Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала

 

Изобретение относится к области измерений температуры и может найти применение в промышленности, а также в микроволновых технологических установках для контроля нагрева материала, а также в артиллерии при измерении средней температуры метательных зарядов. Сущность способа бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключается в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала. Повышение точности измерения средней по объему температуры объекта достигается тем, что антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят радиометрическим приемником при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной f₀=(0,05-0,5)/ε•D•tgδ, где f₀ - средняя частота (ГГц), ε,tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - кпд антенны-датчика. Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении механизмом вращения объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Т_и/М, где Т_и - время измерения, М - целое число. Технический результат - повышение точности измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерений температуры и может найти применение в промышленности, а также в микроволновых технологических установках, для контроля нагрева материала, а также в артиллерии при измерении средней температуры метательных зарядов.

Известен ряд способов бесконтактного измерения температуры. Способ, основанный на ультразвуковых методах, заключается в измерении скорости распределения звука в среде, которая зависит от температуры среды (Братников Н. Н. Ультразвуковые методы. - Л. "Энергия", 1965 г.). Способ, основанный на оптических методах, заключается в измерении яркости свечения объектов, которая зависит от температуры объекта (Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М. "Наука", 1982 г.). Способ, основанный на волновых методах, заключается в измерении параметров распространения волн в среде, которые зависят от температуры среды (Викторов В.А. и др. Радиоволновые методы измерения параметров технологических процессов, М." Энергоатомиздат, 1989 г.). Применительно к измерению температуры диэлектрических тел указанные способы не позволяют добиться высокой точности измерений.

Известны также способы измерения температуры, основанные на измерении собственного излучения объектов в оптическом или инфракрасном диапазонах частот (АС СССР 1563361, 5 G 01 J 5/24, БИ 11, 1995 г.; АС РФ 93016387/25, 6 G 01 J 5/60, БИ 17, 1995 г.; АС РФ 92007162/25, 6 G 01 J 5/10, БИ 17, 1995 г. ), а также радиочастотном диапазоне (Пат. 52775 Финляндия, МКИ: G 01 F 23/28, G 01 К 11/00, G 01 N 22/00 Викторов В.А. и др. Радиоволновые методы измерения параметров технологических процессов. М.: "Энергоиздат", 1989 г., стр. 267). Недостатком этих способов также является недостаточно высокая точность измерения средней по объему температуры диэлектрических объектов.

Прототипом изобретения является способ, описанный в (Shilz W., Schiek В. Microwave system for industrial measurements// Advances in electronics and electron physics (1981 Vol. 55 P. 309-381). Согласно прототипу измерения температуры объекта осуществляются следующим образом: с помощью направлений антенны принимают собственное радиоизлучение объекта, интенсивность принятого излучения, характеризуемая величиной антенной температуры, измеряют радиометрическим приемником путем измерения энергии принятого сигнала в полосе частот. По значению антенной температуры судят о значении температуры объекта в направлении ориентации антенны. Антенну поворачивают таким образом, чтобы контролировать (измерять) значения температуры различных участков объекта.

Недостатком такого способа является низкая точность измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта, так как усреднение проводят по поверхности объекта.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта.

Решаемая техническая задача в способе бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключается в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала. Повышение точности измерения средней по объему температуры объекта достигается тем, что антенну-датчик располагают на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика относительно объекта перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной f₀ = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ, где f₀ - средняя частота принимаемого сигнала (ГГц), ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика. Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным _и/М, где Т_и - время измерения, М - целое число.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала.

На фиг. 2 показаны зависимости суммарной погрешности измерений согласно заявляемому способу для случаев плоскопараллельного объекта, фиг.3 - то же, для цилиндрического объекта.

Устройство (фиг.1) содержит: 1 - объект, выполненный из диэлектрического материала, 2 - антенна-датчик, соединена фидером 3 с радиометрическим приемником 4, который соединен с индикатором 5. Синхронизатор 6 соединен с радиометрическим приемником 4 и механизмом вращения 7, вращающим объект 1.

Рассмотрим осуществление способа бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала устройством, приведенным на фиг.1.

Антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика, перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной f₀ = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ, где f₀ - средняя частота (ГГц), ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика.

Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении механизмом вращения объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Т_и/М, где Т_и - время измерения, М - целое число.

Равномерно нагретое физическое тело-объект из диэлектрического материала 1, создает в окружающем пространстве собственное излучение, в том числе в радиотехническом диапазоне. Его интенсивность характеризуется яркостной температурой Т_я, пропорциональной абсолютной температуре Т_о T_я = χT_о, (1) где χ - коэффициент пропорциональности, зависящей от электрофизических параметров материала тела (см., например, Захарьев Л.Н. Леманский. Методы измерения характеристик антенн СВЧ, М. Радио и связь, 1985). Антенна-датчик 2 принимает указанное радиоизлучение, шумовой сигнал на его выходе характеризуется антенной температурой Т_а. Если антенна-датчик 2 обеспечивает равномерный прием только в пределах угла видимости объекта 1, антенная температура, пропорциональная мощности принятого сигнала, равна T_а=К•Т_я где К - коэффициент полезного действия антенны-датчика 2. В известных устройствах, в том числе в прототипе, К≈1 и таким образом, измеряя антенную температуру, определяют температуру объекта.

При неравномерно нагретом теле-объекте 1 интенсивность излучения любого его участка определяется соотношением 1. Однако излучения от глубинных слоев затухают в толще объекта 1 в большей мере, чем приходящие с участков, близких к поверхности. Поэтому значение яркостной температуры не является пропорциональным среднему по объему значению температуры и использование измерений согласно прототипу приводят к значительной погрешности при измерениях неравномерно нагретых тел.

Согласно предлагаемому изобретению снижение погрешности измерения среднеобъемной температуры достигается следующим образом. При размещении антенны-датчика 2 на расстоянии не более размера апертуры антенны-датчика 2 от объекта 1 перпендикулярно оси вращения объекта значение его антенной температуры определяют из соотношения

где T_(v) - распределение температуры по объему V,
К - КПД антенны-датчика,
P_(v) - распределение мощности электрического поля, создаваемого антенной-датчиком 2 в режиме передачи, нормированное так, чтобы
Т_явн - яркостная температура внешних шумов,
Т_ф - флуктуационная погрешность радиометрического приемника, пересчитанная к его входу.

Согласно предлагаемому изобретению значения антенной температуры увеличивают в 1/(1-К) раз. В результате, отклонение измеряемого значения средней по объему температуры от истинного

состоит из трех слагаемых (составляющих)

Указанные слагаемые имеют различный характер зависимости от средней частоты полосы частот, в которой приводится оценка антенной температуры. При увеличении частоты, в частности в ИК-диапазоне К-->0, распределение поля p(v) изменяется так, что имеют место малые значения в глубине объекта и значительные на его поверхности. В результате увеличивается первый член и уменьшается 2-й и 3-й члены. При уменьшении частоты, напротив, распределение поля p(v) стремится к равномерному, а К-->1. В этом случае уменьшается 1-я составляющая при возрастании 2-го и 3-го членов. Существует компромиссное значение средней частоты f₀, при которых суммарная погрешность оказывается минимальной (см. , например, фиг.2, фиг.3). Согласно расчетам, проведенным для различных форм объектов, и типовым значениям ΔT_фл, Т_явн и степени неравномерности для плоскопараллельных объектов минимальная погрешность измерения средней по объему температуры достигается при αD≈0,5-2, а для цилиндрических объектов - при αD = 0,7-5, где α - коэффициент затухания материала объекта, D - толщина слоя или диаметр цилиндрического тела. Если величина αD выбирается в указанных пределах суммарное отклонение измеренного значения средней по объему температуры от истинного составляет не более чем 0,3...1,1%.

Коэффициент затухания зависит от электрофизических параметров материала объекта 1 и частоты принимаемого сигнала. Поэтому выбор указанного выше значения αD можно обеспечить выбором средней частоты полосы частот, в которой производится измерение антенной температуры. С учетом известного соотношения ошибка измерения минимальна:
f₀ = (0,05...0,5)/(εDtgδ),
где f₀ - частота (в ГГц), ε и tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - размер в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика 2 (в метрах).

На этой средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика 2.

Дополнительное снижение погрешности измерения обеспечивается при вращательном движении объекта 1 вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика 2 с периодом вращения, равным Т_и/М, где Т_и - время измерения, М - целое число. За время измерения каждая точка объекта 1 принимает все возможные положения по окружности с центром на оси вращения. В результате происходит усреднение антенной температуры в азимутальном направлении и наличие азимутальной неравномерности распределения температуры неравномерно нагретого тела-объекта 1 не оказывает влияние на результат измерений. В результате происходит снижение погрешности до величины, соответствующей измерению объектов с азимутально-симметричным температурным распределением.

Устройство согласно предлагаемому изобретению может быть реализовано, например, как показано на фиг.1, антенна-датчик 2 выполнена, например, в виде пирамидального рупора с размерами апертуры, равными (01...05)L, где L - минимальный размер объекта 1 в направлении, параллельном апертуре антенны датчика 2. Антенна-датчик 2 устанавливается непосредственно у поверхности объекта 1 или на расстоянии, не превышающем размера апертуры антенны-датчика 2, в качестве фидера 3 используется линия передачи соответствующего частотного диапазона, например прямоугольный волновод для диапазона частот выше 10 ГГц или коаксиальный для более низких частот. Радиометр 4 выполняется по одной из известных схем, например, описанных в книге Сколник М. Справочник по радиолокации, М.: Сов. Радио 1978, т. 4, стр. 284-286. В качестве индикатора 5 могут использоваться известные приборы, а также АЦП для преобразования измеренной величины в цифровую форму. Механизм вращения 7 должен обеспечивать вращение с периодом 1/Т_изм, где Т_изм - постоянная времени радиометра (величина для современных радиометров, используемых в целях измерений, равная 0,3. . . 1 с. Реализация механизма вращения 7, вращающего со скоростью до нескольких оборотов в секунду, может быть осуществлена при помощи электродвигателей или шаговых электродвигателей.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключающийся в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала радиоизлучения объекта, отличающийся тем, что антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной
f₀ = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ,
где f₀ - средняя частота, ГГц;
ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потери материала объекта;
D - линейный размер объекта в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, м,
и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К-кпд антенны-датчика.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Т_и/М, где Т_и - время измерения, М - целое число.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3