Способ измерения температуры поверхности нагретого тела

( 9) 115 0 01 ) 5/2 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТ 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 двух2 1 рах - 3 ф"вах 2 1 вах3 где ЬА хв, ЛЛ дв - шир вой и длинноволновой эоАТвах АТвЬ ответствующие максим ских кривых спектральн для температуры тела Тв венно,причем мощность излуче новой зоне масштабирую б ина коротковолно. н; - длины волн, соумам иэотермичеой интенсивностиах и Тав соответстния в коротковол т в в раз, так, что Ккв = Л Рдв 1 ощности ем темпе(46) 30.07.93. Бюл. М (71) Ленинградский т тут холодильной про (72) А.М.Дубино Б,Н.Олейник и В.Л.Ч (73) Санкт-Петербур институт холодильно (56) Авторское сеиде ЬЬ 224856, кл. 6 01,3Авторское свиде % 152100, кл. 6 01 .)Авторское свиде М 136934, кл. 6 01 ) хнологический инстиышлен ностиский, В.М.Козин, стыйский технологический промышленности ельство СССР(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, длинноволновои и коротковолновой. ширину которых определяют исоотношений где Л Рхв, Ь Рдв - изменение излучения, связанное с измененратуры Л Т в коротковолновой и длинноволновой зонах соответственно;Ккв, Кдв - коэффициенты преобразования мощности излучения в электрическийсигнал, соответственно в коротковолновойи длинноволновой зонах, а электрическиесигналы, полученные при преобразованиимощностей излучения, воспринимаемого вобеих зонах, суммируют.Сущность заявляемого способа заключается в следующем,Спектр излучения нагретого тела описывается иэотермической кривой, имеющейчетко выраженный максимум, положениекоторого зависит от температуры излучающей поверхности, С ростом температурыпроисходит смещение максимума в областькоротких волн и увеличение спектральнойизлучательной способности гт по всемуспектру. Узкополосные (селективные) приемники излучения выбирают таким образом, чтобы спектральная характеристикачувствительности одного из них находиласьв коротковолновой области изотермическойкривой, соответствующей температуре твах 25(максимальной измеряемой температуре), аспектральная характеристика другого - коротковолновой области изотермическойкривой, соответствующей температуре Твь(минимальная измеряемая температура). 30При температуре поверхности Тю излучение объекта воспринимается одним длинноволновым приемником, При температуреТаях излучение поверхности будет восприниматься только коротковолновым приемником. При температурах тела,располагающихся между Ттп и Трах излучение объекта воспринимается одновременнообоими приемниками. Необходимо отметить, что при нагреве тела всегда один из 40приемников будет работать на левой частиизотермической кривой, что обеспечиваетмаксимальную чувствительность измерений, т.к, изменение мощности излучения оттемпературы (градиент) для левой части изотермической кривой составляет Л Р/ ЛТ==8 - 12, в то время как для правой части - Л Р// ЛТ = 2 - 3. а во всем диапазоне длин волнЛ Р/ Л Т 4. Масштабирование мощностиизлучения позволяет при низких температурах, когда работает только длинноволновыйприемник излучения, обеспечить их минимальную погрешность преобразования, засчет получения этим приемником большейчасти излучения. Кроме этого, поскольку результат измерения находится как сумма выходных сигналов каждого из приемниковизлучения, погрешность его может бытьнайдена по формуле что также позволяет повысить точность измерения (например, при о 1= о и, в предлагаемом способе получим гг, = 1,4 д, а В прототипе - ( = 2 гт ).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 1 - кривая 1, Таам - кривая 2, ТщьТсрТрах - 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.З 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 некотороймалой зоны нагретого тела 1 (см. фиг.2) собирается (фокусируется) объективом 2. Проходя через светоделительную пластину 3, имеющую коэффициент светоделения в = =1/К, где К1, излучение разделяется и масштабируется таким образом, что на приемник длинноволнового излучения 4, в качестве которого используют, например, фотореэистор на основе РЬЗ или РЬЯе, попадает большая часть излучения, а на приемник коротковолнового излучения 5, в качестве которого используют,. например, фотодиод на основе Ое, 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.З). 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.З). 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.З).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 = (Твах + Твгя)/2 Расчеты и эксперименты показали, чтов диапазоне температур 350-2300 К при использовании двух приемников излучения можно достигнуть линейности выходной характеристики с отклонением не более 20.30;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 3-5 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 спектравыбирают по соотношению 3 " д 3 ф где Табак; Твюя - соответственно максимальная и минимальная измеряемые температуры;. вах - вахА тпак, лтв 1 т - длины волн, соответствующие максимумам спектрального распределения излучения при Теак и Твь:.Ь кв, М дв соответственно ширина коротковолновой и длинноволновой зон спектра;измеряют в гп раз мощность излучения якоротковолновой зоне, исходя из условия еЛР К - ЬРдвКдгде Л Ркв, Л Рдв соответственно изменение мощности излучения, связанного с изменением температуры в коротковолновой и длинноволновой зонах спектра;Ккв, Кдв - соответственно коэффициен 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,