Устройство для измерения потока лучистой энергии Советский патент 1993 года по МПК G01J5/22 

Изобретение относится к области ИК- спектроскопии, радиационной пирометрии и может быть использовано в спектральной технике, в устройствах контроля и измерения потока лучистой энергии, в частности, измерения температуры нагретых объектов по излучению и является усовершенствованием известного устройства.

Для отделения полезного сигнала термо- . ЭДС от разности потенциалов, возникающей в результате пропускания компенсирующего тока через чувствительный элемент приемника излучения, и для того, чтобы исключить шунтирование входа усилителя выходом генератора тока, чувствительный элемент включен в одно из плеч сбалансированного моста.

Недостатком такого устройства является то, что оно имеет высокую погрешность измерений потока лучистой энергии в пределах 10% и связано с трудоемким процессом градуировки термоэлектрического приемника излучения.

Высокая погрешность измерений обусловлена тем, что известное устройство не позволяет учитывать все причины погрешности, Ибо при регистрации потока лучистой энергии измеряется только один параметр

(величина компенсирующего тока) из всех па- раметров реально отражающих термодинамические процессы в термоэлементе, Во-первых, не учитывается мощность, выделяемая на электрическом сопротивлении термоэлемента, которая обуславливает параболическую зависимость количества тепла, поглощаемого на епаях термоэлемента в результате эффекта Пельтье, от величины компенсирующего тока. Во-вторых, не принимается во внимание температурные зависимости коэффициента Пельтье, коэффициента термрЭДС и сопротивления термоэлемента, а также временную нестабильность свойств термоэлектрического материала чувствительного элемента приемника излучения. В реальных условиях эксплуатации рабочая температура термоэлектрического приемника излучения изменяется в широком диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды. При этом величина коэффициента Пельтье (аТ) существенно изменяется и вносит в измерения потока лучистой энергии большие погрешности. Поэтому чувствительный элемент известного устройства обязательно должен градуироваться для большого ряда значений его рабочих температур с шагом не более

00

о

Сл VJ

4 00

одного градуса. Это следует из анализа выражения для максимального количества тепла, обусловленного эффектом Пельтье в экстремуме функции (1)

Qr

МЈ

2RT

(2)

Так, при изменении рабочей температуры приемника излучения на 30°, 15°, 5°, 1° погрешность измерения Qmax соответственно составит 20%, 10%, 3,3% и 0,66%. При этом градуировка становится трудоемким процессом и проводится с применением дорогостоящих и сложных метрологических средств измерения. Таким образом, измерение потока лучистой энергии известным устройством низкой погрешностью невозможно без использования системы стабилизации его рабочей температуры, что лишает это устройство основного преимущества - отсутствие теплообмена с окружающей средой.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерений потока лучистой энергии и упрощение процесса градуировки термоэлектрического приемника излучения.

Это достигается тем, что в устройство для измерения потока лучистой энергии введены двухпозиционный переключатель, содержащий вход и два выхода, и блок градуировки, содержащий прибор измерения электрического сопротивления, вход которого включен на термоэлектрического приемника излучения, первый и второй нормально замкнутые ключи, включатель и базовый излучатель энергии, вход которого через первый нормально замкнутый ключ и включатель соединен с выходом источника тока, при этом выход второго нормально замкнутого ключа соединен с входом фазо- чувствительного исполнительного механизма, выход которого включен на вход генератора тока последовательно соединенного с измерительным прибором и термоэлектрическим приемником излучения, .выход которого включен на вход усилителя тока, причем вход двухпоэиционного переключателя соединен с выходом усилителя тока, один выход переключателя соединен с входом фазочувствительного исполнительного механизма, а другой выход параллельно соединен с входом второго нормально замкнутого ключа и с входами обмоток выключения первого и второго нормально замкнутых ключей.

Предлагаемое устройство позволяет измерять оптимальный ток компенсации (I0),

соответствующий экстремуму функции (1). а с учетом известного соотношения

i Т lo -R7

и коэффициент Пельтье аТ, сопротивление термоэлемента RT и компенсирующий ток I, которые определяют величину потока лучистой энергии при полном контроле всех термодинамических процессов, протекающих в термоэлементе при прохождении через него компенсирующего тока. В данном случае поток лучистой энергии определяется по формуле

GHoRrl1

I2RT

(3)

Предельная погрешность измерений

потока лучистой энергии предлагаемым устройством определяется только суммарной

погрешностью средств измерения величин

RT, lo и I, ибо остальные погрешности измерения корректируются благодаря контролю указанных параметров при работе этого устройства в режимах градуировки и измерения. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. В состав

данного устройства (см. чертеж) входят: цепь измерения и блок градуировки.

Цепь измерения состоит из термоэлектрического приемника 1, усилителя тока 2, фазочувствительного исполнительного механизма 3, генератора тока 4, измерительного прибора 5, последовательно соединенных двухпозиционным переключателем 6, включением его входа с выходом И при работе предлагаемого устройства в режиме измерения.

Блок градуировки содержит прибор измерения электрического сопротивления 7, вход которого включен на выход термоэлектрического приемника излучения 1,базовый

излучатель энергии 8, вход которого соединен через первый нормально замкнутый ключ 9 и выключатель 10с выходом источника тока 11, и второй нормально замкнутый ключ 12. При этом выход второго нормально

замкнутого ключа 12 соединен с входом фазочувствительного исполнительного механизма 3, выход которого включен на вход генератора тока 4, последовательно соединенного с измерительным прибором 5 и термоэлектрическим приемником излучения 1, выход которого включен на вход усилителя тока 2, причем вход второго нормально замкнутого ключа 12 и входы обмоток выключения первого и второго нормально замкнутых

ключей 9 и 12 параллельно соединены с выходом усилителя тока 2 двухпозицион- ным переключателем 6, включением его входа с выходом К при работе предлагаемого устройства в режиме градуировки.

Устройство (см. чертеж) работает в двух режимах: режим градуировки и режим измерений. Режим работы устанавливается вручную двухпозиционным переключателем 6 (положение К - градуировка, положение И - измерение).

Предлагаемое устройство работает в. следующей последовательности.

Сначала при отсутствии облучения приемной площадки термоэлектрического приемника излучения 1 прибором 7 измеряется его электрическое сопротивление.

Затем двухпозиционный переключатель 6 переводится в положение К и включается включатель 10. После этого устройство работает в режиме градуировки. В данном случае на вход базового излучателя энергии 8 подается напряжение от источника тока 11 через включатель 10 и первый нормально замкнутый ключ 9. Второй нормально замкнутый ключ 12, выход которого включен на вхсД фазочувствительного исполнительного механизма 3, а вход ключа 12 соединен с выходом усилителя тока 2 через двухпозиционный ключ б, обеспечивает работу предлагаемого устройства в режиме градуировки следующим образом.

Поток энергии, падающий от базового излучателя 8 и возрастающий по величине во времени, вызывает нагрев приемной площадки термоэлектрического приемника излучения 1 и появление на входе и выходе усилителя тока 2 сигнала положительной полярности, включающего через двухпозиционный переключатель 6 и второй нормально замкнутый ключ 12 фазочувствительный исполнительный механизм 3, управляющий генератором тока 4, с выхода которого через термоэлектрический приемник излучения 1 пропускается ток, возрастающий по величине во времени. При этом в каждый момент времени, благодаря включенной отрицательной обратной связи, обеспечивается полная, вплоть до экстремума функции (1), сбалансированность потока лучистой энергии, падающего от базового излучателя 7, количеством тепла, поглощаемым на спаях термоэлемента в результате эффекта Пельтье.

Время градуировки термоэлектрического приемника излучения 1 зависит от скорости нагрева базового излучателя энергии 8, которая определяется его мощностью и теплоемкостью и ограничивается возможностью фазочувствительного исполнительного механизма 3 обеспечивать

стопроцентную отрицательную обратную связь в результате эффекта Пельтье. Однако при работе данного устройства в режиме градуировки, величина lo может быть эаре- гистрирована только в случае превышения потока энергии от базового излучателя 8 над максимальным количеством тепла, обусловленным эффектом Пельтье и предварительно оцениваемым по формуле (2), используя

0 справочные данные или данные измерений коэффициента термоЭДС и электропроводности материала термоэлемента.

Как только величина компенсирующего тока достигнет значения 0 нарушается сба5 лансированность между потоком энергии от базового излучателя энергии 8 и количеством тепла, обусловленного эффектом Пельтье. При этом приемная площадка нагревается, и на выходе термоэлектрического

0 приемника 1 появляется сигнал положительной полярности. Этот сигнал, усиленный усилителем 2 синхронно подается на обмотки отключения первого и второго нормально замкнутых ключей 9 и 12. В результате этого

5 отключается базовый излучатель энергии 8 от источника тока 11. а фазочувствительный исполнительный механизм 3 - от генератора тока 4. В этот момент измерительным прибором 5 регистрируется величина тока, со0 ответствующая значению 0.

После градуировки термоэлектрического приемника 1, переключатель б переводится в положение И, при котором устройство работает в режиме измерения. При этом, последовательность его работы соответствует последовательности работы известного устройства. В результате измеряется величина компенсирующего тока (I),

0 при которой измеряемый поток лучистой энергии сбалансирован количеством тепла, обусловленным эффектом Пельтье. Подставляя замеренные значения RT, I0 и I в выражение (3), находим величину потока из5 лучения.

Использование новых элементов в устройстве, а именно: двухпозиционного переключателя и блока градуировки позволяет контролировать все параметры (a T, RT и I)

0 термодинамических процессов, реально протекающих в термоэлементе, и снизить таким образом погрешности измерений потока лучистой энергии до величины суммарной погрешности средств измерения

5 величин RT, 0.и I в пределах 1,0%.

Кроме того, значительно упрощается процесс градуировки термоэлектрического приемника излучения, который проводится без сложного метрологического обеспечения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для измерения потока лучистой энергии, включающее в себя последовательно соединенные термоэлектрический приемник излучения и усилитель, фазочув- ствительный исполнительный механизм, генератор тока и измерительный прибор, о т- пинающееся тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно содержит двухпозиционный переключатель и блок градуировки, включающий в себя прибор измерения электрического сопротивления, вход которого подключен к выходу термоэлектрического приемника излучения, пер0

вый и второй нормально замкнутые ключи, выключатель и базовый излучатель, вход которого через первый нормально замкнутый ключ и включатель соединен с выходом источника тока, при этом выход второго нормально замкнутого ключа соединен с входом фазочувствительного исполнительного механизма, причем вход двухпозици- онного переключателя соединен с выходом усилителя тока, один выход- с фазочувстви- тельным механизмом, а второй - с входом второго нормально замкнутого ключа и с входами обмоток выключения первого и второго нормально замкнутых ключей.

Использование: в ИК-спектроскопии, радиационной пирометрии. Сущность: в устройство введен блок градуировки, охваченный обратной связью, что не требует благодаря эффекту Пельтье контролировать абсолютное значение потока энергии от базового излучателя. Т ил.

Г

Ъ/юкградуироВки

Т