СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения температуры объектов. Изобретение может быть использовано при дистанционном оперативном контроле сред с различной температурой, в том числе при криогенных температурах.
Разработанный способ может быть использован в различных сферах промышленности.
Известны способы измерения температуры (Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник, М.:, СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001. - 372 с.) на основе контактной термометрии (газовой, терморезистивной, шумовой, емкостной, магнитной), применения контактных термопар, термоиндикаторов и схем на их основе. Подобные методы, в которых используются, в частности, термопары, терморезисторы, конденсаторы в ряде случаев неэффективны в качестве дистанционных приемников, в том числе из-за того, что требуется наличие электрических проводов, соединяющих температурный датчик, находящийся в среде, с приемником сигнала.
Способ определения теплофизических характеристик материалов (Пат. РФ №2224245, опубл. 20.02.2004) с применением тепловизионной техники является неприменимым в области криогенных температур (ниже 100 K), поскольку диапазон действия современных пирометров и тепловизоров выше 243 K.
Известен способ измерения температуры (Власов А.Б. Модели и методы термографической диагностики объектов энергетики. - М.: Колос, 2006. - 280 с.), основанный на том, что прямой и обратный токи диодов изменяется при изменении температуры. Поэтому, зная функциональную зависимость величины тока от температуры полупроводникового диода, можно оценить температуру среды, в которую помещен полупроводниковый диод.
Недостатком диодных термометров с измерением прямого или обратного токов является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры и зависимость его от величины напряжения, поданного на диод.
Известен способ дистанционного 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. К недостаткам способа измерения температуры на основе выделения трех спектральных диапазонов можно отнести его сложность, в т.ч. сложность математической обработки.
Известен способ дистанционного измерения температуры (Пат. РФ №2534452, опубл. 27.11.2014), заключающийся в том, что по мере изменения температуры среды измеряют длину волны излучения светоизлучающего прибора, помещенного в исследуемую среду, рассчитывают изменение длины волны и оценивают температуру по математической зависимости.
Недостатком способа является необходимость использования в качестве контролирующего элемента дорогостоящие и громоздкие устройства типа монохроматоров (спектрофотометров) для количественной оценки величины изменяющейся длины волны излучения.
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 полупроводниковый лазерный диод, оценивают яркость излучения от лазерного диода и рассчитывают искомую температуру среды по калибровочной градуировочной характеристике.
Таким образом, дистанционный контроль температуры производят дистанционно с помощью светоизлучающего прибора (полупроводникового лазерного диода), который выступает как датчик температуры.
Предлагаемый способ дистанционного измерения температуры иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
E
На фиг. 1 показана условная схема градуировки светоизлучающего полупроводникового прибора, на фиг. 2 - зависимость относительного изменения яркости δ(T) излучения лазерного диода LD630587L от температуры Т.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Известно, что при подаче напряжения прямого смещения на светоизлучающий полупроводниковый прибор в объеме материала генерируется световое излучение за счет процессов рекомбинации основных носителей заряда в области p-n-перехода.
При уменьшении температуры полупроводникового лазера яркость Е(Т) излучения многократно возрастает, что связано с уменьшением тепловых потерь и увеличением доли энергии, расходуемой на излучение квантов света. Аналогично, увеличение температуры прибора приводит к уменьшению яркости излучения.
Яркость Е(Т) излучения прибора как излучателя при температуре Т может дистанционно контролироваться с достаточной степенью точности различными оптоэлектрическими приборами: фоторезисторами, фототранзисторами, фотодиодами и другими, имеющими известные фотоэлектрические параметры (Власов А.Б. Электроника. Часть 1. - Мурманск: МГТУ, 2009. - 157 с.).
E
0
Для использования лазерного диода в качестве дистанционного датчика температуры предварительно проводят градуировку прибора: метрологические испытания градуировочной зависимости яркости Е=f(T) и зависимости относительного изменения яркости δ(T)=E(T)/E(T)=f(T) в исследуемом диапазоне температур.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Градуировку прибора производят способом, условная схема которого представлена на фиг. 1. Лазерный диод 1 помещают в термостат 2, температура которого может изменяться выше или ниже комнатной температуры, вплоть до температуры жидкого азота (-195°С=78 K). Через лазерный диод 1 пропускают фиксированный прямой ток I, например I=30 мА. При фиксированной температуре Т, например T=300 K измеряют значение яркости Е(Т) (в люксах) излучения с помощью прибора 4, например люксметра, приемное устройство 3 которого расположено на фиксированном расстоянии l от излучающего лазерного диода (фиг. 1). Значения яркости Е(Т), расстояние l, ток I, как условия калибровки, фиксированы для полупроводникового лазерного диода, используемого в качестве датчика.
0
E
По мере изменения температуры термостата, и, соответственно, лазерного диода, при зафиксированном значении прямого тока I, протекающего через лазерный диод, производят измерение яркости Е(Т) излучения лазерного диода при различных температурах. На основе проведенных испытаний рассчитывают значения величины относительного изменения яркости δ(T) по соотношению
Е
и строят градуировочную зависимость δ(7) при различных температурах.
Е
0
0
На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость значений относительного изменения яркости δ(T)=Е(Т)/Е(300) полупроводникового лазерного диода типа LD65075TL от температуры Т термостата при фиксированном токе I=30 мА, l=2 см.
0
0
Видно, что уменьшение температуры Т лазерного диода приводит к увеличению яркости Е(Т) более чем в 20 раз по сравнению со значением яркости Е(Т) при температуре T=300 K.
E
E
Зависимость значений относительного изменения яркости δ(T) лазерного диода от температуры используют как градуировочную (калибровочную) зависимость δ(Т) для конкретного типа лазерного диода при дистанционном измерении температуры окружающей среды или объектов.
Способ осуществляется следующим образом.
E
0
0
0
0
х
0
0
Eэксп
x
0
х
Используют полупроводниковый лазерный диод, для которого определена калибровочная характеристика δ(T) относительного изменения яркости, полученной при известных значениях яркости Е(Т) излучения при температуре Т, фиксированном токе диода I и расстоянии l между приемным элементом люксметра и лазерным диодом. Полупроводниковый диод, как датчик для дистанционного измерения температуры, устанавливают на объект или помещают в среду, температура Т которых измеряют дистанционно. Через лазерный диод пропускают фиксированный прямой ток I, аналогичный току градуировки. Фиксируют яркость излучения Е(Т) лазерного диода с помощью приемного устройства люксметра, расположенного на фиксированном расстоянии l от лазера. По результатам испытаний рассчитывают экспериментальное значение δ(T)=E/E(T). Значение температуры Т среды, в которую помещен лазерный диод, определяют по калибровочной характеристике прибора, аналогичной, представленной на фиг. 2.
Eэксп
х
Например, если в качестве датчика температуры используют лазерный диод LD63075TL с известной калибровочной зависимостью 5f(7), аналогичной представленной на фиг. 2, то при относительном изменении яркости в δ=18 раз исследуемая температура среды равна Т=-170°С=103 K.
В данном случае светоизлучающий прибор выступает как датчик температуры, физические параметры которого изменяются при изменении температуры среды.