Содержание к диссертации
Введение
1 Измерение температуры и развитие методологии решения обратной задачи в теории излучения . 17
1.1 Измерение температуры 17
1.2 Пирометры излучения 21
1.3 Законы излучения нагретых тел 36
1.1 Современное метрологическое состояние пирометрии 37
1.4.1 Краткий литературный обзор 37
1.4.1 Состояние метрологической базы пирометрии РФ 40
1.5 Определение температуры как обратная задача теории излучения, и присущие ей проблемы 47
1.6 Пути упрощения решения обратной задачи теории излучения 49
1.7 О понятиях радиационной, яркостной, цветовой и иных псевдотемператур 53
1.8 Оптоэлектронные методы измерений температуры и их современная классификация 58
1.9 Аппаратные средства для бесконтактных измерений температуры 68
1.10 Развитие основного методологического
принципа пирометрии 72
Выводы по разделу 1 81
2 Построение и исследование математических моделей энергетических пирометров и пирометров спектрального отношения 84
2.1 Статистический анализ измерительных схем пирометров 84
2.2 Математическая модель энергетического пирометра с логарифматором и его метрологические характеристики . 86
2.3 Математическая модель пирометра спектрального отношения с логарифматором и его метрологические характеристики 93
2.4 Методика оптимального проектирования пирометров 99
Выводы по разделу 2 100
3 Метод снижения систематической методической погрешности для пирометров спектрального отношения и алгоритм расчета температуры спектрального отношения 102
3.1 Суть метода снижения систематической методической погрешности для пирометров спектрального отношения 102
3.2 Алгоритм определения температуры спектрального отношения 103
3.3 Вычисление температуры спектрального отношения 105
3.4 Пример вычисления температуры спектрального отношения для ряда металлов 107
3.5 Экспериментальное исследование метода снижения систематической методической погрешности для пирометров спектрального отношения 111
Выводы по разделу 3 120
4 Алгоритм определения действительной температуры объекта с учетом температурной зависимости его излучательной способности 123
4.1 Зависимость коэффициента излучения от спектрального диапазона используемого пирометра 125
4.2 Программа для вычисления коэффициентов излучения 127
4.3 Температурная зависимость спектральной излучательной способности 128
4.4 Нахождения градуировочной функции пирометра 131
4.5 Нахождения функции, обратной градуировочной, и её использование 133
Выводы по разделу 4 137
5. Средства измерений спектральной излучательной способности нагретых материалов 139
5.1 Многоканальное средство измерений от для различных материалов 139
5.2 Средство измерений от на основе дифракционной решётки 142
5.3 Блок-схема программы микроконтроллера средства измерений 155
5.4 Калибровка средства измерений () 156
5.5 Экспериментальное исследование снижения погрешности лого-метрического метода с предварительным измерением спектральной излучательной способности измеряемого объекта 162 Выводы по разделу 5 164
6 Минимизация и исключение методических погрешностей средств измерений температуры 165
6.1 Обзор систематических погрешностей, присущих пирометрам 165
6.2 Методическая погрешность вследствие неучёта излучательной способности для яркостного пирометра 167
6.3 Методическая погрешность вследствие ввода неправильного значения излучательной способности для яркостного пирометра 170
6.4 Методическая погрешность вследствие неучёта излучательной способности для радиационного пирометра 172
6.5 Методическая погрешность вследствие ввода непра-вильного значения излучательной способности для радиа-ционного пирометра 175
6.6 Методическая погрешность вследствие переотражения измеряемым объектом излучения близко расположенного постороннего нагретого объекта 176
6.7 Методическая погрешность вследствие зависимости результатов измерения энергетическим пирометром от расстояния до измеряемого объекта 179
6.8 Методическая погрешность вследствие неполного заполнения измеряемым объектом поля зрения энергети-ческого пирометра 189
6.9 Методическая погрешность вследствие влияния на результат измерения пирометра с термическим приемником температуры корпуса пирометра и/или приемника 1 6.10 Методическая погрешность вследствие влияния на результат измерения пирометра спектрального отношения изменения с изменением длины волны излучения 191
6.11 Инструментальная погрешность вследствие влияния на резуль 6
тат измерения пирометра температуры окружающей среды 195
6.12 Инструментальная погрешность вследствие влияния на результат измерения пирометра с пироэлементом изме-нения частоты модуляции энергетического потока 205
6.13 Инструментальная погрешность вследствие влияния на результат измерения пирометра сильного магнитного поля 209
6.14 Инструментальная погрешность вследствие влияния на результат измерения пирометра спектрального отноше ния погрешности АЦП 211
Выводы по разделу 6 217
7 Разработка пирометров с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками 220
7.1 Необходимость создания модельных рядов 221
7.2 Алгоритм унификации модельных рядов Диэлтест и Термоконт 224
7.3 Пирометры Диэлтест и Термоконт 226
7.4 Минимизация методических погрешностей в пирометрах Диэлтест и Термоконт 238 Выводы по разделу 7 243
8 Прослеживаемость средств измерений к первичному эталону единицы температуры 245
8.1 Нарушение прослеживаемости к первичному эталону у современных пирометров и его следствие 246
8.2 Восстановление прослеживаемости пирометров к первичному эталону единицы температуры 250
8.3 О необходимости первичного эталона излучательной способности для развития специализированных СИ спектральной излучательной способности 252
Выводы по разделу 8 253
Заключение 257
Список использованных источников
- Современное метрологическое состояние пирометрии
- Математическая модель энергетического пирометра с логарифматором и его метрологические характеристики
- Вычисление температуры спектрального отношения
- Температурная зависимость спектральной излучательной способности
Введение к работе
Актуальность работы
Температурный контроль является одной из важнейших областей контроля в познавательной и хозяйственной жизни современного общества. Без него невозможно изучение объектов Вселенной, природных объектов нашей планеты, как одушевленных, так и неодушевленных. Без него невозможно обеспечить повторяемость технологических процессов, добиться высокого качества выпускаемой продукции, обеспечить безопасность функционирования промышленных, бытовых и транспортных объектов. Он играет важную роль в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и т.п.
По типу взаимодействия с контролируемым объектом методы температурного контроля делят на контактные и бесконтактные. Каждому из них присущи как достоинства, так и недостатки.
Контактные методы контроля чаще всего осуществляют с использованием термопар и термосопротивлений. Их достоинством является достаточно высокая точность, простота и дешевизна датчиков. К недостаткам можно отнести невозможность измерений температуры выше 2500...3000 С, а также недолговечность работы датчиков в тяжелых условиях (высокие температуры, движущиеся объекты измерений и т.д.).
Приборы, реализующие бесконтактные методы контроля температуры, называют пирометрами излучения (ПИ), или просто пирометрами. Бесконтактные методы температурного контроля являются неразрушающими, они идеальны для измерений в области высоких температур, вплоть до 4000 С. Они прекрасно адаптированы к контролю движущихся объектов, объектов в вакуумных камерах и т.д. В ряде случаев (медицина, биология, пищевая промышленность) возникают требования исключения контакта с контролируемым объектом, и бесконтактные методы температурного контроля в данных случаях безальтернативны.
Но бесконтактным методам присущи и свои серьезные недостатки. В первую очередь - это зависимость принятого приемником пирометра сигнала от излучательной способности контролируемого объекта. Учет влияния излучательной способности в энергетических пирометрах осуществляют вводом в прибор коэффициента излучения, который при правильном выборе должен компенсировать это влияние. Но этот коэффициент зависит не только от материала контролируемого объекта и состояния его поверхности, но и от диапазона спектральной чувствительности приемника пирометра и температуры объекта. Поэтому правильный выбор данного коэффициента - задача исключительно сложная, зачастую оказывающаяся для пользователя непосильной. Следствием неточно введенного коэффициента излучения является дополнительная погрешность измерений. При этом температурная зависимость этого коэффициента приводит к тому, что правильно выбранный для данного материала и данного пирометра коэффициент излучения при возрастании или уменьшении температуры контролируемого объекта на 200...300 С становится неверным, что исключает возможность его безошибочного выбора для всего диапазона измеряемых температур.
Классические пирометры спектрального отношения не требуют ввода в них коэффициента излучения, что выгодно отличает их от энергетических. Однако при контроле температуры объектов, спектральная излучательная способность которых зависит от длины волны
излучения (так называемых “несерых объектов"), эти пирометры также измеряют температуру с заметными погрешностями, тем большими, чем больше крутизна роста или спада излу-чательной способности с ростом длины волны.
Получается парадоксальная ситуация. При калибровках и поверках пирометров на "абсолютно чёрных телах” (АЧТ) их инструментальные погрешности оказываются очень малыми, зачастую менее 0,5 % от измеренного результата. А при контроле таким пирометром температуры реального объекта (вещества, материала, изделия на производстве) погрешность измерения превышает 5 - 10 %, т.е. больше инструментальной на порядок. И это не позволяет говорить о высокой точности методов бесконтактного температурного контроля реальных объектов.
Степень проработанности темы исследований
Метрологические вопросы современной пирометрии впервые наиболее полно в нашей литературе были отражены в книге одного из ведущих учёных ВНИИМ им. Д.И. Менделеева И.И. Киренкова "Метрологические основы оптической пирометрии”. Исследованию отдельных вопросов метрологического обеспечения пирометрии посвящены современные работы сотрудников ВНИИМ А.И. Походуна, М.С. Матвеева, Ю.А. Сильда и др., а также сотрудников ВНИИОФИВ.И. Саприцкого, Б.Б. Хлевного, С.А. Огарева, СП. Морозовой и др. Однако все эти работы посвящены преимущественно развитию эталонной базы - определению точек плавления/затвердевания высокотемпературных эвтектик на основе углерода, созданию высокотемпературных АЧТ и эталонных пирометров-компараторов.
В то же время для практической пирометрии крайне важную роль играет знание спектральной излучательной способности измеряемого материала. Здесь нужно упомянуть книгу "Излучательные свойства твердых материалов”, выпущенную в 1974 г. под редакцией А.Е. Шейндлина. В ней сотрудниками ИВТ РАН собраны практически все известные на тот момент зависимости спектральных излучательных способностей различных материалов, как металлов, так и диэлектриков. Ее библиография содержит несколько сотен источников.
Работы по исследованию спектральных излучательных характеристик многих материалов ведутся и по настоящее время. Наиболее значимыми в настоящий момент, по мнению автора, являются работы СП. Русина. Однако общая интенсивность исследований в этой области невелика.
Работ, посвященных метрологическому обеспечению пирометрии объектов с отличной от единицы излучательной способностью в отечественной литературе нет. Нет и работ, посвященных анализу и учету излучательной способности в пирометрах для сложных случаев (с учётом зависимости излучательной способности от температуры, для широкополосных пирометров спектрального отношения, для пирометров спектрального отношения, когда они измеряют объекты с переотражением от нагретых стенок печей, и т.д). Результаты исследований по упомянутым направлениям отсутствуют также и в открытых западных источниках.
Цель работы
Целью настоящей работы является решение научной проблемы - создание научных основ нового методологического подхода к методам бесконтактного теплового контроля веществ, материалов и изделий, который позволяет создать и внедрить пирометры с повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
Основные задачи исследований
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
- разработка и исследование математических моделей широкодиапазонных пирометров
спектрального отношения и энергетических;
теоретические и экспериментальные исследования методов оценки их метрологических характеристик;
формулирование, анализ и дальнейшее развитие основных методологических принципов пирометрии;
разработка алгоритма определения действительной температуры объекта с учетом температурной зависимости его излучательной способности;
разработка алгоритма и программно-технического обеспечения метода снижения систематической методической погрешности пирометров спектрального отношения с произвольной шириной полос спектральной чувствительности, возникающей при контроле температуры "несерых объектов”, экспериментальное исследование метода;
разработка и создание специализированного оптоэлектронного средства измерений (в том числе в цеховых условиях) спектральной излучательной способности е(Х) нагретых объектов;
анализ нарушения прослеживаемости средств измерений (СИ) к первичному эталону единицы температуры при измерении “несерых объектов”, выработка рекомендаций по ее восстановлению;
систематизация и описание всех известных в настоящее время методических и инструментальных погрешностей, характерных для средств бесконтактного температурного контроля, определение их влияния на погрешность измерений, выработка рекомендаций по их минимизации;
разработка и создание высокоунифицированного модельного ряда пирометров с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, реализующего выработанные рекомендации по минимизации дополнительных методических погрешностей.
Научная новизна
В результате проделанной работы впервые:
сформулирован новый методологический принцип пирометрии, утверждающий, что снижение методических погрешностей в пирометрии до уровня, сопоставимого с инструментальными погрешностями, невозможно без измерений спектральной излучательной способности нагретых тел;
создан и апробирован новый метод снижения систематической методической погрешности у пирометров спектрального отношения с произвольной шириной полос спектральной чувствительности, основанный на теоретическом вычислении температуры спектрального отношения, при этом для экспериментального исследования метода предложено моделировать “несерые объекты” физическими моделями из АЧТ и цветных светофильтров, а спектральные излучательные способности таких физических моделей в точности совпадают со спектральными характеристиками пропускания использованных светофильтров.
создан и апробирован новый алгоритм численного вычисления температуры спектрального отношения “несерых объектов” с применением функции, обратной градуировоч-ной, где в качестве ее аргументов использованы значения спектрального отношения, вычис-
ленные в соответствии с предложенным соотношением для ряда задаваемых действительных температур объекта из выбранного диапазона;
создан и апробирован новый алгоритм вычисления действительной температуры объекта с учетом температурной зависимости его излучательной способности с применением функции, обратной градуировочной, где в качестве ее аргументов использованы результаты произведений градуировочной функции и коэффициента излучения для ряда задаваемых действительных температур объекта;
разработано специализированное средство измерений спектральной излучательной способности, защищенное патентом РФ;
разработаны рекомендации, обеспечивающие прослеживаемость всех средств бесконтактного температурного контроля к первичному эталону единицы температуры, включающие в себя поверки пирометров на излучателях с отличной от 1 излучательной способностью;
выработаны рекомендации по созданию высокоунифицированного модельного ряда пирометров с улучшенными метрологическими характеристиками, реализующих предложенные в работе способы минимизации инструментальных и методических погрешностей.
Практическая ценность работы
Реализация разработанных в диссертации положений позволяет поднять уровень точности бесконтактного температурного контроля веществ, материалов и изделий на качественно новую ступень, при которой методические погрешности будут снижены до уровня инструментальных погрешностей. Кроме того, предложенные методы снижения систематических методических погрешностей использованы в модельных рядах пирометров “Термо-конт" и "Диэлтест", внедренных более чем на 100 предприятиях бывшего СССР, а также могут быть применены для пирометров любых производителей при контроле температуры любых объектов.
Впервые в полном объеме систематизированы и описаны характерные для средств бесконтактного теплового контроля методические и инструментальные погрешности (две из которых ранее не были описаны), выработаны рекомендации по их снижению.
Предложены и обоснованы математические модели широкодиапазонных пирометров спектрального отношения и энергетических, позволяющих получить требуемые метрологические характеристики пирометров. Получены аналитические выражения для количественной оценки метрологических показателей пирометров с логарифмическими преобразователями тока в напряжение. Разработаны и исследованы методы структурной и параметрической оптимизации пирометров;
Показана возможность создания отсутствующих в настоящее время портативных специализированных средств измерений спектральной излучательной способности, выработаны принципы их создания, изготовлен и исследован пилотный прибор, выполненный на основе дифракционной решетки. Описаны рекомендуемые средства метрологического обеспечения для подобных приборов.
По результатам работы создана и утверждена методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения.
Результаты работы могут быть востребованы во всех отраслях промышленности, где применяют методы бесконтактного неразрушающего температурного контроля (в металлургии, энергетике, авиационной, химической промышленности, и др.).
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложенные математические модели энергетических пирометров и пирометров спектрального отношения позволяют вычислить их метрологические характеристики.
-
Снижение методических погрешностей в пирометрии до уровня, сопоставимого с инструментальными погрешностями, невозможно без измерений спектральной излучатель-ной способности.
-
Показано, что если спектральная излучательная способность, используемая для снижения методической погрешности в методе коррекции пирометров спектрального отношения, измерена с погрешностью менее 2 %, то это позволяет снизить погрешность измерения температуры с 10... 50 до 1... 4 %.
-
Разработанный алгоритм определения энергетическим пирометром действительной температуры объекта позволяет учесть ранее не учитываемую температурную зависимость коэффициента излучения.
-
Разработанные алгоритм определения энергетическим пирометром действительной температуры объекта, метод снижения методической погрешности у пирометров спектрального отношения и лежащий в его основе алгоритм вычисления температуры спектрального отношения в совокупности со знанием спектральной излучательной способности объекта являются необходимым и достаточным условиями для минимизации методических погрешностей.
6. Прослеживаемость энергетических пирометров к первичному эталону единицы
температуры восстанавливается, если при калибровке и поверках используют излучатели,
характеризующиеся метрологически подтвержденными различными значениями излуча
тельной способности от 0,05... 0,2 до 0,8... 0,99.
Апробация работы, публикации
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на Третьем Всерос. н.-тех. семинаре "Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля", 2002 г., научной сессии МИФИ-2002, 15-й Всерос. конф. “Фотометрия и ее метрологическое обеспечение”, 2005 г., 4-й межд. н.-практ. конф. "Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении”, 2008 г., 18-й Всерос. конф. "Фотометрия и её метрологическое обеспечение”, 2009 г., на семинарах во ФГУП ВНИИО-ФИ, МГУИЭ, на научных конференциях в НИТУ "МИСиС" в 2008 - 2016 г.г.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 308 страниц печатного текста, в т.ч. 18 таблиц, 61 рисунок, 35 страниц приложений, список литературы состоит из 181 наименования.
Современное метрологическое состояние пирометрии
Сравнение (1.12) и (1.13) показывает, что коэффициент черноты “серого тела” и его коэффициент поглощения а равны друг другу.
У разных тел излучательная способность различна. Наибольшей излуча-тельной способностью обладает АЧТ, являющееся математической абстракцией. Его излучательная способность принимается равной 1. Реальные тела имеют меньшую излучательную способность при тех же температурах, поэтому их излу-чательные характеристики оценивают вводимым коэффициентом черноты , значение которого меньше 1.
Пирометр – средство (совокупность средств) измерений температуры по тепловому электромагнитному излучению, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем [6]. Конструктивно пирометр может представлять собой совокупность пирометрического преобразователя и устройства отображения информации в аналоговой или цифровой форме.
Измерения при помощи пирометров обладают следующими преимуществами перед контактными: – высоким быстродействием, определяемым типом приёмника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приёмников излучения (фотодиодов) и быстродействующих АЦП постоянная времени может составлять 10–6 – 10–2 с; – возможностью измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным напряжением; – отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы для мягких (пластичных) объектов; – возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерений (СИ) либо невозможно, либо время их работы очень невелико; – возможностью работы в условиях повышенной радиации или/и температуры окружающей среды (до 250 оС) при разнесении приёмной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Основным недостатком пирометрических измерений температуры является трудность полного учёта связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией. Необходимо учитывать изме 26 нение излучательной способности поверхности от длины волны в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры Т в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора и еще ряд факторов, описанию которых посвящен раздел 6.
Существующие методы пирометрии долгое время классифицировалось по двум характеристикам: принципу восприятия излучения в определённом спектральном диапазоне и количеству рабочих спектральных каналов ([10], рис. 1.2):
Монохроматические методы базируются на измерении монохроматической яркости излучения одним, двумя или несколькими спектральными каналами. Эти методы позволяют использовать спектральные участки, в которых влияние излучения, поглощения и рассеивания промежуточной среды минимально.
Методы широкополосной пирометрии (квазимонохроматические) базируются на соотношении [7] U(, Т) = к Г (, Т)Е(Х, T)d, (1.14) где U(, T) – выходной сигнал приёмника излучения; k – коэффициент передачи; (, Т) – излучательная способность измеряемого объекта; Е(, T) – спектральная энергетическая яркость; 1 и 2 – длины волн. Одноканальные пирометры могут иметь довольно низкую, инструментальную погрешность, но, её значение увеличивается с увеличением рабочей длины волны и ростом температуры.
Для двухканальных пирометров инструментальная погрешность обычно выше, чем для одноканальных вследствие более низкой крутизны зависимости выходного сигнала усилителя-преобразователя от измеряемой температуры в сравнении с одноканальными,.
Для измерения температур выше 3000 оС методы пирометрии являются практически единственными, так как они бесконтактны. Следует отметить, что бесконтактные методы измерения обладают тем положительным свойством, что при их использовании не искажается температурное поле объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут применяться и контактные методы, последним следует отдать предпочтение из-за их более высокой точности.
В соответствии с [156] пирометры классифицируют следующим образом: – пирометры частичного излучения (оптические); – пирометры полного излучения; – пирометры спектрального отношения (цветовые).
Государственный первичный эталон энергетической яркости и силы света излучения тепловых источников с температурой 220 – 1360 К [157] воспроизводит значения энергетической яркости при температурных фазовых переходах воды, галлия, индия, олова, цинка, алюминия и меди (100,39, 151,82, 615,03, 1.177,5, 5.151,1, 13.691 и 61.283 Вт/(срм2), с СКО S, не превышающим 110–3 при 10 измерениях, и неисключённой систематической составляющей , которая не превышает 110–3 [148]. Обычно пирометры строят на определении интенсивности в области красного излучения на волне = 0,65 мкм, что обусловлено хорошим излучением красных лучей и сравнительной простотой выделения узкой спектральной области [7].
Оптические визуальные пирометры основаны на использовании зависимости цвета измеряемого объекта от температуры в видимом диапазоне [148]. Они измеряют не действительную Тд, а цветовую температуру Тц. Связи между этими температурами посвящен п. 1.6. Эти приборы измеряют температуру в диапазоне от 800 до 3000 оС, при этом погрешность при измерении тел с единичным значением составляет ±(1,5 – 2,5) %.
В оптическом пирометре (рис. 1.3) яркость и цвет исследуемого тела сравнивается с яркостью и цветом нити фотометрической лампы накаливания 1, являющейся в данном случае обращённым преобразователем. Яркость нити зависит от тока, величина которого регулируется изменением сопротивления реостата 3. Телескоп пирометра 4 направляют на раскалённое исследуемое тело таким образом, чтобы наблюдатель, смотрящий в окуляр 2, видел на фоне раскалённого тела нить лампы.
Математическая модель энергетического пирометра с логарифматором и его метрологические характеристики
Если полосы чувствительности приемников шире указанных, определение Тд должно быть осуществлено по методу, разработанному в [25, 27].
Подводя итог анализа методов пирометрии, отметим следующее.
1. На сегодняшний момент можно выделить три основных метода пирометрии. Первый – метод цветовой пирометрии, реализуемый сегодня в основном с использованием спектрометров, и не рассматриваемый в настоящей работе. Второй – метод пирометрии спектрального отношения. Третий – метод энергетической пирометрии. Все остальные методы, упоминаемые в работах различных авторов, являются частными случаями трёх перечисленных методов.
2. С точки зрения современной метрологии, метод пирометрии спектрального отношения имеет неоспоримое преимущество перед методом энергетической пирометрии. Энергетические пирометры лишены такого важного свойства, как прослеживаемость к первичному эталону единицы температуры [23]. Это является следствием того, что практически во всех современных энергетических пирометрах в распоряжении оператора имеется орган регулировки, с помощью которого можно изменять основные технические характеристики СИ (в данном случае – коэффициент усиления), а, следовательно, произвольным образом изменять результат измерения при неизменной температуре объекта. И к тому же, большинство объектов, которые на практике приходится измерять пирометрами, характеризуется излучательной способностью, заметно меньшей, чем 1 [3], а никаких поверок энергетических пирометров на излучателях с 1 никто никогда не проводит.
В отличие от энергетических, пирометры спектрального отношения лишены органов управления, позволяющих оператору произвольным образом изменять технические характеристики средства измерений. Поэтому пирометры спектрального отношения обладают свойством прослеживаемости к первичному эталону единицы температуры [23]. С их помощью пользователь может измерять температуру “серых тел” с той точностью, которая приписана производителем данному средству измерений.
Нерешённой до появления работ [25], [27] являлась проблема значительного снижения методической систематической погрешности, возникающей при измерений температуры “несерых тел”. Эта погрешность зачастую превышает 20 %, что на полтора-два порядка больше достигнутого к настоящему моменту в практической пирометрии типичного значения инструментальной погрешности (от 0,2...0,3 до 1 %). Следовательно, дальнейшее совершенствование пирометров спектрального отношения в части снижения инструментальной и случайной погрешности, а также составляющих систематической погрешности, не связанных с “несерым” характером излучения объекта, бессмысленно до тех пор, пока систематическая погрешность за счёт “несерости” излучения объекта не будет снижена до единиц процентов.
3. Упомянутые методы не являются чем-то застывшим, определённым “на века”. Пирометрия развивается, развиваются приборы и оборудование, и в связи с этим методы пирометрии модифицируются, трансформируются один в другой, меняют свою актуальность. Метод оптической пирометрии вошел как частный случай в более общий метод цветовой пирометрии. Последний получил свое дальнейшее развитие с применением в пирометрии спектрометров и с развитием программного обеспечения. Имевшие около 40 лет назад широкую применимость методы яркостной и радиационной пирометрии, которые в то время можно было рассматривать как различные методы, по мере развития реализующих эти методы пирометров сблизились настолько, что стали частными случаями более общего метода энергетической пирометрии. Можно предполагать, что модификация и трансформация методов пирометрии будет продолжаться и в дальнейшем. 1.9 Аппаратные средства для бесконтактных измерений температуры
В первой половине ХХ века пирометры с исчезающей нитью были распространены гораздо шире энергетических пирометров (пирометры спектрального отношения в то время вообще отсутствовали). В книге [14], выпущенной в 1932 г., описано 15 различных оптических пирометров, в том числе и пирометр, выпускавшийся в нашей стране в ходе Первой мировой войны (!). Энергетических пирометров там описано вдвое меньше, всего 8 различных моделей.
С середины прошлого века наметилась обратная тенденция – после появления радиационного пирометра “Radiamatic” фирмы “BRAUN” [11] его копии начали вытеснять цветовые пирометры. Пожалуй, сейчас в мире энергетических пирометров разных классов, типов и уровней используется больше, чем остальных пирометров, хотя количество пирометров спектрального отношения, пришедших на смену цветовым пирометрам, в нынешнем столетии заметно увеличилось.
Последняя четверть ХХ века ознаменовалась бурным развитием электроники и появлением микропроцессоров. Последние сразу решили проблемы, возникающие при создании приборов, измеряющих физические величины по отношению тех или иных сигналов с первичных датчиков. Именно такими приборами являются пирометры спектрального отношения, в которых температура измеряемого объекта определяется по отношению сигналов, вырабатываемых приемниками излучения с разной спектральной чувствительностью. Поэтому примерно с середины 80-х годов ХХ века начинается стремительный рост количества фирм, производящих пирометры спектрального отношения, и выпускаемых ими приборов.
Вычисление температуры спектрального отношения
В настоящей работе описывается разработанный автором метод снижения систематической методической погрешности, возникающей у пирометров спектрального отношения при измерении температуры “несерых тел”. Разработанный метод универсален, т.е. применим для любых пирометров спектрального отношения, как для узкополосных, так и для широкополосных.
Суть описываемого метода состоит в следующем: 1. Пирометр спектрального отношения должен быть калиброван по МЧТ в соответствии с разработанной для него методикой калибровки. 2. Необходимо измерить спектральную излучательную способность измеряемого объекта и получить у производителя пирометра спектральные характеристики используемых в нем приемников излучения. 3. Нужно численно или аналитически определить зависимость температуры спектрального отношения, характеризующей измеряемый объект и используемый пирометр, от действительной температуры объекта. 4. Нужно найти зависимость действительной температуры объекта от температуры спектрального отношения (найти функцию, обратную к описанной в п.3). 5. Измерить температуру объекта пирометром спектрального отношения. 6. С помощью функции, упомянутой в п. 4, определить действительную температуру объекта по результату измерения (п. 5).
Из анализа п.п. 1 – 6 следует, что для реализации описанного метода необходимо знание спектральной излучательной способности измеряемого объекта и спектральных характеристик установленных в пирометре приемников излучения, после чего с их использованием нужно осуществить расчет температуры спектрального отношения.
Необходимо отметить, что в общем виде, т.е. для пирометров с любой шириной полос пропускания и объектов с любой спектральной излучательной способностью, аналитическое соотношение для вычисления зависимости температуры спектрального отношения от действительной температуры объекта отсутствует. Поэтому эту зависимость необходимо находить численными методами. Алгоритм такого метод был разработан и опробован автором настоящей работы.
Чтобы понять идею, заложенные в упомянутом алгоритме, обратимся к определению температуры спектрального отношения, приведённому в разделе 1.
Температурой спектрального отношения объекта называют такую температуру АЧТ, при которой отношение испускаемых им энергетических потоков в выбранных спектральных областях равно отношению энергетических потоков, испускаемых объектом в тех же спектральных областях. В данном определении от 104
сутствует какое-либо упоминание о конкретном пирометре. Но оно отсутствует только в явном виде.
В действительности же, если речь зашла о равенстве энергетических потоков в каких-то спектральных областях, то численные значения, соответствующие этим потокам, могут дать нам только те или иные приемники излучения, спектральные диапазоны чувствительности которых совпадают с границами этих спектральных областей. А два приёмника, чувствительных в двух различающихся спектральных диапазонах, и устройство, измеряющее сигналы с приемников и вычисляющее их отношение – это основные узлы пирометра спектрального отношения. То есть, пирометр спектрального отношения в этом определении присутствует, хотя и неявно.
Итак, надо уметь вычислять спектральное отношение, которое будет измерять пирометр как в случае наведения его на реальный “несерый” объект при любой температуре, так и в случае наведения его на АЧТ (также при любой температуре). Вычислив спектральное отношение от объекта (при температуре tобъекта), далее нужно найти то значение температуры АЧТ tАЧТ, которое будет характеризоваться тем же спектральным отношением. Согласно приведенному выше определению, полученное значение температуры АЧТ и будет температурой спектрального отношения tсп. отн. для рассматриваемого объекта при температуре tобъекта. Произведя указанные вычисления для tобъекта во всем диапазоне интересующих температур (с шагом, например, в 1 – 2 С), получают искомую зависимость.
Зависимость спектрального отношения от tАЧТ – это по определению гра-дуировочная функция пирометра. Но для нахождения температуры АЧТ, которая будет характеризоваться тем же спектральным отношением, что и излучающий “несерый” объект, необходимо располагать функцией, обратной к градуировоч-ной (в метрологии её иногда ещё называют калибровочной функцией). Тогда, взяв спектральное отношение от излучающего “несерого” объекта в качестве её аргумента, можно из неё найти значение температуры АЧТ tАЧТ, соответствующей этому спектральному отношению, которое и будет температурой спектрального отношения (tАЧТ tсп. отн.).
Температурная зависимость спектральной излучательной способности
Соответственно, из всего входного сигнала каждый из светофильтров выделяет сигнал в своём спектральном диапазоне, и этот сигнал преобразуется стоящим за светофильтром приёмником в электрический ток, линейно зависящий (в диапазоне от 10 пА до 1 мА) от пришедшего на приёмник лучистого потока.
Сигналы с выходов приёмников усиливаются соответствующими линейными усилителями, одновременно преобразовываются в код управляемыми от микроконтроллера АЦП и результаты преобразования сохраняются в памяти микроконтроллера. Также одновременно с вышеупомянутым преобразованием происходит измерение температуры объекта, спектральная излучательная способность которого определяется.
Предварительно с помощью описываемого устройства необходимо изме 142 рить сигналы, получаемые при наведении прибора на МЧТ, температура которого близка к температуре измеряемого объекта. Значение температуры МЧТ должно также быть запомнено.
Соответственно, отношение сигналов образца и МЧТ (при равных температурах) и даст искомую . Если температуры не равны, то необходимо с использованием формулы Планка осуществить пересчёт спектральной плотности энергетической освещённости, формируемой МЧТ при его реальной температуре, в значения спектральной плотности энергетической освещенности, формируемой черным телом при температуре измеряемого объекта, и только затем вычислять .
Описанным способом определяют значения на 8 выбранных длинах волн. После этого методом наименьших квадратов определяется аппроксимирующий степенной полином где п = 5,6 или 7. Таким образом, в качестве в расчёте температуры спектрального отношения используется её аппроксимация степенным полиномом 5-й, 6-й или 7-й степени.
Описанное выше СИ спектральной излучательной способности оказалось довольно сложным в изготовлении и в настройке, что неизбежно скажется на его стоимости в случае производства таких устройств.
Поэтому была поставлена задача создания специализированного СИ от минимальной стоимости, а также исследования его возможностей при выполнении всего комплекса технических решений, составляющих разработанный в настоящей диссертации метод оптоэлектронного измерения температуры “несерых тел” широкополосными двухспектральными фотодиодами.
Автором настоящей работы предложено выполнить такое максимально удешевлённое СИ на основе дифракционной решётки, аналогично дифракционным монохроматорам. При этом облучение от нагретого источника входного отверстия прибора имитирует точечный источник, облучающий дифракционную решётку. Оптическая система переносит изображение входного отверстия в плоскость решётки, которая разлагает излучение по длинам волн, направление распространения которых определяется, помимо длины волны, параметрами решетки. Выходная оптическая система переносит изображение решётки в плоскость выходного отверстия или щели, при этом отверстие облучается квазимонохроматическим пучком, выделенным из всей совокупности лучей, попавших на решётку. Центральная длина волны диапазона квазимонохроматического пучка зависит от угла поворота дифракционной решётки. В плоскости выходного отверстия устанавливается приёмник излучения, регистрирующий лучистый поток на длине волны, определяемой параметрами решётки и углом между её нормалью и направлением на входное отверстие.
Если дифракционная решётка не плоская, а сферическая, т.е. выполненная в виде штрихов на сферической зеркальной поверхности, необходимость в самостоятельных входной и выходной оптических системах отпадает. Входное и выходное отверстия при этом должны быть расположены в точках двойного фокуса зеркала-основы дифракционной решётки. В этом случае конструкция прибора оказывается предельно простой – узел входного отверстия, узел выходного отверстия, сферическая дифракционная решётка с механизмом, обеспечивающим её вращение, и одно-два зеркала, определяющие взаиморасположение входной и выходной оптических осей прибора.
Диаметры входного и выходного отверстий выбраны равными 5 мм. Вы 145 ходное отверстие имеет вытянутую форму. В стойке выходного отверстия со стороны, противоположной дифракционной решётке, установлен кремниевый фотодиод ФД-24К с чувствительной площадкой диаметром около 10 мм.
Как отмечалось выше, разрабатываемое СИ должно обладать достаточно высоким быстродействием для возможности работы с нестационарными объектами. Это накладывает определённые ограничения на устройство, обеспечивающее вращение дифракционной решётки.
В традиционных монохроматорах и спектрометрах вращение решётки обеспечивается шаговыми двигателями, количество оборотов которых однозначно задаётся схемами управления. Через систему редукции и устройство преобразования вращательного движения в поступательное шаговый двигатель обеспечивает поворот решётки. Поскольку в монохроматорах и спектрометрах разрешающая способность по длине волны является обычно ключевым параметром, коэффициент редукции выбирается очень малым 1/500…1/5000. Соответственно, сканирование всего спектрального диапазона требует от 500 до 5000 поворотов вала шагового двигателя, что занимает сотни секунд.
В отличие от упомянутых приборов, в разрабатываемом СИ требуется сканирование всего спектрального диапазона за единицы секунд. При этом, поскольку реальные зависимости от обычно достаточно гладкие и лишены пиков, характерных для источников квазимонохроматического излучения (ламп с полым катодом, дуговых ламп и т.д.), автором настоящей работы сделан вывод о том, что требуемое разрешение по длине волны разработанного устройства достаточно низкое – на уровне 10…20 нм. Последнее позволило снизить требования к точности позиционирования дифракционной решётки.
Упомянутые требования (быстрое сканирование всего диапазона при относительно невысокой точности позиционирования) обеспечивают получившие в последнее время широкое распространение в робототехнике и в моделизме цифровые манипуляторы (в быту многие называют их рулевыми машинками, по их первому применению – управлению рулями радиоуправляемых моделей).
К настоящему моменту подобные манипуляторы выпускают в больших количествах различными фирмами. Они характеризуются широким диапазоном усилий на валу, быстродействием, точностью позиционирования и габаритами. Автором был выбран быстродействующий манипулятор типа tp-mg945 производства фирмы TowerPro (рис. 5.5, [110]). Помимо быстродействия, он характеризуется большим усилием на валу, что крайне необходимо для предотвращения колебательных движений довольно массивной дифракционной решётки при резких ее остановках, а также для её быстрого разгона и остановки.