СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ И ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD OF MEASURING SURFACE TEMPERATURE AND TEMPERATURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерению температуры поверхностей нагретых тел.
Известен способ измерения температуры [1] жидкостным термометром, заключающийся в том, что ртуть или спирт при нагревании расширяются и перемещаются по капилляру.
Недостатком этого способа является необходимость обеспечения контакта с нагретой поверхностью, что всегда не безопасно, и малый диапазон измеряемых температур.
Известен способ измерения температуры термопарой [1, 2], заключающийся в том, что термопара, состоящая из двух разных металлов и двух спаев между ними, располагается так: один спай приводится в контакт с нагретой поверхностью, а другой поддерживается при постоянной температуре. В этом случае возникает электродвижущая сила, которая фиксируется измерительным прибором, например милливольтметром.
Недостатком этого способа является также необходимость обеспечения контакта одного спая термопары с нагретой поверхностью, что не всегда возможно и всегда не безопасно.
Наиболее близким техническим решением является бесконтактный способ измерения температуры нагретой поверхности оптической пирометрией [3], основанной на измерении интенсивности излучения света нагретым телом.
Недостатком данного способа является то, что способ пирометрии предусматривает измерение высоких температур (свыше 1000°С) [3]. Кроме того, необходимо измерительный блок устанавливать на небольшом расстоянии от нагретой поверхности. В частности, в пирометре «Пиромастер 200», выпускаемом фирмой «Вебер КоМеханикс» в г.Москве, модуль измерения температуры устанавливается на расстоянии не далее 0,5 метра, что не всегда возможно и всегда не безопасно.
Известно устройство дистанционного измерения - температуры «Пиромастер 200» [4], состоящее из двух функциональных блоков: модуля измерения и модуля управления. Модуль измерения включает в себя инфракрасный фотодиод на структуре индий-галлий-арсенид, который имеет максимум чувствительности на длине волны 1,5 микрометра и обеспечивает диапазон видимости нагретых тел от 300 до 1100°С. Модуль управления принимает данные от модуля измерения и осуществляет управление технологическим процессом. Порог «видимости» температуры составляет 280°С. Расстояние от измерительного модуля до точки измерения температуры составляет не более 0,5 м.
Недостатком данного устройства является то, что оно измеряет температуру только в определенном диапазоне. Кроме того, его измерительный блок должен располагаться достаточно близко от нагретой поверхности, что требует теплозащиту этого блока. Также эксплуатация этого блока не безопасна для персонала.
Технической задачей изобретения является разработка способа измерения температуры, охватывающего весь ее практический диапазон, который позволяет создать компактное устройство для определения температуры в любых условиях, в том числе и полевых, с разборкой или без разборки изделия.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе измерения температуры поверхности, основанном на направлении потока излучения на нагретую поверхность и регистрации отраженного потока,
Применяют расфокусированный поток излучения, например лазерного, видимого диапазона и интенсивности, не вызывающей каких-либо изменений поверхности нагретого тела, предпочтительно малой, который направляют на нагретую поверхность, регистрируют величину отраженного потока с помощью фотоэлектрического приемника, например фотодиода, сравнивают с эталонной величиной отраженного потока, заранее полученной при известных величинах температур нагретой поверхности для данного источника излучения.
На нагретую поверхность падает расфокусированный поток излучения от источника, например от лазера. Т.к. используется расфокусированный на какую-то площадь нагретой поверхности поток, то полученная величина температуры будет представлять из себя усредненную по площади падения светового потока температуру. Как правило, соседние участки на нагретой поверхности имеют неодинаковую температуру: хотя и незначительно, но температура соседних участков будет отличаться. Поэтому использование расфокусированного светового луча даст более точное значение температуры нагретой поверхности.
Нагретая поверхность может быть неподвижной или подвижной. Эта поверхность будет поглощать часть энергии падающего потока, и чем выше температура нагретой поверхности, тем большее поглощение падающего потока будет наблюдаться [5]. Оставшаяся же часть падающей энергии будет рассеиваться и отражаться, и чем больше будет температура нагретой поверхности, тем меньше будет отражаться падающей энергии. Фотоэлектрический приемник регистрирует величину отраженного потока, падающего в него, в виде какого-то сигнала: электрического напряжения или тока. В зависимости от величины температуры нагретой поверхности будет изменяться интенсивность отраженного потока, а следовательно, и величина сигнала (например, тока). Чем выше температура поверхности, тем меньше по величине будет отраженный поток, тем меньше будет величина сигнала в приемнике, например фотодиоде.
Заявляемый способ реализуется в измерителе температуры, который содержит источник излучения с видимым диапазоном электромагнитных волн и с интенсивностью, не вызывающей каких-либо изменений поверхности нагретого тела, например лазер; устройство расфокусировки падающего на проверяемую поверхность луча и фокусировки отраженного этой поверхностью потока; фотоприемник отраженного потока, например фотодиод; усилитель сигнала от фотоприемника; компаратор, сравнивающий поступающее на него напряжение с усилителя с линейно изменяющимся напряжением генератора и формирующий импульс напряжения определенной длительности; схема «И», кодирующая поступающий на нее с компаратора импульс в пачку коротких импульсов генератора образцовой частоты; двоичный счетчик импульсов, подсчитывающий число импульсов в пачке; дешифратор импульсов; устройство памяти эталонных кодов, где заранее записываются значения сигналов от известных температур нагретой поверхности; цифровое устройство сравнения, осуществляющее сравнение полученного с нагретой поверхности сигнала с эталонными сигналами; устройство индикации, где высвечивается величина температуры нагретой поверхности, причем сформированный в фотоприемнике сигнал поступает в усилитель, с выхода усилителя - на выход компаратора, а с выхода компаратора - на схему «И», затем на вход двоичного счетчика импульсов, далее - на вход дешифратора, а с выхода дешифратора - на вход цифрового устройства сравнения, а с него на вход устройства индикации.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Использование электромагнитного излучения видимого диапазона частот и интенсивности, предпочтительно малой.
2. Использование расфокусированного луча для облучения нагретой поверхности.
3. Определение температуры поверхности по интенсивности отраженного от нее сигнала.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие расфокусирующей и фокусирующей систем;
- фотоприемник, например фотодиод;
- блок обработки сигналов от фотоприемника.
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно: использование способа облучения нагретой поверхности любым диапазоном излучения и любого энергетического уровня этого излучения для определения температуры этой поверхности; возможность создания компактного устройства, которое можно использовать в любых условиях, в том числе и полевых, как с разборкой изделия, так и без его разборки (в рабочем положении).
На фиг.1 приведена схема использования предлагаемого способа измерения температуры нагретой поверхности и структурная схема измерителя температуры, на фиг.2 - формирование сигналов в элементах блока обработки отраженного от нагретой поверхности светового потока.
В предлагаемом способе используется (фиг.1) источник излучения, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линза 2, нагретая поверхность 8, фокусирующее устройство, например линза 3, приемник отраженного сигнала, например фотодиод 4.
Так как температура поверхности определяется температурой ее участков, имеющей неодинаковую величину, поэтому осуществляется расфокусировка падающего на контролируемую поверхность луча, чтобы усреднить часть этого луча с какой-то площади поверхности. Каждый участок на поверхности будет отражать падающий луч индивидуально. Однако, если взять определенную площадь нагретой поверхности (площадь пятна падающего луча), то ее отражательная способность будет определять отражательную способность всей нагретой поверхности. В данном случае делают выборку из всей совокупности, где вся нагретая поверхность есть исследуемая совокупность участков, а площадь падающего на поверхность луча - выборка из этой совокупности. Поэтому падающий луч расфокусируется. И, наоборот, чтобы собрать фотоприемником как можно больше энергии отраженного от нагретой поверхности потока, отраженный луч фокусируется на фотоприемнике, например фотодиоде, в котором под действием этого луча появляется сигнал в виде электрического напряжения или тока. Чем выше температура поверхности, тем меньше по величине будет отраженный поток и возникающий в фотоприемнике сигнал.
Полученный от отраженного луча в фотоприемнике сигнал сравнивается с эталонными сигналами, полученными заранее от нагретых поверхностей с известной температурой, и с которым из них совпадает по величине, такую температуру и будет иметь проверяемая поверхность.
Измеритель температуры (фиг.1) содержит световой излучатель, например лазер 1, расфокусирующее устройство, например линзу 2, фокусирующее устройство, например линзу 3, фотоприемник 4, например фотодиод, фотоусилитель 5, компаратор 6, схему «И» 7, нагретую поверхность 8, генератор линейно изменяющегося напряжения 9, генератор импульсов образцовой частоты 10, двоичный счетчик импульсов 11, дешифратор 12, устройство памяти эталонных кодов 14, устройство сравнения 13 (цифровое), устройство индикации 15.
Измеритель температуры работает следующим образом.
Излучатель 1, например лазер, образует падающий луч и направляет его на расфокусирующее устройство 2, например линзу (если лазерный луч расфокусирован, то устройства 2 не требуется). Затем лазерный (или любой другой) луч падает на нагретую поверхность 8 под любым углом, обеспечивающим отражение части падающего излучения. С площади падающего на поверхность луча происходит отражение части энергии этого луча (форма сечения отраженного луча повторяет форму пятна падающего на поверхность луча, будь то эллипсовидная или любая другая).
Энергия отраженного потока может быть очень малой, источник излучения 1 может представлять из себя световой источник с очень слабой энергией, с рассеиванием в пространстве. Поэтому на пути отраженного потока устанавливается фокусирующее устройство 3, обеспечивающее сбор рассеянной в отраженном луче энергии в фокусе, где располагается фотоприемник 4, например фотодиод. Однако и в этом случае величина образующегося под действием энергии этого отраженного и сфокусированного светового потока электрического напряжения (или тока) может оказаться небольшой, поэтому после фотоприемника в измерителе температуры установлен усилитель 5 этого напряжения (или тока), обеспечивающий работу всех последующих за ним элементов устройства.
x
x
1
x
2
3
4
В предлагаемом измерителе температуры используется принцип действия времяимпульсного преобразования, основанного на преобразовании значения измеряемого напряжения U с выхода усилителя 5 во временной интервал, с последующим кодированием этого интервала методом последовательного счета в пачку импульсов. Значение напряжения U, посредством сравнения его компаратором 6 с линейно изменяющимся напряжением U генератора 9 (см. фиг.2, наклонная прямая; горизонтальная прямая - это U), преобразуется в импульс напряжения U длительностью Δt, который поступает на схему «И» 7, где кодируется в пачку коротких импульсов генератора 10 импульсов образцовой частоты U. Подсчет числа импульсов «n» в пачке осуществляется в двоичном счетчике импульсов 11, куда со схемы «И» 7 поступает сигнал U:
,
где С - коэффициент, характеризующий скорость изменения напряжения U(t),
1
т.е. U в генераторе линейно изменяющегося напряжения 9;
0
0
3
Т, f - период и частота выходного напряжения U генератора импульсов образцовой частоты 10.
x
x
Из уравнения видно, что число импульсов «n» пропорционально напряжению U с усилителя 5. Выбирая коэффициент пропорциональности  (m - целое число), можно получить показания значений напряжения U в требуемых единицах измерения (В, мВ и т.д.). Затем в дешифраторе 12 этот сигнал дешифруется и поступает в устройство сравнения (цифровое) 13, куда одновременно с этим сигналом приходят сигналы с устройства памяти эталонных кодов (заранее сняты с эталонов температур). Сравнивают эти сигналы, и когда сигнал с дешифратора 12 сравнивается (или будет близок) к одному из эталонных сигналов с устройства памяти эталонных кодов, то с выхода устройства сравнения 13 на устройство индикации 15 подается сигнал в виде величины температуры, например «500» - высвечивается на индикаторе.
Использование заявляемого изобретения позволяет использовать способ облучения нагретой поверхности для определения ее температуры, причем площадь этой поверхности - любая и любой диапазон измеряемых температур, при этом улучшаются условия работы и повышается производительность труда, появляется возможность создания малогабаритного и легкого измерителя температуры, который можно было бы использовать в любых условиях, в том числе и в полевых, с разборкой и без разборки изделий (в рабочем положении).
Источники информации
1. Бурсиан Э.В. Физические приборы. - М.: Просвещение, 1984. - С.57, 59.
2. Патент РФ №2389985 «Способ измерения температуры в зоне сварки».
3. Новая иллюстрированная энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2001. - т.14, с.88.
я
4. Устройство дистанционного измерения температуры «Пиромастер 200». - М.: Вебер КоМеханикс, 109202, Россия, г.Москва, ул. 1 Фрезерная, 2/1, стр.10, тел. 105-88-87.
5. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989. - С.65.