Способ измерения температуры поверхности нагретого тела

 

Сущность изобретения: разделенное в пространстве излучение тела одновременно регистрируют в двух зонах спектра. Мощность излучения в коротковолновой зоне масштабируют и суммируют электрические сигналы, полученные при преобразовании мощностей излучения в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра. 3 ил.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5115 G 01 J 5/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ п Л Ркв Ккв = А Рде Кде, (21) 4955523/25 (22) 28.06.91 (46) 30.07.93. Бюл. М 28 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности (72) А.М.Дубиновский, В.М.Козин, 6,Н.Олейник и В.Л.Частый (73) Санкт-Петербургский технологический институт холодильной промышленности (56) Авторское свидетельство СССР

hL 224856, кл. G 01 J 5/20, 1968.

Авторское свидетельство СССР

М 152100, кл. 6 01 J 5/20, 1962.

Авторское свидетельство СССР

M 136934, кл. 6 01 J 5/20. 1961.

Изобретение относится к области физических исследований, в частности к пирометрическим методам измерения температуры поверхности нагретого тела, например при измерении теплофизических свойств неэлектропроводных материалов при средних и высоких температурах.

Целью предлагаемого способа является обеспечение воэможности одновременного измерения средней температуры и высокочастотных пульсаций малой амплитуды с минимальными фазовыми запаздываниями и повышение чувствительности и точности измерения укаэанных параметров.

Поставленная цель достигается тем, что согласно известному способу измерения температур излучение нагретого тела разделяют в пространстве на два потока и преобразуют их мощности при прохождении через измерительное устройство в электрические сигналы, в соответствии с изобретением разделенное в пространстве излучение принимают одновременно в двух

ÄÄ5UÄÄ 1831666 АЗ (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕТОГО ТЕЛА (57) Сущность изобретения: разделенное в пространстве излучение тела одновременно регистрируют в двух зонах спектра, Мощность излучения в коротковолновой зоне масштабируют и суммируют электрические сигналы, полученные при преобразовании мощностей излучения в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра. 3 ил. зонах спектра, длинноволновой и коротковолновой, ширину которых определяют из соотношений

ЛЛкв 3 Лтаах ЛЛде 3 Л т п

ОО

6д

О () где ЛЛ ке, ЛЛ дв — ширина коротковолновой и длинноволновой эон;

max — max

Лтвах dmin длины волн, соответствующие максимумам иэотермических кривых спектральной интенсивности для температуры тела Tmax u dmin соответственно, причем мощность излучения в коротковолновой зоне масштабируют в m раз, так, чтобы где Л Рке. Л Рде — изменение мощно -.ти излучения, связанное с изменением темпе

1831666 ратуры Л Т в коротковолновой и длинноволновой зонах соответственно:

К, Кдв — коэффициенты преобразования мощности излучения в электрический сигнал, соответственно в коротковолновой и длинноволновой зонах, а электрические сигналы, полученные при преобразовании мощностей излучения, воспринимаемого в обеих зонах, суммируют.

Сущность заявляемого способа заклю- 10 чается в следующем, Спектр излучения нагретого тела описывается иэотермической кривой, имеющей четко выраженный максимум, положение которого зависит от температуры излучающей поверхности, С ростом температуры происходит смещение максимума в область коротких волн и увеличение спектральной излучательной способности r y т по всему спектру. Узкополосные (селективные) при- 20 емники излучения выбирают таким образом, чтобы спектральная характеристика чувствительности одного из них находилась в коротковолновой области изотермической кривой, соответствующей температуре Тв» (максимальной измеряемой температуре), а спектральная характеристика другого — коротковолновой области изотермической. кривой, соответствующей температуре Tm n (минимальная измеряемая температура). 30

При температуре поверхности Tmin излучение объекта воспринимается одним длинноволновым приемником, При температуре

Т » излучение поверхности будет восприниматься только коротковолновым прием- 35 ником. При температурах тела, располагающихся между Tmin u Tm» излучение объекта воспринимается одновременно обоими приемниками. Необходимо отметить, что при нагреве тела всегда один из 40 приемников будет работать на левой части изотермической кривой, что обеспечивает максимальную чувствительность измерений, т.к. изменение мощности излучения от температуры (градиент) для левой части изо- 45 термической кривой составляет Л P/ ЛТ=

=8 — 12, в то время как для правой части — Л P /

/ ЛТ = 2 — 3. а во всем диапазоне длин волн

Л Р/ Л Т -- 4. Масштабирование мощности излучения позволяет при низких температу- 50 рах, когда работает только длинноволновый приемник излучения, обеспечить их минимальную погрешность преобразования, за счет получения этим приемником большей части излучения. Кроме этого, поскольку ре- 55 зультат измерения находится как сумма выходных сигналов каждого из приемников излучения, погрешность его может быть найдена по формуле что также позволяет повысить точность измерения (например, при о l = о и, в предлагаемом способе получим o = 1,4 o а в прототипе — а = 2 о ).

Таким образом, прием разделенного в пространстве излучения поверхности нагретого тела одновременно в двух зонах спектра, имеющих определенную заданную ширину, при условии масштабирования мощности излучения в коротковолновой зоне спектра с последующим суммированием электрических сигналов, полученных при преобразовании излучения, воспринимаемого в обеих зонах, позволяет обеспечить работу измерительного устройства, независимо от измеряемой температуры, на наиболее крутой части изотермической кривой, без каких-либо изменений и переключений как в оптической, так и в преобразовательной части измерительного устройства, что в итоге дает возможность одновременного измерения как малых высокочастотных пульсаций температуры Л Т относительно ее среднего значения Т, так и самой этой температуры Т, повысить чувствительность и точность измерения указанных параметров и обеспечить линейную зависимость выходного сигнала от измеряемой температуры.

На фиг,1 представлены изотермические кривые, соответствующие температурам излучающей поверхности Т вЂ” кривая 1, Тт» — кривая 2, Tmin < Тср < Tm» — кривая 3, а также спектральные характеристики чувствительности для длинноволнового — кривая

4 и коротковолнового приемников излучения — кривая 5.

На фиг.2 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения температуры поверхности нагретого тела и пульсаций этой температуры в диапазоне ее изменения от 350 К до

2300 К.

На фиг.3 представлены зависимости выходного напряжения фоторезистора (длинноволновый приемник) — кривая 1, фотодиода (коротковолновый приемник) — кривая 2 и сумматора — кривая 3. Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения температуры объекта 1, состоит из объектива 2, светоделительной пластины 3, приемника длинноволнового излучения 4, приемника коротковолнового излучения 5, сумматора электрических сигналов 6 и регистрирующего прибора 7.

Способ осуществляется следующим образом. Оптическое излучение с некоторой

1831666

30

40

50

ЛМз < A. T,ð

3 малой зоны нагретого тела 1 (см. фиг.2) собирается (фокусируется) объективом 2. Проходя через светоделительную пластину 3, имеющую коэффициент светоделения m =

=1/К, где К > 1, излучение разделяется и масштабируется таким образом, что на приемник длинноволнового излучения 4, в качестве которого используют, например, фотореэистор на основе PbS или PbSe, попадает большая часть излучения, а на приемник коротковолнового излучения 5, в качестве которого используют,. например, фотодиод на основе Ge, меньшая часть.

Сигналы с обоих приемников излучения 4 и

5 поступают на сумматор 6 и результирующий сигнал подается на регистрирующий прибор 7. Линейность выходного сигнала от измеряемой температуры обеспечивается следующим образом. На начальном участке температур (ориентировочно до 600-700 К) излучение воспринимается только фоторезистором 4, имеющим в этой области практически линейную зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры.

При дальнейшем повышении температуры, в связи с существенным возрастанием потока излучения на входе фоторезистора, он переходит в режим насыщения и его сигнал практически не изменяется с ростом температуры (кривая 1 на фиг.3). Однако при достижении температурной поверхности уровня 600 — 700 К коротковолновый фронт изотермической кривой достигает области спектральной чувствительности фотодиода и на его выходе появляется напряжение, пропорциональное величине потока излучения (кривая 2 на фиг.3). Напряжение с выходов обоих приемников поступает на сумматор. Благодаря тому, что формы кривых различны(кривая 1 — выпуклая, а кривая

2 — вогнутая),.суммарное напряжение характеризуется почти линейной зависимостью (кривая 3 на фиг.3).

Возможно построить систему для реализации способа на принципе деления потока излучения поверхности нагретого тела на п-потоков, каждый иэ которых воспринимается своим узкополосным приемником.

При этом, например, для и = 3, спектральная характеристика третьего приемника располагается на левом фронте изотермической кривой для температуры тела Тср и имеет ширину. определяемую из соотношения где Тср = (Тп1®, + Tm;Ä)/2

Расчеты и эксперименты показали. что в диапазоне температур 350-2300 К Ори использовании двух приемникОВ излучения можно достигнуть линейности выходной характеристики с отклонением не более 2030;ь, Использование предлагаемогО способа измерения температуры поверхности нагретого тела и пульсаций этой температуры обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества; отсутствие каких-либо изменений и переключений в оптической и преобразовательной частях измерительного устройства, обработка полного потока излучения (суммирование разделенных потоков), работа на наиболее крутой части изотермической кривой. что позволяет обеспечить наибольшую чувствительность измерительного устройства во всем заданном интервале температур и повысить точность измерения температуры поверхности до 3-57(, и малых пульсаций температуры около ее среднего значения до

10 при одновременном измерении этих величин.

Формула изобретения

Способ измерения температуры поверхности нагретого тела, включающий пространственное разделение излучения тела на два потока, выделение в потоках двух зон спектра, одновременную фотоэлектрическую регистрацию мощности потоков и преобразование их в электрические сигналы. по которым судят об измеряемом параметре, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности одновременного измерения температуры и ее высокочастотных пульсаций в широком интервале температур при повышении чувствительности и точности измерений, ширину эон спектра выбирают по соотношению где Т м; Tmi> — соответственно максимальная и минимальная измеряемые температуры;.

max - max

А Tmax, dmin — ДЛИНЫ ВОЛН, COOTветствующие максимумам спектральногО распределения излучения при Т и Т ь:

ЛА <>, ЛХ д — соответственно ширина коротковолновой и длинноволновой зон спектра; измеряют в m раз мощность излучения я коротковолновой зоне, исходя из условия

m ЛР 9 K s ЛРд, Кд, 1831666

Фиг. 2 где Л Р р, Л Рдр соответственно изменение мощности излучения, связанного с изменением температуры в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра;

К 8, Кд — соответственно коэффициен- 5 ты преобразования мощности излучения в. электрический сигнал в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра, и суммируют электрические сигналы, полученные при преобразовании мощности излучения в обеих зонах спектра, 1831666 600 7 Д/

100

800

2OD

Составитель А.Дубиновский

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2549 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5