[go: up one dir, main page]

RU2534452C1 - Method of remote ambient temperature measurement - Google Patents

Method of remote ambient temperature measurement Download PDF

Info

Publication number
RU2534452C1
RU2534452C1 RU2013129258/28A RU2013129258A RU2534452C1 RU 2534452 C1 RU2534452 C1 RU 2534452C1 RU 2013129258/28 A RU2013129258/28 A RU 2013129258/28A RU 2013129258 A RU2013129258 A RU 2013129258A RU 2534452 C1 RU2534452 C1 RU 2534452C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
wavelength
light
emitting device
ambient temperature
Prior art date
Application number
RU2013129258/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Борисович Власов
Павел Геннадьевич Деревянкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ")
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУВПО "МГТУ")
Priority to RU2013129258/28A priority Critical patent/RU2534452C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2534452C1 publication Critical patent/RU2534452C1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

FIELD: measuring instrumentation.
SUBSTANCE: light emitting device (LED or laser) is placed into environment for temperature measurement. Wavelength λ of light emitting device is measured, and Δλ difference between measured wavelength and known emission wavelength λ0 of the same device at initial temperature T0 is determined. Ambient temperature is calculated by the formula T x = T 0 + h c Δ λ B λ 0 2 ,
Figure 00000006
where h is Planck's constant, c is speed of light, B is constant of the material.
EFFECT: simplified method of ambient temperature measurement.
2 cl

Description

Изобретение относится к пиротехнике и может быть использовано для дистанционного измерения температуры среды в различных сферах промышленности.The invention relates to pyrotechnics and can be used for remote measurement of ambient temperature in various industries.

Известны способы и устройства для определения температуры среды с использованием контактных термопар, термоиндикаторов, терморезисторов и схем на их основе. Использование термопар, терморезисторов, термоиндикаторов неэффективно, в частности, требуется наличие электрических проводов, соединяющих температурный датчик, находящийся в среде, с приемником сигнала.Known methods and devices for determining the temperature of the environment using contact thermocouples, thermal indicators, thermistors and circuits based on them. The use of thermocouples, thermistors, and temperature indicators is inefficient, in particular, the presence of electrical wires connecting the temperature sensor in the medium to the signal receiver is required.

Известны способы измерения температуры (Власов А.Б. Электроника. - Мурманск: МГТУ, 2007. - 153 с.), основанные на том, что обратный ток диодов изменяется при изменении температуры. Поэтому, зная функциональную зависимость величины обратного тока (при фиксированном запирающем напряжении) от температуры полупроводникового диода, можно оценить температуру среды, в которую помещен полупроводниковый диод.Known methods for measuring temperature (Vlasov AB Electronics. - Murmansk: MSTU, 2007. - 153 p.), Based on the fact that the reverse current of the diodes changes with temperature. Therefore, knowing the functional dependence of the value of the reverse current (at a fixed blocking voltage) on the temperature of the semiconductor diode, we can estimate the temperature of the medium in which the semiconductor diode is placed.

Недостатком диодных термометров с измеряемым обратным током является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры и зависимость его от величины напряжения, поданного на обратно-смещенный диод.The disadvantage of diode thermometers with measured reverse current is the strong nonlinear dependence of the measured current on temperature and its dependence on the magnitude of the voltage applied to the reverse-biased diode.

Известен способ измерения температуры (Пат. РФ №2089863, опубл. 10.09.1997), заключающийся в том, что на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с различной полярностью, как открывающей, так и закрывающей его p-n-переход, устанавливают определенное значение тока через переход, измеряют прямое напряжение на диоде от установленного тока и определяют температуру T окружающей среды из функциональной зависимости.A known method of measuring temperature (Pat. RF No. 2089863, publ. 09/10/1997), which consists in the fact that a semiconductor diode placed in a medium with a controlled temperature, serves a constant voltage with different polarity, both opening and closing it pn- transition, set a specific value of the current through the transition, measure the forward voltage on the diode from the set current and determine the temperature T of the environment from the functional dependence.

К недостаткам этого способа можно отнести:The disadvantages of this method include:

1) необходимость подключения напряжения различной полярности к полупроводниковому диоду;1) the need to connect a voltage of different polarity to a semiconductor diode;

2) неоднократное изменение полярности приложенного к диоду напряжения на противоположную, в частности, измерения обратного тока через p-n-переход при температуре окружающей среды, дальнейшее изменение полярности приложенного к диоду напряжения, измерение прямого тока через p-n-переход, уменьшение приложенного напряжения до достижения равенства прямого тока обратному;2) repeatedly reversing the polarity of the voltage applied to the diode to the opposite, in particular, measuring the reverse current through the pn junction at ambient temperature, further changing the polarity of the voltage applied to the diode, measuring the direct current through the pn junction, reducing the applied voltage until the direct reverse current;

3) усложнение схемы измерения, достигаемое тем, что в устройство введены четыре диода на общей подложке, синхронный детектор и фильтр нижних частот и другие элементы;3) the complexity of the measurement circuit, achieved by the fact that four diodes on a common substrate, a synchronous detector and a low-pass filter and other elements are introduced into the device;

4) невозможность дистанционного измерения температуры среды.4) the inability to remotely measure the temperature of the medium.

Известен способ измерения температуры (Пат. РФ №2410654, опубл. 27.11.2011), в котором производят сбор и обработку излучения, выделение трех спектральных диапазонов и оценку температуры на основе обработки значений длин волн. Данный способ измерения температуры является наиболее близким и принят за прототип.A known method of measuring temperature (Pat. RF No. 2410654, publ. 11/27/2011), in which the collection and processing of radiation, the selection of three spectral ranges and temperature estimation based on processing the values of wavelengths. This method of measuring temperature is the closest and adopted as a prototype.

К недостаткам способа измерения температуры на основе выделения трех спектральных диапазонов можно отнести его сложность, в т.ч. сложность математической обработки.The disadvantages of the method of measuring temperature based on the allocation of three spectral ranges include its complexity, including the complexity of mathematical processing.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении способа.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in simplifying the method.

Для достижения указанного технического результата в заявляемом изобретении используют светоизлучающий прибор, в качестве которого служит светодиод или лазер, оценивают длину волны излучения прибора и определяют изменение длины волны и рассчитывают искомую температуру среды.To achieve the specified technical result, the claimed invention uses a light-emitting device, which is an LED or a laser, evaluate the radiation wavelength of the device and determine the change in wavelength and calculate the desired medium temperature.

Таким образом, дистанционный контроль температуры производят пирометрическим методом с помощью светоизлучающего прибора - светодиода, лазера, который выступает как датчик температуры нового типа.Thus, remote temperature control is carried out by the pyrometric method using a light-emitting device - an LED, a laser, which acts as a new type of temperature sensor.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что при подаче напряжения прямого смещения на светоизлучающий прибор в объеме материала генерируется световое излучение за счет процессов рекомбинации основных носителей заряда в области p-n-перехода. Длина волны λ излучения определяется, главным образом, величиной ширины запрещенной зоны ΔEз.The invention consists in the following. It is known that when a direct bias voltage is applied to a light-emitting device in the bulk of the material, light radiation is generated due to the recombination of the main charge carriers in the pn junction region. The radiation wavelength λ is determined mainly by the magnitude of the band gap ΔE s .

Ширина запрещенной зоны ΔEз связана с длиной излучаемой волны λ соотношениемThe band gap ΔE s is related to the emitted wavelength λ as

Δ Е з = h v = h c / λ ,                                                        (1)

Figure 00000001
Δ E s = h v = h c / λ , (one)
Figure 00000001

где h - постоянная Планка; v - частота; λ - длина волны; c - скорость света.where h is Planck's constant; v is the frequency; λ is the wavelength; c is the speed of light.

Значение ΔEз зависит от температуры: по мере уменьшения температуры от T0 до Tх происходит изменение ширины запрещенной зоны от ΔEз0 до ΔEзх (Г. Гулямов, H. Шарибаев. Влияние температуры на ширину запрещенной зоны полупроводника // ФИП (ФИЛ) PSE, 2011, т.9, №1, vol.9, No.1), причемThe value of ΔE z depends on temperature: as the temperature decreases from T 0 to T x the band gap changes from ΔE z0 to ΔE zx (G. Gulyamov, H. Sharibaev. Effect of temperature on the band gap of a semiconductor // FIP (FIL) PSE, 2011, vol. 9, No. 1, vol. 9, No.1), moreover

B = ( Δ E з х Δ E з 0 ) / ( Т х Т 0 ) ; B = ( 5 10 ) 10 4 э В / К ,               (2)

Figure 00000002
B = ( Δ E s x - Δ E s 0 ) / ( T x - T 0 ) ; B = - ( 5 ... 10 ) 10 - four uh AT / TO , (2)
Figure 00000002

где B - коэффициент, зависящий от типа материала полупроводника, определяемый известными способами.where B is a coefficient depending on the type of semiconductor material, determined by known methods.

Следовательно, при уменьшении температуры длина волны λ, излучения уменьшается, а частота излучения - возрастает.Therefore, with decreasing temperature, the wavelength λ of radiation decreases, and the radiation frequency increases.

C учетом выражений (1) и (2) можно записать:Given the expressions (1) and (2), we can write:

B ( T x T 0 ) = h c ( 1 / λ x 1 / λ 0 ) = h c ( λ 0 λ x ) / λ x λ 0 = h c Δ λ / [ ( λ 0 Δ λ ) λ 0 ] ,      (3)

Figure 00000003
B ( T x - T 0 ) = h c ( one / λ x - one / λ 0 ) = h c ( λ 0 - λ x ) / λ x λ 0 = h c Δ λ / [ ( λ 0 - Δ λ ) λ 0 ] , (3)
Figure 00000003

где Δλ=(λ0х), при этом λ0 - длина волны излучения при температуре T0, λх - длина волны излучения при температуре Tх.where Δλ = (λ 0x ), while λ 0 is the radiation wavelength at temperature T 0 , λ x is the radiation wavelength at temperature T x .

С учетом малости величины Δλ выражение (3) можно преобразовать:Given the smallness of Δλ, expression (3) can be transformed:

T x = T 0 + h c Δ λ / B λ 0 2 .                                                                        (4)

Figure 00000004
T x = T 0 + h c Δ λ / B λ 0 2 . (four)
Figure 00000004

Выражение (4) может быть использовано для оценки температуры среды, в которой находится светоизлучающий диод.Expression (4) can be used to estimate the temperature of the medium in which the light-emitting diode is located.

Длина волны излучения λ0 и изменение Δλ могут быть измерены с достаточной степенью точности различными известными способами: путем оценки колец Ньютона, с использованием дифракционной решетки, фазосдвигающих пластинок, с использованием бипризмы Френеля и других. Современными приборами изменение длины волны Δλ, оценивается с высокой точностью, достигающей ±1,0 промиль (±0,001 нм на длине волны 1000 нм).The radiation wavelength λ 0 and the change Δλ can be measured with a sufficient degree of accuracy by various known methods: by evaluating Newton's rings, using a diffraction grating, phase-shifting plates, using Fresnel biprism and others. With modern instruments, the change in the wavelength Δλ is estimated with high accuracy, reaching ± 1.0 ppm (± 0.001 nm at a wavelength of 1000 nm).

В данном случае светоизлучающий прибор выступает как датчик температуры нового типа, физические параметры которого изменяются при изменении температуры среды.In this case, the light-emitting device acts as a temperature sensor of a new type, the physical parameters of which change with a change in the temperature of the medium.

Для использования светоизлучающего прибора (светодиода, лазера) в качестве датчика температуры предварительно проводят метрологические испытания градуировочной зависимости λ=f(T) и оценки значения градиента длины волны Δλ/ΔT в исследуемом диапазоне температур.To use a light-emitting device (LED, laser) as a temperature sensor, metrological tests of the calibration dependence λ = f (T) and an estimate of the value of the wavelength gradient Δλ / ΔT in the studied temperature range are preliminarily carried out.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Берут светоизлучающий прибор (светодиод или лазер) и помещают его в среду для измерения ее температуры. Наблюдают за излучением светоизлучающего прибора с помощью одного из вышеназванных способов, определяют длину волны λ, оценивают Δλ, в сравнении с λ0 при исходной температуре T0 и рассчитывают искомую температуру Tх среды по формуле: Tх=T0+hcΔλ/Bλ02. Например, принимая во внимание, что h - постоянная Планка, h=6,626·10-34 Джс, с - скорость света; с=3·108 м/с и В=-10·10-4 эВ/К=1,6·10-22 Дж/К, λ0=550 нм=550·10-9 м при Т0=300 K, Δλ=40 нм=20·10-9 м, имеем искомую температуру в холодильной камере:Take a light-emitting device (LED or laser) and place it in the environment to measure its temperature. Observe the radiation of the light-emitting device using one of the above methods, determine the wavelength λ, evaluate Δλ, in comparison with λ 0 at the initial temperature T 0 and calculate the desired temperature T x of the medium according to the formula: Tx = T 0 + hcΔλ / Bλ 0 2 . For example, taking into account that h is the Planck constant, h = 6.626 · 10 -34 Js, s is the speed of light; s = 3 · 10 8 m / s and B = -10 · 10 -4 eV / K = 1.6 · 10 -22 J / K, λ 0 = 550 nm = 550 · 10 -9 m at T 0 = 300 K, Δλ = 40 nm = 20 · 10 -9 m, we have the desired temperature in the refrigerator:

Tх=300-6,626·10-34·3·108·40·10-9/[1,6·10-22·(550·10-9)2]=300-164,3=135,7 K.T x = 300-6.626 · 10 -34 · 3 · 10 8 · 40 · 10 -9 / [1.6 · 10 -22 · (550 · 10 -9 ) 2 ] = 300-164.3 = 135.7 K.

Таким образом, изменение температуры среды оценивают по функциональной зависимости длины волны излучения светоизлучающего прибора от температуры λ=f(T).Thus, the change in the temperature of the medium is evaluated by the functional dependence of the wavelength of the radiation of the light-emitting device on the temperature λ = f (T).

Claims (2)

1. Способ дистанционного измерения температуры среды, основанный на измерении длины волны излучения светоизлучающего прибора, помещенного в исследуемую среду, характеризующийся тем, что по мере изменения температуры среды Тх измеряют длину волны излучения λх светоизлучающего прибора, рассчитывают изменение длины волны Δλ и оценивают температуру среды Тх по формуле:
Figure 00000005
,
где Т0 - исходная температура среды; λ0 - длина волны излучения при температуре Т0; h - постоянная Планка; с - скорость света; Δλ=(λ0х); λх - длина волны излучения при температуре Тх; В - постоянная материала.
1. A method for remotely measuring the temperature of a medium based on measuring a wavelength of radiation from a light-emitting device placed in a test medium, characterized in that, as the medium temperature T x changes , the radiation wavelength λ x of the light-emitting device is measured, the change in wavelength Δλ is calculated, and the temperature is estimated environment T x according to the formula:
Figure 00000005
,
where T 0 is the initial temperature of the medium; λ 0 - radiation wavelength at temperature T 0 ; h is Planck's constant; c is the speed of light; Δλ = (λ 0x ); λ x - radiation wavelength at a temperature T x ; B is the constant of the material.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве светоизлучающего прибора используют светодиод или лазер. 2. The method according to claim 1, characterized in that an LED or a laser is used as the light-emitting device.
RU2013129258/28A 2013-06-25 2013-06-25 Method of remote ambient temperature measurement RU2534452C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013129258/28A RU2534452C1 (en) 2013-06-25 2013-06-25 Method of remote ambient temperature measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013129258/28A RU2534452C1 (en) 2013-06-25 2013-06-25 Method of remote ambient temperature measurement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2534452C1 true RU2534452C1 (en) 2014-11-27

Family

ID=53383059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013129258/28A RU2534452C1 (en) 2013-06-25 2013-06-25 Method of remote ambient temperature measurement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2534452C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2589525C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") Method for remote measurement of temperature

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
UA28039U (en) * 2007-07-02 2007-11-26 Mukacheve Technological Inst Remote temperature transducer
EP1922532B1 (en) * 2005-08-15 2012-12-12 X-Rite, Incorporated Spectrophotometer with temperatur corrected system response

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1922532B1 (en) * 2005-08-15 2012-12-12 X-Rite, Incorporated Spectrophotometer with temperatur corrected system response
UA28039U (en) * 2007-07-02 2007-11-26 Mukacheve Technological Inst Remote temperature transducer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2589525C1 (en) * 2015-04-27 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") Method for remote measurement of temperature

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9157811B2 (en) Dispersion and loss spectrum auto-correction distributed optical fiber raman temperature sensor
Hesler et al. NEP and responsivity of THz zero-bias Schottky diode detectors
JP6738327B2 (en) Method and system for measuring radiation and temperature exposure of wafers along a manufacturing process line
US7744275B2 (en) Optical fiber temperature sensing device
JP6206348B2 (en) Optical fiber temperature distribution measuring device
CN106404217A (en) Novel temperature demodulation method based on distributed optical fiber Raman temperature measurement
US10704963B2 (en) Infrared contrasting color emissivity measurement system
US7001068B2 (en) Method and apparatus for the estimation of the temperature of a blackbody radiator
RU2577389C1 (en) Method of calibrating thermoelectric heat flux sensors
JP3812884B2 (en) Temperature detection method and temperature detector
CN102680803B (en) Real-time monitoring microwave dicke radiometer based on reference load temperature
TW200936996A (en) Temperature sensing module
RU2534452C1 (en) Method of remote ambient temperature measurement
RU2510513C2 (en) Radiometer with three-point modulation
Barberree Dynamically self‐validating contact temperature sensors
RU2589525C1 (en) Method for remote measurement of temperature
Tang et al. Temperature measurement.
CN105092088B (en) A kind of broadband fluorescence spectroscopic temperature measurement method
JP5467522B2 (en) Temperature distribution measuring instrument
US11313819B2 (en) Thermal analysis of semiconductor devices
Riza et al. Cryogenic temperature measurement using silicon carbide-based wireless optical sensor
JP2012026777A (en) Optical fiber type temperature sensor
White et al. A CW calibrated laser pulse energy meter for the range 1 pJ to 100 mJ
Yamaguchi et al. Uncertainty due to non-linearity in radiation thermometers calibrated by multiple fixed points
EP1901046A2 (en) Method of temperature measurement and temperature-measuring device using the same

Legal Events

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

Effective date: 20150626