Способ дистанционного измерения температуры

Способ дистанционного измерения температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения температуры объектов. Изобретение может быть использовано при дистанционном оперативном контроле сред с различной температурой, в том числе при криогенных температурах.

Разработанный способ может быть использован в различных сферах промышленности.

Известны способы измерения температуры (Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник, М.:, СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001. - 372 с.) на основе контактной термометрии (газовой, терморезистивной, шумовой, емкостной, магнитной), применения контактных термопар, термоиндикаторов и схем на их основе. Подобные методы, в которых используются, в частности, термопары, терморезисторы, конденсаторы в ряде случаев неэффективны в качестве дистанционных приемников, в том числе из-за того, что требуется наличие электрических проводов, соединяющих температурный датчик, находящийся в среде, с приемником сигнала.

Способ определения теплофизических характеристик материалов (Пат. РФ №2224245, опубл. 20.02.2004) с применением тепловизионной техники является неприменимым в области криогенных температур (ниже 100 K), поскольку диапазон действия современных пирометров и тепловизоров выше 243 K.

Известен способ измерения температуры (Власов А.Б. Модели и методы термографической диагностики объектов энергетики. - М.: Колос, 2006. - 280 с.), основанный на том, что прямой и обратный токи диодов изменяется при изменении температуры. Поэтому, зная функциональную зависимость величины тока от температуры полупроводникового диода, можно оценить температуру среды, в которую помещен полупроводниковый диод.

Недостатком диодных термометров с измерением прямого или обратного токов является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры и зависимость его от величины напряжения, поданного на диод.

Известен способ дистанционного измерения температуры (Пат. РФ №2410654, опубл. 27.11.2011), в котором производят сбор и обработку излучения, выделение трех спектральных диапазонов и оценку температуры на основе обработки значений длин волн. К недостаткам способа измерения температуры на основе выделения трех спектральных диапазонов можно отнести его сложность, в т.ч. сложность математической обработки.

Известен способ дистанционного измерения температуры (Пат. РФ №2534452, опубл. 27.11.2014), заключающийся в том, что по мере изменения температуры среды измеряют длину волны излучения светоизлучающего прибора, помещенного в исследуемую среду, рассчитывают изменение длины волны и оценивают температуру по математической зависимости.

Недостатком способа является необходимость использования в качестве контролирующего элемента дорогостоящие и громоздкие устройства типа монохроматоров (спектрофотометров) для количественной оценки величины изменяющейся длины волны излучения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении способа.

Для достижения указанного технического результата в заявляемом изобретении используют светоизлучающий прибор, в качестве которого служит полупроводниковый лазерный диод, оценивают яркость излучения от лазерного диода и рассчитывают искомую температуру среды по калибровочной градуировочной характеристике.

Таким образом, дистанционный контроль температуры производят дистанционно с помощью светоизлучающего прибора (полупроводникового лазерного диода), который выступает как датчик температуры.

Предлагаемый способ дистанционного измерения температуры иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 показана условная схема градуировки светоизлучающего полупроводникового прибора, на фиг. 2 - зависимость относительного изменения яркости δ_E(T) излучения лазерного диода LD630587L от температуры Т.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что при подаче напряжения прямого смещения на светоизлучающий полупроводниковый прибор в объеме материала генерируется световое излучение за счет процессов рекомбинации основных носителей заряда в области p-n-перехода.

При уменьшении температуры полупроводникового лазера яркость Е(Т) излучения многократно возрастает, что связано с уменьшением тепловых потерь и увеличением доли энергии, расходуемой на излучение квантов света. Аналогично, увеличение температуры прибора приводит к уменьшению яркости излучения.

Яркость Е(Т) излучения прибора как излучателя при температуре Т может дистанционно контролироваться с достаточной степенью точности различными оптоэлектрическими приборами: фоторезисторами, фототранзисторами, фотодиодами и другими, имеющими известные фотоэлектрические параметры (Власов А.Б. Электроника. Часть 1. - Мурманск: МГТУ, 2009. - 157 с.).

Для использования лазерного диода в качестве дистанционного датчика температуры предварительно проводят градуировку прибора: метрологические испытания градуировочной зависимости яркости Е=f(T) и зависимости относительного изменения яркости δ_E(T)=E(T)/E(T₀)=f(T) в исследуемом диапазоне температур.

Градуировку прибора производят способом, условная схема которого представлена на фиг. 1. Лазерный диод 1 помещают в термостат 2, температура которого может изменяться выше или ниже комнатной температуры, вплоть до температуры жидкого азота (-195°С=78 K). Через лазерный диод 1 пропускают фиксированный прямой ток I₀, например I₀=30 мА. При фиксированной температуре Т₀, например T₀=300 K измеряют значение яркости Е(Т₀) (в люксах) излучения с помощью прибора 4, например люксметра, приемное устройство 3 которого расположено на фиксированном расстоянии l₀ от излучающего лазерного диода (фиг. 1). Значения яркости Е(Т₀), расстояние l₀, ток I₀, как условия калибровки, фиксированы для полупроводникового лазерного диода, используемого в качестве датчика.

По мере изменения температуры термостата, и, соответственно, лазерного диода, при зафиксированном значении прямого тока I₀, протекающего через лазерный диод, производят измерение яркости Е(Т) излучения лазерного диода при различных температурах. На основе проведенных испытаний рассчитывают значения величины относительного изменения яркости δ_E(T) по соотношению

и строят градуировочную зависимость δ_Е(7) при различных температурах.

На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость значений относительного изменения яркости δ_Е(T)=Е(Т)/Е(300) полупроводникового лазерного диода типа LD65075TL от температуры Т термостата при фиксированном токе I₀=30 мА, l₀=2 см.

Видно, что уменьшение температуры Т лазерного диода приводит к увеличению яркости Е(Т) более чем в 20 раз по сравнению со значением яркости Е(Т₀) при температуре T₀=300 K.

Зависимость значений относительного изменения яркости δ_E(T) лазерного диода от температуры используют как градуировочную (калибровочную) зависимость δ_E(Т) для конкретного типа лазерного диода при дистанционном измерении температуры окружающей среды или объектов.

Способ осуществляется следующим образом.

Используют полупроводниковый лазерный диод, для которого определена калибровочная характеристика δ_E(T) относительного изменения яркости, полученной при известных значениях яркости Е(Т₀) излучения при температуре Т₀, фиксированном токе диода I₀ и расстоянии l₀ между приемным элементом люксметра и лазерным диодом. Полупроводниковый диод, как датчик для дистанционного измерения температуры, устанавливают на объект или помещают в среду, температура Т_х которых измеряют дистанционно. Через лазерный диод пропускают фиксированный прямой ток I₀, аналогичный току градуировки. Фиксируют яркость излучения Е(Т) лазерного диода с помощью приемного устройства люксметра, расположенного на фиксированном расстоянии l₀ от лазера. По результатам испытаний рассчитывают экспериментальное значение δ_Eэксп(T_x)=E/E(T₀). Значение температуры Т_х среды, в которую помещен лазерный диод, определяют по калибровочной характеристике прибора, аналогичной, представленной на фиг. 2.

Например, если в качестве датчика температуры используют лазерный диод LD63075TL с известной калибровочной зависимостью 5f(7), аналогичной представленной на фиг. 2, то при относительном изменении яркости в δ_Eэксп=18 раз исследуемая температура среды равна Т_х=-170°С=103 K.

В данном случае светоизлучающий прибор выступает как датчик температуры, физические параметры которого изменяются при изменении температуры среды.

1. Способ дистанционного измерения температуры, основанный на использовании светоизлучающего полупроводникового прибора в качестве дистанционного датчика температуры, характеризующийся тем, что предварительно проводят метрологические испытания калибровочной зависимости яркости Е=f(T) и зависимости относительного изменения яркости δ_E(T)=Е(Т)/Е(Т₀)=f(T) светоизлучающего прибора в исследуемом диапазоне температур, для этого светоизлучающий полупроводниковый прибор помещают в термостат и пропускают через него фиксированный прямой ток I₀ при фиксированной температуре Т₀, измеряют значения яркости Е(Т₀) при температуре Т₀ и Е(Т) при различных температурах с помощью люксметра, приемное устройство которого устанавливают на фиксированном расстоянии l₀ от светоизлучающего прибора, на основе полученных данных рассчитывают значения величин относительного изменения яркости δ_E(Т) по формуле δ_Е(Т)=Е(Т)/Е(Т₀) и строят калибровочную зависимость δ_Е(Т) при различных температурах, которую затем используют для определения искомой температуры Т_х среды или объекта, для этого светоизлучающий прибор помещают в среду или устанавливают на объект, пропускают через прибор фиксированный прямой ток I₀, фиксируют яркость излучения Е(Т) с помощью установленного на фиксированном расстоянии l₀ приемного устройства люксметра, рассчитывают экспериментальные значения δ_Eэксп(T_x)=Е(Т_х)/Е(Т₀) светоизлучающего прибора и определяют искомую температуру среды или объекта Т_х по калибровочной зависимости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающего прибора используют лазерный диод.