Содержание к диссертации
Введение
1. Основы оптической пирометрии 13
1.1. Физические принципы 13
1.2. Основные методы оптической пирометрии 16
1.3. Учет немонохроматичности приемников излучения 17
1.4. Учет влияния излучательной способности 20
1.5. Связь излучательной способности с оптическими свойствами 25
1.6. Основные источники погрешностей при бесконтактном измерении температуры 30
1.7. Выводы 31
2. Особенности применения широкополосных приемников излучения в пирометрах спектрального отношения 34
2.1. Введение 34
2.2. Оценка погрешности применения приближения Вина 36
2.3. Влияние широкополосности фотоприемника на погрешность применения приближения Вина 40
2.4. Оценка погрешности применения приближения Вина для двухспектрального широкополосного совмещенного ФПУ 47
2.5. Учет влияния излучательной способности измеряемых объектов на точность определения температуры пирометрами на основе широкополосного ФПУ 57
2.6. Определение динамического диапазона ФПУ, требуемого для заданной разрешающей способности пирометра 68
2.7. Выводы 70
3. Бесконтактное измерение температуры объектов с изменяющейся излучательной способностью 72
3.1. Введение 72
3.2. Трансформация оптических свойств монокристаллического кремния при изменении температуры 75
3.3. Оптические свойства расплава кремния 89
3.4 Влияние изменения излунательной способности на точность определения температуры 94
3.5 Выводы 98
4. Применение широкополосных пирометров отношения для исследований динамики процесса сжигания водоугольной суспензии 100
4.1. Введение 100
4.2. Исследования горения водоугольной суспензии в лабораторных условиях 104
4.3. Выводы. 111
5. Разработка пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для измерения температуры высокотемпературных процессов 112
5.1. Введение 112
5.2. Структура прибора 113
5.3. Описание принципиальной схемы прибора 116
5.4. Описание алгоритма работы встроенного микропроцессора 120
5.5. Калибровка прибора 122
5.6. Результаты испытаний 125
5.7. Применение пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для измерения температуры кремния 127
5.8. Применение пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для диагностики различных параметров горения мелкодисперсного угольного топлива 131
5.9. Выводы 137
Заключение 139
Список литературы
- Учет немонохроматичности приемников излучения
- Влияние широкополосности фотоприемника на погрешность применения приближения Вина
- Влияние изменения излунательной способности на точность определения температуры
- Исследования горения водоугольной суспензии в лабораторных условиях
Введение к работе
Потребность в оперативной дистанционной диагностике высокотемпературных процессов в энергетике, металлургии, при выращивании кристаллов и т.п. в настоящее время непрерывно расширяется, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью автоматизации производства. Требуемый диапазон измеряемых температур, как правило, лежит в пределах от 700 до 2000 С, применение в этих условиях термопар неэффективно из-за их недолговечности. Таким образом, наиболее целесообразно для решения таких задач применять оптические пирометры. Отсюда возникает необходимость в разработке проблемно-ориентированных приборов, адаптированных к решению конкретных задач дистанционной диагностики.
Как известно, в традиционных методах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств излучающего тела. Имеющаяся в литературе априорная информация при измерении истинной температуры используется в виде коэффициентов излучательной способности. Неполнота этих данных, несоответствие их значений в реальных условиях справочным и, самое главное, изменение свойств излучающей поверхности и промежуточной среды в процессе измерения создают методические погрешности, превышающие инструментальные в десятки и сотни раз. В связи с этим высокая точность любых, в том числе самых прецизионных пирометрических систем, реализующих традиционные методы на практике, часто оказывается иллюзорной. Проблема измерения действительных значений температуры в условиях неизвестной или изменяющейся излучательной способности для современной оптической пирометрии является основной.
Громадный разрыв между инструментальной и методической погрешностями в большинстве случаев может быть ликвидирован или сокращен до приемлемых пределов при рациональном сочетании априорных сведений об излучательных свойствах измеряемого объекта с использованием избыточной информации, содержащейся в спектре его собственного теплового излучения.
Современная элементная база дает возможность существенного повышения точности измерений. Применение многоразрядных АЦП и прецизионных аналоговых компонентов позволяет измерять интенсивность излучения измеряемого объекта с очень малой инструментальной погрешностью. Для уменьшения методических погрешностей в каждой конкретной задаче необходимо исследовать систему «объект - измеритель» с помощью математического и физического моделирования и выяснить влияние на точность определения температуры различных параметров пирометрической системы.
Одним из важных вопросов при разработке проблемно-ориентированной пирометрической системы является оптимальный выбор фотоприемного устройства (ФПУ). От характеристик используемого ФПУ напрямую зависит инструментальная погрешность разрабатываемого прибора.
Кроме того, поскольку излучательная способность объекта измерения может существенно различаться на разных участках спектра, методическая погрешность при определении температуры существенно зависит от оптимального выбора спектрального интервала регистрации интенсивности. Спектральные характеристики ФПУ должны по возможности подбираться таким образом, чтобы минимизировать влияние излучательной способности измеряемого объекта на точность определения температуры.
При выборе спектрального интервала ФПУ следует также учитывать диапазон температур, который предполагается регистрировать. Для достижения максимальной разрешающей способности в заданном интервале измеряемых температур необходимо выбрать такой спектральный интервал, в котором интенсивность теплового излучения измеряемого объекта имеет максимальный температурный контраст.
Традиционно в пирометрии используются узкополосные (монохроматические) ФПУ. Их основным преимуществом является возможность применения упрощенных алгоритмов вычисления температуры, основанных на приближении Вина. Также важно, что в этом случае излучательная способность измеряемого объекта предполагается постоянной на всем спектральном интервале и учитывается в виде коэффициента, не зависящего от длины волны.
Недостатком данного подхода является тот факт, что большинство ФПУ, широко применяемых в пирометрии, изначально имеют широкую полосу спектральной чувствительности и требуют применения различных узкополосных фильтров. Применение узкополосных фильтров существенно усложняет конструкцию оптической части прибора, снижая тем самым его эксплуатационные характеристики.
В тоже время, регистрация интенсивности излучения измеряемого объекта в широком диапазоне позволяет наиболее оптимально использовать характеристики фотоприемника и достичь более высоких показателей отношения сигнал/шум, что особенно важно при измерении объектов с малой интенсивностью излучения. В некоторых случаях, когда излучательная способность измеряемого объекта меняется в процессе измерения, применение широкополосных ФПУ предпочтительнее, так как позволяет минимизировать возникающую методическую погрешность за счет интегрирования.
Применение широкополосных ФПУ в пирометрах, ориентированных на промышленное применение, позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики таких приборов за счет существенного упрощения конструкции оптической части прибора.
Цель работы: моделирование и исследование методов двухспектральной оптической пирометрии для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов с учетом спектральных характеристик широкополосных совмещенных ФПУ и априорной информации об объектах измерений; разработка пирометров спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать влияние ширины спектральной полосы чувствительности ФПУ на точность определения температуры при решении задач оптической пирометрии высокотемпературных процессов с изменяющейся излучательной способностью; определить требуемые характеристики, выбрать базовое ФПУ.
Путем моделирования оценить погрешности, возникающие при расчете температуры в пирометрах спектрального отношения на основе выбранного ФПУ; оценить динамический диапазон измерения интенсивности, требуемый для заданного диапазона измеряемых температур и требуемой точности измерений.
Разработать метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах.
Исследовать особенности оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).
Исследовать возможность применения пирометров спектрального отношения для дистанционной диагностики нестационарных быстропротекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии).
6. Разработать пирометр спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ, предназначенный для научных исследований и практических применений.
Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы.
В первой главе, составленной на основе обзора литературы, изложены принципы оптической пирометрии и приведены сведения об основных пирометрических методах. Для перечисленных методов указаны их сравнительные преимущества и недостатки, приведены формулы для вычисления температуры и выражения для определения погрешностей. Рассмотрены основные методы учета ширины полосы фотоприемников, введено понятие эффективной длины волны для широкополосного фотоприемника. Показано, что эффективная длина волны зависит от температуры, и эта зависимость, в большинстве случаев, носит гиперболический характер. Рассмотрены основные методы учета излучательнои способности объекта измерения, введено понятие действующей излучательнои способности и на его основе приведены методические поправки для различных типов пирометров. На основе электромагнитной теории дана информация о взаимосвязи излучательнои способности, коэффициентов поглощения и пропускания с электрическими и магнитными свойствами вещества. Определены основные источники погрешностей при бесконтактном измерении температуры, приведено сравнение величин методической и инструментальной погрешностей. На основе этого сформулирована цель и определены задачи исследований.
Вторая глава посвящена моделированию метода спектрального отношения с использованием априорной и экспериментально полученной информации об оптических свойствах объектов измерений и спектральной чувствительности ФПУ пирометра.
В качестве базового ФПУ для решения поставленных задач было выбрано совмещенное двухспектральное широкополосное ФПУ. ФПУ представляет собой кремниевый (Si) и германиевый (Ge) фотодиоды, причем Si-фотодиод помещен перед Ge-фотодиодом и служит для него спектральным фильтром. Для выбранного приемника экспериментально определены кривые спектральной чувствительности каждого из двух каналов.
Используя полученные зависимости спектральной чувствительности, рассчитывались погрешности различных приближенных методов вычисления температуры. Показано, что общепринятый подход представления широкополосного фотоприемника как узкополосного с некоторой эффективной длиной волны не обеспечивает требуемой точности определения температуры. Показано, что использование при вычислении температуры упрощенного алгоритма, основанного на приближении Вина, допустимо только для сравнительно узкого диапазона измеряемых температур. Предложено для вычисления температуры в широком диапазоне применять полином 3-й степени.
Кроме того, проводилась оценка погрешности измерения температуры при различных характеристиках излучательной способности объекта. Предложен метод аппроксимации излучательной способности объекта, позволяющий повысить точность определения температуры.
Для различных диапазонов измеряемых температур определен требуемый динамический диапазон измерения интенсивности излучения. Показано, что для заданного диапазона измеряемых температур и точности измерений в случае использования широкополосного ФПУ по сравнению с узкополосным требуется меньший динамический диапазон.
Третья глава посвящена моделированию особенностей оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).
Получены собственные данные об излучательной способности кремния в спектральном диапазоне 0,4 - 1,8 мкм для температур 700 и 800 С, которые использованы при моделировании задач пирометрии твердого кремния. Выше точки плавления использованы данные из литературы, полученные методом эллипсометрии и отражения.
Установлено, излучательная способность кремния представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся с температурой. Моделированием пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ показано, что изменение излучательной способности от температуры слабо влияет на точность измерений.
Четвертая глава посвящена исследованию возможности применения пирометров спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для дистанционной диагностики нестационарных быстропротекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии)
Показано, что основными требованиями, предъявляемыми к пирометру, предназначенному для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива, является повышенное быстродействие и высокая разрешающая способность оптической системы.
Пятая глава посвящена разработке пирометра спектрального отношения на основе совмещенных широкополосных ФПУ для научных исследований и промышленных применений.
Разработанный пирометр спектрального отношения обеспечивает следующие параметры:
Диапазон измеряемых температур, С 800 - 2000
Спектральные диапазоны, мкм 0.4 - 1.1; 1.1 - 1.7
Погрешность определения температуры, % ± 0.3
Воспроизводимость, % ± 0.2
Частота обновления результата, Гц 1
Время отклика канала связи, не более, мс 10
Скорость передачи данных, кбит/сек 38.4 Разработан модифицированный пирометр для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива. Для этого увеличено быстродействие в 100 раз и обеспечен сбор света с объекта размером -~ 1 мм.
Основные характеристики пирометра:
Диапазон измеряемых температур, С 800- 1800
Спектральные диапазоны, мкм 0.4 - 1.1; 1.1 - 1.7
Погрешность определения температуры, % 0,5
Частота обновления результата, Гц 100 - Скорость передачи данных, кбит/сек 115,2 Разработанные и созданные пирометры спектрального отношения на основе широкополосных ФПУ нашли практическое применение при автоматизированном контроле процесса выращивания монокристаллов кремния (ФГУП «Красмаш») и при исследовании эффективности сжигания водоугольных суспензий (ИТ СО РАН).
На защиту выносятся следующие положения:
Широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью, а также обеспечивает снижение требуемого динамического диапазона в 10-40 раз.
Аппроксимация спектрально-зависимой излучательной способности объектов измерения (металлов) позволяет существенно (на 2 порядка) уменьшить погрешность определения температуры.
Метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах (0,4 -1,1 мкм и 1,1 — 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностеи, позволяет определять температуру с погрешностью не более 1С в диапазоне 800-2000С.
Спектральная излучательная способность кремния в интервале 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры, при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 700С до точки плавления не превышает 3С на 100С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 С на 200 С.
Разработанные пирометры спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФІГУ успешно применены для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, а также исследования динамики горения мелкодисперсного топлива.
Учет немонохроматичности приемников излучения
Пирометры по принципу действия подразделяются на несколько основных типов [1,6]. Пирометр суммарного (полного) излучения измеряет излучение объекта во всем спектре, для этого используется широкополосный тепловой приемник излучения. Температура вычисляется по формуле: Т = а Уи lfo(A,T)dZ. (1.11)
Температурой суммарного излучения нечерного тела принято считать температуру черного тела ТЕ, при которой величина суммарной излучаемой им энергии равна суммарной энергии излучения нечерного тела. Температура суммарной радиации связана с истинной температурой выражением: Т-1 = т1-,фаг)і (1.12) где є(Т) - средний интегральный коэффициент излучения измеряемого тела. Узкополосный (монохроматический) пирометр измеряет интенсивность излучения определенной длины волны. В пределах применимости приближения Вина (т.е. если XT 3000 мкм - град) температура может быть вычислена по формуле: Г - (С2 /2)/1п(С,Я-5 /Ь(Л,Т)). (1.13)
Таким образом, логарифм интенсивности излучения линейно связан с обратной температурой. Яркостная температура связана с истинной температурой выражением: Г;1 =Г_1-(А/С2)/1п(е(А,Г)). (1.14) Пирометр спектрального отношения определяет температуру по отношению спектральных плотностей двух квазимонохроматических компонент. При этом абсолютные значения интенсивн остей спектральных составляющих роли не играют. В пределах применимости приближения Вина зависимость отношения двух спектральных яркостей от температуры, также как и зависимость каждой из этих яркостей, описывается экспонентой: ЙП 2 ТЛ- 6(4 Л -I А yhj ехр с2( 1 1 ч (1.15) Выражение, позволяющее определить температуру по величине отношения, можно получить логарифмированием правой и левой частей: Г = С2(Я2 -Л,) , j .
Таким образом, в приближении Вина величина логарифма спектрального отношения линейно зависит от обратных значений температуры. Для реальных тел отличие цветовой температуры от истинной может быть выражено в виде: Т?=Т - -InW.n/stW)). (1.17) Следует отметить, что все описанные методы обеспечивают наибольшую точность только при постоянных и известных коэффициентах излучательной способности.
Приведенные выше выражения справедливы для монохроматического излучения соответствующих длин волн Xj. Однако, любой фотоприемник излучения не является монохроматическим, всегда имеется некоторая спектральная ширина чувствительности АХ. В качестве меры монохроматичности в оптике обычно используется относительная величина АШ.
Для учета немонохроматичности приемников излучения обычно используется следующий подход. Воздействие на приемник излучения в некотором спектральном интервале можно заменить воздействием некоторого монохроматического потока излучения с эффективной длиной волны Яэ. Такая замена корректна, если изменение потока излучения от температуры в обоих случаях ведет себя одинаково. Дифференцируя (1.2) по температуре в приближении Вина получаем: КІЮ = —, (1.18) о где hftC) - аппаратная функция приемника излучения.
Следует отметить, что значение эффективной длины волны действительно только для той температуры, при которой оно определено. С увеличением температуры максимум энергии смещается в область более коротких волн, что приводит к изменению Яа. Зависимость величины эффективной длины волны от температуры имеет при этом гиперболический характер.
Влияние широкополосности фотоприемника на погрешность применения приближения Вина
Расчету погрешностей применения широкополосных приемников в пирометрии посвящено достаточно большое количество работ. Наибольшие трудности возникают при оценке погрешности метода спектрального отношения, поскольку в данном методе отсутствует однозначная зависимость между температурой, определяемой пирометром, и интенсивностью излучения измеряемого объекта.
Для оценки погрешности применения приближения Вина в пирометре спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ проведено моделирование процесса измерения температуры с помощью такого пирометра. При моделировании использовался математический пакет Mathlab.
Построенная модель, в целях универсальности, включает в себя все основные факторы, влияющие на точность определения температуры. В ее состав входят следующие основные функциональные блоки: источник излучения (объект, температура которого измеряется), среда распространения излучения, чувствительный элемент, вычислительный блок.
В общем случае спектральная мощность излучения объекта измерения, находящегося при температуре Т, описывается произведением формулы Планка и излучательной способности. Е(Х, Т) = ОД Г; е#, Т). (2,9)
В данном выражении излучательная способность є предполагается зависящей от длины волны и температуры. В некоторых случаях излучательная способность измеряемого объекта может также изменяться в зависимости от времени, например, в результате структурных изменений поверхности. Однако в данной работе эта зависимость не рассматривается.
Характеристика среды, в которой распространяется излучение, описывается коэффициентом поглощения, зависящим от длины волны т(к). В спектральном диапазоне 0,4 - 2 мкм (видимый и ближний ИК-диапазон) излучение, распространяющееся в воздухе, может поглощаться парами воды (X "1,3 мкм) и частицами пыли. Таким образом, излучение, достигшее фото чувствительного элемента пирометра, будет описываться выражением EYI Т) = Ъ(Х, Т) Е(Х, Т) т(Х). (2.10)
Фотоприемное устройство пирометра обладает некоторой характеристикой спектральной чувствительности s,(X), Электрический сигнал на выходе фотоприемника является интегралом произведения падающего излучения и функции спектральной чувствительности ФПУ S(T) = KJEXA,T)s,UW- (2.11)
В данном выражении К - коэффициент фотоэлектрического преобразования. Подставляя выражение (2.9) для " в (2.11), получаем в итоге для электрического сигнала на выходе фотоприемника выражение (2.1). В случае пирометра спектрального отношения отношение сигналов двух фотоприемников будет выражаться: R{T) = K, ]b(X,T)e(X,T)r(X)sx{X)dXl К2 jb(X,T)s(X,T)v(X)s2(X)dX, (2.12) А, Л, где Xi, Х2 и Х-з, Х4 - границы спектральной чувствительности 1-го и 2-го фотоприемника, соответственно. Данное выражение описывает отношение электрических сигналов R(T) на выходе ФПУ пирометра спектрального отношения при регистрации излучения от объекта измерения, находящегося при температуре Т.
Задачей вычислительного блока пирометра является определение температуры по величине отношения R. Поскольку зависимость величины отношения сигналов от температуры имеет интегральный вид, такая задача может быть решена только численными методами. Исключение составляет случай, когда для регистрации интенсивности применяются узкополосные приемники излучения, а температура вычисляется с использованием приближения Вина. В этом случае, как уже говорилось, логарифм R линейно зависит от Т"!. Оценим величину возникающей при этом температурной погрешности с помощью построенной математической модели пирометра отношения (2.12).
Для этого возьмем два узкополосных фотоприемника, спектральная чувствительность которых имеет максимум в Х\ и Х2, соответственно, а ширина полосы чувствительности АХ — 0. Предположим, что Ху, Х2 лежат в диапазоне 0,4...0,8 мкм и Х\ меньше, чем Х2, т.е. 0,4мкм X} Х2 0,8мкм. (2-13)
Используя выражение (1.8) для определения границы применимости приближения Вина, получаем, что при X 0.8 мкм максимально допустимая температура объекта составляет 2000 / 0.8 = 2500 К. Нижнюю границу температурного диапазона выберем таким образом, чтобы излучение измеряемого объекта было достаточным для измерения его температуры. Для видимого диапазона эта величина составляет примерно 700 С.
Влияние изменения излунательной способности на точность определения температуры
Одной из характерных особенностей металлического состояния вещества как в твердом, так и в расплавленном состояниях является тот факт, что основными носителями тепла и заряда являются свободные электроны. Согласно модели почти свободных электронов, развитой Займаном с сотрудниками [54], электронная теплопроводность (Лс) определяется соотношением Видемана-Франца Лс=ЬаТ, где о - электропроводность, L -число Лоренца, зависящее от механизма рассеяния и степени вырождения электронного газа. Однако, в ряде работ по измерению поведения теплопроводности показано, что у ряда веществ полного разрушения кристаллической структуры непосредственно в точке плавления не происходит — в некоторой области температур выше точки плавления кристаллическая структура сохраняется в виде микронеоднородностей (кластеров), обладающих полупроводниковыми свойствами. Наиболее отчетливо этот эффект проявляется в расплавах полупроводников, которые в процессе плавления изменяют структуру ближнего порядка и характер межатомной связи от преимущественно ковалентного в кристаллическом состоянии к металлическому в жидком. Данный факт был установлен в результате исследований температурной зависимости вязкости, плотности, теплофизических, электрофизических и акустических свойств, а также с помощью рентгеноструктурного анализа [55-61]. Исследования позволили с достаточной определенностью выявить интервал структурно-неоднородного строения расплавов ряда веществ, плавящихся по типу полупроводник-металл [57, 58]. Такое поведение фазового перехода полупроводник - металл характерно как классических полупроводников (кремний, германий), так и большой группы соединений типа AmBv. В качестве примера на рис. представлены типичные зависимости объемной доли кластеров в расплаве от величины его перегрева относительно точки плавления.
Из данных, приведенных на этом графике, следует, что при перегреве расплава кремния на 80-100С в нем сохраняется заметная доля (1-2 об. %) материала, обладающего полупроводниковыми свойствами. Ясно, что в условиях быстрого перегрева объемная доля этих кластеров будет возрастать с увеличением скорости повышения температуры расплава.
Это означает, что при регистрации излучения кремния в точке плавления резкого уменьшения интенсивности не должно наблюдаться. Экспериментальные результаты, полученные в г. Красноярске (см. гл. 5) на установке по выращиванию монокристаллов кремния, показывают, что в точке плавления вместо резкого уменьшения интенсивности излучения имеет место плавный переход. Анализ результатов эксперимента показал, что данный факт не связан с особенностями работы аппаратуры регистрации -характерное время перехода существенно меняется в зависимости от скорости нагрева и, кроме того, превышает характерное время запаздывания аппаратуры.
При бесконтактном измерении температуры при помощи пирометров, одной из причин возникновения погрешности определения температуры может служить изменение излучательной способности объекта измерения от температуры. От величины излучательной способности зависит количество энергии, которая будет излучаться измеряемым объектом. В зависимости от типа пирометра взаимосвязь между энергией излучения объекта и погрешностью определения температуры может быть разной. Для определения ее величины в каждом конкретном случае необходимо учитывать тип используемого пирометра, характеристику спектральной чувствительности фотоприемника и другие условия измерения.
Для монохроматических пирометров величина погрешности, связанной с изменением излучательной способности, выражается формулой (1.51). В случае пирометра спектрального отношения погрешность определяется исходя из изменения излучательной способности объекта в двух спектральных диапазонах, и выражается формулой (1,52).
Исследования горения водоугольной суспензии в лабораторных условиях
В схеме применен операционный усилитель AD795, предназначенный для прецизионных измерений. Данный операционный усилитель отличается малым входным током и очень малым напряжением смещения. Поскольку, как видно из схемы, входы операционного усилителя подключены непосредственно к контактам фотодиода, любое, даже незначительное напряжение смещения между входами операционного усилителя будет эквивалентно запирающему напряжению, приложенному к фотоприемнику. При этом нарушается линейная зависимость генерируемого фототока от падающей интенсивности.
Другой важной характеристикой используемого операционного усилителя является малый температурный дрейф выходного напряжения. В зависимости от температуры корпуса выходное напряжение усилителя меняется, и величина этого изменения составляет 5 мкВ/градус. Совместно с прецизионным сопротивлением обратной связи, изменение сопротивления которого от температуры составляет 0,1%, данная схема позволяет получить высокую температурную стабильность выходного напряжения.
Напряжение с выходов каждого из преобразователей ток/напряжение поступает на вход соответствующего АЦП. Разрядность АЦП для каждого канала выбиралась исходя из требуемого динамического диапазона измерения интенсивности. Расчеты, проведенные в главе 2, показывают, что для измерения температуры в диапазоне 800...2000 С с точностью 1 С требуемая величина динамического диапазона измерения интенсивности составляет 2,5 10 квантов для спектрального диапазона, соответствующего Si-фотодиоду.
Таким образом, для измерения интенсивности Si-канала в разработанном пирометре был применен 24-х разрядный АЦП AD7714 производства фирмы Analog Devices. Данный АЦП представляет собой сигма-дельта-модулятор 2-го порядка. Указанная разрядность 24 разряда является предельной и может быть достигнута только при очень больших временах преобразования (порядка секунды на отсчет). Поскольку такая высокая разрядность для решения поставленной задачи не требуется, время преобразования было уменьшено. Для достижения помехоустойчивости и снижения влияния сетевых наводок время преобразования было выбрано равным частоте питающей сети 50 Гц. При этом разрядность данных на выходе АЦП составила 19 разрядов, что примерно соответствует требуемому значению динамического диапазона.
Для измерения интенсивности во втором, Ge-канале пирометра, такой большой динамический диапазон не требуется, поэтому применение 24-х разрядного АЦП нецелесообразно. Для измерения интенсивности Ge-канала применен 16-х разрядный АЦП AD7715 фирмы Analog Devices. Работа данного АЦП синхронизована с работой АЦП Si-канала, время преобразования в этом канале также составляет 50 отсчетов в секунду.
Применение двух параллельно работающих АЦП обусловлено необходимостью измерения интенсивности излучения одновременно по двум каналам. В случае, если вместо двух параллельно работающих АЦП измерение интенсивности производится с помощью одного АЦП с поочередным переключением каналов, полученные значения будут сдвинуты друг относительно друга по времени. При резком изменении температуры или оптических свойств объекта измерения это может привести к существенной ошибке при вычислении температуры.
Полученные в результате аналого-цифрового преобразования значения с выходов АЦП передаются по синхронному последовательному каналу связи SPI в цифровом виде на вход микропроцессора, где происходит их дальнейшая обработка и вычисление температуры. В схеме применен 8-разрядный AVR-микропроцессор AT90S8535 производства фирмы Atmel. Микропроцессор производит предварительную обработку данных, после чего вычисляется отношение сигналов. Полученная величина отношения в дальнейшем является входным параметром для работы алгоритма вычисления температуры.
Алгоритм вычисления температуры предназначен для вычисления температуры по величине отношения сигналов по заранее запрограммированной калибровочной зависимости. Результатом работы алгоритма вычисления температуры является значение температуры измеряемого объекта, соответствующее текущей величине отношения. Полученная величина может быть считана из прибора в цифровом виде по последовательному каналу связи RS-485. Данный стандарт последовательной связи отличается повышенной помехоустойчивостью и широко применяется в промышленных системах управления.
Кроме цифрового выхода, имеется также аналоговый выход. Микропроцессор с помощью широтно-импульсного модулятора генерирует цифровой сигнал, скважность которого пропорциональна вычисленному значению температуры. Полученный цифровой сигнал преобразуется в аналоговый, который затем преобразуется в ток. Токовый выход может быть использован для подключения самописца или других регистрирующих устройств с токовым входом 1..5 или 4..20 миллиампер.
