способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала
Классы МПК: | G01K7/30 с использованием шумов теплового возбуждения резисторов и проводников |
Автор(ы): | Бугаенко А.Г., Григорьев А.В., Застела М.Ю., Кубланов В.С., Морозов Г.А., Седельников Ю.Е. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский центр прикладной электродинамики Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-11-29 публикация патента:
10.09.2002 |
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)/![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
D
tg
, где f0 - средняя частота (ГГц),
,tg
- 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.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
Формула изобретения
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, равнойf0 = (0,05-0,5)/
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
где f0 - средняя частота, ГГц;
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
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.
Описание изобретения к патенту
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, равнойf0 = (0,05-0,5)/
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
где f0 - средняя частота принимаемого сигнала (ГГц),
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
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)/
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
где f0 - средняя частота (ГГц),
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
Tя =
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/967.gif)
где
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/967.gif)
Tа=К
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189009/8226.gif)
где К - коэффициент полезного действия антенны-датчика 2. В известных устройствах, в том числе в прототипе, К
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/8776.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/2189019-2t.gif)
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
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/2189019-3t.gif)
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
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/2189019-4t.gif)
состоит из трех слагаемых (составляющих)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/2189019-5t.gif)
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
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189014/916.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/8776.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189011/945.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/2189019-6t.gif)
f0 = (0,05...0,5)/(
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)
где f0 - частота (в ГГц),
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/949.gif)
![способ бесконтактного измерения среднеобъемной температуры объекта, выполненного из диэлектрического материала, патент № 2189019](/images/patents/281/2189019/948.gif)