Термоэлектрический датчик лазерного излучения

 

О П И С А Н И Е >713232

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дсполнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 17.01.77 (21) 2442523, 18-25 (51) Ч.Кл.- б 01 J 5/18 с прпсоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 23.05.82. Бюллетень № 19 (45) Дата опубликования описания 23.05.82

3Ьсударственный комитет

СССР ао делам изобретений и открытий (53) УДК 536.52 (088.8) (72) Автор изобретения

В. С. Соллогуб (71) Заявитель (54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области проектирования калориметрических датчиков оптического диапазона. Известны термоэлектрические калориметрические датчики, в которых приемник излучения связан с большим числом последовательно соединенных термопар, подключенных к индикаторному прибору (1 и 2).

Такие датчики не могут использоваться для измерения больших оптических мощностей (порядка сотен ватт и выше), так как в них не обеспечивается необходимый теплоотвод, кроме того, эти датчики недостаточно надежны н стабильны B работе.

Значительно лучшим теплоотводом, надежностью и стабильностью обладают одиночные термоэлектрические датчики монолитной конструкции.

Такой одиночный датчик представляет собой трехслойную металлическую пластину, составленную из металлов, образу1ощих между собой термоэдс, например медь — константан — медь. К наружным

1 меднь|м) слоям пластины подключен IIIIлпкаторный прибор. Подключение осуществ.тено в одной из точек каждого слоя (3).

Датчик работает следующим образом.

На один из наружных (медных) слоев пластины подается измеряемый тепловой поток, создаваемый в данном случае действием лазерного излучения, а с противоположной стороны трехслойной пластины

5 осуществлен теплоотвод, например, за счет охлаждения водой.

При протекании теплового потока на среднем (константановом) слое пластины образуется разность температур, приводя1о щая к возникновению термоэдс, пропорциональной тепловому потоку. Термоэдс измеряется индикаторным прибором.

Существенным недостатком известных однночных термоэлектрических датчиков

15 является заг;нснмость показаний индикаторного прибора от поверхностного распределения генloBoii мощности, приводящая к снижению точности пзмеренпя.

Прн сосргдо-,очсннн тепловой мощности

20 вблизи от точки подсоединения индикаторного прибора его показание получается суiiIeclacIII:o бо.-.ьшнм, чем прн сосредоточсннн тсплогой мощности в других точках датчика.

Целью изобретения является повышение точности измерения, увеличение диаметра входного зрачка» расширение диапазона измеряемых мощностей.

Цель достигается за счет введения в конструкцию датчика усредняющей метаl713232 лнческой втулки, медного кольца и делителя напряжения, причем медное кольцо связано через втулку с краем переднего слоя пластины, а делитель напря>кения установлен между кольцом н серединой иереднего слоя пластины, а средняя точка делителя связана со вторым зажимом индикаторного прибора.

Датчик (фиг. 1) содержит круглую трехслойную пластину с константановым средним слоем 1 и с двумя медными слоями 2 и 3. Передний слой 1 имеет рефления, покрытые чернью, поглощающие излучение, а задний слой 3 охвачен водяной рубашкой 4, обеспечивающей отвод тепла.

Отрицательный зажим индикаторного прибора 5 соединен с задним медным слоем 3.

Делитель напряжения может быть изготовлен из манганиновой проволоки, а тонкостенная втулка — из меди манганина пли нержавеющей стали.

Датчик работает следующим ооразом.

При поглощении измеряемого излучения передним слоем трехслойной пластины возникает поток тепла через константановый слой, вызывающий перепад температур между его границами. Это приводит к возникновению термоэдс измеряемой индикаторным прибором 5. Совокупность медного кольца 6 и тонкостенной втулки 7 выполняет роль усредняющего устройства, обеспечива«ицего независимость показаний or смешения лазерного пучка по азимуту. Независимость же показаний от радиального смещения лазерного пучка обеспечивается за счет выбора положения средней точки делителя 8 напря>кения. Например, при смещении средней точки делителя к центру пластины увеличивается относительная величина Ifo. азаний, соответствующих центральному

" положению лазерного пучка. При смешении

>ке средней точкн делителя к кольцу 6 увеличивается относительная величина показаний, coответствующпх перефернйному положен . :-.. лазерного пучка.

Остающаяся расчетная неравномерность показаний при оптимальном выборе средней точки, делителя показана на фиг. 2 как функция от геометрического

Г R". параметра Р = — „ при различных от-! ) ношениях Р R2.

Подставляя размеры для опытного образца датчика RI — — 4 мм R2 — — 40 мм

/2 —— 4 мм /22=3 мм получаем Р=11,5, откуда по кривым фиг. 2 находим т =4%. Неравномерность показаний получается по крайней мере на порядок ниже, чем в известных одиночных датчиках теплового потока при тех же геометрических размерах трехслойной пластины. Остальные параметры предлагаемого теромэлектрического датчпка могут быть рассчитаны по формулам: диаметр входного зрачка

D =2R.; коэффициент преобразования

"=h2

/> 2j

2 2

l0 постоянная времени (3) максимальная величина измеряемой мощ ности

_#_,„- -. —.R.,2 - Т„, J

20 в которых R,, R2„hI, h — геометрические размеры, указанные на фиг. 1;

7 =8,9 г/см, C,=0,38 Дж/г град, ). — — 3,85

Вт/см . град — плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности меди, соответственно; 12=0,22 вт/см. град— коэффициент теплопроводности константана; в=40 !О в град — удельная термоэдс термопары медь константан; ХТ,, нрсдель«о допустимый перепад температуры на слое константана.

Подставляя приведенные цифровые данные и нолагая ЛТ,= 150, получаем из выражений (1 — 4) следующие значения параметров: D=80 мм; y= !.08 мв/квт; т=- 1,84 с; 1Г„,=5,5 квт.

Формула изобретения

1 срмоэлектрический датчик лазерного излучения, содержащий круглую трехслойную пластину, у которой передний слой выполнен из меди и имеет рифления, поглощаюнц1е излучение, задний слой, выполненный также из меди, охвачен водяIIoI; рубашкой, обеспечивающей отвод тепла, а промежуточный слой выполнен из материала, образующего термопару с

50 медью, а также индикаторный электрический прибор, один из зажимов которого подключен к заднему медному слою, о тл н ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, увеличения ди аметра входного зрачка и расширения диапазона измеряемых мощностей, он содержит усредняющую металлическую втулку, медное кольцо и делитель напряжения, причем медное кольцо связано через втул6О ку с краем переднего слоя пластины, а делитель н апряжения установлен между кольцом и серединой переднего слоя пластины, а средняя точка делителя связана со вторым зажимом индикаторного электрического прибора.

713232

Teng

Флуиюин

Вг. Р Составитсль В. Воробьев

Р дактор Н. Багирова Текред И, Пенчко Корректор И. Осиновская

Заказ 450/419 Пзд, № 148 Тираж 883 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тнп. Харьк. фил. пред. «Патент»

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Труды метрологических институтов

СССР (ВНИИФТРИ). М., 1967, вып. 90/150, с. 23 — 26.

2. Измерительная техника, ¹ 11, 1969. с. 13 — 16.

3. Геращенко О. А. Основы тепломет5 рии. Киев, «Наукова думка», 1971,