Устройство для измерения потока лучистой энергии

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБР ЕТЕ Н И Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«i)682772

Соки Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 02.04.76 (21) 2346426/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.08.79. Бюллетень ¹ 32 (45) Дата опубликования описания 30.08.79 (51) М.Кл 2 G 01 1 5/22 .

Гссударствеииый комитет

СССР (53) УДК 536.53 (088,8) ле делам иэебретеиий и открытий (72) Авторы изобретения

Б. М. Гольцман, С. Ф. Снненко, В. И. Смыслов, А. А. Соколова н В. И. Язовцев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОТОКА ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

Устройство относится к области радиационной лирометрии и может быть использовано для измерения, потоков лучистой энергии, в частности, измерения температуры нагретых объектов по излучению.

Известны устройства для измерения потока лучистой энергии путем преобразования ее в электрический сигнал и измерения величины этого сигнала. К ним относятся термоэлементы, болометры, оптико-акустические приемники, эвапорографические преобразователи, диэлектрические пироэлекrрические приемники и .другие термопреобразователи. Широкое распространение получили устройства на основе термоэлементсв. В этих устройствах падающий на приемную площадку и поглощенный в нем лучистый лоток увеличивает температуру чувствительного элемента, которым является термоэлемент или термобатарея из соеди,ненных последовательно нескольких термоэлементов, в результате чего генерируется термо-ЭДС, пропорциональная лучистому потоку, которая затем измеряется. Величина повышения температуры спая термоэлемента зависит как от величины потока лучистой энергии, так и от интенсивности термоотдачи в окружающую среду по ветвям термоэлемента за счет радиации и конвекции.

Для повышения чувствительности таких устройств стремятся уменьшить теплоотдачу, что, в свою очередь, приводит к уменьшению быстродействия. Такая связь чувствительности и быстродействия объясняется тем, что регистрация .термо-ЭДС производится после прогрева сная и ветвей термоэлемента, а продолжительность прогрева возрастает при уменьшении интенсивности теплообмена с окружающей средой.

Наиболее близким по технической сущности к пред.чагаемому устройству является устройство для измерения потока лучистой энергии, состоящее из последовательно

15 соединенных термоэлектрического приемника излучения, усилителя и измерительного прибора.

В этом устройстве повышение быстродействия достигается за счет того, что че20 рез спай термоприемника пропускают ток, вызывающий эффект Пельтье, причем величина этого тока пропорциональная падающему потоку энергии. Вследствие этого уменьшается степень нагрева этого чувст25 вительного элемента и время установления стационарного состояния.

Недостатком такого устройства является то, что повышение быстродействия сопровождается уменьшением чувствительносЗО ти или разрешающей способности системы

682772 регистрации излучения, которая определяется;величиной отношения сигнал/шум.

Это объясняется тем, что в данном устройстве уменьшается степень нагрева спая термоприемника и, следовательно, сигнал на входе усилителя по сравнению с нагревом и сигналом без наличия обратной связи, а шумы системы (при сравнительно небольшом потоке лучистой энергии), величина которых определяется как

"/ .; = — 1/4k/ К/, где k — постоянная Больцмана;

Т вЂ”. температура, К;

R — сопротивление;

Л/ — полоса пропускания усилителя, остаются практически неизм иными. Таким образом, уменьшается отношение сигнал/шум, а, следовательно, разрешающая способность системы регистрации лучистой энергии.

Целью изобретения является повышение быстродействия. Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения потока лучистой энергии введены последовательно соединенные фазочувствительный исполнительный механизм и генератор тока, при этом вход фазочувствительного исполнительного механизма включен íà BLTход усилителя, выход генератора тока соединен с термоэлектри- еским приемником излучения, а измерительный прибор включен в выходную цепь генератора тока. На чертеже дана блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство (см. чертеж) состоит из последовательно соединенных блока термоэлектрического приемника 1 излучения, усилителя 2, фазочувствительного исполнительного механизма 8, генератора тока 4 и измерительного .прибора 5.

Устройство работает следующим образом.

Падающий поток лучистой энергии q вызывает .нагрев приемной площадки и появление на выходе приемника 1 сигнала.

Как только величина этого сигнала, усиленного усилителем 2, превысит, пороговое значение (уровень шумов), происходит срабатывание фазочувствительного механизма 8, управляющего генератором тока 4, с выхода которого через термоэлектрический приемник пропускается ток, возрастающий по величине во времени, причем направление тока выбрано таким, что он вызывает появление эффекта Пельтье на спае термоприемника, и тем самым снижение температуры спаев и приемной площадки. Когда мощность, поглощаемая в результате эффекта Пельтье, определяемая как Il=IuT (I — величина тока, а — коэффициент термо-ЭДС, Т вЂ” температура К), достигнет величины, равной величине падающего потока q, сигнал на входе усилителя станоТеоретический расчет показывает, что температура спая чувствительного элемен40 та термоэлектрического приемника при па.дении на него лучистого потока qq и отсутствии тока компенсации определяется по формуле

45.коэффициент теплообмена с окружающей средой; коэффициент теплопроводности ветвей термоэлемента; площадь поперечного сечения ветвей; периметр ветвей; удельная теплоемкость; плотность; время; где а—

55

P— с— при — э зз (2) 65 таким образом вится равным нулю, а фазочувствительный исполнительный механизм обеспечивает постоянную величину тока на выходе генератора тока. При уменьшении величины падающего потока мощность, поглощаемая в результате эффекта Пельтье, начинает превышать q, спай приемника охлаждается, на входе и выходе усилителя появляется сигнал отрицательной полярности, фазочувст10 вительный исполнительный механизм вызывает уменьшение выходного тока с генератора тока до тех пор, пока мощность Пельтье не сравняется с падающей плотностью. О величине падающего потока судят

15 по,показаниям измерительного прибора 5, регистрирующего величину протекающего через термоэлектрический приемник тока, который пропорционален величие падающего потока.

В устройстве не происходит уменьшения чувствительности вследствие того, что отрицательная обратная связь включается при достижении температуры спая порога чувствительности системы, а применение

25 фазочувствительного,исполнительного механизма поз воняет осущесгвить стопроцентную отрицательную обратную связь.

Для отделения полезного сигнала термо-ЭДС Е, от разности потенциалов, воз30 никающей в результате пропускания компенсирующего тока 1 через чувствительный элемент и для того, чтобы, исключить шунтирование входа усилителя выходом генератора тока, чувсгвительный элемент И, включен в одно из плеч сбалансированного моста.

682772

Т= T ег1 хР т

cyS (3) Если порог чувствительности системы AT, то время ть через которое включится компенсирующий ток T -,cqS

4Т2 2Ч

Время т2, за которое температура спая чувствительного элемента вернется к первоначальной, после включения компенсирующего тока, возрастающего по линейному закону со скоростью р, определяется выражением (5) Таким образом, время реакции системы с обратной авязью т слагается из времени ть в течение которого спай нагревается до пороговой температуры, вызывающей срабатывание системы обратной связи, и т, за которое температура спая вернется к первоначальному уровню. Время т2, как видно из выражения (5), определяется только скоростью нар астания компенсирующего тока Р и может быть получено достаточно малым применением соответствующей системы обратной связи.

Сравним время реакции системы с обратной связью т =tI+to с временем устасновления температуры приемника излучения без обратной связи т". Примем разрешающую способность регистрирующей части, равной AT, относительная погрешность

Ь " измерения k == — при а=0,1.

/0,13 1, ар

I 11,65) ЛЗ 3 (6) Из выражения (6) видно, что при достаточно большой скорости нарастания компенсирующего тока Р и малой теплопередаче в окружающую среду быстродействие системы с обратной связью более, чем в сто раз превышает быстродействие системы без обратной связи.

При пропускании компенсирующего тока через термоэлемент, кроме эффекта Пельтье, проявляющегося в спае, в объеме его ветвей на омическом сопротивлении выделяется Джоулево тепло 1% г, которое приводит к отклонению от линейной зависимости поглощаемой на спае мощности от

5 величины — îêà 1 и возникновению погрешности. Однако в обычных приемниках излучения, в которых применяются наиболее перспективные полупроводниковые материалы с высокой термоэлектрической эффективностью, за счет падающего потока происходит нагрев спая приемника и его ветвей, вызывающий изменение основных параметров термоэлемента: термо-ЭДС а, теплопроводности х и электропроводностп о, что приводит к отклонению выходного сигнала от линейного. При больших мощностях падающего потока нагрев может достигать очень значительной величины, и происходит даже термическое разрушение

20 приемника излучения.

Расчет на ЭВМ и экспериментальная проверка показали, что термоэлектрический приемник, используемый без системы тепловой обратной связи, обладает значительно худшей линейностью и большей погрешностью особенно в области больших мощностей по сравнению с предлагаемым устройством, в котором в результате приЗО менения эффекта Пельтье отсутствует нагрев спая. Таким образом, пропусканпе компенсирующего тока 1 позволяет не только повысить быстродействие и улучшить линейность, но и расширить диапазон

35 регистрируемых мощностей более чем на порядок при сохранении точности измерения в пределах 10 4.

Формула изобретения

Устройство для измерения потока лучистой энергии, состоящее из последовательно соеди .енны:; термоэлектрического приемнпска излучения, усилителя и измерительного

45 прибора. отличающееся тем, что, с целью позышення быстродействия, в него ,введены последовательно соединенные фазочувствительный исполнительный механизм и генератор тока, при этом вход фазоM чувствительного исполнительного механизма включен на выход усилителя, вь",од генератора тока соединен с термоэлектрическим приемником излучения, а измерптельный прибор включен в выходную цепь генератора тока.

682772

Составитель В. Зуев

Техред А. Камышникова

Корректор С. Файн

Редактор Н. Коляда

Заказ 763/967 изд Л о 484 Тираж 780 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»