Устройство для измерения потока лучистой энергии Советский патент 1979 года по МПК G01J5/22 

Устройство относится к области радиационной пирометрии и может быть использовано для измерения потоков лучистой энергии, в частности, измерения температуры нагретых объектов по излучению.

Известны устройства для измерения потока лучистой энергии путем преобразования ее в электрический сигнал и .измерения величины этого сигнала. К ним относятся термоэлементы, болометры, оптико-акустические приемники, звапорографические преобразователи, диэлектрические пнроэлекгрические приемники и другие термопреобразователи. Широкое распространение получили устройства на основе термоэлементов. В этих устройствах падающий на приемную площадку и поглощенный в нем лучистый поток увеличивает температуру чувствительного элемента, которым является термоэлемент или термобатарея из соединенных последовательно нескольких термоэлементов, в результате чего генерируется термо-ЭДС, пропорциональная лучистому потомку, которая затем измеряется. Величина повышения температуры спая тер.моэлемента зависит как от величины потока лучистой энергии, так и от интенсивности термоотдачи в окружающую среду по ветвям термоэлемента за счет радиации и конвекции.

Для повышения чувствительности таки.х устройств стремятся уменьшить теплоотдачу, что, в свою очередь, приводит к уменьшению быстродействия. Такая связь чувствительности и быстродействия объясняется тем, что регистрация .термо-ЭДС производится иосле прогрева спая и ветвей термоэлемента, а продолжительность прогрева возрастает при уменьшении интенсивности теплообмена с окружающей средой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения потока лучистой энергии, состоящее из последовательно соединенных термоэлектрического приемника излучения, усилителя и измерительного прибора.

В это.м устройстве повышение быстродействия достигается за счет того, что через спай тер.моприе.мника пропускают ток, вызывающий эффект Пельтье, причем величина этого тока пропорциональная падающему потоку энергии. Вследствие этого уменьшается степень нагрева этого чувствительного эле.мента и время установления Стационарного состояния.

Недостатком такого устройства является то, что повышение быстродействия сопровождается уменьшением чувствительности или разрешающей способности системы

регистрадии излучения, которая определяется ;велич|Иной отношения сигнал/шум. Это объясняется тем, что в данном устройстве.уменьшаёте-я степень нагрева -спая термоприешшка и, следовательно, сигнал на входе усилителя по сра-внению с нагревом и сигналом без наличия обратной связи, а шумы системы (при сравнительно небольшом потоке лучистой энергии), величина которых олределяется как

V:;, 1/4/гГ/я Л/ ,

где k - постоянная Больцмана;

Т -. температура; °К;

R - сопротивление;. Д/ - полоса пропускания усилителя, остаются практически неизменными. ТаКим образом, уменьшается отношение сигнал/шум, а, следовательно, разрешаюш,ая способность системы регистрапии лучистой энергии.

Целью изобретения является повышение бы€тродейст1вия. Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения потока лучистой энергии введены последовательно соединенные фазочувствительный исполнительный меха1низм и генератор тока, при этом вход фазочувствительяого исполнительного механизма включен на выход усилителя, выход генератора тока со единен с термоэлектрическим -приемником излучения, а измерительный прибор включен в выходную цепь генератора тока. На чертенке дана блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство (см. чертелс) состоит из последовательно соединенных блока термоэлектрического приемника / излучения, усилителя 2, фазочувствительного исполнительного механизма S, генератора тока 4 и измерительного прибора 5.

Устройство работает следующим образом.

Падающий поток лучистой энергии q вызывает лагрев приемной площадки и появление на выходе приемника / сигнала. Как только величина этого сигнала, усиленного усилителем 2, превысит пороговое значение (уровень шумов), происходит срабатывание фазочувствительного механизма 5, управляющего генератором тока 4, с выхода которого через термоэлектрический приемник пропускается ток, возрастающий но величине во 1времени, причем направление тока выбрано таки-м, что-он вызывает появление эффекта Пельтье на спае термоприемника, и тем самым снилсепие температуры спаев и приемной площадки. Когда мощность, поглощаемая в результате эффекта Пельтье, определяемая как П /аГ (/ - величипа тока, а - коэффициент термо-ЭДС, Г - температура °К), достигнет величины, равной величине падающего потока q, сигнал на входе усилителя становится равньш нулю, а фазочувствительный исполнительпый механизм обеспечивает постоянную величину тока на выходе генератора тока. При уменьшении величины падающего потока мощность, поглощаемая в результате эффекта Пельтье, начинает превышать q, спай приемника охлаждается, на входе и выходе усилителя появляется сигнал отрицательной полярности, фазочувствительный исполнительный механизм вызывает уменьщение выходного тока с генератора тока до тех пор, пока мощность Пельтье не сравняется с падающей плотностью. О величине падающего потока судят

по показаниям измерительного прибора 5, регистрирующего величину протекающего через термоэлектрический приемник тока, который пропорционален величие падающего потока.

В устройстве не происходит уменьшения чувствительиости вследствие того, что отрицательная обратная связь включается при достижении температуры спая порога чувствительности системы, а применение

фазочувствительного исполнительного механизма позволяет осуществить стопроцентную отрицательную обратную связь.

Для отделения полезного сигнала термо-ЭДС Еа. от разности потенциалов, возннкающей в результате пропускания компенсирующего тока / через чувствительный элемент и для того, чтобы исключить щунтирование входа усилителя выходом генератора то.ка, чувствительный элемент R

включен в одно из плеч сбалансированного моста.

Теоретический расчет показывает, что температура спая чувствительного элемента термоэлектрического .приемника при падении на пего лучистого потока q и отсутствии тока комеенсации определяется по формуле

/ zP

ert

(V)

c-jS

е а - коэффициент теплообмена с окружающей средой;

X - коэффициент теплопроводности ветвей термоэлемента;

5 - площадь поперечного сечения ветвей;

Р - периметр ветвей;

с - удельная теплоемкость;

7 - плотность;

т - время;

при

9о

(2)

Ц а:с5Я

65 таким образом 7 - 7„ erf Если порог чувствительности системы А7, то время ть через которое включится компенсирующий ТО.К А Г- iTgjS 4 Г ар Время Т2, за которое температура спая чувствительного элемента вернется к пер.воначальной, после включения компенсирующего тока, возрастающего по линейному закону со скоростью р, определяется выражением Таким образом, врем,я реакции системы с обратной связью т слагается из времени Ть в течение которого спай нагревается до пороговой температуры, вызывающей срабатывание системы обратной связи, и Т2, за которое температура спая вернется к первоначальному уровяю. Время Т2, как видно из выражения (5), определяется только скоростью нарастания компенсирующего тока р и может быть получено достаточно малым применением соответствующей системы обратной связи. Сравним время реакции системы с обратной связью г Т1+Т2 с временем установления температуры прием-ника излз чения без обратной связи т. Примем разрещающую Способность регистрирующей части, равной АГ, относительная погрешность измерения k- „- при я 0,1. т Из выражения (6) видно, что прл достаточно большой скорости нарастания компенсирующего тока р и малой теплопередаче в окружающую среду быстродействие системы с обратной связью более, чем в сто раз превыщает быстродействие системы без обратной связи. При пропускании компенсирующего тока через термоэлемент, кроме эффекта Пельтье, проявляющегося ;В спае, в объеме его ветвей на омическом сопротивлении выделяется Джоулево тепло , которое прнводит -к отклонению от линейной зависимости поглощаемой на спае мощности от величины тока / и возникновению погрешности. Однако в обычных приемниках излучения, в которых применяются наиболее перспективные полупроводниковые материалы с высокой термоэлектрической эффективностью, за счет падающего потока происходит нагрев спая приемника и его ветвей, вызывающий изменение основных параметров термоэлемента: тер.мо-ЭДС а, теплопроводности х и электропроводности а, что приводит к отклонению выходного Сигнала от линейного. При больщих мощностях падающего потока нагрев достигать очень значительной величины, и происходит даже термическое разрушение приемника излучения. Расчет на ЭВМ и экспериментальная проверка показали, что термоэлектрический приемник, используемый без системы тепловой обратной связи, обладает значительно худшей линейностью и больщей погрешностью особенно в области больших мощностей по сравнению с предлагаемым устройством, в котором в результате применения эффекта Пельтье отсутствует нагрев спая. Таким образом, пропускание компенсирующего тока / позволяет не только повысить быстродействие и улучшить линейность, но и расширить диапазон регистрируемых мощностей более чем на порядок при сохранении точности измерения в пределах 10%. Формула изобретения Устройство для измерения потока лучистой энергии, состоящее из последовательно соединенных термоэлектрического приемника излучения, усилителя и измерительного прибора, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него :введены последовательно соединенные фазочувствительный исполнительный механизм и генератор тока, при этом вход фазочувствительного исполнительного механизма включен на выход усилителя, .выход генератора тока соединен с термоэлектрическим приемником излучения, а измерительный прибор включен в выходную цепь генератора тока.