Способ дистанционного измерения температуры и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01J5/12 

Изобретение относится к дистанционному измерению температуры может быть использовано, в частности, для измерения температуры объектов, нагреваемых электромагнитными волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

Цель изобретения - повышение точности и автоматизация дистанционного измерения температуры.

Предлагаемые операции по получению информации о температуре изооптического датчика, заключающиеся в освещении изооптического датчика монохроматическим светом с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания изооптического датчика, смещению частотным модулятором длины волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания термодатчика в коротковолновую область спектра и регистрации средней длины волны монохроматического света в совокупности с из- вестными признаками способствует повышению точности и позволяют автоматизировать дистанционный процесс измерения температуры.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для дистанционного измерения температуры.

Устройство содержит источник белого света 1, монохроматор 2 с блоком перестройки длины волны 3, электрооптический частотный модулятор 4. светоделительный кубик 5. По одной оптической оси кубика 5 расположены волоконный световод б, изо- оптический датчик 7, закрепленный на контролируемом объекте 8, а по другой

00 KD 00 СП

со ю

OJ

оптической оси - щелевая диафрагма 9, фотоприемник 10,полосовой усилитель11, фа- зочувствительный выпрямитель 12 и фильтр нижних частот 13. Кроме того оно содержит последовательно соединенные генератор электрических колебаний 14, квадратурный фазовращатель 15 и двухполюсный автоматический переключатель 16, делитель 17 и отсчетно-регистрирующий блок 18. При этом выход фильтра нижних частот 13 соединен с управляющим входом блока перестройки длины волны света 3, а выходы квадратурного фазовращателя 15 через двухполюсный переключатель 16 соединены с управляющими входами олектроопти- ческого модулятора 4. К выходу фотоприемника 10 дополнительно подключен вольтметр 19.

Предлагаемый способ основан на зависимости интенсивности светопропускания изооптического датчика, содержащего оптически неоднородную двухкомпонентную систему, от температуры объекта, на котором он установлен. На фиг. 2 зависимость центральной длины волны контура пропускания изооптического датчика от его температуры (температурно-спектральная характеристика). На фиг. 3 и фиг. 4 показаны зависимости интенсивности света на выходе изооптического датчика и выходного напряжения фотоприемника от длины волны и положения центра контура пропускания изооптического датчика в спектральной области.

У изооптического датчика, нагретого до температуры Т, для света с длиной волны АО (фиг. 3), для которой совпадают показатели преломления его компонентов, светопро- пускзние близко к 1. При изменении длины волны светопропускание датчика уменьшается как при увеличении, так и уменьшении длины волны. Благодаря этому спектральная характеристика изооптического датчика является симметричной относительно центральной длины волны Ач. Таким образом, изооптический датчик, компоненты которого близки по показателю преломления и отличаются его температурной зависимостью и средней дисперсией, отличается спектральной избирательностью и является поло- совым светофильтром, контур пропускания которого смещается по спектру в зависимости от температуры. Полуширина полосы пропускания контура спектральной характеристики изооптического датчика ДА изменяется в зависимости от спектрального положения АО, а характер ослабления от изменения длины волны света резче проявляется на участках спектральной характе0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ристики, соответствующих полуширине ее полосы пропускания. Таким образом, наибольшая крутизна контура спектральной характеристики имеет место на краях полосы пропускания изооптического датчика.

При изменении температуры изооптического датчика изменяется его центральная длина волны АО а соответствии с температурно-спектральной характеристикой (фиг.2) отражающей функциональную зависимость смещения контура пропускания светофильтра-датчика от температуры. С повышением температуры монотонно уменьшается центральная длина волны АО контура пропускания, Соответственно сужается и полуширина полосы пропускания. Однако симметричный характер контура спектральной характеристики сохраняется.

Для измерения температуры объекта 8 освещают изооптический датчик 7, расположенный на этом объекте, параллельным лучом монохроматического света от источника 1 с монохроматором 2. Выделяют отраженный от датчика 7 световой поток и преобразуют его фотоприемником 10 в электрическое напряжение, которое измеряют милливольтметром 19.

Вначале смещают длину волны А монохроматического света частотным модулятором 4 на полуширину полосы пропускания изооптического датчика в длинноволновую область спектра AI А + ДА (фиг. 3) и измеряют первое значение выходного напряжения фотоприемника 10 Ui. Затем смещают длину волны монохроматического света модулятора 4 на полуширину полосы пропускания изооптического датчика в коротковолновую область спектра Аа А - ДА. Измеряют милливольтметром 19 выходное напряжение фотоприемника U2. Сравнивают напряжения Ui и 1)2 и получают разностное напряжение Д U Ui-U2. Изменяют длину волны монохроматического света монохроматором 2 в направлении уменьшения разности напряжения (). В процессе регулирования длины волны и сравнений напряжений Ui и L/2 достигают равенства сравниваемых напряжений Ди 0 (фиг.4). По средней длине волны монохроматического света

,Ai -J-A2 5

Хср --я- o определяют температуру датчика по его температурно-спектральной характеристике (фиг.2).

Устройство для дистанционного измерения температуры работает следующим образом.

Из белого света источника 1 монохро- матором 2 выделяется луч с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания датчика 7, что в начале настройки контролируется по максимальному показанию милливольтметра 19. Длина волны монохроматического света смещается о спектральной области на заданное значение ДА частотным модулятором 4 в зависимости от частоты вращающегося электрического по- ля, в котором находится электрооптический кристалл модулятора. Вращающееся электрическое поле формируется электрическим напряжением генератора 14. расщепляется на два квадратурных напряжения фазовра- щателем 15. которые через переключатель 16 поступают на управляющие входы частотного модулятора 4.

Направленные вращения электрического поля определяются порядком чередова- ния фаз квадратурных напряжений на входах модулятора 4. При одном положении переключателя 16 на входе электроогттиче- ского частотного модулятора 4, работающего в полуволновом режиме, формируется оптический луч со смещенной длиной волны в одну сторону, например, в длинноволновую область спектра. При противоположном положении переключателя 16 из-за изменения порядка чередования фаз квад- ратурных напряжений на противоположное, а следовательно, изменяя направления вращения электрического поля, образуется оптический луч со смещением длины волны в другую сторону (коротковолновую область спектра).

В результате периодической работы автоматического переключателя 16, который управляется прямоугольным напряжением низкой частоты с выхода делителя 17 часто- ты, периодически изменяется направление смещения длины волны монохроматического света. Величина смещения задается частотой генератора 14 и определяется полушириной полосы пропускания изоопти- ческого датчика 7. расположенного на контролируемом объекте 8. Периодически смещаемый по длине волны луч света поступает через светоделительный кубик 5 и волоконный световод 6 на изооптический датчик 7. На основании этого датчика имеется зеркальное покрытие, в результате чего луч света проходит сквозь него дважды, отражаясь от зеркала. Световой луч, прошедший сквозь датчик разделяется кубиком 5 и направляется через щелевую диафрагму 9 на фотоприеник 10.

При несовпадении среднего значения длины волны луча света с центральной длиной волны контура светопропускания изооптического датчика 7 на выходе фотоприемника 10 возникает переменная составляющая напряжения. Это напряжение усиливается усилителем 11 низкой частоты и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 12. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 13 нижних частот и воздействует на блок перестройки длины волны монохроматора 2, Полярность выпрямленного напряжения выбирают такой, чтобы при перестройке длины волны монохроматора последняя стремилась к совладению с центральной длиной волны изооптического датчика. При совпадении длин волн монохроматора 2 и датчика 7 исчезает переменная составляющая напряже- ния на выходе фотоприемника 10. а положение регулирующего элемента монохроматора регистрируется отсчетно-регист- рирующим блоком 18. В процессе контроля температуры объекта 8 изменяется центральная длина волны контура светопропускания изооптического датчика 7 и на выходе фазочувствительного выпрямителя 12 появляется напряжение рассогласования той или иной полярности в зависимости Ът направления изменения температуры объекта 8. Блоком 3 устанавливается новое значение длины волны монохроматического света, которое совпадает с -центральной длиной волны датчика, а соответствующее положение регулируемого элемента монохроматора регистрируется блоком 18.

Нестабильность чувствительности и неизбежный дрейф нуля фотоприемника, а также нестабильность усилителя не влияет на нуль следящей системы монохроматра. что и обеспечивает высокую точность и автоматизацию дистанционного измерения температуры.

Предлагаемый способ реализован в опытной камере СВЧ сушки древесины ценных пород для изготовления мебели, в которой известные способы измерения температуры {термоэлектрический, термо- резистивный и др.) неприменимы из-за нарушения структуры СВЧ поля камеры тохопроводящими элементами конструкции термопреобразователей. Температура нагрева древесины находилась в пределах 20...85°С. Двухкомпонентный изооптический датчик закреплялся в диэлектрическом держателе на объекте контроля внутри СВЧ камеры и соединялся оптоволоконной линией с измерительным блоком. При измерении по заявляемому способу верхнего значения температуры (85°С) центральная длина волны спектральной характеристики датчика шириной 32 нм оказалась равной 668 нм с точностью ± 1 нм, что соответствует относительной погрешности определения длины волны ± 0,15%С и абсолютной погрешности определения температуры ±13°С. Нижней границе температурного диапазона соответствует центральная длина волны спектральной характеристики датчика 557±1 нМ. Полученная точность измерения температуры подтверждена методом образцового термометра сопротивления при выключенном СВЧ генераторе (на время менее 30 с для установки образцового термометра).

Предложенный способ измерения температуры позволяет значительно повысить точность измерения, так как при нем используется высокоточный критерий настройки монохроматора по нулевому значению разности сравниваемых напряжений, полученных при максимальной крутизне контура спектральной характеристики изооптического датчика. При этом исключается влияние нестабильности параметров фотоприемника источника света, оптического фона и других влияющих -факторов.

Благодаря получению информации о знаке разности сравниваемых напряжений можно сформировать управляющий сигнал для перестройки монохроматора при любом соотношении длины волны монохроматора и центральной длины волны контура спектральной характеристики изооптического датчика.

Формула изобретения 1. Способ дистанционного измерения температуры, заключающийся в том, что изооптический датчик в виде оптически неоднородной системы освещают параллельным пучком света, выделяют отраженный от термодатчика световой поток, преобразует его фотоприемником в электрическое напряжение,- которое измеряют, изменяют длину волны монохроматического света до совпадения с центральной длиной волны контура спектральной характеристики изооптического датчика, по которой определяют температуру датчика, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерения, изооптический датчик освещают монохроматическим светом с длиной волны, находящейся в пределах полосы

пропускания изооптического датчика, затем смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания изооптического датчика в длинноволновую

область спектра, измеряют первое выходное напряжение фотоприемника, далее смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания термодатчика в коротковолновую область

спектра, измеряют второе выходное напряжение, фотоприемника, сравнивают первое и второе напряжения, изменят длину волны монохроматического света до достижения равенства сравниваемых напряжений, регистрируют среднюю длину волны монохроматического света, по которой определяют температуру изооптического датчика.

2. Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее источник света, монохроматор с блоком перестройки длины волны, светоделитель- ный кубик, по одной оптической оси которого расположены волоконный световод с изооптическим датчиком, подругой оптической оси - фотоприемник с щелевой диафрагмой, подключенный через полосовой усилитель к измерительному блоку, и от- счетно-регистрирующий блок, соединенный с блоком перестройки, отличающееся

тем. что оно дополнительно содержит электрооптический частотный модулятор, расположенный между монохроматором и светоделительным кубиком, делитель частоты, последовательно соединенные генератор электрических колебаний, квадратурный фазовращатель и двухполюсный автоматический переключатель и последовательно соединенные фазочувст- вительный выпрямитель и фильтр нижних

частот, выходом соединенный с управляющим входом блока перестройки длины волны монохроматора, при этом управляющие входы электрооптического частотного модулятора подключены к автоматическому

двухполюсному переключателю, управляющий вход которого соединен с управляющим входом фззочувствительного выпрямителя и подключен через делитель частоты к генератору электрических колебаний| а вход фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом полосового усилителя.

I

Использование: дистанционное измерение температуры объектов направленными электромагнитными волнами сверхвысоких частот. Сущность изобретения: изооптиче- ский датчик (ИД) освещают монохроматическим светом с длиной волны, находящейся в пределах полосы пропускания, затем смещают длину волны монохроматического света на полуширину полосы пропускания в длинноволновую область спектра, измеряют первое выходное напряжение фотоприемника. Сравнивают первое и второе напряжения, изменяют длину волны монохроматического света до достижения равенства сравниваемых напряжений, регистрируют среднюю длину волны монохроматического света, по которой определяют температуру ИД, а следовательно и контролируемого объекта. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. С/1 С

tpts&f

фие. 2

я j лвя pese.3

Л0 #1

Ф&&4Я