекомендации	228

10 2 Измерение температуры слитков в системах управления ста
нами горячей прокатки	тяжелых цветных металлов	230

10 3 Применение низкотемпературных сканирующих ОЭСИТ в ме-
ханике сплошных сред	233

Список	литературы	237
Производственное издание

Поскачей Андрей Алексеевич

Чубаров Евгений Петрович

ОПТИКО ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ

Редактор Б. В Ошейник

Редактор издательства 3 И Михеева
Художник переплета Т Ю Хрычева
Художественный редактор Т А Дворецкова
Технический редактор Т Ю Андреева
Корректор Р К Шилова

ИБ № 1559

Слано в набор 06 06 88 Подписано в печать 12 09 88 Т-18705 Формат 60х881'16
Бумага офсетная 2 Гарнитура Таймс Печать офсетная Усл печ л 15,19 Усл
кр отт 15,19 Уч-изд л 1706 Тираж 11 500 экз Заказ 3219 Цена 1р 20 к

Энергоагомиздат 113114 Москва М-114 Шлюзовая лаб, 10

Ордена Октябрьской Рево поции и ордена Трудового Красного Знамени МПО
«Первая Образцовая типография имени А А Жданова» Союзполиграфпрома при
Госкомиздате СССР 113054 Москва Валовая, 28