Устройство бесконтактного измерения температуры объекта, находящегося под воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона
DEVICE FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF AN OBJECT WHICH IS EXPOSED TO ELECTROMAGNETIC RADIATION OF MICROWAVE RANGE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения и мониторинга температуры объектов, находящихся под воздействием электромагнитного микроволнового излучения высокой интенсивности.
Как правило, под воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона подразумевается СВЧ-нагрев. Основным изделием, которое решает данную задачу, является микроволновая печь. Преимуществом СВЧ-излучения для нагрева является скорость обработки объекта и нагрев по всему объему тела. Одной из задач для контроля в процессе нагрева является изменяющаяся температура.
Из уровня техники известно устройство измерения температуры в СВЧ-печах (см. патент RU 2607047 на изобретение, опубл. 10.01.2017).
Устройство состоит из термобаллона, заполненного газообразной средой, термобаллон снабжен герметично закрывающейся крышкой и соединен гибким капилляром из диэлектрического материал с блоком регистрации. Блок регистрации представляет собой U-образную трубку с нанесенными миллиметровыми делениями, находящуюся вне зоны нагрева. U-образная трубка заполнена контрастной жидкостью и газообразной средой, контактирующей с соединительным капилляром, и газообразной средой, контактирующей с закрытым концом U-образной трубки. Противоположный конец герметично закупорен. Термобаллон производится из термопластичных полимеров, таких как: полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат. Термобаллон закрепляется внутри камеры нагрева, при этом его размещение не влияет на показания температуры.
Для определения зависимости уровня жидкости в коленах U-образной трубки от температуры необходимо построить калибровочный график. Для этого термобаллон помещают в среду с заранее известной температурой, например, в подогретую до определенной температуры воду, и замеряют изменения уровня жидкости в зависимости от температуры. Калибровочный график необходимо строить отдельно для каждого материала, потому что в электромагнитном поле СВЧ в зависимости от своих электрических свойств все материалы нагреваются по-разному.
При повышении температуры происходит повышение давления в рассматриваемой системе. Повышение давления регистрируют при помощи U-образной трубки по нанесенным миллиметровым делениям. При этом противоположный конец U-образной трубки герметично закупорен, за счет этого давление внутри системы уравновешивается давлением в противоположном конце 6 U-образной трубки. К тому же вид жидкости и ее плотность роли не играют.
Термобаллон с нагреваемым материалом помещают в рабочую камеру печи СВЧ и гибким капилляром из диэлектрического материала соединяют термобаллон с U-образной трубкой и регистрируют начальный уровень контрастной жидкости 5 в U-образной трубке. Затем включают генератор печи СВЧ и по величине разности уровней контрастной жидкости в коленах U-образной трубки регистрируют температуру в термобаллоне при помощи калибровочного графика.
Недостаток известного технического решения заключается в использовании замера контроля общей температуры в камере. Подобный контроль теряет свою ценность при использовании неоднородного объекта с дифференцированным электромагнитным восприятием.
Из уровня техники известно устройство и способ измерения температурного поля в СВЧ-камере (см. патент RU 2099727 на изобретение, опубл. 20.12.1997).
Задача решена тем, что при осуществлении способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением путем помещения в исследуемое поле системы преобразователей в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов, размещенных на диэлектрическом основании, после СВЧ-нагрева до То 60-80оС вынимают из СВЧ-камеры, помещают в термостат и совмещают с матрицей полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных направляющих элементов и измеряют напряжения на выходах полупроводниковых термодатчиков, пропорциональные температурам термочувствительных непроводящих элементов.
Задача решена также тем, что в устройстве для осуществления способа измерения распределения теплового поля нагрева СВЧ-излучением, содержащем систему термопреобразователей, блок съема информации о тепловом поле, последовательно соединенные коммутатор, АЦП и ПЭВМ с регистратором, система термопреобразователей выполнена в виде матрицы M×N термочувствительных непроводящих элементов из материала с углеродсодержащими добавками, размещенных на диэлектрическом основании с шагом λ/4, λ, длина волны СВЧ-колебаний, а блок съема информации выполнен в виде матрицы полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных непроводящих элементов, и помещен в термостат.
Основной недостаток известного технического решения заключается в том, что измеряется не потенциальный объект, задача контроля температуры нагреваемого объекта решается косвенно и результаты могут быть рассчитаны косвенно на базе показателей данного изобретения.
Задача заявленного изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего контроль температуры объекта (тела) под воздействием микроволнового излучения без прямого контакта с ним измерительных элементов.
Техническими результатами заявленного изобретения являются: повышение точности, информативности и безопасности измерения температуры объекта в результате СВЧ-нагрева.
Технические результаты достигаются тем, что устройство бесконтактного измерения температуры объекта, находящегося под воздействием микроволнового излучения в СВЧ-камере содержит:
- основные и опорные цветовые пирометрические датчики, размещенные на верхней стенке СВЧ - камеры изолированно от воздействия микроволнового излучения, при этом основные цветовые пирометрические датчики размещены таким образом, что по меньшей мере один основной цветовой пирометрический датчик контролирует температуру всей видимой поверхности объекта, а опорные цветовые пирометрические датчики контролируют температуру только части поверхности объекта;
- термисторы или термопары, установленные в основание стенки СВЧ-камеры изолированно от воздействия микроволнового излучения, при этом термисторы или термопары установлены таким образом, что каждый термистор или термопара попадает в зону под площадью видимости по меньшей мере одного опорного цветового пирометрического датчика;
- при этом цветовые пирометрические датчики и термисторы или термопары соединены с контроллером, выполненным с возможностью:
- определения температур в дополнительных контрольных зонах, образованных пересечением зон, контролируемых цветовыми пирометрическими датчиками и термисторами или термопарами;
- приема показаний от датчиков (основных и опорных цветовых пирометрических датчиков, и термисторов или термопар), их обработки, анализа и передачи информации о температуре через интерфейс передачи данных на устройства для дальнейшего анализа или представления информации.
Информация на цветовые пирометрические датчики может поступать через отверстия или инфракрасные волноводы в верхней стенке СВЧ - камеры.
Измеряемый объект может находиться в статичном положении или вращаться, сохраняя относительный объем контролируемой зоны для основного цветового пирометрического датчика.
Технические результаты достигаются за счет использования группы контактных и бесконтактных измерительных элементов, в частности, цветовых пирометрических датчиков и термисторов или термопар.
Использование цветовых пирометрических датчиков позволяет контролировать температуру без учета поглощающей способности света тела. Они размещаются в верхней части СВЧ-камеры и направлены на основание камеры. Для необходимого поля зрения с сохранением защиты от СВЧ-излучения в верхней части камеры проделают отверстия, не превышающие 1 мм, или устанавливают инфракрасные волноводы.
Контактные измерительные датчики устанавливаются в основание стенки СВЧ-камеры, изолированно от воздействия микроволнового излучения. Могут применяться как термисторы, так и термопары.
Инфракрасные элементы размещаются таким образом, чтобы как минимум один датчик контролировал всю поверхность тела, которое находится под воздействием СВЧ-излучения. Остальные бесконтактные датчики размещают таким образом, чтобы в поле зрения попадала часть объекта и часть свободного пространство, а также было пересечение контрольных зон с датчиком, который контролирует всю поверхность.
Термисторы размещаются в основании таким образом, чтобы до воздействия излучения на объект над ними находилась только поверхность основания камеры. Каждый термистор должен попадать в зону соответствующего опорного цветового пирометрического датчика. Опорным считается каждый ИК-датчик, который до начала воздействия СВЧ-излучения не контролирует всю видимую поверхность объекта.
Команда к началу измерения может подаваться на контроллер через интерфейс обмена данными. Для запуска и остановки работы на контроллере может быть сенсорная или механическая кнопка, а также джойстик.
Данные о температуре поступают с датчиков на контроллер. Передача показаний происходит через интерфейс обмена данными. Для повышения точности и информативности на самом контроллере происходит анализ дополнительных зон, которые образуются от пересечения, контролируемых датчиками. Расчет осуществляется посредством вычисления пересечений и преобразования их в доли от температуры датчиков.
Ключевое отличие от существующих решений заключается в отсутствии зависимости от коэффициента поглощения света тела и формирования дополнительных контрольных зон на пересечение областей полей зрения датчиков.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемым чертежами (см. фигуры 1-3).
На фигурах 1-3 показано следующее.
На фиг. 1 представлена общая схема заявленного устройства (измерительной системы).
На фиг. 2 показаны прямые показания датчиков по зонам.
На фиг. 3 показаны зоны с вычисляемыми показаниями.
На фиг.1 представлена схема заявленного устройства, которое интегрируется в бытовую микроволновую печь.
Объект или тело 103 размещается в СВЧ-камере (102). Внутри камеры (102) на объект (103) воздействует электромагнитное излучение СВЧ-диапазона, которое является губительным для электронной техники.
Измерительные элементы вынесены за пределы зоны электромагнитного микроволнового воздействия. На верхней стенке размещены цветовые пирометрические датчики (101). Термисторы (104) установлены в основание СВЧ-камеры (102). Для пирометрических элементов (101) в СВЧ-камере (102) выполнены отверстия, которые могут быть использованы сразу или же под установку инфракрасных волноводов.
Термисторы (104) устанавливаются таким образом, чтобы объект (103) измерения не накрывал их через нижнюю стенку СВЧ-камеры (102), но они попадали в поле зрения опорных цветовых пирометрических датчиков (101), которые считаются опорными, если до начала измерения исследуемый объект попадал не всей поверхностью в их поле зрения.
Измерительные элементы (101, 104) соединены с контроллером (105), который осуществляет прием и анализ полученных показаний. Далее контроллер (105) может передать информацию через интерфейс передачи данных (106) на устройства для дальнейшего анализа или представления информации (например, на компьютер).
Визуализация контрольных зон для одного из вариантов представления устройства представлена на фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 2 представлены зоны, которые контролируют датчики. Вид сверху на поверхность, где будет размещаться исследуемый объект. Зона основного датчика (201) размещается в центре. В нее попадает вся видимая поверхность измеряемого тела. Одна из опорных зон (202) пересекается с двумя зонами (201, 203), которые образуются основным цветовым пирометрическим датчиком (101) и термистором (104). Зона термистора (203) может иметь различные размеры, но до начала воздействия объект (103) не должен влиять на прямые показания от него, а опорный датчик и термистор должны разделяться не более чем, нижней стенкой при построении между ними воображаемой прямой.
Фиг. 3 представляет зоны, которые можно определить с использованием прямых показаний с датчиков (301, 302, 303). Расчет основан на том что, температура на инфракрасных датчиках средняя по контролируемой зоне. Соответственно, может быть произведен аналитический расчет долей площади и преобразование к температуре.
Был проведен эксперимент, в котором заявленное устройство интегрировали в микроволновую печь. Контроллер был выведен за пределы корпуса и подсоединен к компьютеру. В камеру поместили тело в пределах зоны центрального основного пирометрического датчика.
Запустили измерительную систему и с помощью софтверного графопостроителя начали снимать показания по 7 датчикам (4 цветовые пирометрические и 3 термисторы). При комнатной температуре датчики показывали данные в одном температурном коридоре.
Запустили микроволновую печь и температура на инфракрасных элементах начала расти, а на термисторах оставалась без изменений. В определенный момент температура на одном из термисторов начала резко расти. Это означало, что тело попало в зону термистора или произошел сбой. Оказалось, что объект оплавился и начал вытекать за пределы базовой контрольной зоны.
На следующем этапе эксперимента на графопостроитель вывели показания только вычисляемых зон и заменили объект на композиционную массу, поверхность которой состояла из неоднородных композиционных частей. При комнатной температуре графики находились в одном диапазоне, но после запуска генератора СВЧ-излучения графики по зонам стали резко изменяться с разной интенсивностью в зависимости от поверхности материала, который попадал в контрольную зону.
Заявленное устройство обеспечивает поверхностный контроль температуры в неоднородных объектах, без контакта с контролируемым объектом, не зависит от поглощающей способности света тела и может формировать количество контрольных зон на объекте, превышающее количество измерительных элементов. В результате повышается точность и информативность при измерении температуры любых тел, которые попадают в базовую контрольную зону, а также увеличивается безопасность благодаря возможности анализа отклонения тела от базовой контрольной зоны.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных существенным признакам заявленного устройства, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленного устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанные автором технические результаты. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Несмотря на то, что заявленное изобретение показано и описано со ссылкой на его определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и чертежей.