Способ дистанционного измерения температуры и устройство для его осуществления

(55 0 01 ) 5/12 9 АЗ НИЕ ИЗОБРЕТЕНИ П К ПАТЕН нционт быть рения электх часГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(71) Киевский технологический институт легкой промышленности(73) Киевский технологический институт легкой промышенности(56) Авторское свидетельство СССР й. 445853, кл, 6 01 ) 3/00, 1974.,Авторское свидетельство СССР М 794396, кл. 6 01 ) 3/00, 1981.(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: дистанционное измерение температуры обьектов направленными Изобретение относится к диста ному измерению температуры може использовано, в частности, для изме температуры объектов, нагреваемых ромагнитными волнами сверхвысоки тот (СВЧ),Цель изобретения - повышение точности и автоматизация дистанционного измерения температуры,Предлагаемые операции по получению информации о температуре изооптического датчика, заключающиеся в освещении изооптического датчика монохроматическим светом с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания иэооптического датчика, смещению частотным модулятором длины волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания термодатэлектромагнитными волнами сверхвысоких частот. Сущность изобретения: иэооптический датчик (ИД) освещают монохроматическим светом с длиной волны, находящейся в пределах полосц пропускания, затем смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания в длинноволновую область спектра, измеряют первое выходное напряжение фотоприемника, Сравнивают первое и второе напряжения, изменяют длину волны моно- хроматического света до достижения равенства сравниваемых напряжений, регистрируют среднюю длину волны монохроматического света, по которой определяют температуру ИД, а следовательно и контролируемого объекта. 2 с,п. ф-лы, 4 ил,чика в коротковолновую область спектра и регистрации средней длины волны моно- хроматического света в совокупности с известнцми признаками способствует повышению точности и позволяют автоматизировать дистанционный процесс измерения температуры.На фиг.1 изображена структурная схема устройства для дистанционного измерения температуры.Устройство содержит источник белого света 1, монохроматор 2 с блоком перестройки длины волны 3, электрооптический частотный модулятор 4, светоделительный кубик 5. По одной оптической оси кубика 5 расположены волоконный световод 6, изооптический датчик 7, закрепленный на контролируемом объекте 8, а по другойоптической оси - щелевая диафрагма 9, фотоприемник 10, полосовой усилитель 11, фаэочувствительный выпрямитель 12 и фильтр нижних частот 13. Кроме того оно содержит последовательно соединенные генератор 5 электрических колебаний 14, квадратурный фазовращатель 15 и двухполюсный автоматический переключатель 16, делитель 17 и отсчетно-регистрирующий блок 18. При этом выход фильтра нижних частот 13 сое динен с управляющим входом блока перестройки длины волны света 3, а выходы квадратурного фазовращателя 15. через двухполюсный переключатель 16 соединены с управляющими входами электроопти ч еского модулятора 4. К выходу . фотоприемника 10 дополнительно подключен вольтметр 19.Предлагаемый способ основан на зависимости интенсивности светопропускания 20 изооптического датчика, содержащего оптически неоднородную двухкомпонентную систему, от температуры обьекта, на котором он установлен. На фиг. 2 зависимость центральной длины волны контура пропу скания изооптического датчика от его температуры (температурно-спектральная характеристика). На фиг. 3 и фиг. 4 показаны зависимости интенсивности света на вь 1 ходе изооптического датчика и выходного на пряжения фотоприемника от длины волны и положения центра контура пропускания иэооптического датчика в спектральной об. ласти.У изооптического датчика, нагретого до 35 температуры Тдля света с длиной волны Л (фиг, 3), для которой совпадают показатели преломления его компонентов. светопропускание близкок 1. При изменении длины . волны светопропускание датчика уменьша ется как при увеличении, так и уменьшении длины волны. Благодаря этому спектральная характеристика изооптического датчика является симметричной относительно центральной длины волны Л 1, Таким образом, иэооптический датчик, компоненты которого близки по показателю преломления и отличаются его температурной зависимость о и средней дисперсией, отличается спектральной избирательностью и является поло совым светофильтром, контур пропускания которого смещается по спектру в зависимости от температуры, Полуширина полосы пропускания контура спектральнотл характеристики изооптического датчика ЬЛ из меняется в зависимости от спектрального положения Я, а характер ослабления от изменения длины волны света резче проявляется на участках спектральной характеристики, соответствующих полуширине ее полосы пропускания, Таким образом, наибольшая крутизна контура спектральной характеристики имеет место на краях полосы пропускания изооптического датчика,При изменении температуры изооптического датчика изменяется его центральная длина волны Ло в соответствии с температурно-спектральной характеристикой фиг,2) отражающей функциональную зависимость смещения контура пропускания светофильтра-датчика от температуры, С повышением температурымонотонно уменьшается центральная длина волны л контура пропускания, Соответственно сужается и полуширина полосы пропускания, Однако симметричный характер контура спектральной характеристики сохраняется.Для измерения температуры объекта 8 освещают изооптический датчик 7, расположенный на этом обьекте, параллельным лучом монохроматического света от источника 1 с монохроматором 2, Выделяют отраженный от датчика 7 световой поток и преобразуют его фотоприемником 10 в электрическое напряжение, которое иэмервот милливольтметром 19,Вначале смещают длину волны Л моно- хроматического света частотным модулятором 4 на полуширину полосы пропускания изооптического датчика в длинноволновую область спектра Л 1 =Л+ ЛЛ фиг, 3) и измеряют первое значение выходного напряжения фотоприемника 10 0. Затем смещают длину волны монохроматического света модулятора 4 на полуширину полосы пропусканил изооптического датчика в коротковолновую область спектра Л 2 =Л - М. измеряют милливольтметром 19 выходное напряжение фотоприемника 02. Сравнивают напряжения 01 и 02 и получают разностное напряжение Ь 0 - 01-02. Изменяют длину волны монохроматического света монохроматором 2 в направлении уменьшения разности напряжения (Ь 0-е О), В процессе регулирования длины волны и сравнений напряжений 01 и 02 достигают равенства сравниваемых напряжений ЬОеп О фиг,4), По средней длине волны монохроматического светаЛ 1 +Л 2йпп щ - =Лп Епредеппют тЕмпЕрету.2ру датчика по его температурно-спектральной характеристике (фиг,2).Устройство для дистанционного измерения температуры работает следующим образом.Из белого света источника 1 монохроматором 2 выделяется луч с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания датчика 7, что в начале настройки контролируется по максимальному показанию милливольтметра 19. Длина волны монохроматического света смещается в спектральной области на заданное значение М частотным модулятором 4 в зависимости от частоты вращающегося электрического поля, в котором находится электрооптический кристалл модулятора. Вращающееся электрическое поле формируется электрическим напряжением генератора 14, расщепляется на два квадратурных напряжения фазовращателем 15, которые через переключатель 16 поступают нэ управляющие входы частотного модулятора 4.Направленные вращения электрического поля определяются порядком чередования фаз квадратурных напряжений на входах модулятора 4. При одном положении переключателя 16 на входе электрооптического частотного модулятора 4, работающего в полуволновом режиме, формируется оптический луч со смещенной длиной волны в одну сторону, например, в длинноволновую область спектра. При противоположном положении переключателя 16 иэ-эа изменения порядка чередования фаз квадратурных напряжений на противоположное, а следовательно. изменяя направления вращения электрического поля, образуется оптический луч со смещением длины волны в другую сторону(коротковолновую область спектра).В результате периодической работы автоматического переключателя 16, который управляется прямоугольным напряжением низкой частоты с выхода делителя 17 частоты, периодически изменяется направление смещения длины волны монохроматического света. Величина смещения задается частотой генератора 14 и определяется полушириной полосы пропускания изооптического датчика 7, расположенного на контролируемом объекте 8. Периодически смещаемый по длине волны луч света поступает через светоделительный кубик 5 и волоконный световод 6 . на изооптический датчик 7. На основании этого датчика имеется зеркальное покрытие, в результате чего луч света проходит сквозь него дважды, отражаясь от зеркала. Световой луч, прошед. ший сквозь датчик разделяется кубиком 5 и направляется через щелевую диафрагму 9 на фотоприеник 10,При несовпадении среднего значения длины волны луча света с центральной длиной волны контура светопропускания изооптического датчика 7 на выходе фотоприемника 10 возникает переменная составляющая напряжения, Это напряжение усиливается усилителем 11 низкой частоты 5 и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 12, Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 13 нижних частот и воздействует на блок перестройки длины волны монохроматора 2, Полярность вы- "0 прямленного напряжения выбирают такой,чтобы при перестройке длины волны монохроматора последняя стремилась к совпадению с центральной длиной волны изооптического датчика, При совпадении 15 длин волн монохроматора 2 и датчика 7 исчезает переменная составляющая напряже-ния на выходе фотоприемника 10, а положение регулирующего элемента монохромато ра регистрируется отсчетно-регист рирующим блоком 18. В процессе контролятемпературы объекта 8 изменяется центральная длина волны контура светопропускания изооптического датчика 7 и на выходе фазочувствительного выпрямителя 25 12 появляется напряжение рассогласования той или иной полярности в зависимости" Ьт направления изменения температуры объекта 8. Блоком 3 устанавливается новое значение длины волны монохроматического 30 света, которое совпадает с центральнойдлиной волны датчика, а соответствующее положение регулируемого элемента монохроматора регистрируется блоком 18,Нестабильность чувствительности и не избежный дрейф "нуля" фотоприемника, атакже нестабильность усилителя не влияет на "нуль" следящей системы монохроматра.что и обеспечивает высокую точность и автоматизацию дистанционного измерения 40 температуры.Предлагаемый способ реализован вопытной камере СВЧ сушки древесины ценных пород для изготовления мебели, в которой известные способы измерения 45 температуры (термоэлектрический, терморезистивный и др.) неприменимы иэ-за нарушения структуры СВЧ поля камеры токопроводящими элементами конструкции термопреобразователей. Температура на грева древесины находилась в пределах2085 С. Двухкомпонентный изооптический датчик закреплялся в диэлектрическом держателе на объекте контроля внутри СВЧ камеры и соединялся оптоволоконной ли нией с измерительным блоком, При измерении по заявляемому способу верхнего значения температуры (85 С) центральнаядлина волны спектральной характеристики датчика шириной 32 нм оказалась равной 668 нм с точностью + 1 нм, что соответству1828539 5 10 15 20 25 ЗО 40 ет относительной погрешности определения длины волны й 0,15;С и абсолютной погрешности определения температуры +13 С. Нижней границе температурного диапазона соответствует центральная длина волны спектральной характеристики датчика 557+1 нМ, Полученная точность измерения температуры подтверждена методом образцовага термометра сопротивления при выключенном СВЧ генераторе (на время менее ЗО с для установки образцового термометра).Предложенный способ измерения температуры позволяет значительно повысить точность измерения, так как при нем используется высокоточный критерий настройки монохроматора по нулевому значению разности сравниваемых напряжений, полученных при максимальной крутизне контура спектральной характеристики изооптического датчика. При этом исключается влияние нестабильности параметров фотоприемника источника света, оптического фона и других влияющих -Факторов.Благодаря получению информации о знаке разности сравниваемых напряжений можно сформировать управляющий сигнал для перестройки монахроматора при любом соотношении длины волны монохроматора и центральной длины волны контура спектральной характеристики изооптическога датчика; Формула изобретения 1, Способ дистанционного измерения температуры, заключающийся в том, чта изаоптический датчик в виде оптически неоднородной системы освещают параллельным пучком света, выделяют отраженный от термодзтчикз световой поток, преобразует ега Фотоприемником в электрическое напряжение, которое измеряют, изменяют длину волны монохромзтическага света да совйадения с центральной длиной волны контура спектральной характеристики изооптического датчика, по которой определяют температуру датчика, о т л и ч а ю щ и йс я тем; что, с целью повышения точности измерения, иэооптический датчик освещают монахромзтическим светам с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания изооптического датчика, затем смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания изооптического датчика в длинноволновую область спектра, измеряют первое выходное напряжение фотоприемника, далее смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания термодатчика в коротковолновую область спектра, измеряют второе выходное напряжение, фотоприемника, сравнивают первое и второе напряжения, изменят длину волны манохроматического света до достижения равенства сравниваемых напряжений, регистрируют среднюю длину волны монохроматического света, по которой определяют температуру иэооптического датчика,2. Устройство для. дистанционного иэмерения температуры, содержащее источник света, монохроматор с блоком перестройки длины волны, светоделительный кубик, по одной оптической оси которога расположены волоконный световод с изоаптическим датчиком, по другой оптической оси - Фотоприемник с щелевой диафрагмой, подключенный через паласовой усилитель к измерительному блоку, и отсчетно-регистрирующий блок, соединенный с.блоком перестройки, от лич а ю ще е с я тем, что оно дополнительно содержит электрооптический частотный модулятор, расположенный между монохроматором и светаделительным кубиком, делитель частоты, последовательно соединенные ге 35 нератор электрических колебаний, квадратурный Фазовращатель и двухполюсный автоматический переключатель и последовательно соединенные Фаэочувствительный выпрямитель и фильтр нижних чзстот, выходом соединенный с управляю- щим. входом блока перестройки длины волны монохроматора, при этом управляющие входы электрооптическаго частотного модулятарз подключены к автоматическому двухполюсному переключателю, управляющий вход которого соединен с управляющим входом Фазочувствительного выпрямителя и подключен через делитель чзстаты к генератору электрических колебаний, а вход фаэочувствительного выпрямителя соединен с выходом полосовогоусилителя.1828539Составитель А.Химичева Редактор Т.Иванова Техред М.Моргентал Корректор Л,Ливрин Заказ 2369 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, ЖЗБ, Раушская наб 4 Юзводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101