Способ измерения температуры

(51)01 5/28, 5/52 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Каспаров Константин Николаевич Белозеров Александр Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Способ измерения температуры объектов с непрерывным спектром излучения путем анализа распределения фотоэлектронов внешнего фотоэффекта по энергиям в фотоэлектронном приборе с нормированием лучистого потока по фототоку, градуировкой фотоэлектронного прибора по эталону и определением температуры объекта по градуировочной кривой, отличающийся тем, что используют фотоэлектронный прибор с двумя управляющими электродами между фотокатодом и коллектором электронов на первый управляющий электрод, расположенный ближе к фотокатоду, подают нулевое напряжение, а на второй управляющий электрод, расположенный ближе к коллектору электронов,подают небольшое, по сравнению с коллекторным, положительное напряжение, обеспечивающее ток нормировки 0, измеряют ток нормировки 0, затем на первый управляющий электрод подают напряжение, обеспечивающее ток насыщенияфотоэлектронного прибора, измеряют ток насыщенияи по величине тока насыщения , соответствующего току нормировки 0, по градуировочной кривой определяют температуру объекта. 8534 1 2006.10.30 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры в быстропротекающих тепловых процессах. Известен способ 1, по которому измерение температуры производится с использованием фотоэлектронного прибора (ФЭП) путем сравнения распределения по энергиям фотоэлектронов внешнего фотоэффекта, вызванных излучением предварительно уравненных(нормированных на ток 0) неселективной регулировкой световых потоков от объекта и эталона. Нормировка производится при нулевом напряжении на управляющем электроде ФЭП. Фильтрация фотоэлектронов по энергиям производится в тормозящем поле путем подачи на управляющий электрод отрицательного напряжениям , изменяющегося (сканирующего) от нуля до какого-то значения, при котором фототок через прибор полностью прекращается. Измеряемая температура является функцией максимального значения этого по крайней мере в 4-5 раз больше уровня модулированного токам , равного темновому току, до которого запирается ток 0. Вследствие этого минимальная доступная измерению температура должна быть всегда больше температуры тела, достаточной для надежной регистрации излучаемого телом светового потока. Это ограничивает диапазон измеряемых температур, повышая его нижний порог. Быстродействие способа ограничено временем сканирования. Наиболее близким техническим решением является способ измерения температуры 2, согласно которому нормируют лучистый поток по фототоку, на управляющий электрод ФЭП подают импульс, который запирает фототок до какой-то величины, и по значе ниям тока нормировки 0 и частично запертого токам определяют температуру объекта. Измерение токам производят на спадающем участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) ФЭП в области ее максимальной крутизны, вследствие чего небольшие колебания амплитуды запирающего напряжения приводят к значительным колебаниям частично запертого токам , тем большим, чем больше крутизна ВАХ, и,следовательно, к увеличению инструментальной погрешности измерения температуры. Быстродействие ограничивается частотными свойствами ФЭП и измерительной схемы. Технической задачей изобретения является снижение порога измеряемых температур с одновременным увеличением точности измерения. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе измерения температуры объектов с непрерывным спектром излучения путем анализа распределения фотоэлектронов внешнего фотоэффекта по энергиям в фотоэлектронном приборе с нормированием лучистого потока по фототоку, градуировкой фотоэлектронного прибора по эталону и определением температуры объекта по градуировочной кривой, используют фотоэлектронный прибор с двумя управляющими электродами между фотокатодом и коллектором электронов на первый управляющий электрод, расположенный ближе к фотокатоду, подают нулевое напряжение, а на второй управляющий электрод, расположенный ближе к коллектору электронов, подают небольшое, по сравнению с коллекторным, положительное напряжение, обеспечивающее ток нормировки 0, измеряют ток нормировки 0, затем на первый управляющий электрод подают напряжением , обеспечивающее ток насыщенияфотоэлектронного прибора, измеряют ток насыщенияи по величине тока насыщения , соответствующего току нормировки 0, по градуировочной кривой определяют температуру объекта. Совокупность указанных признаков позволяет снизить нижний порог измеряемых температур, что приводит к расширению диапазона измеряемых температур, при одновременном увеличении точности измерения. Это достигается тем, что из двух управляющих электродов ФЭП можно составить с коллектором электронов ФЭП такую электростатиче 2 8534 1 2006.10.30 скую линзу, которая обладает высокими дисперсионными свойствами. Для этого на первый управляющий электрод, расположенный ближе к фотокатоду, подают напряжением ,примерно равное напряжению на коллекторе, а на второй электрод, расположенный между коллектором и первым управляющим электродом, - намного меньшее напряжение. В такой электронно-оптической системе электроны фотоэмиссии попадают в ускоряющее поле первого управляющего электрода, вследствие чего резко увеличивается ток коллектора электронов. Это позволяет снизить значение тока 0 в 4-5 раз, а следовательно, измерять более низкие температуры. Так как напряжением вводит анодный ток ФЭП в насыще ние, то нестабильность напряжениям не приводит к нестабильности анодного токам ,что исключает погрешность измерения температуры, обусловленную погрешностью измерения анодного тока, и увеличивает точность измерения температуры. Способ измерения температуры Т объекта осуществляется следующей совокупностью операций на первый, расположенный ближе к фотокатоду, управляющий электрод ФЭП подают напряжение, равное нулю, а на второй управляющий электрод, расположенный перед коллектором электронов, - напряжение, намного меньшее напряжения на коллекторе,и измеряют начальный ток 0, затем подают на первый управляющий электрод напряже ние, соответствующее току насыщениям ФЭП, измеряют ток насыщениям и по токам 0 по градуировочной кривой, которая строит ся при облучении ФЭП различными световыми потоками от эталонного температурного источника излучения. Реализация способа осуществляется на устройстве, схема которого приведена на фиг. 1, где 1 - фотоэлектронный прибор,2 - фотокатод,3 - первый управляющий электрод,4 - второй управляющий электрод,5 - коллектор электронов,6 - объект исследования,7 - оптическая схема,8, 9 - усилители,10, 11 - устройства выборки-хранения,12, 13 - цифровые вольтметры,14 - фотодиод синхронизации,15 - формирователь видеоимпульса,16 - усилитель-формирователь,17, 18 - формирователи синхроимпульсов,19, 20 - схемы запуска,21 - неселективный регулятор светового потока. На фиг. 2 представлены вольт-амперные характеристики ФЭП, нормированные на ток 0, при двух температурах излучателя Т 1 Т 2. На фиг. 3 представлена градуировочная кривая. Устройство работает следующим образом. Подключенный к источнику питания фотоэлектронный прибор 1 имеет на своих электродах следующие напряжения на фотокатоде 2 0 В, на первом управляющем электроде 3 - 0 В, на втором управляющем электроде 4 0,2 В, на коллекторе электронов 5 - 120 В. При импульсном нагреве объекта 6 тепловое излучение через оптическую систему 7 измерительного устройства попадает на фотокатод 2 ФЭП 1. Сигнал с выхода ФЭП 1 поступает на два измерительных канала, каждый из которых состоит соответственно из усилителя 8, 9, устройства выборки-хранения 10, 11 и цифрового вольтметра 12, 13 с внешним запуском. Начало измерения синхронизируется с 8534 1 2006.10.30 началом нагрева с помощью фотодиода 14, сигнал от которого запускает формирователь видеоимпульса 15, с выхода которого импульс через усилитель-формирователь 16 подается на первый управляющий электрод 3 ФЭП 1. Составляющие видеоимпульса а и б формирователя видеоимпульса 15 (соответственно 0 и 20 В) запускают формирователи 17, 18 синхроимпульсов, необходимые для запуска устройств выборки-хранения 10, 11. Первый и второй каналы с устройствами выборки-хранения 10, 11 фиксирует анодный сигнал соответственно до и после подачи на первый управляющий электрод 3 ФЭП 1 импульса положительной полярности 20 В. Регистрация сигналов на выходе ФЭП 1 осуществляется цифровыми вольтметрами 12 и 13 при помощи схем запуска 19 и 20 после срабатывания схем выборки хранения 10 и 11. Ток 0 (фиг. 2) измеряют в течение первой составляющей а подаваемого на первый управляющий электрод 3 видеоимпульса, формируемого устройством 15 (фиг. 1). В течение действия второй его составляющей б, равной по длительности первой, на первый управляющий электрод 3 подают 20 В и измеряют модулированный токм . Температу рам эталонного излучателя Т 1 Т 2 соответствуют токи 1 мм . По их значениям строят 2 градуировочную кривую (фиг. 3) и по ней, при условии постоянства тока 0, по току,м измеренному фотоэлектронным прибором 1 под действием излучения нагретого объекта,измеряют его температуру Тх. В качестве ФЭП 1 с управляющими электродами используется ФЭУ-175, имеющий три управляющих электрода. Первым управляющим электродом служит модулятор, а следующие за ним на расстоянии 0,8 мм два кольцевых электрода, расстояние между которыми также равно 0,8 мм, соединенные вместе, служат вторым управляющим электродом. Большая его толщина (0,8 мм) способствует лучшему разделению электронов по энергиям. Первый динод ФЭУ служит коллектором электронов, а остальные диноды линейно усиливают ток первого динода. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.