УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Советский патент 1970 года по МПК G01K11/14 

Устройство для измерения температуры огносится к области теплофизических измере«ий, а именно к устройствам для измерения температур по изменению окраски из мерительного элемента. Оно может быть дрименено во всех -случаях, когда необходимо непрерывное измерение температуры, например, в газовых и жидкостных средах, в узлах и устройствах радиоэлектронной аппаратуры, для измерения температуры деталей в полях ОВЧ, либо деталей, находящихся под высоким напряжением и т. д.

Известен ряд устройств для измерения температуры по .изменению окраски измерительного элемента (термоиндикаторы, поверхност1но-градиентные покрытия, устройства на основе дисперсионных фильтров типа Христиаисена и т. д.)

Недостатками известных устройств являются относительно низкая светосила измернтельного элемента, относительно высокая инерднонность измерительного элемента и невыоокая точность измерения.

Целью настоящего изобретения является повышение точности изм-ерения температуры и увеличение светосилы измерительного элем-ента.

Это достигается тем, что измерительный элемент описываемого устройства выполиен в вид« двух прозрачных нрямоугольных призм,

сложенных наклонными гранями, между которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем дреломления, зависящим от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось светового потока наклонена к плоскости входной грани призмы под предельным угло.м полного внутреннего отралгения.

Предлагаемое устройство показано на чертеже, где / - источник белого света, 2 - прозрачные прямоугольные призмы, пространство между которыми заполнено веществом 3, 4 - интерференционный клиновидный фильтр.

Призмы измерительного элемента изготовлены из .какого-либо прозрачного твердого .материала, например стекла, кристалла, полимера. В качестве вещества 3 может быть выбра.на любая органическая либо неорганическая жидкость, показатель преломления которой зависит от длины волны и температуры. Вместо жидкости также может быть использован слой прозрачного полимерного материала и т. д.

На измерительный элемент от источника 1 света падает коллинеарный пучок белого света под таким углом, чтобы ,на границу призма- вещество 3 он падал под углом, близки.м к углу Брюстера.

Принцип действия измерительного элемента предлатаемого устройства основан на явлении полного внутреннего отражения. Есл.и выбрать эти вещества (например, стекло-|+ жидкость) так, чтобы кривые дисперсии их 21 ф1(л) и «2 Ф2(Я) пересекались для некоторой длины волны icneKTpa белого света, то на границе призма-вещество 3 полное внутреннее отражение возможно лишь для той части спектра, для которой показатель дреломления стекла больше, чем .показатель преломления жидкости, т. е. там, где кривая дисперсии жидкости лежИт .ниже кривой дисперсии .стекла, например в длинноволновой части Спектра при условии, что свет падает со стороны .стекла в жидкость. Если при этом угол падения светового пучка выбран так,

чтобы з1пф при температуре i°C, то

«1 (з)

вся часть .спектра, для которой , испытывает полное внутреннее отражение при этой температуре.

Поскольку темлературный коэффициент показателя преломления жидкости отрицательный и более чем на два порядка больше, чем у стекла, то при изменении, предположим, понижении температуры, .кривая дисперсии жидкости поднимается, оставаясь практически параллельной самой себе, в то время, как кривая дисперсии стекла не изменит своего положения. В этом случае при сохранении прежнего угла падения .граница полного внутреннего отражения сместится в сторону коротких длин волн и уже большая часть спектра () не пройдет через измерительный элемент яри температуре /2°С.

Угол падения свето.вого пучка на границу стекло-жидкость следует выбирать близким к 90°, поскольку при этом повышается чувствительность измерительного устройства.

п-- (л)

Действительно, при этом отношение ,

«1 (/-)

соответствующее границе полного внутреннего отражения, о.казывается близким к единице, и волновая граница полного внутреннего отражения располагается неподалеку от длины волны, для которой наблюдается совпадение показателей преломления стекла и жидкости и которой соответствует максимальная интенсивность проходящего измерительный элемент света (отсутствует отражение на границе стекло-жидкость).

Это приводит к повышению контрастности границы «одного внутреннего отражения (свет-темнота), т. е. к возрастанию чувствительности устройства. Однако выбор угла надения светового пучка на границу стекложидкость близким ;к 90° пр.и плоскопараллельной форме пластин приводит к тому, что угол падения светового .пучка на измерительный элемент та,кже должен быть близким к 90°. Это |Обстоятельст1ВО приводит к ipocTy коаффициента. отражения светового пучка от границы воздух- стекло (пр.и изменении угла падения от0° до 90° коэффициент отражения

изменяется от О до 1), и светосила измерительного элемента уменьшается. Выбор пластин в форме прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями, .между которыми находится слой жидкости, при соответствующем выборе ОСтрого угла призл1ы позволяет одновременно получить угол падения свегового пучка на границу .стекло-жидкость, близкий к 90°, и угол падения светового пучка на границу воздух-стекло, близкий к 0°. Такой измерительный элемент характеризуется одновременно высокой чувствительностью и большой светосилой. Измерение температуры с помощью вышеописанного измерительного элемента .производится визуально по изменению его цвета от более красного до более фиолетового при понижении температуры либо, например, с помощью интерференционного клиновидного

светофильтра 4, расположенного за измерительным элементом и на который падает свет, прошедший сквозь измерительный элемент при данной температуре. Освещенной части интерференционного клиновидного фильтра соответствует часть спектра белого света, прошедшего сквозь измерительный элемент при данной температуре, затемненной чаСти - часть спектра, испытывающая полное внутреннее отражение. При понижении температуры граница освещенности смещается в сторону коротких длин волн и при предварительной градуиров.ке фильтра в значениях температуры служит указателем при отсчете температуры.

Аналогичный измерительный элемент может быть построен и на основе .веществ (твердого и жидкого), кривые дисперсии .которых не пересекаются. Таким образом оказывается, что:

1) световой пучок дважды пересекает границу стекло-жидкость, проходя сквозь измерительный элемент предлагаемого устройства, в отличие от устройСтв с дисперсионными фильтрами типа Христиансена, в котором

на пути О.СНОВНОГО луча в измерительном элементе оказывается большое количество аналогичных границ. В связи с этим светосила измерительного элемента предлагаемого устройства больще, что позволяет работать с

источниками света меньшей мощности.

2)Если при измерении температуры в жид.костных потоках .в .качестве жидкой компоненты измерительного элемента использовать эту жидкость, протекающую в промежутке

между двумя, например, стеклянными призмам.и, то, поскольку темлературозависимой компонентой является жидкая компонента, с помощью предлагаемого устройства можно аб|солютно безынерционно измерять температуру протекающей жидкости.

3).ПогреШНОсть .измерения предлагаемого уст.ройства для измерения температуры определяется, в основном, спектральной шириной границы полного внутреннего отражения, и

может быть сделано гораздо меньше погрешности измерения устройства с дисперсионными оветофильтрами, определяемой, в основном, шириной полосы пропускания измерительного элемента.

Предмет изобретения

Устройство для измерения температуры, содержаш,ее измерительный элемент, установленный в контролируемой .среде, и источник белого света ic диафрагмой, отличающееся тем, что, € целью повышения точности измерения температуры п увеличения светосилы устройства, измерительный элемент выполнен в виде двух прозрачных прямоугольных призм, сложенных наклонными гранялт, между которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем преломления, зави:сяш.им от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось светового потока наклонена к плоскости входной грани призмы под предельным углом полного внутреннего отран ення.