Способ измерения температуры и параметров теплового излучения

Представлен способ измерения температуры или параметров инфракрасного излучения, сущность которого заключается в оценке скорости теплового движения свободных носителей заряда. Для оценки текущих температуры или параметра излучения проводят серии независимых измерений. Изменяют концентрацию носителей как минимум в одной его области, затем частично либо полностью устраняют причину такого изменения, при этом измеряют параметры, отражающие динамику изменения и/или частичного либо полного восстановления концентрации, и по ним определяют температуру или параметры излучения. Представленный способ ориентирован на недорогие единичные или матричные приемники, сверхстойкие к различным видам внешних воздействий. Технический результат - повышение точности измерений.

 

Представленный способ может быть использован в измерительной и тепловизионной технике, а также в системах автоматического управления, промышленного зрения и проч.

Известен (патент RU 63523) способ измерения параметров теплового излучения, заключающийся в том, что облучают тело, выполненное из материала, в котором находятся свободные носители заряда. Под действием излучения тело нагревается, его электрическое сопротивление изменяется, и по последнему оценивают (вычисляют) интенсивность или мощность излучения либо облученность тела, либо цветовую температуру источника. Такой способ может быть использован и для измерения температуры контактным образом.

К недостаткам известного способа следует отнести низкую точность, связанную с проведением оценок по результатам одного единичного измерения - по текущему сопротивлению судят о текущих параметрах излучения.

Представленный способ направлен на повышение точности за счет проведения для получения текущей оценки температуры или исследуемого параметра излучения серии независимых измерений, а его сущность заключается в том, что посредством излучения или теплопередачи нагревают тело и косвенно определяют по характеру изменения динамики наведенных в теле электрических потенциалов в основном скорость теплового движения свободных носителей заряда.

При этом он предполагает ориентацию на простые недорогие и сверхустойчивые к радиационным, вибрационным и прочим воздействиям датчики с практически неограниченным сроком службы, чувствительные элементы которых выполнены из широкодоступных высокотехнологичных материалов, таких, например, как алюминий.

Для его реализации с целью проявления теплового действия объекта, чья температура подлежит измерению, или инфракрасного излучения в контакт с упомянутыми объектом или излучением вводят тело, выполненное из материала, в котором находятся свободные или хотя бы относительно свободные носители заряда. При этом изменяют концентрацию носителей как минимум в одной его области. Затем частично либо полностью устраняют причину такого изменения и измеряют параметры, отражающие динамику изменения и/или частичного либо полного восстановления концентрации, определяя по ним температуру или параметры исследуемого излучения.

Следует отметить, что используемое тело должно иметь малую с точки зрения масштаба проводимых измерений абсолютную теплоемкость и большую протяженность за счет сложной геометрии (извилистости). Его нагреваемая или облучаемая поверхность должна быть выполнена матово-черной.

Материал, из которого его следует выполнять, должен включать свободные носители заряда, такие как электроны, ионы, дырки. Ориентация на ионы, особенно на тяжелые, предпочтительна ввиду их относительно невысокой скорости теплового движения при том, что ориентация на материалы-среды с малой концентрацией носителей предпочтительна по причине малой выраженности кулоновского взаимодействия последних.

В качестве используемых материалов могут быть применены металлы, полупроводники, электролиты, жидкие кристаллы с примесями и прочее.

В качестве упомянутого тела может быть использована тонкая (несколько мкм или доли мкм) металлическая пластинка с размерами 0,1×0,1 мм и менее, например напыленная на керамическую плату. Из таких пластинок на плате может быть составлена матрица. Между, под или над пластинками матрицы могут проходить электрически контактирующие с ними токоотводящие и не контактирующие (разделенные изолятором) токоподводящие шины. Последние, когда на них не подано напряжение, могут выполнять функцию первых.

К токоподводящим шинам может быть подключен высокочастотный генератор, тогда как к токоотводящим - последовательно высокоточный вольтметр, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, в свою очередь связанный с генератором.

Все указанные компоненты могут быть размещены на одной плате и составлять датчик теплового излучения, который, в свою очередь, может быть подключен к системам питания и отображения информации, к компьютеру, к регистратору информации и прочее.

Если на токоподводящие шины подать высокочастотное импульсное напряжение, то при прохождении импульса под действием кулоновских сил распределение концентрации электронов в пластинке изменится, тогда как в период времени между импульсами будут протекать процессы по восстановлению первоначальной концентрации. При этом будет меняться наведенное в пластинке напряжение между соответствующими импульсу областями (частями пластинки) с большей концентрацией электронов и с меньшей. Его характер, отражающий динамику изменения (когда на токоподводящие шины подают, например, напряжение с треугольной формой импульсов) и/или частичного либо полного восстановления (описанный вариант) концентрации электронов, может быть измерен посредством сигналов, получаемых по токоотводящим шинам.

На упомянутую динамику в металлах в основном влияют три процесса - кулоновское взаимодействие, например, электронов при устранении вокруг пластинки электрического поля, взаимодействие последних с атомами и/или молекулами и их тепловое движение. Характер последних двух сильно связан с температурой тела, в частности, с ее изменением в результате нагрева или охлаждения тела либо с ее приростом в результате его облучения относительно заданного оптимального для целей измерения значения. В любых других материалах, средах и веществах также можно выявить влияющие на упомянутую динамику процессы, характер которых определяется температурой соответствующих тел.

Измерения напряжения во время импульса или между импульсами должны проводиться неоднократно (предпочтительно сериями от 4-8 до 32-1024 и более). Вообще, оптимальное число измерений серии сильно зависит от используемого материала и от предполагаемой динамики изменения параметров исследуемого излучения - чем такие изменения более динамичны, тем меньше измерений может быть в серии.

При калибровке описанного датчика или приемника могут поставить в соответствие характеру изменения наведенного в пластинке напряжения - того изменения, которое измеряют и регистрируют в рамках одной серии (профилям соответствующих фронтов), температуру эталонного объекта или интенсивность, мощность, цветовую температуру и прочие параметры эталонного источника излучения.

При подаче на токоподводящие шины напряжения с прямоугольными импульсами с токоотводящих шин будет получаться напряжение пилообразной формы с искривленными фронтами, кривизна которых будет зависеть от температуры пластинки.

При реализации представленного способа пластинку могут вводить в контакт с исследуемым объектом или облучать частью исследуемого излучения. В последнем случае ее могут располагать, например, вблизи фокальной плоскости объектива.

Пластинку следует располагать в корпусе, не пропускающем электромагнитные волны радиодиапазона. При этом упомянутый объектив может включать фильтр, выполненный в виде оптического элемента с напыленной на него полупрозрачной (с прозрачностью 90-95%) токопроводящей маской, также непрозрачной для таких волн.

Последовательные многократные измерения параметров, отражающих динамику изменения и/или частичного либо полного восстановления концентрации электронов в пластинке, каждое из которых является независимым (каждый раз измерению подлежит физически измененный объект), позволит определить интенсивность или распределение квантов по энергии (цветовую температуру) исследуемого излучения, а также другие его характеристики путем сопоставления таких параметров с полученными при калибровке. В ином случае по таким параметрам может быть вычислена скорость теплового движения электронов, а по ней - упомянутые интенсивность или распределение и прочее.

В результате текущие температура исследуемого объекта или параметры излучения будут оценены по серии из 4-1024 и более независимых измерений.

Проведение последовательных серий измерений позволит оценить изменение температуры или параметров излучения во времени.

Перед каждой серией измерений пластинку целесообразно охлаждать до заданной температуры, например +20, 0, -20 или -260°С.

Возможны другие варианты реализации представленного способа. Так, могут увеличивать концентрацию электронов в центре тела, представляющего собой плоскую фигуру, выполненную из закрученной по спирали Архимеда тонкой ленты (при диаметре, например, фоточувствительной площадки 2 мм дина такой ленты может составить 150 мм), а уменьшать - на периферии (в периферийных витках), могут для измерения пространственного распределения излучения увеличивать или уменьшать концентрацию в различных областях одной большой пластинки и т.д. При этом меняются лишь схемы коммутации и подключения шин.

Частотно-амплитудные характеристики используемых при реализации представленного способа устройств могут быть рассчитаны или подобраны экспериментально в зависимости от диапазона изменения исследуемых параметров излучения (диапазон длин волн, мощность, интенсивность, сила света источника) и схемы эксперимента (время экспозиции и т.п.), а также от размеров, геометрии, массы тела и используемого материала.

Помимо высокой точности представленный способ характеризуется низкой инерционностью.

Для апробации представленного способа был изготовлен датчик температуры воздуха, выполненный в виде размещенной в металлическом кожухе, через который продувался воздух, спирали из стальной ленты протяженностью порядка 1 м. Спираль была окружена стальной шайбой, на которую от генератора подавалось отрицательное напряжение, тогда как к центру спирали был подведен электрод, на который подавалось соответственно положительное напряжение. С концов ленты снималось наведенное в спирали напряжение, которое через аналогово-цифровой преобразователь подавалось в компьютер. Калибровка датчика и последующая обработка его сигналов проводилась посредством вычисления частотного спектра изменения напряжения на концах спирали при отключенном внешнем электрическом поле - с ростом температуры росла амплитуда высокочастотных гармоник.

Способ измерения температуры объектов или параметров теплового излучения, заключающийся в том, что вводят в контакт с объектом, чья температура подлежит измерению, или облучают тело, выполненное из материала, в котором находятся свободные носители заряда, отличающийся тем, что изменяют концентрацию носителей заряда как минимум в одной его области, затем частично либо полностью устраняют причину такого изменения, при этом измеряют параметры, отражающие динамику изменения и/или частичного либо полного восстановления концентрации носителей заряда, и по ним определяют температуру или параметры излучения.