УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА, НАГРЕВАЕМОГО ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры объекта при облучении ионизирующим излучением потока высокоэнергетических электронов.
В качестве прототипа выбрано устройство, содержащее термопару, состоящую из двух электродов, соединенных в измерительный спай, располагаемый в контролируемой зоне, и блок регистрации электрического сигнала, соединенный со свободными концами электродов термопары, отличающееся тем, что оно содержит электрический мост в виде двух постоянных резисторов, у которых первые выводы подсоединены к свободным концам электродов термопары, а вторые выводы заземлены совместно в общей точке, при этом сопротивления резисторов выбраны из условия баланса мостовой схемы. (RU 121929 «Устройство для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим облучением»).
Недостатками данного технического решения являются:
1. При воздействии импульсного излучения в термопаре наводится паразитная ЭДС, переменная составляющая которой влияет на точность измерений.
2. Возникновение нелинейных эффектов (процессов детектирования переменного сигнала) в спае термопары, вследствие воздействия мощного ионизирующего излучения порядка единиц МэВ.
3. Влияние паразитных реактивностей блока регистрации на результаты измерений.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения температуры и устранение влияния дестабилизирующих факторов влияющих на результат измерения.
Согласно прототипу устройство для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением, содержит термопару, соединенную в электрический мост с двумя постоянными резисторами. В диагональных точках мостовой схемы расположены: измерительный спай и точка заземления; к другой диагонали подключен блок регистрации электрического сигнала.
cp
имп
Решение данной задачи достигается тем, что устройство для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением, также как в прототипе, содержит термопару, включенную по мостовой схеме, отличающееся тем, что точки подключения блока регистрации содержат фильтры нижних частот с одинаковой частотой среза, меньшей частоты следования импульсов f<f (фиг. 1).
1
2
Согласно полезной модели устройство содержит электрический мост в виде постоянных резисторов, в плечах которого установлены Г образные фильтры нижних частот, свободные выводы подключены к земле, т.е. параллельно резисторам подключены емкости соответственно С и С.  Сопротивления резисторов выбраны из условия (согласно прототипу) баланса мостовой схемы включения (фиг. 1):
x
2
y
1
R·R=R·R,
x
где R - сопротивление первого электрода термопары;
y
R - сопротивление второго электрода термопары;
1
R - сопротивление первого резистора;
2
R - сопротивление второго резистора.
cp
имп
cp
1
1
2
2
Величины емкостей выбирается из требуемой частоты среза фильтров, которая выбирается меньшей, чем частоты следования импульсов f<f и величин сопротивлений мостовой схемы, а именно 2π·f=(1/τ)=(1/C·R)=(1/C·R).
Повышение точности измерения температуры достигается путем устранения влияния наведенных в термопаре при воздействии ионизирующего излучения переменных составляющих, а также возникающих вследствие детектирования за счет нелинейных эффектов сигналов и компенсации паразитных реактивностей блока регистрации.
cp
имп
cp
1
1
2
2
cp
1,2
1,2
На фиг. 1 приведена схема устройства для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением. Устройство для измерения температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением, содержит термопару, состоящую из двух электродов 1 и 2, соединенных в измерительный спай 3, размещаемый в контролируемой зоне 4 (КЗ). Свободные концы электродов 1 и 2 подсоединены к блоку регистрации электрического сигнала 5 (БР) и электрическому мосту, состоящему из двух резисторов 6 и 7. Первые выводы резисторов 6 и 7 заземлены в общей точке совместно, вторые выводы подсоединены к свободным концам электродов 1 и 2 к которым так же подключаются емкости 8 и 9. Величины емкостей выбирается из требуемой частоты среза фильтров, которая выбирается меньшей, чем частоты следования импульсов f<f и величин сопротивлений мостовой схемы, а именно 2π·f=(1/τ)=(1/C·R)=(1/C·R). Такое подключение образует фильтр нижних частот с верхней граничной частотой 2π·f=(1/τ)=(1/C·R).
x
y
1
2
cp
имп
cp
1
1
2
2
Сопротивление R первого электрода 1 составило 31 Ом, сопротивление R второго электрода 2 составило 15 Ом. Свободный конец первого электрода 1 термопары в месте подсоединения к клемме блока регистрации (БР) заземлен через постоянный резистор 6 номиналом R=1 кОм. Из условий равновесия моста номинал резистора 7 составил R=484 Ом, через который заземляют свободный конец второго электрода 2 термопары. Расчет фильтров нижних частот проводят исходя из соотношений f<f и 2π·f=(1/τ)=(1/2·π·C·R)=(1/2·π·C·R).
Предложенное устройство работает следующим образом.
cp
Повышение температуры в контролируемой зоне 4 (КЗ) приводит к нагреванию измерительного спая 3 термопары. В результате чего возникает постоянная составляющая термоЭДС и паразитная переменная составляющая потенциала, наведенная импульсным излучением. Постоянная составляющая регистрируется блоком регистрации (БР). Вследствие того, что частота детектируемого импульсного сигнала лежит выше частоты среза фильтра f, то все паразитная переменная составляющая сигнала шунтируется на землю. Кроме этого, одинаковые за счет равенства частот среза фильтров набеги фазы на клеммах БР приводят к компенсации влияния реактивностей БР на результаты измерений.
1
2
Для проверки точности измерений температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением, проведено сравнение градуировочной характеристики хромель-алюмелевой термопары с измеренными значениями потенциалов. В качестве ионизирующего излучения использовали нагрев в пучке ускоренных электронов ускорителя ИЛУ-6. Параметры пучка электронов были следующими. Энергия электронов в пучке - 2 МэВ; ток пучка в импульсе - 600 мА; длительность импульса облучения - 500 мкс; частота следования импульсов облучения 15 Гц. Полоса среза ФНЧ выбрана 5 Гц. Рассчитанные значения емкостей составили C=31,83 мкФ, C=65,77 мкФ.
cp
имп
Результаты представлены в таблице 1. Видно, что измерение температуры объекта, нагреваемого ионизирующим излучением, от 100°С до 1000°С приводит к погрешности измерений до 7%. Введение в измерительным мост фильтров нижних частот с полосой среза f<f позволяет существенно снизить погрешность измерений температуры (до 0,25%).
Таблица 1
Температура Истинная T, °С
Напряжение на термопаре U, млВ
Напряжение на термопаре в импульсном режиме U, млВ
Температура измеренная термопарой в импульсном режиме T, °С
Погрешность, %
Напряжение на термопаре с ФНЧ U, млВ
Температура на термопаре с ФНЧ Т, °С
Погрешность, %
100
4,096
4,294
107,2994
6,80285
4,101
100,21
0,20956
150
6,138
6,302
155,476
3,52209
6,143
150,2
0,13316
200
8,138
8,317
203,8205
1,87446
8,139
200,05
0,02499
250
10,153
10,365
252,9568
1,1689
10,155
250,14
0,05597
300
12,209
12,438
302,6929
0,88965
12,215
300,23
0,07661
350
14,293
14,507
352,333
0,66216
14,296
350,16
0,04569
400
16,397
16,627
403,1967
0,79285
16,398
400,07
0,0175
450
18,516
18,736
453,7966
0,83662
18,52
450,18
0,03998
500
20,644
20,843
504,3484
0,86218
20,65
500,24
0,04798
550
22,776
22,921
554,2044
0,75864
22,778
550,12
0,02181
600
24,905
25,059
605,5
0,90834
24,908
601,18
0,19628
650
27,025
27,192
656,6756
1,01658
27,029
651,21
0,18581
700
29,129
29,316
707,6353
1,07899
29,132
701,13
0,16117
750
31,213
31,367
756,8436
0,90423
31,214
750,08
0,01067
800
33,275
33,369
804,8762
0,60583
33,279
801,17
0,14604
850
35,313
35,438
854,5163
0,52852
35,318
851,21
0,14215
900
37,326
37,495
903,8685
0,428
37,328
900,05
0,00556
950
39,314
39,603
954,4443
0,46565
39,315
950,08
0,00842
1000
41,276
41,621
1002,861
0,28527
41,278
1000,14
0,014