Способ дистанционного измерения температуры среды

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 $$\text{T}x=\text{T}0+\frac{hc\Delta \text{λ}}{B\text{λ}{0}^2}$$ , 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 ΔE_з.

Ширина запрещенной зоны ΔE_з связана с длиной излучаемой волны λ соотношением

$$\Delta {Е}_{з}=hv=hc/\lambda ,\text{ (1)}$$

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

Значение ΔE_з зависит от температуры: по мере уменьшения температуры от T₀ до T_х происходит изменение ширины запрещенной зоны от ΔE_з0 до ΔE_зх (Г. Гулямов, H. Шарибаев. Влияние температуры на ширину запрещенной зоны полупроводника // ФИП (ФИЛ) PSE, 2011, т.9, №1, vol.9, No.1), причем

$$B=\left(\Delta E_{зх}-\Delta E_{з0}\right)/\left({Т}_{х}-{Т}_0\right);B=-\left(5\dots 10\right)\cdot {10}^{-4}эВ/К,\text{ (2)}$$

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:

$$B(T_x-T_0)=hc(1/{\lambda }_x-1/{\lambda }_0)=hc({\lambda }_0-{\lambda }_x)/{\lambda }_x{\lambda }_0=hc\Delta \lambda /[({\lambda }_0-\Delta \lambda ){\lambda }_0],\text{ (3)}$$

где Δλ=(λ₀-λ_х), при этом λ₀ - длина волны излучения при температуре T₀, λ_х - длина волны излучения при температуре T_х.

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

$$T_x=T_0+hc\Delta \lambda /B{\lambda }_0^2.\text{ (4)}$$

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 T_х среды по формуле: Tх=T₀+hcΔλ/Bλ₀ ². 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:

T_х=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 Т_х измеряют длину волны излучения λ_х светоизлучающего прибора, рассчитывают изменение длины волны Δλ и оценивают температуру среды Т_х по формуле:
,
где Т₀ - исходная температура среды; λ₀ - длина волны излучения при температуре Т₀; h - постоянная Планка; с - скорость света; Δλ=(λ₀-λ_х); λ_х - длина волны излучения при температуре Т_х; В - постоянная материала.

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