Устройство для измерения температуры объекта Советский патент 1993 года по МПК G01K11/12 

ел

С

Использование: термометрия объектов, работающих под высоким напряжением в зоне воздействия электромагнитных полей, в условиях пожаро-взрывоопасного производства. Сущность изобретения: в корпусе размещены термочувствительный элемент (ТЧЭ) на основе двухкомпонентной оптически неоднородной смеси веществ с различными температурными коэффициентами показателей преломления, положительная линза в виде четвертьволнового градана и зеркало. Градан установлен в контакте своими торцами с ТЧЭ и зеркалом. На боковую поверхность градана нанесено светопогло- щающее покрытие. Корпус может быть выполнен в виде болта. Источник света совмещен с вторичным прибором. 1 з.п. ф- лы, 2 ил.

Изобретение относится к области термометрии, а именно к изооптическим термодатчикам, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры технологического оборудования и других объектов в условиях пожаро-взрывоопасного производства, объектов, работающих под высоким электрическим напряжением в зоне воздействия электромагнитного поля (включая СВЧ-диапазон), и иных условиях, затрудняющих либо исключающих непосредственный электрический (механический) контакт измерительной аппаратуры (оператора) с контролируемым объектом.

Цель изобретения - повышение эффективности устройства за счет увеличения ди- станционности измерения при одновременном снижении инерционности.

На фиг.1 показано устройство и ход лучей при измерении температуры, общий

вид; на фиг.2 и 3 - конструктивные модификации.

Устройство для измерения температуры содержит положительную линзу в виде четвертьволнового градана 1, на торцевой поверхности которого, обращенной к источнику света 2, помещен ТЧЭ на основе оптически неоднородной смеси в виде плоскопараллельного слоя 3, на противоположную торцевую поверхность градана нанесено зеркально отражающее покрытие 4; на боковую поверхность градана нанесено светопоглощающее покрытие 5. Термочувствительный элемент заключен в корпус 6, который выполнен в виде болта с шестигранной головкой. Корпус термочувствительного элемента (см. фиг.З) выполнен в виде гильзы с фланцем, в котором имеются крепежные отверстия. ТЧЭ 3 в корпусе 6 установлен на объекте 7 (к примеру, ввинчен

00

ел ю ел

со

в токоподводящую шину электрораспределительной системы). Источник света 2 выполнен на основе лампы накаливания 8 и коллиматорной линзы 9. Источник света 2, удаленный от объекта, обеспечивает парал- лельный пучок света 10, направляемый на ТЧЭ 3. Достигнув термочувствительного элемента, световой пучок 10 проходит сквозь оптически неоднородную смесь 3 и фокусируется граданом 1 на его задней тор- цевой поверхности. Отразившись от зеркального покрытия 5, нанесенного на эту поверхность, свет возвращается в градан 1, проходит сквозь него, вновь пронизывает оптически неоднородную смесь 3, и в виде параллельного пучка света 11 возвращается к источнику света 2.

Проходя сквозь оптически неоднородную структуру 3. пучок 10 распадается на две световые составляющие. Одна из них сформирована светом узкого спектрального состава, для которого совпадают показатели преломления компонентов смеси при данной температуре ТЧЭ, совпадающей с температурой контролируемого объекта 7. Этот свет, в соответствии с законами геометрической оптики, фокусируется граданом на торцевой поверхности, отражается зеркалом 4. На.обратном пути свет преобразуется четвертьволновым граданом 1 вновь в параллельный пучок, который вторично беспрепятственно проходит сквозь смесь 3 и в виде параллельного пучка 11 возвращается к источнику света 2.

Вторая составляющая включает в себя свет, рассеянный оптически неоднородной структурой 3 вследствие различия показателей преломления ее компонентов. Рассеянный свет частично поглощается светопоглощающим покрытием 5 на боко- вой поверхности градана 1, частично выхо- дит из ТЧЭ 3, отразившись от зеркала 4 и испытав повторное рассеяние на оптически неоднородной структуре. Выходной рассеянный световой поток распределен в преде лах широкого телесного угла и на обратном пути источника света 2 не достигает.

При этом термочувствительный элемент визуально наблюдается как равномерно окрашенный диск, цвет которого однозначно определяет температуру контролируемого объекта. При изменении температуры изменяется длина волны света, для которого сов- падают показатели преломления компонентов изооптической структуры, со- ответственно изменяются спектральный со- став светового пучка 11 и цвет термочувствительного элемента.

Заключение ТЧЭ в корпус 6, выполненный в виде элемента его крепления к объекту, улучшает тепловую связь между ними. При дистанционных измерениях надежный контакт ТЧЭ с объектом особенно важен из-за ограничения доступа к объекту в про- цессе измерения температуры, что, собственно, и заставляет прибегнуть к дистанционным измерениям. Кроме того, уменьшение термического контактного сопротивления между объектом и термочувст- вительным элементом способствует повышению точности измерения температуры.

Исследование апертурных характеристик термочувствительных элементов (см. фиг.2 и 3) показало, что они обеспечивают световозвращение при изменении угла падения на них света в пределах широкого телесного угла - 0.5 рад, что существенно упрощает наведение вторичного прибора на удаленный к объекту термочувствительный элемент, увеличивая дистанционность измерений.

Кроме того, предложенное устройство не боится вибрации, характерной для многих объектов, поскольку градан фокусирует световой пучок на своей торцевой поверхности, в результате вибрация не приводит к расфокусировке ТЧЭ.

Вторичный прибор, совмещенный с источником света, легко наводится на термочувствительный элемент с руки. Достаточно,.чтобы световой пучок попал на термочувствительный элемент, и автоматически выходной световой сигнал последнего направляется к вторичному прибору. Измерение температуры основано на. определении вторичным прибором длины волны в выходном световом пучке либо регистрации цвета, наблюдаемого на экране прибора изображения ТЧЭ, путем сравнения его с контрольным регулируемым образцом цвета, выполненным, например, на основедифракционной решетки.

При использовании предложенного устройства для измерения температуры дистанционность измерений увеличивается многократно и достигает 20-30 м при одновременном упрощении процесса измерения и сокращения его продолжительности.

Существенным достоинством предложенного устройства является его миниатюрность. Размеры устройства определяются, в основном, габаритами градана: диаметр - 1,5 м, длина 7 мм. Это обеспечивает снижение инерционности, а также позволяет контролировать температуру участка на поверхности объекта диаметром примерно 2 мм при дистанционности измерений в несколько десятков метров. При таких дистанциях пространственное разрешение, к

примеру инфракрасных радиометров, значительно ниже: у одного из лучших образцов зарубежных радиометров марки Igermopolnt фирмы Ада минимальный диаметр контролируемого пятна при дис- танционности измерений 5 м составляет 130 мм.

Увеличение дистанционности измерения температуры может быть реализовано лишь благодаря тому, что заявленное уст- ройство направляет выходной сигнал точно по той же траектории, что и падающий. Это позволяет скомпенсировать оптические неоднородности в окружающей атмосфе- ре - турбулентность, восходящие тепловые потоки и т.д., оказывающие значительное искажающее влияние при больших дистанциях на распространяющиеся световые сигналы. Поскольку время, необходимое для прохождения светового сигнала к термочувствительному элементу и обратно к источнику света ничтожно мало, в окружающей атмосфере не успевают произойти ощутимые изменения. В результате искажение прямого хода луча полностью компенсируется при обратном его ходе. Это, конечно, относится только к полезному световому сигналу ТЧЭ, а не к рассеянной им световой составляющей выходного сигнала, у кото- рой прямая и обратная траектории существенно различны. Это также является

достоинством предложенного устройства для измерения температуры.

Отсутствие воздушной полости внутри термодэтчика улучшает теплообмен и, соответственно, его теплофизические характеристики.

Формула изобретения

Фиг.2

ФигЗ