RU2189019C2 - Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала - Google Patents

Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала Download PDF

Info

Publication number
RU2189019C2
RU2189019C2 RU2000129887A RU2000129887A RU2189019C2 RU 2189019 C2 RU2189019 C2 RU 2189019C2 RU 2000129887 A RU2000129887 A RU 2000129887A RU 2000129887 A RU2000129887 A RU 2000129887A RU 2189019 C2 RU2189019 C2 RU 2189019C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
temperature
measuring
rotation
measurement
Prior art date
Application number
RU2000129887A
Other languages
English (en)
Inventor
А.Г. Бугаенко
А.В. Григорьев
М.Ю. Застела
В.С. Кубланов
Г.А. Морозов
Ю.Е. Седельников
Original Assignee
Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева filed Critical Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева
Priority to RU2000129887A priority Critical patent/RU2189019C2/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2189019C2 publication Critical patent/RU2189019C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерений температуры и может найти применение в промышленности, а также в микроволновых технологических установках для контроля нагрева материала, а также в артиллерии при измерении средней температуры метательных зарядов. Сущность способа бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключается в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала. Повышение точности измерения средней по объему температуры объекта достигается тем, что антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят радиометрическим приемником при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной f0=(0,05-0,5)/ε•D•tgδ, где f0 - средняя частота (ГГц), ε,tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - кпд антенны-датчика. Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении механизмом вращения объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Ти/М, где Ти - время измерения, М - целое число. Технический результат - повышение точности измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области измерений температуры и может найти применение в промышленности, а также в микроволновых технологических установках, для контроля нагрева материала, а также в артиллерии при измерении средней температуры метательных зарядов.
Известен ряд способов бесконтактного измерения температуры. Способ, основанный на ультразвуковых методах, заключается в измерении скорости распределения звука в среде, которая зависит от температуры среды (Братников Н. Н. Ультразвуковые методы. - Л. "Энергия", 1965 г.). Способ, основанный на оптических методах, заключается в измерении яркости свечения объектов, которая зависит от температуры объекта (Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М. "Наука", 1982 г.). Способ, основанный на волновых методах, заключается в измерении параметров распространения волн в среде, которые зависят от температуры среды (Викторов В.А. и др. Радиоволновые методы измерения параметров технологических процессов, М." Энергоатомиздат, 1989 г.). Применительно к измерению температуры диэлектрических тел указанные способы не позволяют добиться высокой точности измерений.
Известны также способы измерения температуры, основанные на измерении собственного излучения объектов в оптическом или инфракрасном диапазонах частот (АС СССР 1563361, 5 G 01 J 5/24, БИ 11, 1995 г.; АС РФ 93016387/25, 6 G 01 J 5/60, БИ 17, 1995 г.; АС РФ 92007162/25, 6 G 01 J 5/10, БИ 17, 1995 г. ), а также радиочастотном диапазоне (Пат. 52775 Финляндия, МКИ: G 01 F 23/28, G 01 К 11/00, G 01 N 22/00 Викторов В.А. и др. Радиоволновые методы измерения параметров технологических процессов. М.: "Энергоиздат", 1989 г., стр. 267). Недостатком этих способов также является недостаточно высокая точность измерения средней по объему температуры диэлектрических объектов.
Прототипом изобретения является способ, описанный в (Shilz W., Schiek В. Microwave system for industrial measurements// Advances in electronics and electron physics (1981 Vol. 55 P. 309-381). Согласно прототипу измерения температуры объекта осуществляются следующим образом: с помощью направлений антенны принимают собственное радиоизлучение объекта, интенсивность принятого излучения, характеризуемая величиной антенной температуры, измеряют радиометрическим приемником путем измерения энергии принятого сигнала в полосе частот. По значению антенной температуры судят о значении температуры объекта в направлении ориентации антенны. Антенну поворачивают таким образом, чтобы контролировать (измерять) значения температуры различных участков объекта.
Недостатком такого способа является низкая точность измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта, так как усреднение проводят по поверхности объекта.
Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения средней по объему температуры неравномерно нагретого объекта.
Решаемая техническая задача в способе бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключается в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала. Повышение точности измерения средней по объему температуры объекта достигается тем, что антенну-датчик располагают на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика относительно объекта перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной
f0 = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ,
где f0 - средняя частота принимаемого сигнала (ГГц), ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика. Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Ти/М, где Ти - время измерения, М - целое число.
На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала.
На фиг. 2 показаны зависимости суммарной погрешности измерений согласно заявляемому способу для случаев плоскопараллельного объекта, фиг.3 - то же, для цилиндрического объекта.
Устройство (фиг.1) содержит:
1 - объект, выполненный из диэлектрического материала, 2 - антенна-датчик, соединена фидером 3 с радиометрическим приемником 4, который соединен с индикатором 5. Синхронизатор 6 соединен с радиометрическим приемником 4 и механизмом вращения 7, вращающим объект 1.
Рассмотрим осуществление способа бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала устройством, приведенным на фиг.1.
Антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика, перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной
f0 = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ,
где f0 - средняя частота (ГГц), ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - линейный размер объекта (в метрах) в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика.
Измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении механизмом вращения объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Ти/М, где Ти - время измерения, М - целое число.
Равномерно нагретое физическое тело-объект из диэлектрического материала 1, создает в окружающем пространстве собственное излучение, в том числе в радиотехническом диапазоне. Его интенсивность характеризуется яркостной температурой Тя, пропорциональной абсолютной температуре То
Tя = χTо, (1)
где χ - коэффициент пропорциональности, зависящей от электрофизических параметров материала тела (см., например, Захарьев Л.Н. Леманский. Методы измерения характеристик антенн СВЧ, М. Радио и связь, 1985). Антенна-датчик 2 принимает указанное радиоизлучение, шумовой сигнал на его выходе характеризуется антенной температурой Та. Если антенна-датчик 2 обеспечивает равномерный прием только в пределах угла видимости объекта 1, антенная температура, пропорциональная мощности принятого сигнала, равна
Tа=К•Тя
где К - коэффициент полезного действия антенны-датчика 2. В известных устройствах, в том числе в прототипе, К≈1 и таким образом, измеряя антенную температуру, определяют температуру объекта.
При неравномерно нагретом теле-объекте 1 интенсивность излучения любого его участка определяется соотношением 1. Однако излучения от глубинных слоев затухают в толще объекта 1 в большей мере, чем приходящие с участков, близких к поверхности. Поэтому значение яркостной температуры не является пропорциональным среднему по объему значению температуры и использование измерений согласно прототипу приводят к значительной погрешности при измерениях неравномерно нагретых тел.
Согласно предлагаемому изобретению снижение погрешности измерения среднеобъемной температуры достигается следующим образом. При размещении антенны-датчика 2 на расстоянии не более размера апертуры антенны-датчика 2 от объекта 1 перпендикулярно оси вращения объекта значение его антенной температуры определяют из соотношения
Figure 00000002

где T(v) - распределение температуры по объему V,
К - КПД антенны-датчика,
P(v) - распределение мощности электрического поля, создаваемого антенной-датчиком 2 в режиме передачи, нормированное так, чтобы
Figure 00000003

Тявн - яркостная температура внешних шумов,
Тф - флуктуационная погрешность радиометрического приемника, пересчитанная к его входу.
Согласно предлагаемому изобретению значения антенной температуры увеличивают в 1/(1-К) раз. В результате, отклонение измеряемого значения средней по объему температуры от истинного
Figure 00000004

состоит из трех слагаемых (составляющих)
Figure 00000005

Указанные слагаемые имеют различный характер зависимости от средней частоты полосы частот, в которой приводится оценка антенной температуры. При увеличении частоты, в частности в ИК-диапазоне К-->0, распределение поля p(v) изменяется так, что имеют место малые значения в глубине объекта и значительные на его поверхности. В результате увеличивается первый член и уменьшается 2-й и 3-й члены. При уменьшении частоты, напротив, распределение поля p(v) стремится к равномерному, а К-->1. В этом случае уменьшается 1-я составляющая при возрастании 2-го и 3-го членов. Существует компромиссное значение средней частоты f0, при которых суммарная погрешность оказывается минимальной (см. , например, фиг.2, фиг.3). Согласно расчетам, проведенным для различных форм объектов, и типовым значениям ΔTфл, Тявн и степени неравномерности для плоскопараллельных объектов минимальная погрешность измерения средней по объему температуры достигается при αD≈0,5-2, а для цилиндрических объектов - при αD = 0,7-5, где α - коэффициент затухания материала объекта, D - толщина слоя или диаметр цилиндрического тела. Если величина αD выбирается в указанных пределах суммарное отклонение измеренного значения средней по объему температуры от истинного составляет не более чем 0,3...1,1%.
Коэффициент затухания зависит от электрофизических параметров материала объекта 1 и частоты принимаемого сигнала. Поэтому выбор указанного выше значения αD можно обеспечить выбором средней частоты полосы частот, в которой производится измерение антенной температуры. С учетом известного соотношения
Figure 00000006
ошибка измерения минимальна:
f0 = (0,05...0,5)/(εDtgδ),
где f0 - частота (в ГГц), ε и tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь материала объекта, D - размер в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика 2 (в метрах).
На этой средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К - КПД антенны-датчика 2.
Дополнительное снижение погрешности измерения обеспечивается при вращательном движении объекта 1 вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика 2 с периодом вращения, равным Ти/М, где Ти - время измерения, М - целое число. За время измерения каждая точка объекта 1 принимает все возможные положения по окружности с центром на оси вращения. В результате происходит усреднение антенной температуры в азимутальном направлении и наличие азимутальной неравномерности распределения температуры неравномерно нагретого тела-объекта 1 не оказывает влияние на результат измерений. В результате происходит снижение погрешности до величины, соответствующей измерению объектов с азимутально-симметричным температурным распределением.
Устройство согласно предлагаемому изобретению может быть реализовано, например, как показано на фиг.1, антенна-датчик 2 выполнена, например, в виде пирамидального рупора с размерами апертуры, равными (01...05)L, где L - минимальный размер объекта 1 в направлении, параллельном апертуре антенны датчика 2. Антенна-датчик 2 устанавливается непосредственно у поверхности объекта 1 или на расстоянии, не превышающем размера апертуры антенны-датчика 2, в качестве фидера 3 используется линия передачи соответствующего частотного диапазона, например прямоугольный волновод для диапазона частот выше 10 ГГц или коаксиальный для более низких частот. Радиометр 4 выполняется по одной из известных схем, например, описанных в книге Сколник М. Справочник по радиолокации, М.: Сов. Радио 1978, т. 4, стр. 284-286. В качестве индикатора 5 могут использоваться известные приборы, а также АЦП для преобразования измеренной величины в цифровую форму. Механизм вращения 7 должен обеспечивать вращение с периодом 1/Тизм, где Тизм - постоянная времени радиометра (величина для современных радиометров, используемых в целях измерений, равная 0,3. . . 1 с. Реализация механизма вращения 7, вращающего со скоростью до нескольких оборотов в секунду, может быть осуществлена при помощи электродвигателей или шаговых электродвигателей.

Claims (2)

1. Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, заключающийся в приеме собственного радиоизлучения объекта антенной-датчиком и измерении антенной температуры путем измерения энергии принятого сигнала радиоизлучения объекта, отличающийся тем, что антенну-датчик располагают относительно объекта на расстоянии не более размеров апертуры антенны-датчика перпендикулярно оси вращения объекта, измерение антенной температуры проводят при средней частоте принимаемого сигнала радиоизлучения объекта, равной
f0 = (0,05-0,5)/ε•D•tgδ,
где f0 - средняя частота, ГГц;
ε, tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потери материала объекта;
D - линейный размер объекта в направлении, перпендикулярном апертуре антенны-датчика, м,
и определяют среднюю по объему температуру объекта, равную измеренному значению антенной температуры, увеличенному в 1/(1-К) раз, где К-кпд антенны-датчика.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение антенной температуры осуществляют при вращательном движении объекта вокруг оси, перпендикулярной оси антенны-датчика, причем период вращения выбирают равным Ти/М, где Ти - время измерения, М - целое число.
RU2000129887A 2000-11-29 2000-11-29 Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала RU2189019C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000129887A RU2189019C2 (ru) 2000-11-29 2000-11-29 Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000129887A RU2189019C2 (ru) 2000-11-29 2000-11-29 Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2189019C2 true RU2189019C2 (ru) 2002-09-10

Family

ID=20242757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000129887A RU2189019C2 (ru) 2000-11-29 2000-11-29 Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2189019C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111177641A (zh) * 2019-12-23 2020-05-19 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 一种大风速下导线温升评估方法
RU205569U1 (ru) * 2020-03-06 2021-07-21 Федеральное Государственное Казённое Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Московское Высшее Общевойсковое Командное Орденов Жукова, Ленина И Октябрьской Революции Краснознамённое Училище" Министерства Обороны Российской Федерации Устройство измерения среднеобъёмной температуры метательного заряда

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3818761A (en) * 1971-03-29 1974-06-25 Kernforschungsanlage Juelich System for measuring temperatures
US3890841A (en) * 1972-06-15 1975-06-24 Kernforschungsanlage Juelich Thermal noise measurement system
RU2131116C1 (ru) * 1997-02-21 1999-05-27 Брагин Иван Вениаминович Термометр

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3818761A (en) * 1971-03-29 1974-06-25 Kernforschungsanlage Juelich System for measuring temperatures
US3890841A (en) * 1972-06-15 1975-06-24 Kernforschungsanlage Juelich Thermal noise measurement system
RU2131116C1 (ru) * 1997-02-21 1999-05-27 Брагин Иван Вениаминович Термометр

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shilz W., Schiek B. Microwave system for industrial measurements (Advances in electronics and electron physics), 1981, Vol 55. р. 309-318. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111177641A (zh) * 2019-12-23 2020-05-19 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 一种大风速下导线温升评估方法
CN111177641B (zh) * 2019-12-23 2023-07-07 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 一种大风速下导线温升评估方法
RU205569U1 (ru) * 2020-03-06 2021-07-21 Федеральное Государственное Казённое Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Московское Высшее Общевойсковое Командное Орденов Жукова, Ленина И Октябрьской Революции Краснознамённое Училище" Министерства Обороны Российской Федерации Устройство измерения среднеобъёмной температуры метательного заряда

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5500599A (en) Method and apparatus for the measurement of the dielectric constant of sample materials
US7861600B2 (en) Apparatus for ascertaining and/or monitoring fill level and/or flow of a medium
US8836598B2 (en) Method for formation of radiometric images and an antenna for implementation of the method
US8915133B2 (en) Arrangement and method for testing a level gauge system
US20150276577A1 (en) Material erosion monitoring system and method
JPH0235797A (ja) 多層型電波吸収体及び該電波吸収体からなる電波暗室
Hygate et al. Measuring microwave fields directly with an optically modulated scatterer
RU2189019C2 (ru) Способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала
Belyaev et al. Nonlinear behavior of plasma antenna vibrator
CN113904740B (zh) 一种基于混响室的5g基站测试的校准系统和方法
RU2701212C1 (ru) Способ определения коэффициента дополнительного затухания сигналов в канале радиосвязи с летательным аппаратом
Song et al. RCS measurement at terahertz waves for cylinders with different surface roughness
Sander et al. Phase center of helical beam antennas
Ivanchenko et al. Backscattering measurements for metallic unclosed spherical screens
Li et al. Spin Orbital Coupling Enabled Rotational Doppler Effect for Enhanced Object Detections
Uvarov et al. A cryogenic quasioptical millimeter and submillimeter wavelength bands blackbody calibrator
JP2025139789A (ja) 誘電率測定装置及び誘電率測定方法
Rostokin et al. Use of the Sun’s radiothermal radiation as an external source for research of multi-frequency microwave radiometric system antenna parameters with background noise compensation
Blackwell et al. Operational Characteristics of a Plasma Antenna
Abdullin et al. Velocity factor of leaky-wave antenna based on partially filled slitted rectangular waveguide
Strelkov et al. Quasi-Optical Blackbody Radiation Sources, Attenuators and Loads
Chaturvedi Introduction to microwaves
Mozharov et al. Special aspects of backscattering amplitude characteristics measurement of small and ultrasmall RCS objects in Ka-band
Zhang et al. A Correction for Free-space Method by Considering Dispersion of Gaussian Beam
Boiprav et al. Development and testing research method of electromagnetic radiation power influence on protective shields characteristics

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20091130