Устройство для измерения температуры

 

О П И С А Н И Е 287363

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Кл. 42i, 10/04

Заявлено 12.Ч111.1969 (№ 1355701/18-10) с присоединение,м заявки ¹

ЧПК G Olk 11/14

УДК 586.5.082.56(088.8) Приоритет

Опубликовано 19.Х1.1970. Бюллетень ¹ 35

Дата опубликования описания 21.1.1971

Комитет по делам изобретений н открытий, при Совете Министров

СССР

Авторы изобретения

М. М. Чернякова и Ю. P. Войцехов

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Устройство для измерения температуры огносится к области теплофизических измерений, а именно к устройствам для измерения температур по изменению окраски измерительного элемента. Оно может быть применено во всех случаях, когда необходимо непрерывное измерение температуры, например, в газовых и жидкостных средах, в узла.; и устройствах радиоэлектронной аппаратуры, для измерения температуры деталей в полях

СВЧ, либо деталей, находящихся под высоким напряжением и т. д.

Известен ряд устройств для измерения температуры по .изменению окраски измеритель.ного элемента (термоиндикаторы, поверхност но-градиентные покрытия, устройства на основе дисперсионных фильтров типа Христиансена и т. д.)

Недостатками известных устройств являются относительно низкая светосила измерительного элемента, относительно высокая и нерционность измерительного элемента и невысокая точность измерения.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения температуры и увеличение светосилы измерительного элемента.

Это достигается тем, что измерительный элемент описываемого устройства выполнен в виде двух прозрачных прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями, между которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем преломления, завпсящпм от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось светового потока наклонена к плоскости входной грани призмы под предельным углом полного внутреннего отражечия.

10 Предлагаемое устройство показано на чертеже, где 1 — источник белого света, 2 — прозрачные прямоугольные,призмы, пространство между которыми заполнено веществом 3, 4 — интерференцяонный клиновидный фильтр.

15 Призмы измерительного элемента изготовлены из какого-либо прозрачного твердого материала, например стекла, кристалла, полимера. В качестве вещества 3 может быть выбрана любая органическая либо неоргани20 ческая жидкость, показатель преломления которой зависит от длины волны и температуры.

Вместо жидкости также может быть,испольэовали слой прозрачного полимерного материала а тт т. д.

На измерительный элемент от источника 1 света падает коллинеарный пучок белого света под таким углом, чтобы,на границу призма —,вещество 8 он падал под углом, близЗ0 ким к углу Брюстера.

287363

Принцип действия измерительного элемента предлагаемого устройства основан на явлении полного внутреннего отражения, Если выбрать эти вещества (например, стекло+

+жидкость) так, чтобы кривые дисперсии их

n> — — ср1(7) и п2 — — ср (7) пересекались для некоторой длины волны спектра белого света, то на гра нице призма — вещество 8 полное внутреннее отражение возможно лишь для той части спектра, для которой показатель преломления стекла больше, чем .показатель преломления жидкости, т. е. там, где кривая дисперсии жидкости лежит, ниже кривой дисперсии .стекла, например в длинноволновой части спектра при условии, что свет падает со сторо|ны стекла в жидкость. Если при этом угол падения светового пучка выбран так, чтобы sin ср= при температуре t С, го л2 (7,) о п1 (7 ) вся часть спектра, для которой 7.)7 >, испытывает полное внутреннее отражение при этой темпер атуре.

Поскольку температурный коэффициент показателя преломления жидкости отрицательный и более чем на два порядка больше, чем у стекла, то при изменении, предположим, понижении температуры, кривая дисперсии жидкости поднимается, оставаясь практически параллельной самой себе, в то время, как кривая дисперсии стекла не изменит своего положения. В этом случае при сохранении прежнего угла падения граница, полного внутреннего отражения сместится в сторону коротких длин волн и уже большая часть спектра (7(7i>) не пройдет через измерительный элемент:при температуре t2 Ñ.

Угол падения светового пучка на границу стекло — жидкость следует, выбирать близким к 90, поскольку при этом повышается чувствительность измерительного устройства. и, (7,)

Действительно, при этом отношение п,,(7.) соответствующее границе полного, внутреннего отражения, оказывается близким к единице, и волновая граница полного внутреннего отражения располагается неподалеку от длины волны, для которой наблюдается совпадение показателей преломления стекла и жидкости и которой соответствует максимальная интенси вность проходящего сквозь измерительный элемент света (отсутствует, отражение íà границе стекло — жидкость).

Это приводит к повышению контрастности границы .полного внутреннего отражения (свет †темно), т. е. к возрастанию чувствительности устройства. Однако выбор угла падения светового пучка |на границу стекло— жидкость близким к 90 при плоскопараллельной форме пластин приводит к тому, что угол падения светового .пучка на измерительный элемент также, должен быть близким к

90. Это обстоятельство приводит к росту коэффициента, отображения светового пучка or границы .воздух — стекло (при изменении угла падания от 0 до 90 коэффициент отражения

1О

15 го

Зо

60 изменяется от О,до 1), и светосила измерительного элемента уменьшается. Выбор пластин в форме прямоугольHbIx призм, сложенных наклонными гранями, между которыми находится слой жидкости, при соответствующем выборе острого угла призмы позволяет одновременно получить угол падения све сового пучка на границу стекло — жидкосгь, близкий к 90, и угол падения светового пучка на границу воздух — стекло, близкий к 0 .

Такой измерительный элемент характеризуется одновременно высокой чувствительностью и большой светосилой.

Измерение температ) ры с помощью вышеописанного измерительного элемента производится визуально по изменению его цвета or более краоного до более фиолетового при понижении температуры либо, например, с помощью интерференционного клиновидного светофильтра 4, расположенного за измерительным элементом и на который падает свет, прошедший сквозь измерительный элемент при данной температуре.

Освещенной части интерференционного клиновид ного фильтра соответствует часть спектра белого света, прошедшего сквозь измери1ельный элемент при данной температуре, затемненной части — часть спектра, испытывающая полное внутреннее отражение. При понижении температуры граница освещенности смещается в сторону коротких длин волн и при предварительной градуировке фильтра в значениях температуры служит указателем при отсчете температуры.

Аналогичный измерительный элемент может быть построен и на основе веществ (твердого,и жидкого), кривые дисперсии которых не пересекаются.

Таким образом оказывается, что:

1) световой пучок дважды пересекает границу стекло — жидкость, проходя сквозь измерительный элемент предлагаемого устройства, в отличие от устройств с дисперсионными фильтрами типа Христиансена, в котором на пути основного луча в измерительном элементе оказывается большое количество аналогичных границ. В связи с этим светосила измерительного элемента предлагаемого устройства больше, что позволяет работать с источниками света меньшей мощности.

2) Если при измерении температуры в жид.костных потоках в качестве жидкой компоненты измеритель ного элемента использовать эту жидкость, протекающую в промежутке между двумя, например, стеклянными призмами, то, поскольку темлературозависимой компонентой является жидкая компонента, с помощью предлагаемого устройства можно аб солютно безынерционно измерять температуру протекающей жидкости.

3) Погрешность измерения предлагаемого устройства для измерения температуры определяется, в основном, спектральнои ширннои границы полного внутреннего отражения, и при высокой коллинеарности светового пучка

287363

Составитель Дубсон

Редактор С. И. Хейфиц Техред Л. Я. Левина Корректор А. П. Васильева

Заказ 3895/12 Тираж 480 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4(5

Типография, пр. Сапунова. 2 мо?кет быть сделано гораздо меньше погрешности измерения устройства с дисперсионными светофильтрами, определяемой, в основном, шири ной полосы,пропускания измерительного элемента.

Предмет изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее измерительный элемент, устaíîâленный в контролируемой среде, и источник белого света с диафрагмой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и увеличения светосилы устройства, измерительный элемент выполнен

B виде двух прозрачнык прямоугольных прпзх1, сложенных наклоннымп Граняхп1, ме?к5 ду которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем преломления. зависящим от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось свето10 вого потока наклонена ?к плоскости входной грани призмы под предельным углом полного внутреннего отражения.