Способ измерения температуры

Изобретение относится к технической физике в части создания способов бесконтактного измерения температуры объекта по его тепловому излучению. Заявлен способ измерения температуры, в котором в автономный источник теплового излучения вставляется фрагмент излучающей поверхности из того же материала, что и контролируемая поверхность. Температура контролируемой поверхности измеряется по тепловой радиации. Регистрируют тепловую радиацию от контролируемой поверхности и от автономного источника теплового излучения поочередно, изменяя температуру идентичной поверхности автономного источника теплового излучения. Добиваются равенства нулю переменной составляющей на выходе индикатора радиации и отождествляют, температуру контролируемой поверхности с температурой идентичной поверхности автономного источника теплового излучения. Технический результат: повышение точности измерения температуры контролируемого объекта. 2 ил.

 

Изобретение относится к технической физике в части создания способов бесконтактного измерения температуры поверхностей по их тепловому излучению при помощи пирометрических средств путем регистрации теплового излучения.

Известен способ бесконтактного измерения температуры объекта [патент РФ 2087880, G01J 5/06, 20.08.97 г.], включающий два последовательных цикла операций, в каждом из которых предварительно нагревают корпус радиационного пирометра до фиксированной температуры, соответственно T₁ и Т₂, после чего на чувствительный элемент пирометра через его входное окно направляют поток излучения от исследуемого объекта, имеющего искомую температуру Т, измеряют выходной сигнал термобатареи пирометра и судят об искомой температуре объекта с учетом измеренных в обоих циклах значений, в каждом из указанных циклов при измерении выходного сигнала пирометра добиваются равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно P₁ и Р₂ на чувствительный элемент пирометра, после чего перекрывают поток излучения от объекта и вновь измеряют выходной сигнал пирометра, добиваясь равенства этого сигнала нулю путем подачи мощности соответственно Р₁₀ и Р₂₀ на чувствительный элемент пирометра, а температуру объекта определяют решением системы из двух уравнений, полученных по результатам двух циклов измерений по зависимости

В известном способе при нахождении искомой температуры коэффициент ε (полный коэффициент излучения исследуемого объекта) исключается при решении уравнений и не влияет на точность измерения температуры.

Однако недостатком этого способа является то, что для его реализации необходимо последовательно дважды нагревать корпус пирометра до фиксированных температур, соответственно T₁ и Т₂, и подавать на чувствительный элемент пирометра мощности P₁, Р₂, P₁₀, Р₂₀, что значительно снижает быстродействие процесса измерения, увеличивает потребляемую прибором мощность и усложняет конструктивное исполнение прибора.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [авт.св. СССР №219249, G01k, 30.05.1968], согласно которому измеряют температуру путем регистрации тепловой радиации от контролируемой поверхности, при этом на контролируемую поверхность периодически направляют струю газообразного теплоносителя, регулируют температуру струи и при равенстве нулю переменной составляющей на выходе индикатора радиации отождествляют температуру контролируемой поверхности с температурой струи. По показанию измерителя температуры, датчик которого расположен непосредственно в струе теплоносителя, судят о температуре поверхности.

В этом способе при измерении температуры поверхности влияние коэффициента ε исключается за счет того, что чувствительный элемент пирометра используется как нуль-индикатор радиации периодически регистрируемой либо от контролируемой поверхности без струи, либо со струей теплоносителя с регулируемой температурой. При равенстве этих излучений на выходе индикатора радиации переменная составляющая будет равна нулю, а температура контролируемой поверхности может быть отождествлена с температурой струи теплоносителя.

Недостатками способа являются: функциональная сложность реализации, связанная с созданием струи теплоносителя с регулируемой температурой и ее юстировкой в поле зрения индикатора радиационной температуры; появление погрешности измерений, вызванной пространственным разнесением контролируемой поверхности и датчика температуры в струе, что обуславливает температурные градиенты между местом установки датчика температуры в струе и местом соприкосновения струи с контролируемой поверхностью; ограниченные возможности применения, так как для ряда условий контроля температуры поверхностей подача струи теплоносителя на поверхность измерения исключена, например, при измерениях температуры в установках вакуумного, магнитронного или ионно-плазменного напыления материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение измерения, повышение точности и- расширение возможностей применения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения температуры, по которому регистрируют тепловую радиацию от контролируемой поверхности, согласно изобретению дополнительно регистрируют тепловую радиацию от автономного источника теплового излучения с поверхностью излучения, идентичной контролируемой, с одинаковым коэффициентом черноты ε, измерение тепловой радиации от контролируемой поверхности и от автономного источника теплового излучения производят поочередно, изменяя температуру идентичной поверхности автономного источника теплового излучения, добиваются равенства нулю переменной составляющей на выходе индикатора радиации и отождествляют температуру контролируемой поверхности с температурой идентичной поверхности автономного источника теплового излучения.

Примеры реализации способа.

Способ измерения температуры реализуется в следующей последовательности. В автономный источник теплового излучения вставляется фрагмент излучающей поверхности из того же материала, что и контролируемая поверхность, температура которой измеряется по тепловой радиации. Затем периодически, поочередно, пирометром регистрируется тепловое излучение от автономного источника и от контролируемой поверхности, при этом возникающий на выходе индикатора радиации переменный ток, подаваемый через усилитель мощности на нагревательный элемент автономного источника теплового излучения, будет присутствовать до тех пор, пока лучистые потоки от контролируемой поверхности и от автономного источника теплового излучения не уравняются. Считывание измеряемой температуры производится контактным термометром, измеряющим температуру поверхности автономного источника теплового излучения после установления его показаний.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа;

- на фиг.2 - конструкция дополнительного автономного источника теплового излучения.

Устройство содержит источник излучения (контролируемую поверхность) 1, объектив 2, диафрагму 3 модулятора 4 с отверстиями 5 и 6, приемник излучения 7, дополнительный автономный источник теплового излучения 8 с заменяемым фрагментом поверхности излучения, идентичной контролируемой поверхности 9, усилитель 10, термометр 11.

Дополнительный автономный источник теплового излучения 8 содержит теплопроводящий корпус нагревательного элемента 12, нагревательный элемент 13, заменяемый фрагмент поверхности излучения, идентичный контролируемой поверхности 9, контактный термометр 14 (например, термопара), бленду 15, исключающую переотражение.

Устройство работает следующим образом. Изображение источника излучения (контролируемой поверхности) 1 с помощью объектива 2 создается в плоскости отверстия 5 диафрагмы 3 модулятора 4, расположенной перед приемником излучения 7, на приемник излучения 7 через дополнительное отверстие 6 диафрагмы 3 направлен поток, исходящий также от дополнительного автономного источника теплового излучения 8 с поверхностью 9, идентичной контролируемой поверхности. Диафрагма 3 модулятора 4 поочередно перекрывает эти потоки, в результате чего на приемник излучения 7 поочередно поступает то поток излучения Ф₁ от источника излучения (контролируемой поверхности) 1, то поток излучения Ф₂ от автономного источника теплового излучения 8 с поверхностью 9, идентичной контролируемой поверхности. В результате, при неравенстве этих потоков в цепи приемника излучения 7 возникает переменная составляющая фототока, амплитуда которой будет пропорциональна разности облучений приемника излучения обоими источниками излучения. Переменная составляющая фототока интенсифицируется усилителем 10, к выходу которого подключен автономный источник теплового излучения 8 с заменяемыми образцами фрагментов поверхностей излучения 9, идентичных контролируемой поверхности. Таким образом, в цепи нагревательного элемента автономного источника теплового излучения 8 ток, а следовательно и температура излучающей поверхности 9, меняется до тех пор, пока на фотоэлементе не уравняются потоки Ф₁ от контролируемой поверхности 1 и Ф₂ от излучающей поверхности 9 автономного источника теплового излучения 8 и пока переменная составляющая фототока вследствие этого не обратится в ноль. В соответствии с законом Стефана-Больцмана потоки Ф₁ и Ф₂ определяются зависимостями (1) и (1*).

где T₁ - температура излучающей контролируемой поверхности 1, К; σ - постоянная Стефана-Больцмана, (5,6697±0,0029)·10^-12 Вт/(м²·К⁴); ε₁ - коэффициент черноты нагретой контролируемой поверхности 1; А - геометрический параметр визируемой площади нагретой поверхности, м².

где Т₂ - температура излучающей поверхности 9 дополнительного автономного источника теплового излучения 8, К; ε₂ - коэффициент черноты излучающей поверхности 9 дополнительного автономного источника теплового излучения 8.

При этом, так как поверхность излучения контролируемой поверхности 1 и излучающая поверхность 9 дополнительного автономного источника теплового излучения 8 идентичны, то и коэффициенты черноты ε₁ и ε₂ равны. В этом случае при равенстве потоков Ф₁ и Ф₂

,

Таким образом, температура излучающей контролируемой поверхности 1 однозначно равняется температуре заменяемого образца фрагмента излучающей поверхности излучения 9 дополнительного автономного источника теплового излучения 8. Измерение температуры заменяемого образца фрагмента излучающей поверхности излучения 9 дополнительного автономного источника теплового излучения 8 производится контактным термометром 11.

Таким образом, в предлагаемом способе измерения температуры упрощение измерения достигается отсутствием сложных технических решений по созданию струи теплоносителя с регулируемой температурой и ее юстировкой в поле зрения индикатора радиационной температуры, повышение точности за счет устранения температурных градиентов между датчиком температуры и излучающей поверхностью и расширение возможностей применения за счет отсутствия физического воздействия на объект контроля.

Способ измерения температуры, по которому регистрируют тепловую радиацию от контролируемой поверхности, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют тепловую радиацию от автономного источника теплового излучения с поверхностью излучения, идентичной контролируемой, с одинаковым коэффициентом черноты ε, измерение тепловой радиации от контролируемой поверхности и от автономного источника теплового излучения производят поочередно, изменяя температуру идентичной поверхности автономного источника теплового излучения, добиваются равенства нулю переменной составляющей на выходе индикатора радиации и отождествляют температуру контролируемой поверхности с температурой идентичной поверхности автономного источника теплового излучения.