Устройство для бесконтактного определения температуры проводника, по которому протекает ток
DEVICE FOR NON-CONTACT DETERMINATION OF CONDUCTOR TEMPERATURE, THROUGH WHICH CURRENT FLOWS

Изобретение относится к области контроля и испытаний для испытания систем, содержащих опасные цепи электровоспламенительных устройств, на стойкость к воздействию как импульсных, так и постоянных внешних электромагнитных полей (ЭМП) и разрядов молнии. Под опасной цепью понимается электрическая цепь, в которую включается электровоспламенительное устройство (ЭВУ) и связанная с ним цепь.
Устройство может быть использовано в области испытаний систем, содержащих опасные цепи электровоспламенительных устройств, на стойкость к воздействию разрядов молнии, разрядов статического электричества и электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения.
С целью обеспечения безопасности испытаний на стойкость к разрядам молнии постоянных и импульсных внешних ЭМП изделий с ЭВУ применяются имитаторы ЭВУ, имеющие штатную нить накаливания и не содержащие взрывчатых веществ. При этом для определения безопасности регистрируется либо ток, протекающий через нить накаливания, либо температура нити накаливания.
Известен способ испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей (Патент RU 2224222 «Способ испытания объектов, содержащих электровзрывные устройства, на воздействие электромагнитных полей»), суть которого заключается в создании электромагнитных полей и установлении факта срабатывания электровзрывных устройств после воздействия на объект электромагнитных полей. При этом воздействию электромагнитного поля подвергают объект с установленными в нем электровзрывными устройствами с повышенной чувствительностью, а характеристика электромагнитного поля, воздействующего на объект, определяется по заранее заданной формуле.
Техническим результатом изобретения является возможность проведения испытаний на установках с ограниченными техническими возможностями. Недостатками этого технического решения являются:
- необходимость изготовления для испытаний специальных электровзрывных устройств, идентичность параметров которых со штатными устройствами и при штатном включении (за исключением порога срабатывания) надо подтверждать специальными испытаниями. Это относится к зависимости токов срабатывания от частоты, поляризации, длительности помехи для штатного и испытательного устройства;
- недостаточная точность и чувствительность измерения малых наведенных токов, обусловленная зависимостью температуры моста от условий теплообмена с окружающей средой.
Известно устройство, описанное в патенте RU 178693 U1 «Устройство для испытания систем, включающих электровоспламенительное устройство, на защищенность опасных цепей от воздействия электромагнитных полей», суть которого заключается в установке двух цифровых термометров внутри ЭВУ, закрепленных при помощи термоклея таким образом, что один термометр измеряет температуру непосредственно на нити накаливания, другой - во внутреннем пространстве полости взрывозажигательного состава, не контактируя с нитями накаливания. При этом линии питания и передачи данных обоих термометров выведены через отверстие, выполненное в корпусе ЭВУ.
Недостатками устройства являются:
- закрепление цифрового термометра непосредственно на нити накаливания, что вносит изменения в термодинамические характеристики нити накаливания;
- линии питания цифровых термометров являются источниками помех;
- линии питания цифрового вольтметра, находящегося в непосредственной близости от нити накаливания ЭВУ, являются источниками помех.
Известен способ испытания систем, содержащих ЭВУ, согласно которому оценка уровня наведенных токов осуществляется путем измерения температур двух эквивалентов воспламенителей и корпуса каждого ЭВУ многоканальным оптическим интеррогатором с температурными чувствительными элементами на оптоволоконных решетках Брэгга, пространственное разрешение которых обеспечивают выбором различных частот решеток Брэгга (Патент RU 2593521, «Способ испытаний систем, содержащих электровзрывные устройства, на стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей всоставе объектов и устройство для его осуществления»). При этом источником ЭМП является излучающая антенна с заданными пространственными и поляризационными параметрами излучения, которое измеряют датчиком поля, установленным вблизи испытываемого объекта. Уровень наведенного тока в нить накаливания ЭВУ оценивают по значениям разностей температур между эквивалентом нити накаливания и корпусом ЭВУ с последующим пересчетом разности температур в уровень наведенного тока, с учетом калибровочной характеристики каждого чувствительного элемента на оптоволоконной решетке Брэгга.
Недостатками этого решения являются сложность исполнения и непосредственный контакт чувствительного элемента с нитью накаливания, что изменяет ее термодинамические характеристики.
Известно устройство, представленное в патенте RU 26651 «Датчик температуры и устройство для измерения температуры», содержащее датчик температуры, соединенный со световодом люминесцентный термочувствительный элемент, выполненный в виде активированного стекла в форме сферы радиусом, не превышающим радиус сечения световода, источник и приемник излучения, соединенные с датчиком температуры через волоконно-оптический тракт.
Технический результат устройства достигается за счет сильной температурной зависимости скорости люминесценции термочувствительного элемента, выполненного из стекла, активированного редкоземельным элементом (активатором), класса боратов, фосфатов или силикатов, который поглощает импульс оптического излучения от источника, работающего на длине волны, соответствующей полосе поглощения ионов редкоземельного элемента.
Недостатком этого способа является необходимость наличия источника питания.
Известна полезная модель, представленная в патенте RU 79666 U1 «Многоканальная информационно-измерительная система контроля температуры лопаток ротора газотурбинного двигателя», предназначенная для бесконтактного измерения температуры лопаток ротора газотурбинного двигателя. Сущность изобретения состоит в многоканальной информационно-измерительной системе контроля температуры лопаток ротора газотурбинного двигателя, содержащей оптическую головку, сопряженную с входным торцом волоконного световода, выходной торец которого сопряжен с приемником излучения, входящим в состав электронного блока преобразования, усиления и обработки сигнала, микроконтроллер, цифровой индикаторный дисплей, объектив оптической головки, а в каждой ступени двигателя оптическая головка и часть волоконного световода размещены внутри защитного оптического зонда, свободный торец зонда, направленный на лопатки, закрыт инфракрасно прозрачным стеклом и размещен в корпусе турбины двигателя, а другая часть волоконного световода снаружи двигателя помещена внутри защитного гибкого металлорукава, при этом число каналов измерения равно количеству ступеней турбины двигателя, выходы всех измерительных каналов соединены с микроконтроллером, имеющим встроенные порты ввода-вывода, память, а выход микроконтроллера соединен с цифровым индикаторным дисплеем, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены нормирующий усилитель (в каждый измерительный канал), блок управления и обработки информации, состоящий из пульта оператора, индикатора и ЭВМ, и два устройства сопряжения с ЭВМ и микроконтроллером, при этом пульт оператора и индикатор соединены с микроконтроллером, а управляющие выходы микроконтроллера соединены с соответствующим измерительному каналу нормирующим усилителем и усилителем сигналов.
2
Недостатком этой полезной модели является прием теплового сигнала на единичную жилу оптоволокна, сечение которой в лучшем случае около 1 мм. При применении полезной модели для измерения токов нити накаливания, почти 98% интегральной излучательной способности нити накаливания не проходит через жилу стекловолокна, что приводит к недопустимому снижению чувствительности устройства.
За прототип принят патент ЕР 2395315 «Способ и система испытаний электропиротехнического инициатора», согласно которому наведенный в нити накаливания ток измеряют при помощи оптоволоконного кабеля, один конец которого закреплен клеем непосредственно на нити накаливания, а другой снабжен интерферометром. Затем результат передается в блок анализатор, где осуществляется обработка выполненных измерений, и выводится на портативный компьютер для отображения результатов измерений. При этом измерения проводят в два этапа:
- на первом этапе на нить накаливания подается несколько импульсов тока, отличающихся по амплитуде и длительность которых может регулироваться при помощи блока отключения питания, и оптически определяют нагрев нити накаливания, вызванный Протеканием электрического тока, с последующим построением калибровочной кривой, иллюстрирующей изменение нагрева нити накаливания ЭВУ в зависимости от протекающего по ней тока.
- на втором этапе нить накаливания подвергают воздействию внешнего ЭМП и аналогичным образом строят вторую калибровочную кривую - зависимость наведенного в нити накаливания тока от приложенной к ней внешнего ЭМП.
Система может работать при воздействии как импульсных, так и постоянных внешних электромагнитных полей.
Недостатком данного способа является непосредственный контакт склеенного оптоволоконного кабеля с нитью накаливания, что искажает термодинамические характеристики нити накаливания.
Предлагаемое изобретение для испытания систем, содержащих опасные цепи ЭВУ на стойкость к воздействию внешних постоянных и импульсных ЭМП и разрядов молнии, лишено указанного недостатка, так как не имеет прямого контакта с нитью накаливания и не вносит искажений в термодинамические характеристики нити накаливания.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении чувствительности устройства путем увеличения теплового потока от нити накаливания, светового потока за счет увеличения площади поглощения энергии от нити накаливания, в повышении точности измерений за счет полного отсутствия влияния на температуру нити накаливания и полного отсутствия помехонесущих линий связи.
Решение проблемы достигается за счет того, что в устройстве для бесконтактного определения температуры проводника, по которому протекает ток, содержащем корпус ЭВУ, в котором находится нить накаливания контактами, служащими для подключения ЭВУ к опасной цепи, оптический чувствительный элемент, установленный на диэлектрическом фиксаторе, светоприемник, цифровой осциллограф, портативный компьютер и генератор импульсных и постоянных токов, оптический чувствительный элемент выполнен в виде многожильной оптоволоконной линии, один из оконцевателей которой выполнен в виде цилиндрического окна, в котором оптические жилы ориентированы по радиусу цилиндрического окна, охватывающего нить накаливания для съема оптического сигнала с нити накаливания, а второй оконцеватель, имеющий плоский торец, подключен к светоприемнику, при этом площадь, занимаемая нитями оптоволокна, составляет не менее 95% сечения окна, а остальное сечение занимает склеивающий нити состав, обеспечивая многократное увеличение чувствительности устройства. Оконцеватель многожильной оптоволоконной линии в виде цилиндрического окна устанавливается у нити накаливания с зазором не менее 0,5 мм, а с целью обеспечения возможности беспрепятственной установки этот оконцеватель выполнен разъемным.
2
2
Вследствие осевой симметрии нити накаливания, длина которой составляет 3 мм, излучение нагретой нити распространяется перпендикулярно нити по всем направлениям и пронизывает цилиндрическую поверхность, охватывающую нить накаливания. При установке единичного оптоволокна сечением 0,2 мм на расстоянии 1 мм от нити накаливания через волокно пройдет 1,06% излучения нити накала, так как при диаметре цилиндра 2 мм и высоте 3 мм площадь, через которую излучает нить составит 18,84 мм, то через волокно пройдет в 100 раз большее излучение, что обеспечивает многократное увеличение чувствительности устройства при измерении температуры.
Известно, что интегральная излучательная способность нагретых тел гт подчиняется закону Стефана-Больцмана (Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Курс физики. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика, 1967 - с. 225)
где α - коэффициент, определяющий степень черноты нагретого тела, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т - абсолютная температура.
т
Сигнал, регистрируемый цифровым осциллографом, пропорционален интегральной излучательной способности ε нити накаливания. Максимальное значение регистрируемого цифрового массива в соответствии с формулой (1) соответствует максимуму температуры в четвертой степени.
Значение максимальной температуры может быть получено извлечением корня четвертой степени из значения цифрового массива, соответствующего максимальной интегральной излучательной способности нити накаливания. Эта температура складывается из начальной температуры нити накаливания и температуры, обусловленной импульсом тока
0
где Т - начальная температура нити накаливания (температура лаборатории), ΔT - приращение температуры, обусловленное током.
Приращение температуры может быть найдено из формулы (3)
Т
где Q - количество теплоты, m - масса нити накаливания, C - удельная теплоемкость материала нити накаливания.
С целью калибровки через нить пропускается апериодический импульс тока с известными амплитудно-временными параметрами, при этом нить накаливания нагревается согласно закону Джоуля-Ленца
где R - сопротивление нити накаливания, I - ток, dt - время прохождения тока.
Учитывая (4) и (5), получим
где ΔT определено из соотношения (2).
Проинтегрировав по (6) цифровой массив импульса тока, получим приращение температуры ΔT, обусловленное током I. Путем изменения амплитуды тока строится калибровочная кривая ΔТ((I).
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - часть схемы устройства для бесконтактного определения температуры проводника, по которому протекает ток, используемая для калибровки, где:
1 - корпус ЭВУ;
2 - нить накаливания;
3 - контакты нити накаливания;
4 - многожильный оптоволоконный кабель;
5 - оконцеватель в виде оптоволоконного цилиндрического окна;
6 - жилы оптоволоконного окна, сориентированные по радиусу окна;
15 - полость взрывозажигательного состава;
16 - диэлектрический фиксатор оптоволоконного окна;
17 - ответная часть для подключения разъема цепи;
18 - генератор импульсных или постоянных токов;
19 - токовый шунт.
Фиг. 2 - схема устройства для бесконтактного определения температуры проводника, по которому протекает ток, где:
7 - оптический чувствительный элемент (вид сверху), в который входят:
5 - оконцеватель в виде оптоволоконного цилиндрического окна,
4 - многожильный оптоволоконный кабель,
12 - выводы разъемных элементов цилиндрического окна,
7 - второй оконцеватель многожильного оптоволоконного кабеля на входе светоприемника;
9 - светоприемник;
10 - цифровой осциллограф;
11 - портативный компьютер.
Фиг. 3 - оптоволоконное цилиндрическое окно в увеличенном размере.
Фиг. 4 - схема оптического чувствительного элемента с оптоволоконным окном в разъемном виде, на которой:
13 - разъемные элементы цилиндрического окна;
14 - крепеж разъемных элементов цилиндрического окна.
В полости взрывозажигательного состава (15) корпуса ЭВУ (1) (фиг. 1) устанавливается и закрепляется на диэлектрическом фиксаторе (16) часть многожильной оптоволоконной линии (4) с оконцевателем в виде оптоволоконного цилиндрического окна (5). Это окно (5) выполнено в виде сориентированной по радиусу окна (фиг. 3) многожильной оптоволоконной линии (6) и охватывает нить накаливания (2) длиною порядка 3 мм и диаметром порядка 35 мкм. Нить (2) закреплена на контактах нити накаливания (3), которые образуют ответную часть разъема ЭВУ (17), через который осуществляется питание нити накаливания генератором постоянного или импульсного тока (18).
Оптический чувствительный элемент (8) (фиг. 2) содержит оконцеватель в виде оптоволоконного цилиндрического окна (5), выводы разъемных элементов цилиндрического окна (12), многожильный оптоволоконный кабель (4), второй оконцеватель многожильного оптоволоконного кабеля на входе светоприемника (7). Второй оконцеватель (7) подключен к светоприемнику (9), электрический сигнал с которого регистрируется цифровым осциллографом (10), после чего полученный цифровой массив передается на портативный компьютер (11) для обработки и отображения конечного результата.
Для удобства использования оконцеватель многожильной оптоволоконной линии в виде цилиндрического окна (5) выполнен разъемным (фиг. 4) и состоит из разъемных элементов (13), скрепленных крепежом (14), что позволяет оперативно монтировать устройство на нити накаливания.
Устройство работает следующим образом. Нить накаливания разогревается и начинает излучать свет в инфракрасной области (0,3-2 мкм), который через многожильное цилиндрическое окно (5) и жилы многожильного оптоволоконного кабеля (4) поступает на вход светоприемника (9), преобразующего оптический сигнал в электрический, передаваемый на цифровой осциллограф (10). Цифровые массивы тока и интегральной излучательной способности обрабатываются и отображаются на портативном компьютере (11).
Таким образом, в предлагаемом устройстве зарегистрированный сигнал, представленный в виде цифрового массива в цифровом осциллографе (10), соответствует интегральной излучательной способности нити накаливания, и максимальная температура получается извлечением корня четвертой степени из максимального значения цифрового массива, соответствующего максимальной интегральной излучательной способности нити накаливания.
Калибровка устройства проводится следующим образом (фиг. 1). На контакты (3) устройства с генератора (18) подаются известные токи, регистрируемые токовым шунтом (19) и цифровым осциллографом (10). Изменяя амплитуду тока, строится калибровочная кривая ΔТ(I), по которой при испытаниях на стойкость к воздействию ЭМП после получения значения ΔT на основе интегральной излучательной способности нити накаливания определяется значение тока I, наряду с температурой нити необходимое для определения безопасности при проведении испытаний.