Способ дистанционного измерения температуры среды



 


Владельцы патента RU 2534452:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ") (RU)

Изобретение относится к области пирометрии и касается способа дистанционного измерения температуры. В среду для измерения ее температуры помещают светоизлучающий прибор (светодиод или лазер). Измеряют длину волны λ излучения светоизлучающего прибора и определяют разность Δλ между измеренной длиной волны и известной длиной волны излучения λ0 того же светоизлучающего прибора при исходной температуре T0. Температуру среды рассчитывают по формуле T x = T 0 + h c Δ λ B λ 0 2 , где h - постоянная Планка, с - скорость света, В - постоянная материала. Технический результат заключается в упрощении способа измерений температуры среды. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к пиротехнике и может быть использовано для дистанционного измерения температуры среды в различных сферах промышленности.

Известны способы и устройства для определения температуры среды с использованием контактных термопар, термоиндикаторов, терморезисторов и схем на их основе. Использование термопар, терморезисторов, термоиндикаторов неэффективно, в частности, требуется наличие электрических проводов, соединяющих температурный датчик, находящийся в среде, с приемником сигнала.

Известны способы измерения температуры (Власов А.Б. Электроника. - Мурманск: МГТУ, 2007. - 153 с.), основанные на том, что обратный ток диодов изменяется при изменении температуры. Поэтому, зная функциональную зависимость величины обратного тока (при фиксированном запирающем напряжении) от температуры полупроводникового диода, можно оценить температуру среды, в которую помещен полупроводниковый диод.

Недостатком диодных термометров с измеряемым обратным током является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры и зависимость его от величины напряжения, поданного на обратно-смещенный диод.

Известен способ измерения температуры (Пат. РФ №2089863, опубл. 10.09.1997), заключающийся в том, что на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с различной полярностью, как открывающей, так и закрывающей его p-n-переход, устанавливают определенное значение тока через переход, измеряют прямое напряжение на диоде от установленного тока и определяют температуру T окружающей среды из функциональной зависимости.

К недостаткам этого способа можно отнести:

1) необходимость подключения напряжения различной полярности к полупроводниковому диоду;

2) неоднократное изменение полярности приложенного к диоду напряжения на противоположную, в частности, измерения обратного тока через p-n-переход при температуре окружающей среды, дальнейшее изменение полярности приложенного к диоду напряжения, измерение прямого тока через p-n-переход, уменьшение приложенного напряжения до достижения равенства прямого тока обратному;

3) усложнение схемы измерения, достигаемое тем, что в устройство введены четыре диода на общей подложке, синхронный детектор и фильтр нижних частот и другие элементы;

4) невозможность дистанционного измерения температуры среды.

Известен способ 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. Данный способ измерения температуры является наиболее близким и принят за прототип.

К недостаткам способа измерения температуры на основе выделения трех спектральных диапазонов можно отнести его сложность, в т.ч. сложность математической обработки.

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 светодиод или лазер, оценивают длину волны излучения прибора и определяют изменение длины волны и рассчитывают искомую температуру среды.

Таким образом, дистанционный контроль температуры производят пирометрическим методом с помощью светоизлучающего прибора - светодиода, лазера, который выступает как датчик температуры нового типа.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что при подаче напряжения прямого смещения на светоизлучающий прибор в объеме материала генерируется световое излучение за счет процессов рекомбинации основных носителей заряда в области p-n-перехода. Длина волны λ излучения определяется, главным образом, величиной ширины запрещенной зоны ΔEз.

Ширина запрещенной зоны ΔEз связана с длиной излучаемой волны λ соотношением

Δ Е з = h v = h c / λ ,                                                        (1)

где h - постоянная Планка; v - частота; λ - длина волны; c - скорость света.

Значение ΔEз зависит от температуры: по мере уменьшения температуры от T0 до Tх происходит изменение ширины запрещенной зоны от ΔEз0 до ΔEзх (Г. Гулямов, H. Шарибаев. Влияние температуры на ширину запрещенной зоны полупроводника // ФИП (ФИЛ) PSE, 2011, т.9, №1, vol.9, No.1), причем

B = ( Δ E з х Δ E з 0 ) / ( Т х Т 0 ) ; B = ( 5 10 ) 10 4 э В / К ,               (2)

где B - коэффициент, зависящий от типа материала полупроводника, определяемый известными способами.

Следовательно, при уменьшении температуры длина волны λ, излучения уменьшается, а частота излучения - возрастает.

C учетом выражений (1) и (2) можно записать:

B ( T x T 0 ) = h c ( 1 / λ x 1 / λ 0 ) = h c ( λ 0 λ x ) / λ x λ 0 = h c Δ λ / [ ( λ 0 Δ λ ) λ 0 ] ,      (3)

где Δλ=(λ0х), при этом λ0 - длина волны излучения при температуре T0, λх - длина волны излучения при температуре Tх.

С учетом малости величины Δλ выражение (3) можно преобразовать:

T x = T 0 + h c Δ λ / B λ 0 2 .                                                                        (4)

Выражение (4) может быть использовано для оценки температуры среды, в которой находится светоизлучающий диод.

Длина волны излучения λ0 и изменение Δλ могут быть измерены с достаточной степенью точности различными известными способами: путем оценки колец Ньютона, с использованием дифракционной решетки, фазосдвигающих пластинок, с использованием бипризмы Френеля и других. Современными приборами изменение длины волны Δλ, оценивается с высокой точностью, достигающей ±1,0 промиль (±0,001 нм на длине волны 1000 нм).

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

Для использования светоизлучающего прибора (светодиода, лазера) в качестве датчика температуры предварительно проводят метрологические испытания градуировочной зависимости λ=f(T) и оценки значения градиента длины волны Δλ/ΔT в исследуемом диапазоне температур.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут светоизлучающий прибор (светодиод или лазер) и помещают его в среду для измерения ее температуры. Наблюдают за излучением светоизлучающего прибора с помощью одного из вышеназванных способов, определяют длину волны λ, оценивают Δλ, в сравнении с λ0 при исходной температуре T0 и рассчитывают искомую температуру Tх среды по формуле: Tх=T0+hcΔλ/Bλ02. Например, принимая во внимание, что h - постоянная Планка, h=6,626·10-34 Джс, с - скорость света; с=3·108 м/с и В=-10·10-4 эВ/К=1,6·10-22 Дж/К, λ0=550 нм=550·10-9 м при Т0=300 K, Δλ=40 нм=20·10-9 м, имеем искомую температуру в холодильной камере:

Tх=300-6,626·10-34·3·108·40·10-9/[1,6·10-22·(550·10-9)2]=300-164,3=135,7 K.

Таким образом, изменение температуры среды оценивают по функциональной зависимости длины волны излучения светоизлучающего прибора от температуры λ=f(T).

1. Способ дистанционного измерения температуры среды, основанный на измерении длины волны излучения светоизлучающего прибора, помещенного в исследуемую среду, характеризующийся тем, что по мере изменения температуры среды Тх измеряют длину волны излучения λх светоизлучающего прибора, рассчитывают изменение длины волны Δλ и оценивают температуру среды Тх по формуле:
,
где Т0 - исходная температура среды; λ0 - длина волны излучения при температуре Т0; h - постоянная Планка; с - скорость света; Δλ=(λ0х); λх - длина волны излучения при температуре Тх; В - постоянная материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающего прибора используют светодиод или лазер.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования биологических объектов. Приемное устройство радиометра включает в себя по меньшей мере один радиометр (83) и установочный модуль (824) для фиксации радиометра (83).

Настоящее изобретение относится к детектору микроволнового излучения для измерения внутренней температуры образца белковосодержащего вещества, например мяса. Заявлено устройство тепловой обработки, предназначенное для тепловой обработки белковосодержащих пищевых продуктов (3) и включающее детектор (1) микроволнового излучения для измерения внутренней температуры белковосодержащего пищевого продукта (3), средство перемещения для транспортировки продуктов (3) через устройство в направлении перемещения (y-направление), так что продукты (3) проходят под неподвижным детектором (1), и средства воздействия на тепловую обработку, управляемые по сигналу детектора (1).

Изобретение относится к области определения физических параметров пластовых флюидов и может быть использовано в промышленных и научно-исследовательских лабораториях для определения температуры кристаллизации парафинов в нефти.
Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для дистанционного измерения локальной температуры внутри вещества или живого организма. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин (температуры, давления, деформации).

Изобретение относится к области биотехнологии, биохимии и технической микробиологии и может быть использовано в длительных непрерывных и периодических процессах при строгом поддержании массы культуральной жидкости.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах температурного/теплового контроля в качестве термореле, сигнализаторов в системах пожарной сигнализации предприятий, жилых помещений, железнодорожного и автомобильного транспорта; терморегуляторов в установках термостатирования объектов различного назначения, включая биологические; датчиков перегрева жидкости и пара в радиаторах водяного охлаждения, в масляных рубашках охлаждения трансформаторов, в теплообменниках, в паровых котлах; термодатчиков для контроля технологических процессов и в других областях техники.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к индикаторам перегрева, выполненным в виде шайбы, отображающим изменение температуры вращательных частей механизмов.

Изобретение относится к биотехнологии, биохимии, технической микробиологии и, в частности, может использоваться для измерения теплопродукции микроорганизмов в исследовательских и лабораторных ферментерах.

Изобретение относится к способам автоматического управления технологическими процессами, в частности к системе управления процессом тетракарбонила никеля в полом цилиндрическом аппарате.

Настоящее изобретение относится к детектору микроволнового излучения для измерения внутренней температуры образца белковосодержащего вещества, например мяса. Заявлено устройство тепловой обработки, предназначенное для тепловой обработки белковосодержащих пищевых продуктов (3) и включающее детектор (1) микроволнового излучения для измерения внутренней температуры белковосодержащего пищевого продукта (3), средство перемещения для транспортировки продуктов (3) через устройство в направлении перемещения (y-направление), так что продукты (3) проходят под неподвижным детектором (1), и средства воздействия на тепловую обработку, управляемые по сигналу детектора (1).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры многожильного материала, подлежащего нагреванию до расчетной температуры.

Заявленное изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для коррекции на основе квантовой теории температуры радиационного термометра.

Изобретение относится к области оптической пирометрии и касается способа измерения профиля температуры в конструкционных материалах. Способ включает формирование каналов разной глубины в толщине конструкционного материала и проведение температурного сканирования в подготовленных каналах системой дистанционных инфракрасных пирометров.

Изобретение относится к конструктивным элементам регистрирующей техники. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения характеристик газовых потоков. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Пирометр // 2437068
Изобретение относится к технике измерения физической температуры объекта по его тепловому радиоизлучению. .

Изобретение относится к области фотометрии и касается пламенного фотометра. Фотометр включает горелку, оснащенную устройством впрыска раствора исследуемого вещества.
Наверх