Введение к работе
Актуальность темы:
Новые технологии и, в частности, нанотехнологии, разработка новых материалов, методов их получения и изучение их свойств требуют новых бесконтактных методов определения температуры, поскольку процесс измерения температуры не должен влиять на параметры технологического режима. При этом часто необходимо обеспечить высокое быстродействие и возможность контроля значений температуры не только в отдельные моменты времени, но и регистрировать эволюцию температуры во времени.
В основе большинства полихроматических методов измерения температуры, применяемых в настоящие время, лежат попытки использовать различные методы аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности [2, 3]. Авторы этих методов полагают, что при рациональном сочетании априорных сведений о коэффициенте излучения поверхности объекта, содержащихся в спектре его собственного теплового излучения, а также используя методы и средства современной спектрометрии, можно снизить до приемлемого уровня методическую погрешность измерения температуры по спектральным составляющим собственного теплового излучения.
Однако значения коэффициентов излучения нагретых тел зависят от многих факторов, которые могут заметным образом влиять на результаты измерений [4]. Отсюда возникает необходимость в разработке метода определения температуры, который не требует предварительной информации об излучательной способности пирометрируемого объекта. Таким методом является предлагаемый в данной работе полихроматический статистический метод определения значения температуры.
Прогресс в технологии многоэлементных матричных приемников оптического излучения открывает возможность создания оптико-электронных приборов, позволяющих регистрировать спектры теплового излучения при дистанционном определении температуры. Спектральные измерения применительно к тепловым источникам могли быть выполнены ещё в 50-е годы с использованием телевизионных приемников. Однако аналоговые методы и средства обработки сигналов того времени не позволяли решить эту задачу. С появлением современных цифровых устройств (АЦП, памяти, процессорных средств и т.д.) и цифровых методов обработки сигналов и изображений стало возможным использование больших массивов данных о спектре теплового излучения.
Таким образом, сочетание современных цифровых средств, компьютерных технологий и матричных фотоприемных устройств позволило перейти на качественно новый уровень при решении проблемы дистанционного определения температуры.
Целью диссертационной работы является исследование возможности
дистанционного измерения температуры тел при неизвестной излучательной способности поверхности, а также разработка метода и принципа построения устройства измерения температуры по спектру теплового излучения.
Разрабатываемый метод должен отличаться от существующих методов тем, что при определении температуры не предполагается использование априорной информации об излучательной способности поверхности пирометри-руемого объекта, а также дополнительных внешних источников излучения, обычно применяемых в методах активной пирометрии.
Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
Выполнить обзор и анализ существующих методов дистанционного измерения температуры и сформулировать критерии выбора из числа существующих полихроматические методы, позволяющие снизить зависимость получаемых результатов от излучательных свойств пирометрируемой поверхности.
Разработать методологию построения полихроматических измерителей температуры на базе многоэлементных (матричных) фотоприемников.
Создать экспериментальную установку для проведения измерений, подтверждающих возможность получения и регистрации спектра теплового излучения объектов, используя диспергирующие элементы и многоэлементные матричные фотоприемники.
Провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность создания дистанционного измерителя температуры на основе многоэлементных фотоприемников в сочетании с методами статистической обработки результатов измерений спектров теплового излучения.
Экспериментально продемонстрировать возможность измерения температуры реальных тел по их спектру теплового излучения.
Дать рекомендации и предложения по совершенствованию разрабатываемого спектрального метода измерения температуры, областям его применения и перспективам его использования.
Методы исследования:
В работе использованы фундаментальные положения теоретической физики и термодинамики, математические методы статистического анализа и теории вероятностей, элементы теории аналоговой и цифровой электронной техники, новейшие методы оптоэлектроники и современных компьютерных технологий.
Для дистанционного измерения температуры использовано сочетание полихроматических методов пирометрии с ранее не применявшимися в пирометрии статистическими методами анализа и обработки данных и пакеты прикладных программ MATLAB фирмы The MathWorks, Inc. и LabVIEW фирмы National Instruments.
Достоверность полученных результатов подтверждается: 1. Высоким уровнем теоретической и экспериментальной базы исследования, использованием фундаментальных теоретических положений и ме-
тодов теоретической физики и термодинамики (законы излучения Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Гюйгенса - Френеля и т.д.), а также современных достижений видных ученых - пирометристов, таких как Д.Я. Свет и др.
Использованием оборудования и приборов ведущих мировых производителей: Sony, Hamamatsu, Mikron Infrared, Texas Instruments и т.д. и применением методических и программных средств MATLAB и Lab VIEW известных фирм-производителей. Результатами экспериментальных исследований, проведенных в рамках НИР «Сабельник», выполненной в ГОУ ВПО МЭИ(Ту) по заказу Секции прикладных проблем (СПИ) при президиуме РАН.
Детальной экспериментальной проверкой всех заимствованных элементов, а для вновь введенных элементов - доказательством адекватности их моделей по выполняемым ими функциям.
Анализом известных полихроматических методов определения температуры, а также путем сопоставления экспериментально полученных результатов с данными, получаемыми при использовании высокоточного источника оптического излучения - модели абсолютно черного тела типа М360 фирмы «Mikron Infrared».
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
В практике отечественной пирометрии использован статистический подход к обработке данных о спектре излучения пирометрируемой поверхности.
Реализован принцип построения многоканальной измерительной системы, содержащей: входное оптическое звено, пропускающую дифракционную решетку, ТВ камеры и интерфейсное цифровое устройство, обеспечивающие одновременный сбор и передачу информации о спектре теплового излучения по различным информационным каналам.
Разработана методика и экспериментально продемонстрирована возможность измерения температуры по спектру теплового излучения при неизвестной излучательной способности с использованием статистических методов.
Разработаны и реализованы алгоритмы и методика расчета температуры с использованием экспериментально полученной спектральной информации.
Предложена схема построения оптического звена измерительного устройства, обеспечивающего независимость получаемых результатов от расстояния до пирометрируемого объекта.
Экспериментально подтверждена возможность определения температуры полихроматическими статистическими методами в условиях отсутствия информации об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности.
Предложены алгоритмы для вычисления температуры и определения спектральной функции поправочных коэффициентов, необходимой для учета искажающих воздействий на спектр теплового сигнала в оптическом и электронном трактах.
Практическая значимость:
Открыты перспективы для построения нового поколения спектральных многоканальных измерителей температуры.
Результаты проведенной работы использованы при выполнении хоздоговорной НИР, проводимой в МЭИ (ТУ) по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также при проведении НИИР и в учебном процессе МЭИ(ТУ).
Практическая применимость и эффективность методики и созданной измерительной установки продемонстрирована на примере измерения температуры абсолютно черного тела (АЧТ) и имитаторов реальных тел, а также в совместной работе с Объединенным институтом высоких температур (ОИВТ) РАН.
Разработанный метод дополняет существующие полихроматические методы в части повышения достоверности результатов температурных измерений, расширяет их потенциальные возможности и области практического применения.
Личный вклад соискателя и апробация работы.
Из 12 работ, опубликованных по теме диссертации, 9 выполнены с соавторами и 3 лично соискателем. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, была непосредственно выполнена соискателем в рамках НИР «Сабельник» по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при президиуме РАН.
Цели и задачи настоящей диссертационной работы были сформулированы и поставлены руководителем диссертационной работы (В.Н. Бодров). Выполнение диссертационной работы осуществлялось соискателем.
Статьи и доклады [2, 8, 9] из списка публикаций по основным результатам диссертации, подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно. Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве [3-7, 1,10, 11], состоит в решении проблем, связанных с планированием и разработкой экспериментальных методов измерений и методов анализа полученных результатов. В проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов, формулировке выводов, а также участие в подготовке и представлении докладов на конференциях.
Соискатель подготовил автореферат, диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад соискателя в диссертационную работу и полученные научные результаты, выносимые на защиту, является определяющим.
На разработанный метод дистанционного определения температуры подана заявка на получение патентов на изобретение и на полезную модель.
Результаты диссертации докладывались неоднократно на научном семинаре кафедры Электронные приборы МЭИ(ТУ) (руководитель - зав. кафедрой Бодров В.Н.) а также на научных конференциях:
1. 11-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2005.
13-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2005.
12-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006.
14-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2006.
5. Третья Всероссийская конференция по проблемам термометрии
«Температура-2007», Обнинск, 2007.
«Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов», Томск, 2007.
13-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007.
«XIV Всероссийская школа - коллоквиума по стохастическим методам и осенняя сессия VIII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике». Сочи - Адлер, 2007.
Семинар «Современные технологии цифровой регистрации и обработки, температурных полей, низкоуровневых изображений, изображений быстропротекающих процессов» - к юбилею факультета Электронной Техники Института Радиотехники и Электроники МЭИ, Москва, 2007.
13-ая Международная научно-техническая конференция молодых светотехников России, Москва, 2007.
15-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2007.
16-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2008.
18th European Conference on Thermophysical Properties, Pau, France, 2008( 18-я Европейская конференция по тепло физическим свойствам, По, Фр.)
4th International Conference on Thermal Engineering: Theory and Applications, Abu Dhabi, UAE, 2009.(4-я Международная конференция по тепловому инжеренингу: теория и приложения, Абу Даби).
На защиту выносятся следующие положения:
Методика измерения температуры по спектру излучения нагретого тела в отсутствии информации о спектральной зависимости коэффициента излучения поверхности, при условии разбиения спектра на достаточно большое число интервалов и нахождения отношений интенсивностей на границе каждого интервала (методом спектральных отношений) с последующей статистической обработкой совокупности полученных значений температуры.
Структура и принципы построения полихроматического оптикоэлек-тронного устройства, позволяющего измерять температуру при отсутствии информации о характеристиках излучательной способности поверхности пи-рометрируемых объектов.
Экспериментальное подтверждение возможности дистанционного определения температуры поверхности тел с неизвестными излучательными свойствами.
4. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 197 страниц, 75 рисунков, 8 таблиц. Список цитируемой литературы включает 80 наименований.
