RU1803748C - Устройство дл измерени потока лучистой энергии - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к области ИК- спектроскопии, радиационной пирометрии и может быть использовано в спектральной технике, в устройствах контрол  и измерени  потока лучистой энергии, в частности, измерени  температуры нагретых объектов по излучению и  вл етс  усовершенствованием известного устройства.

Дл  отделени  полезного сигнала термо- . ЭДС от разности потенциалов, возникающей в результате пропускани  компенсирующего тока через чувствительный элемент приемника излучени , и дл  того, чтобы исключить шунтирование входа усилител  выходом генератора тока, чувствительный элемент включен в одно из плеч сбалансированного моста.

Недостатком такого устройства  вл етс  то, что оно имеет высокую погрешность измерений потока лучистой энергии в пределах 10% и св зано с трудоемким процессом градуировки термоэлектрического приемника излучени .

Высока  погрешность измерений обусловлена тем, что известное устройство не позвол ет учитывать все причины погрешности , Ибо при регистрации потока лучистой энергии измер етс  только один параметр

(величина компенсирующего тока) из всех па- раметров реально отражающих термодинамические процессы в термоэлементе, Во-первых, не учитываетс  мощность, выдел ема  на электрическом сопротивлении термоэлемента, котора  обуславливает параболическую зависимость количества тепла , поглощаемого на епа х термоэлемента в результате эффекта Пельтье, от величины компенсирующего тока. Во-вторых, не принимаетс  во внимание температурные зависимости коэффициента Пельтье, коэффициента термрЭДС и сопротивлени  термоэлемента, а также временную нестабильность свойств термоэлектрического материала чувствительного элемента приемника излучени . В реальных услови х эксплуатации рабоча  температура термоэлектрического приемника излучени  измен етс  в широком диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды. При этом величина коэффициента Пельтье (аТ) существенно измен етс  и вносит в измерени  потока лучистой энергии большие погрешности. Поэтому чувствительный элемент известного устройства об зательно должен градуироватьс  дл  большого р да значений его рабочих температур с шагом не более

00

о

Сл VJ

4 00

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

Qr

МЈ

2RT

(2)

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

Целью изобретени   вл етс  уменьшение погрешности измерений потока лучистой энергии и упрощение процесса градуировки термоэлектрического приемника излучени .

Это достигаетс  тем, что в устройство дл  измерени  потока лучистой энергии введены двухпозиционный переключатель, содержащий вход и два выхода, и блок градуировки , содержащий прибор измерени  электрического сопротивлени , вход которого включен на термоэлектрического приемника излучени , 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 излучени , .выход которого включен на вход усилител  тока, причем вход двухпоэиционного переключател  соединен с выходом усилител  тока, один выход переключател  соединен с входом фазочувствительного исполнительного механизма, а другой выход параллельно соединен с входом второго нормально замкнутого ключа и с входами обмоток выключени  первого и второго нормально замкнутых ключей.

Предлагаемое устройство позвол ет измер ть оптимальный ток компенсации (I0),

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

i Т lo -R7

и коэффициент Пельтье аТ, сопротивление термоэлемента RT и компенсирующий ток I, которые определ ют 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 определ етс  по формуле

GHoRrl1

I2RT

(3)

Предельна  погрешность измерений

потока лучистой энергии предлагаемым устройством определ етс  только суммарной

погрешностью средств измерени  величин

RT, lo и I, ибо остальные погрешности измерени  корректируютс  благодар  контролю указанных параметров при работе этого устройства в режимах градуировки и измерени . На чертеже представлена структурна  схема предлагаемого устройства. В состав

данного устройства (см. чертеж) вход т: цепь измерени  и блок градуировки.

Цепь измерени  состоит из термоэлектрического приемника 1, усилител  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 измерени .

Блок градуировки содержит прибор измерени  электрического сопротивлени  7, вход которого включен на выход термоэлектрического приемника излучени  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 излучени  1, выход которого включен на вход усилител  тока 2, причем вход второго нормально замкнутого ключа 12 и входы обмоток выключени  первого и второго нормально замкнутых

ключей 9 и 12 параллельно соединены с выходом усилител  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 устанавливаетс  вручную двухпозиционным переключателем 6 (положение К - градуировка, положение И - измерение).

Предлагаемое устройство работает в. следующей последовательности.

Сначала при отсутствии облучени  приемной площадки термоэлектрического приемника излучени  1 прибором 7 измер етс  его электрическое сопротивление.

Затем двухпозиционный переключатель 6 переводитс  в положение К и включаетс  включатель 10. После этого устройство работает в режиме градуировки. В данном случае на вход базового излучател  энергии 8 подаетс  напр жение 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 усилител  тока 2 через двухпозиционный ключ б, обеспечивает работу предлагаемого устройства в режиме градуировки следующим образом.

Поток энергии, падающий от базового излучател  8 и возрастающий по величине во времени, вызывает нагрев приемной площадки термоэлектрического приемника излучени  1 и по вление на входе и выходе усилител  тока 2 сигнала положительной пол рности , включающего через двухпозиционный переключатель 6 и второй нормально замкнутый ключ 12 фазочувствительный исполнительный механизм 3, управл ющий генератором тока 4, с выхода которого через термоэлектрический приемник излучени  1 пропускаетс  ток, возрастающий по величине во времени. При этом в каждый момент времени, благодар  включенной отрицательной обратной св зи, обеспечиваетс  полна , вплоть до экстремума функции (1), сбалансированность потока лучистой энергии, падающего от базового излучател  7, количеством тепла, поглощаемым на спа х термоэлемента в результате эффекта Пельтье.

Врем  градуировки термоэлектрического приемника излучени  1 зависит от скорости нагрева базового излучател  энергии 8, котора  определ етс  его мощностью и теплоемкостью и ограничиваетс  возможностью фазочувствительного исполнительного механизма 3 обеспечивать

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

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

Как только величина компенсирующего тока достигнет значени  0 нарушаетс  сба5 лансированность между потоком энергии от базового излучател  энергии 8 и количеством тепла, обусловленного эффектом Пельтье. При этом приемна  площадка нагреваетс , и на выходе термоэлектрического

0 приемника 1 по вл етс  сигнал положительной пол рности. Этот сигнал, усиленный усилителем 2 синхронно подаетс  на обмотки отключени  первого и второго нормально замкнутых ключей 9 и 12. В результате этого

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

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

0 при которой измер емый поток лучистой энергии сбалансирован количеством тепла, обусловленным эффектом Пельтье. Подставл   замеренные значени  RT, I0 и I в выражение (3), находим величину потока из5 лучени .

Использование новых элементов в устройстве , а именно: двухпозиционного переключател  и блока градуировки позвол ет 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 измерени 

5 величин RT, 0.и I в пределах 1,0%.

Кроме того, значительно упрощаетс  процесс градуировки термоэлектрического приемника излучени , который проводитс  без сложного метрологического обеспечени .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и   Устройство дл  измерени  потока лучистой энергии, включающее в себ  последовательно соединенные термоэлектрический приемник излучени  и усилитель, фазочув- ствительный исполнительный механизм, генератор тока и измерительный прибор, о т- пинающеес  тем, что, с целью повышени  точности, оно дополнительно содержит двухпозиционный переключатель и блок градуировки, включающий в себ  прибор измерени  электрического сопротивлени , вход которого подключен к выходу термоэлектрического приемника излучени , 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 переключател  соединен с выходом усилител  тока, один выход- с фазочувстви- тельным механизмом, а второй - с входом второго нормально замкнутого ключа и с входами обмоток выключени  первого и второго нормально замкнутых ключей.

Г

Ъ/юкградуироВки

Т