Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по теории, способам и устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности объектов 12
1.1 Пирометрия при постоянном и известном коэффициенте излучения поверхности объекта 12
1.1.1 Пирометрия суммарного излучения 12
1.1.2 Пирометрия частичного излучения 14
1.1.3 Метод пирометрии спектрального отношения 16
1.1.4 Пирометрия двойного спектрального отношения 22
1.1.5 Методы повышения точности измерения «условных» температур 25
1.2 Методы пирометрии для определения истинной температуры поверхности объекта... 26
1.2.1 Метод исключения влияния коэффициента излучения за счет использования избыточной информации в значениях температуры 26
1.2.2 Устройство пирометра, одновременно определяющего истинную температуру и коэффициент излучения при условии, что коэффициент излучения постоянный или слабо зависит от температуры 31
1.2.3 Устройство цветового пирометра истинной температуры 34
1.2.4 Метод пирометрии, использующий аппроксимацию спектрального коэффициента излучения исследуемого объекта в конденсированной фазе 37
1.2.5 Метод наименьших квадратов в определении истинной температуры поверхности некоторых материалов 48
1.2.6 Метод определения температуры поверхности пирометром с адиабатической насадкой 48
1.2.7 Метод бихроматической пирометрии истинных температур 49
1.2.8 Многоволновой метод измерений температуры в пирометрии 50
1.3 Основные методы расчета температурной чувствительности оптико-электронных систем измерения температур 50
1.4 Влияние постороннего излучения на результаты измерения температуры тел 53
1.5 Выводы к разделу 1 54
2 Теория, принципы построения, оптическая и электрическая схема оптического трехспектрального пирометра 56
2.1 Теория работы пирометра в отсутствии воздействия излучения помех 56
2.2 Обобщение теории работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех 62
2.3 Алгоритм и программа моделирования и управления работой пирометра 65
2.4 Функциональная схема трехспектрального оптического пирометра и принцип его работы 69
2.5 Оптическая схема пирометра 72
2.5.1 Состав схемы 72
2.5.2 Выбор поля зрения, фокусного расстояния и диаметра входного зрачка объектива пирометра 72
2.5.3 Методика и результаты расчета габаритных и конструктивных параметров объектива 77
2.5.4 Выбор спектральных фильтров пирометра 78
2.5.5 Аберрационный расчет оптической схемы пирометра 82
2.6 Структурная электрическая схема оптического трехспектрального пирометра 82
2.6.1 Состав пирометра 82
2.6.2 Приемно-усилительный блок 84
2.6.3 Блок обработки и управления 89
2.7 Выбор исходных данных для моделирования работы пирометра. Результаты моделирования 92
2.8 Анализ критерия работы оптического трехспектрального пирометра 97
2.9 Экспериментальная установка для измерений температуры макетом трехспектрального пирометра. Методика и результаты измерений 102
2.10 Выводы к разделу 2 106
3 Теория, математическая модель и результаты расчетов пороговой температурной чувствительности оптического трехспектрального пирометра при наличии внутренних и внешних помех 108
3.1 Пороговая температурная чувствительность пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения фона и оптических элементов пирометра 108
3.1.1 Теория пороговой температурной чувствительности пирометра при наличии помех однородного фона и излучения оптических элементов схемы 108
3.1.2 Исходные данные для проведения расчетов пороговой температурной чувствительности 113
3.1.3 Анализ результатов расчетов пороговой температурной чувствительности пирометра 114
3.2 Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 119
3.2.1 Теория чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 119
3.2.2 Анализ результатов расчетов чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 124
3.3 Выводы к разделу 3 125
Заключение 126
Список использованных источников 128
Приложение А Результаты аберрационного расчета оптической схемы пирометра 135
- Метод исключения влияния коэффициента излучения за счет использования избыточной информации в значениях температуры
- Основные методы расчета температурной чувствительности оптико-электронных систем измерения температур
- Выбор поля зрения, фокусного расстояния и диаметра входного зрачка объектива пирометра
- Теория пороговой температурной чувствительности пирометра при наличии помех однородного фона и излучения оптических элементов схемы
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
В основу классических теории, методов построения и оптико-электронных схем современных оптических пирометров заложены труды и монографии таких ученых как Свет Д. Я., Гордов А. Н., Снопко В. Н., Поска-чей А. А. и Чубаров Е. П.
Уровень состояния теории и практики этого класса оптико-электронных приборов и систем на наш взгляд отражен и обобщен в монографиях этих ученых [1-4].
В теории и практике оптической пирометрии и оптико-электронных систем измерения температур объектов известны методы радиационной (энергетической), яркостной и цветовой температур, которые лежат в основе дистанционных исследований истинной температуры [1-4].
Согласно определению, под радиационной температурой 7^ понимается
температура эквивалентного абсолютно черного тела (далее в тексте — АЧТ), суммарная излучаемая энергия Е%, которого равна суммарной энергии излучения Е реального тела с температурой Т. В свою очередь, под яркостной температурой Тя понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральная яркость Ь$(Х,ТЯ), которого на заданной длине волны X, равна спектральной яркости Ь(Х,Т) реального тела с температурой Т. Под цветовой температурой Гцв понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральное распределение яркости Lq (А,, Гцв ) излучения которого тождественно спектральному распределению яркости Ь(Х, Т) излучения реального тела с температурой Т. Иногда под цветовой температурой понимается температура эквивалентного АЧТ, координаты цветности излучения которого равны координатам цветности реального тела с температурой Т [5].
При этом истинная температура Т поверхности реального объекта связана с измеряемыми эквивалентными температурами 7^, Гя или Тцв определенными соотношениями, в которых используется информация о коэффициенте излучения поверхности исследуемого объекта [1,2].
Поэтому, как в классических, так и в современных методах и устройствах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств и состояния поверхности исследуемого объекта. Априорная информация об оптических свойствах поверхности объектов при измерении температуры поверхности используется в виде коэффициентов излучения, табулированных в справочной литературе. Очень часто используемая информация о коэффициентах излучения поверхности объекта является недостаточной для использования в процедуре измерения температуры классическими или известными современными методами оптической пирометрии.
Кроме того, при создании низкотемпературных пирометров, определяющих температуру поверхности окружающих объектов, например, при оценке качества теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и производственных зданий необходимо учитывать влияние соизмеримого излучения окружающего фона, отражающегося от исследуемой поверхности, и наличие излучения оптических элементов прибора.
В этой связи тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию принципов построения и схемы оптического трехспек-трального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения окружающего фона, отражающегося исследуемой поверхностью и излучения оптических элементов прибора представляется актуальной.
В соответствии с изложенным, объектом настоящего исследования являются оптические и оптико-электронные пирометры, предназначенные для измерений температуры поверхности излучающих объектов. Его предмет составляют насущные вопросы теории, методов и принципов построения новых схем
пирометров, определяющих температуру поверхности объектов в условиях учета отраженного от их поверхности теплового излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Целью диссертационной работы является разработка и исследование принципов построения пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра.
ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить обзор и провести анализ современных методов и устройств бесконтактного измерения температуры поверхности объектов;
разработать методику и принципы построения пирометра для реализации бесконтактного измерения температуры поверхности объектов в условиях влияния отраженного от их поверхности излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора;
разработать оптико-электронную схему пирометра, провести математическое моделирование ее работы, а таюке экспериментальные исследования на лабораторном макете;
разработать методику расчета и провести исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения фона и оптических элементов пирометра.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методы исследований основаны на физико-математическом представлении теории и принципов построения оптических пирометров, использующих законы и свойства теплового излучения реальных тел.
Проведены вычислительные эксперименты методом компьютерного моделирования и экспериментальные исследования на лабораторном макете.
ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена достоверностью и непротиворечивостью исходных положений теории и законов теплового излучения реальных тел, логическим обоснованием и корректностью использованных математических моделей и приемов, критическим и сопоставительным анализом результатов исследований и сходимостью с экспериментальными данными.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
предложена методика бесконтактного измерения температуры поверхности непрозрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их поверхностей, основанная на измерении потока теплового излучения объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;
разработаны и исследованы математическая модель, алгоритм работы и оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра:
разработана и исследована теория работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;
разработана методика расчета и проведены исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- методика бесконтактного измерения температуры поверхности непро
зрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их по-
верхностей, основанная на измерении потока теплового излучения' объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;
оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра;
теория и математическая модель работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;
методика расчета и результаты исследований пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
предложенная методика бесконтактного определения температуры поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения фона, отраженного от исследуемой поверхности, может быть использована как в оптической пирометрии, так и в теории и практике новых систем тепловидения и радиометрии;
разработана оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра позволяющая определять температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра; на устройство данного пирометра получен патент РФ на изобретение № 2219504;
разработанные теория работы и схема оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех могут быть использованы в теории и практике тепловизионных систем и спектрозо-нальных радиометров, что позволяет повысить их эффективность и расширить информативные возможности получаемых данных;
разработанная методика расчета пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пи-
рометра может быть использована для расчета чувствительности оптико-электронных систем измерения температур;
- материалы диссертационной работы внедрены в
ФГУП «ЦКБ Точприбор», ФГУП «ПО «НПЗ», ФГУП «НЛП «Восток» и в учебный процесс на кафедре оптико-электронных приборов Сибирской государственной геодезической академии, что подтверждено соответствующими актами.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры ОЭП СГГА, LI - LIII Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2001 - 2003 гг.), Научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодезического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001 г.) и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009».
ПУБЛИКАЦИИ
По материалам диссертационной работы опубликованы 10 научных трудов, из них две статьи опубликованы в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобрнауки РФ. Четыре статьи опубликованы в «Сборниках материалов II—V Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009». Кроме того получен патент РФ № 2219504 на изобретение. В работах, выполненных в соавторстве, анализ методик расчетов и экспериментов, проведение расчетов и экспериментальных исследований, интерпретация результатов выполнены лично диссертантом.
Метод исключения влияния коэффициента излучения за счет использования избыточной информации в значениях температуры
Устройство работает следующим образом. Сначала измеряется с помощью пирометров 4 и 5, сфокусированных на одну и ту же площадку объекта 1, его яркостную и радиационную температуры и разность их обратных значений. Затем изменяют в небольших пределах, например на ±(от 10 до 30) С температуру объекта 1 нагревателем 2, перемещая или движок реостата, или непрозрачную пластинку, перекрывающую частично поток теплового излучения от нагревателя 2. Эти изменения могут быть либо периодическими (модуляция температуры объекта), либо монотонными в зависимости от конкретных условий. Одновременно изменяют с помощью блока 8 коэффициент передачи радиационного пирометра и добиваются, чтобы разность обратных значений радиационной и яркостной температур на регистраторе 10 перестала изменяться при изменении температуры объекта.
При этом радиационная температура на регистраторе 10 будет равна истинной температуре поверхности объекта, как показано выше, а коэффициент излучения поверхности объекта определяют по первоначально зарегистрированным на регистраторе (до модуляции температуры объекта) яркостной и радиационной температурам и найденной истинной температуре поверхности объекта. Недостатком этого устройства является достаточно сложная и громоздкая схема измерения истинной температуры объекта.
Существует цветовой пирометр истинной температуры, работающий в трех спектральных диапазонах, основанный на принципе измерения логарифма спектрального отношения [12]. На рисунке 2 изображена его структурная схема.
В соответствии с рисунком 2, данный пирометр содержит объектив 1, диск обтюратора 2, фотоэлемент 3, усилитель 4, логарифмирующий каскад 5, ограничитель 6, магнитоэлектрические приборы 7, 7Ь измеряющие результирующую постоянную составляющую прямоугольных импульсов с длительно стью, пропорциональной логарифмам соответствующих спектральных яркостей; переключатели 8, 8Ь работающие синхронно с диском обтюратора, причем частота переключений контактов переключателя 81 в два раза превышает частоту переключений контактов переключателя 8; нагрузочные сопротивления R в цепи выходного каскада ограничителя 6, причем R»rIiKyTp., где гшутр. - внутреннее сопротивление приборов 7, 7ь переменные сопротивления г в цепи приборов 7 и 7і. В диск обтюратора вставлены четыре спектральных фильтра, подобранные таким образом, что суммарная частотная характеристика каждого из них совместно с фотоэлементом соответственно имеет значения эффективных длин волн 4, А,2, А,2 и А-з- Спектральные фильтры, имеющие значение А-2 и А,2 одинаковые, но спектральный фильтр, со значением эффективной длины волн А,2 имеет неселективно поглощающую сетку, уменьшающую проходящий световой поток в г) раз. Фильтры подбирают таким образом, чтобы эффективные длины волн %i, Х2, и А,3 были связаны соотношением При градуировке пирометра по АЧТ устанавливают величины т и (т. е. коэффициент поглощения в светофильтре с неселективно поглощающей сеткой и величину шунта магнитоэлектрических приборов) такими, чтобы 9j = 02 Недостатком такого цветового пирометра истинной температуры является то, что в результате измерений один магнитоэлектрический прибор указывает значение цветовой температуры, а другой — величину поправки к ней на истинную температуру, а также имеющимися допущениями об уменьшении коэффициента излучения с ростом длины волны и среднеарифметическом его значении на «средней» длине волны Х2. В работе [13] предлагается алгоритм измерения истинной температуры веществ в конденсированной фазе по спектру их теплового излучения, путем введения в обработку их спектров весовой функции вклада различных спектральных участков, а также анализа среднеквадратичного отклонения модельного спектра от экспериментального в зависимости от спектральной области измерения и вида модельной функции, аппроксимирующей спектральный коэффициента излучения исследуемого вещества. Сущность данного метода в следующем. Измеряемая на различных длинах волн Xt (i-\,...,N) яркость исследуемого вещества L\XhTx) после исключения аппаратной функции используемой экспериментальной установки получено виде системы уравнений При известной температуре Тх исследуемого вещества каждое уравнение формулы (65) однозначно определяют его коэффициент излучения на соответствующей длине волны. Если же температура неизвестна, необходимо определять как значения Б(А-,) вещества, так и его температуру Тх. В общем виде систему уравнений (65) разрешить невозможно, поскольку в ней N уравнений и N+1 неизвестных. Эта система имеет множество решений, из которых необходимо выбрать только одно. Предлагаемый метод реализуется в три этапа: - первый этап (измерения). Проводится измерение L(X;,TX) И шумовых среднеквадратичных отклонений АЬ(Х{,ТХ) в максимально возможной спектральной области с максимально возможным (или постоянным) соотношением сигнал/шум и запись значений L(Xi,Tx), АЬ(Х{,ТХ) в память компьютера; - второй этап (предварительная аппроксимация). Осуществляется выбор наиболее подходящего вида модельной функции sm(X;,Ao,Ai,...) для коэффициента излучения исследуемой поверхности объекта, позволяющей получить наименьшую ошибку в определении температуры, а также наименьшее среднеквадратичное отклонение R экспериментального спектра L(X;,TX) ОТ модельно - третий этап (окончательный расчет). Проводится выбор спектральных интервалов и весовых множителей для используемых значений Ь(Х;,ТХ), по зволяющих рассчитать истинную температуру исследуемого вещества с мини мально возможной при реализованном в данном методе отношении сигнал/шум абсолютной ошибкой, которая и является критерием достаточности экспери ментальных данных. По сути дела эта процедура эквивалентна введению некоторой весовой функции (в зависимости от яркости излучения и отношения сигнал/шум) для всего интервала измерений, позволяющей учесть как особенности спектральной зависимости коэффициента излучения (отклонение от модельной функции), так и реализованные в используемой экспериментальной установке зависимости L(Xj,Tx) И AL(X;,TX), И степень их достоверности. В представленной работе в качестве примера приводятся результаты использования вольфрамовой лампы и АЧТ. Выбор вольфрама определяется тем, что он является наиболее доступным и изученным материалом. Экспериментальная установка, для реализации данного метода, состоит из монохроматора МДР—12, автоматизированного с помощью компьютера, кремниевого фотоприемника, широкополосного предварительного усилителя и цифрового синхронного детектора, реализованного на базе 12-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для устранения аппаратной функции монохроматора и приемника установка калибровалась с помощью эталонного источника излучения. Измерение спектров излучения осуществлялось в спектральной области от 0,5 до 0,95 мкм по точкам с шагом сканирования и спектральной шириной щели около 0,002 мкм.
Основные методы расчета температурной чувствительности оптико-электронных систем измерения температур
Из рисунка 3 видно, что чем выше степень используемого полинома, тем меньше среднеквадратичное отклонение для всех значений температуры, т. е. модельный спектр лучше описывает экспериментальный. Однако при этом полиномы степенью выше, чем первый имеют менее острый минимум, а это означает, что при имеющемся у нас уровне шума экспериментального спектра расширяется область допустимых температур, при которых модельная кривая еще укладывается в «шумовую дорожку» экспериментального спектра. Кроме того, для полиномов выше определенной (в нашем случае седьмой) степени среднеквадратичное отклонение - практически ровная линия (в диапазоне температур от 1000 до 3000 К) и высота этой линии почти не меняется при дальнейшем увеличении степени полинома. Это означает, что при аппроксимации реального коэффициента излучения є( ) в виде полинома седьмой степени для любой температуры Тт, подставляемой в модельный спектр можно найти соответствующий модельный коэффициент излучения, так что модельный спектр будет одинаково хорошо укладываться в «шумовую дорожку» экспериментального.
Таким образом, полиномы высоких степеней хорошо «отрабатывают» ошибки, связанные как с нелинейностью коэффициента излучения исследуемого образца, так и с неправильным определением температуры и неприемлемы для измерения температуры. При увеличении степени полинома минимальное значение среднеквадратичного отклонения довольно быстро сходится к вполне конкретному и отличному от нуля значению, определяемому среднеквадратичным значением шумов экспериментального спектра (кривая 7 на рисунке 3). Дальнейшее увеличение степени полинома приводит к медленному снижению среднеквадратичного отклонения до нулевого значения (при равенстве степени полинома N — 1). Это обусловлено тем, что число параметров модельной функции становится сравнимым с числом точек в экспериментальном спектре и модельная кривая стремится пройти через все точки спектра. Если же мы будем приближать экспериментальный спектр, содержащий N точек, модельной функцией, содержащей iV-І параметров, то число неизвестных будет равно числу уравнений и рассчитываемая кривая полностью совпадет с экспериментальной и среднеквадратичное отклонение будет равно нулю.
С учетом того, что полиному первой степени на рисунке 3 соответствует наиболее острый минимум, для аппроксимации спектрального коэффициента излучения исследуемого образца вольфрама было выбрано именно это приближение. Кроме выбора модельной функции, рисунок 3 дает нам значение среднеквадратичного отклонения, связанного только с шумами экспериментального спектра (высота линии 7).
После выбора модельной функции выделяются явно выраженные особенности в спектре коэффициента излучения исследуемого образца, например резкие изменения наклона, пики или провалы. Для этого экспериментальный спектр необходимо приблизить модельной кривой сначала во всем спектральном диапазоне измерения. Полученное при этом значение температуры Г0 и рассчитанная затем по формуле (65) кривая коэффициента излучения хотя и не будут оптимальными, но помогут выявить и исключить эти особенности. На рисунке 4 изображены модельный коэффициент излучения вольфрамовой лампы в виде линейной функции (пунктирная линия) и спектр коэффициента излучения исследуемого образца (сплошная линия).
Из рисунка 4 видно, что в спектре нет явных особенностей за исключением коротковолновой области, где отклонение от линейной зависимости может быть связано с некоторой нелинейностью реального коэффициента излучения исследуемого образца. Поэтому в дальнейшую обработку с использованием линейного приближения можно включать практически весь экспериментальный спектр за исключением области от 0,50 до 0,55 мкм, Следующим шагом предлагаемого алгоритма обработки экспериментальных данных является выделение области спектра, где, с одной стороны, будет минимальна ошибка, связанная с нелинейностью коэффициента излучения исследуемого образца вольфрамовой лампы, а с другой — минимальная погрешность в определении ее температуры. Эти условия находятся в противоречии. Действительно, первое условие требует сужения области обрабатываемого спектра, что повышает корректность линейной аппроксимации коэффициента излучения исследуемого образца. В то же время для более точного определения истинной температуры требуется максимально разнести границы анализируемого спектра.
На рисунке 5 изображена зависимость среднеквадратичного отклонения модельной кривой от экспериментального спектра для двух разных модельных функций: кривая 1 - зависимость среднеквадратичного отклонения R от температуры Т для коэффициента излучения, представленного в виде полинома первой степени \pm = AQ + A{kiJ; кривая 2 — зависимость среднеквадратичного отклонения R от температуры Т для коэффициента излучения, представленного в виде полинома седьмой степени (эта линия определяет Rn).
Этот рисунок позволяет определить вклад нелинейности коэффициента излучения исследуемого образца (для выбранного участка спектра) в среднеквадратичное отклонение, а также диапазон допустимых температур Тт (от Т\ до Т2), при которых модельная функция еще будет укладываться в шумовую дорожку экспериментального спектра. Координаты минимума кривой 1 на рисунке 5 дают: по ординате — общее значение среднеквадратичного отклонения Rg, включающее в себя как шумы экспериментального спектра, так и нелинейность коэффициента излучения исследуемого образца; а по абсциссе - определяемую температуру Г0 образца. Кривая 2, как отмечалось выше (при описании рисунка 3), практически совпадает со среднеквадратичным значением шума экспериментального спектра Rn для исследованного образца вольфрамовой лампы. Для определения области допустимых температур (т. е. минимальной Т\ и максимальной Т2 температуры, при которых модельная функция еще укладывается в шумовую дорожку экспериментального спектра) необходимо провести горизонтальную линию на высоте \Rg +R„) . Тогда точки пересечения этой линии с кривой 1 дадут нам значения 7] и Г2. Соотношение Rg/Rn позволяет оценить вклад нелинейности коэффициента излучения исследуемого образца в среднеквадратичное отклонение модельной функции от экспериментального спектра. Когда данное соотношение стремится к единице или сравнимо с единицей, это означает, что нелинейность коэффициента излучения исследуемого образца мала и линейное приближение в выбранной области спектра вполне допустимо. И, наоборот, когда Rg/Rn »1, следует либо сужать спектральный интервал, что неизбежно приведет к увеличению области допустимых температур 2АГ = (Г2 - 7]), либо повышать степень полинома модельной функции, что также обязательно приведет к увеличению ЛГ.
Выбор поля зрения, фокусного расстояния и диаметра входного зрачка объектива пирометра
Недостатком данного метода является как необходимость выбора модельной функции коэффициента излучения для каждого нового объекта исследования, так и выбор критерия близости этой функции к определяемому коэффициенту излучения исследуемого объекта.
В работе [14] для измерения по спектру излучения был успешно применен алгоритм, основанный на методе наименьших квадратов. В этой работе спектр яркости излучения от реального объекта представлялся модельным спектром и считалось, что параметры, определяющие коэффициент излучения и температуру, найдены, когда среднеквадратичное отклонение экспериментального спектра от модельного достигало минимума.
Данная теория разработана, чтобы предсказать ошибки при оценке температур, основанных на линейных и нелинейных методах наименьших квадратов. Показано, что максимальная ошибка в предсказанной температуре связана с шумом при измерении интенсивностей. Для исследований был разработан прибор «MITTMA», измеряющий абсолютные значения температур различных источников от 900 до 2300 С со средней точностью около 0,5 %.
Таким способом авторами работы с достаточно высокой точностью была измерена истинная температура платины. Однако этот метод применим лишь к материалам, для которых хорошо известен вид спектрального коэффициента излучения.
В работе [15] авторами рассмотрен метод определения истинной температуры поверхности пирометром с адиабатической насадкой, предназначенной для исключения введения поправки на коэффициент излучения. Приведены формулы и график зависимостей для расчета, необходимых для расчета насадки и оценке погрешности метода. Указывается, что с точки зрения приближения к условиям адиабатичности и повышения коэффициента отражения насадки, наиболее удобной будет коническая форма.
Основной недостаток данного метода крайне низкая практическая применимость, из-за потери смысла в дистанционном измерении по причине необходимости замкнутой системы «объект-пирометр».
Метод бихроматической пирометрии истинных температур В работе [16] предлагается метод измерения истинной температуры тел с неизвестной и изменяющейся излучательной способностью в процессах нагрева и охлаждения. Данный метод основан на использовании эффекта изменения спектральной излучательной способности от температуры. Минимизация необходимого количества спектральных составляющих осуществляется за счет использования рефлектометра. А именно, в описываемом бихроматическом пирометре, каждый из двух каналов которого градуирован в яркостных температурах, встроен двухволновый лазерный рефлектометр, измеряющий отношение направленных коэффициентов отражения. В данном методе используются не абсолютные значения коэффициентов отражения, а их отношения. Это позволяет сравнительно просто обеспечить необходимую точность измерений. Однако зависимость излучательной способности от температуры достаточно слабая и требуется убедится, что на результаты ее измерений существенно не влияют (или могут быть учтены) изменения эффективных длин волн от температуры.
По измеренным яркостным температурам данным пирометром и вычисленным по описываемому алгоритму коэффициентам излучения были определены истинные температуры некоторых металлов (вольфрам, тантал, рений) при нагреве в диапазоне температур от 1800 до 2900 К. Указывается, что погрешность измерения истинной температуры при данных условиях не превышает 1 %.
Представляет интерес многоволновой метод определения температуры при минимальной априорной информации о контролируемом объекте [17]. При этом сигнал на выходе каждого канала представляется в виде комбинации детерминированного сигнала от объекта, постоянной слагаемой и помехи (внутреннего шума), а обработка информации основана на теории выделения сигналов на фоне помехи методом статистической радиотехники. Используется также процедура аппроксимации коэффициента излучения.
В этом методе рассмотрен новый подход, по сравнению с методом наименьших квадратов [14], к обработке информации в многоволновой пирометрии. Данный метод положен в основу разработанного авторами многоволнового пирометра, предназначенного для измерения температур тел в печи в диапазоне температур от 1000 до 1500 С. Приводятся результаты измерений температуры нагрева в электронагревательной печи металлического и графитового цилиндра.
Авторами разработки отмечается жесткие предположения о статистике сигнала и шума и необходимости дальнейших исследований для снятия этих ограничений.
Изложение методик расчета энергетической чувствительности оптико-электронных систем измерения температур достаточно широко представлено в работах [18-23]. Влияние излучения оптических элементов на точность пирометрических измерений отдельно рассматривалось в работе [24]. Именно этим обуславливается необходимость учитывать влияние излучения окружающего фона и оптических элементов при расчетах энергетических характеристик пирометра.
В работе [18] рассмотрено влияние на работу ИК-радиометра потоков, обусловленных собственным и отраженным излучением элементов его оптической системы при изменении температуры окружающей среды, и сделан вывод, что наличие в ИК-радиометре побочных потоков, излучаемых или отражаемых на приемник излучения элементами оптической системы, может обусловливать зависимость результатов измерений потоков ИК излучения низкотемпературных объектов от температуры окружающей среды.
Выведенная в работе [19] общая формула для определения энергетической чувствительности ИК-сканирующей аппаратуры учитывает излучение, отраженное от поверхности исследуемого объекта при заданном коэффициенте его излучения. В данной работе принято, что сигнал с приемника излучения является функцией АГПОр, As и Ар, а также основным условием, чтобы окружающая среда была известная, стационарная и однородная.
Теория пороговой температурной чувствительности пирометра при наличии помех однородного фона и излучения оптических элементов схемы
Следует отметить, что элементы 3-8 составляют макет пирометра. Калиброванный тепловой излучатель был взят из комплекта градуировочной аппаратуры к отечественному тепловизору «Радуга-ЭВМ» производства ФГУП «Азовский оптико-механический завод», г. Азов Ростовской области.
Зеркальный объектив 3 представлял собой объектив от тепловизора «Радуга-2» и имел следующие параметры: световой диаметр d=40 мм, заднее фокусное расстояние / =64 мм.
Методика измерений температуры поверхности объектов на данной функциональной схеме (согласно рисунку 29) заключалась в следующем: 1. С помощью блока управления 2 устанавливалась начальная температура Т3 поверхности излучателя с коэффициентом излучения є(А,,)=0,96. 2. Включался двигатель механического модулятора и устанавливалась частота модуляции излучения, равная fu — 250 Гц, которая регистрировалась осциллографом 9. 3. Поворотом турели 4 со спектральными фильтрами в схему вводились поочередно первый, второй и третий фильтры. 4. При этом цифровым вольтметром 8 регистрировались значения соответственно выходных сигналов Uz\h0(h\); U- \k3 2j и Еу -эфЗ.) 5. Аналогично измерялись три сигнала U0{k3i); С/01 эф2) и /0( эфз) при закрытом входном зрачке объектива 3. 6. Измерялись сигналы /фон 3фі); фон эфг) и фон 1 эфЗ ) эквивалентные тепловому излучению окружающего фона. 7. Предварительно в компьютер вводились значения параметров А,эф1, Хэф2, Л,эфз, Щ, СХ2, К\, К2, К , г\, 7фон и Єф0ІІ, которые определялись по параметрам составных звеньев макета пирометра, фоновой обстановки и индикатрисы отражения покрытия поверхности объекта. 8. Полученные в п. 4-6 значения сигналов подставлялись в формулу (86), с использованием которой определялось измеренное макетом пирометра значение температуры Г поверхности излучателя 1. 9. Аналогично с помощью блока управления 2 устанавливались другие температуры Г3 излучателя 1 и процедура измерения с помощью макета пирометра температуры его поверхности повторялась согласно пп. 3-8. Проводились также измерения температуры плоского излучателя, поверхность которого выполнена из дюралюминия, являющегося высокоотра-жающим материалом. Измерения проводились в лабораторных условиях при температуре фона Гфон = 293 К. Значение интегрального коэффициента излучения покрытия стен лаборатории равнялось Єфон = 0,91. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графика корреляции измеренной температуры поверхности Т и устанавливаемой Т3 поверхности излучателя (рисунки 30 и 31). На рисунках 30 и 31 приняты обозначения: — - результаты моделирования «идеального» пирометра; о - результаты эксперимента с помощью макета трехспектрального пирометра; — результаты эксперимента с радиационным пирометром ThermoPoint TRT 8 ProPlus (фирма «FLIR Systems», США-Швеция), x - результаты эксперимента с термопарой ТПХК-(Ь)-К11.Н.0,5-2000-2 ТУ 4211-011-42187449-2002. Анализ результатов измерения температуры поверхности излучателей лабораторным макетом трехспектрального пирометра показал, что в диапазоне температур объекта от 293 до 333 К средняя квадратическая погрешность измерения температуры А составляет значение около 1,9 %. При измерении радиационным пирометром температуры поверхности с высоким коэффициентом отражения наблюдается отклонение измеряемой температуры Г от действительной, которое при температуре Гз=333 К и температуре более холодного фона Гфон = 293 К достигает значения AT = 33 К. Это увеличение погрешности ЛГ/Г3 « 10 % при измерениях радиационным пирометром объясняется влиянием более холодного фона за счет его отражения от исследуемой поверхности высокоотражающего объекта. В практике тепловизион-ных исследований это классифицируется как проявление температуры «отражения». На основании результатов, представленных в данном разделе, можно сделать следующие выводы: - предложены методика и принципы построения оптического трехспектрального пирометра, бесконтактно определяющего температуру поверхности исследуемого непрозрачных объектов в условиях влияния теплового излучения фона, отраженного от его поверхности; - разработаны теория, математическая модель и алгоритм работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех; - разработаны функциональная, оптическая и структурная электрическая схемы, обоснован выбор основных блоков и узлов пирометра; - на основании пакета прикладных программ «SYNOPSYS» выполнен аберрационный расчет оптической схемы пирометра; - оптико-электронная схема разработанного оптического трехспектрального пирометра защищена патентом РФ № 2219504; — собрана и настроена схема приемно-усилительного блока пирометра и проведены экспериментальные измерения температуры излучающих поверхностей с различными значениями коэффициента излучениями, результаты которых подтвердили достоверность теоретических и методических положений работы.
