Способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности и устройство для его осуществления

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Марков Алексей Петрович Кац Александр Израилевич Старовойтов Анатолий Григорьевич Ефименко Дмитрий Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности, характеризующийся тем, что осуществляют прием и разделение излучения нагретой поверхности по волоконно-оптическим световодным жгутам оптической системы, каналируют часть излучения к первой и второй отражающим поверхностям с коэффициентами излучательной способности, равными 0,06 и 0,95 соответственно осуществляют прием и оптико-электронную 13276 1 2010.06.30 обработку излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, от второй отражающей и нагретой поверхностей и от нагретой поверхности и получают температуру нагретой поверхности по соотношению спектрально-энергетических параметров излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, от второй отражающей и нагретой поверхностей и от нагретой поверхности в момент восприятия теплового излучения в реальных пространственно-временных параметрах. 2. Устройство дистанционного измерения температуры нагретой поверхности, содержащее оптическую систему, содержащую защитное стекло, градан-микрообъектив, коллектор приема излучения от нагретой поверхности, коллекторы-распределители,пространственно разделенные волоконно-оптические световодные жгуты, коллекторыизлучатели, граданы-формирователи, причем система выполнена комбинированной с разделением излучения нагретой поверхности по двум коллекторам-распределителям, выполненным с возможностью каналирования излучения первого из них по световодным жгутам, ориентированным на отражающие поверхности с коэффициентами излучательной способности, равными 0,06 и 0,95 соответственно, с последующим каналированием отраженных от этих поверхностей излучений по жгутам, объединенным в коллекторахизлучателях со жгутами, содержащими одну часть излучения второго коллекторараспределителя, выполненного с возможностью каналирования другой части излучения по конструктивно обособленному жгуту излучения нагретой поверхности фотоприемники, входы которых соединены соответственно с граданами-формирователями излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, излучения от второй отражающей и нагретой поверхностей и излучения от нагретой поверхности, а выходы которых соединены с блоком обработки сигнала. Изобретение относится к методам и средствам технологического контроля в литейном производстве, металлургии, химической и других отраслях, где требуется дистанционная,помехозащищенная аппаратура для работы в агрессивных, взрывоопасных условиях, и может быть использовано для определения температуры нагретых тел и расплавленных металлов. Известен метод измерения и контроля температуры нагретых тел и расплавленных металлов, основанный на сравнении яркости контрольного излучателя посредством варьирования мощности нагрева нити или яркости самого измеряемого излучения перемещением серого оптического клина, при котором изменяется пропускная способность для измеряемого излучения, а мощность нагрева нити сравнительного излучателя должна быть строго стабилизированной (как эталон) 1. Температура нагретого тела в таких способах косвенно отображается в мощности нагрева нити накаливания или в величине смещения ослабителя в виде серого оптического клина. Недостатками способа являются субъективность измерений, а также погрешность оценки спектрального коэффициента излучения поверхности нагретого тела, снижающие точность и производительность контроля. Введение поправочных коэффициентов радикально не улучшает метрологию таких методов. Известен способ определения температуры нагретой поверхности, реализующий спектрально-энергетическую зависимость излучения и температуры 2. По мере повышения температуры нагрева поверхности энергия излучения увеличивается, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. По имеющейся функциональной зависимости температуры и фиксированной длины волны (или в некотором спектральном диапазоне) определяется температура нагретой поверхности. Недостаток способа в том, что нелинейная зависимость и неопределенность в определении коэффициента излучательной способности(энергия теплового излучения) ограничивают достоверность и диапазон прямых измерений температуры. 2 13276 1 2010.06.30 Наиболее близким по технической сущности является способ относительных измерений, в котором контролируемый параметр определяют соотношением интенсивности излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения 2. Способ дистанционного измерения температуры состоит в приеме излучения нагретой поверхности оптической системой с волоконно-оптическими световодами, сканировании выходов волокон и обработке сигнала по методу двух цветов. Недостаток данного способа заключается в низкой достоверности и точности дистанционных измерений температуры нагретой поверхности. Известны бесконтактные оптические пирометры 1. Время излучения нагретого тела определяют либо непосредственно приемником излучения, либо посредством сравнения с контрольным излучением, как это реализовано в пирометрах с исчезающей нитью накаливания. Недостаток устройства - спектральная чувствительность определяется узким интервалом длин волн. Для контроля температуры раскаленных металлов и расплавов известны радиационные пирометры, принцип действия которых основан на восприятии излучения во всем спектральном диапазоне по схемам абсолютных измерений значения полного коэффициента излучения 1, с. 339-342, 346-348. Недостатком устройства является трудоемкость получения достоверных значений температуры из-за больших различий значений полного коэффициента излучения (даже в различных справочниках) и субъективного учета специфики условий эксплуатации. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство 2, с. 145, содержащее волоконно-оптическую систему, включающую световые детекторы и оптические волокна, сформированные в виде волоконно-оптического жгута,входные торцы волокон которого выполняют функцию чувствительного зонда. При этом входные торцы дискретов оптических волокон уложены в один ряд (в виде линейки), а их соответствующе выходы дистанцированы от нагретой поверхности. В измерительном окошке выходы каждого дискрета воспринимаются оптико-электронным сканером с последующей обработкой выходных сигналов по методу двух цветов. Однако волоконно-оптическая система радиационного измерения температуры с передачей излучения пространственно упорядоченными оптическими волокнами при своей помехозащищенности и относительной стабильности не обеспечивает требуемой достоверности и точности относительных измерений изменяющихся интенсивностей для двух смежных спектров излучений без учета характера излучательной способности (коэффициента излучательной способности). Единой технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение,является повышение достоверности и точности дистанционных измерений температуры нагретой поверхности при оперативном контроле физико-технических параметров процессов литейного производства и металлургии. Задача достигается тем, что в способе дистанционного измерения температуры нагретой поверхности, характеризующемся тем, что осуществляют прием и разделение излучения нагретой поверхности по волоконно-оптическим световодным жгутам оптической системы, каналируют часть излучения к первой и второй отражающим поверхностям с коэффициентами излучательной способности, равными 0,06 и 0,95 соответственно осуществляют прием и оптико-электронную обработку излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, от второй отражающей и нагретой поверхностей и от нагретой поверхности и получают температуру нагретой поверхности по соотношению спектрально-энергетических параметров излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, от второй отражающей и нагретой поверхностей и от нагретой поверхности в момент восприятия теплового излучения в реальных пространственно-временных параметрах. 3 13276 1 2010.06.30 Задача достигается тем, что в устройстве дистанционного измерения температуры нагретой поверхности, содержащем оптическую систему, содержащую защитное стекло,градан-микрообъектив, коллектор приема излучения от нагретой поверхности, коллекторы-распределители, пространственно разделенные волоконно-оптические световодные жгуты, коллекторы-излучатели, граданы-формирователи, причем система выполнена комбинированной с разделением излучения нагретой поверхности по двум коллекторамраспределителям, выполненным с возможностью каналирования излучения первого из них по световодным жгутам, ориентированным на отражающие поверхности с коэффициентами излучательной способности, равными 0,06 и 0,95 соответственно, с последующим каналированием отраженных от этих поверхностей излучений по жгутам, объединенным в коллекторах-излучателях со жгутами, содержащими одну часть излучения второго коллектора-распределителя, выполненного с возможностью каналирования другой части излучения по конструктивно обособленному жгуту излучения нагретой поверхности фотоприемники, входы которых соединены соответственно с граданами-формирователями излучения от первой отражающей и нагретой поверхностей, излучения от второй отражающей и нагретой поверхностей и излучения от нагретой поверхности, а выходы которых соединены с блоком обработки сигнала. Способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности осуществляется следующим образом. Способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности состоит в приеме и разделении излучения нагретой поверхности оптической системой с волоконнооптическими световодами, каналировании части излучения к отражающим поверхностям и обработке сигнала. Оптическая система формирования, распределения и преобразования информации взаимодействует с нагретой и отражающими поверхностями со слабой(0,06) и сильной излучательной способностью (0,95). Измерительную информацию о температуре нагрева формируют по соотношению спектрально-энергетических параметров измерительного и опорных излучателей в момент восприятия теплового излучения с последующим световодным каналированием, распределением, преобразованием и оптико-электронной обработкой в реальных пространственно-временных параметрах. На фигуре представлена схема устройства дистанционного измерения температуры нагретой поверхности. Устройство содержит пространственно разделенную оптическую систему, с помощью которой воспринимается и каналируется информативное излучение нагретой поверхности(контролируемой) 1, стекло защитное 2, градан-микрообъектив 3, коллектор приема излучения 4, коллекторы-распределители 5 и 6, жгуты световодные 7 опорного излучения,коллектор-преобразователь 8 излучения с сильной (0,95) отражательной способностью поверхности 9, коллектор-преобразователь 11 излучения со слабой (0,06) отражательной поверхности 10 и нагретой поверхностью, оптически и конструктивно связанные через жгуты 12 и 13 с коллекторами-излучателями 14, 15 и 16, излучения которых граданами-формирователями 17 направлены на чувствительные элементы фотоприемников ФП 1, ФП 2, ФПИ и блок первичной обработки БПО. Способ реализуется устройством, работающим следующим образом. За счет световодных жгутов 13 излучение нагретой поверхности 1 смешивается в коллекторе 14 с опорным излучением поверхности 9 с коэффициентом излучательной способности, равным 0,95, и отражательной поверхности 10 с коэффициентом излучательной способности, равным 0,06, в коллекторе-излучателе 15. При этом измеряется интенсивность излучения контролируемой поверхности 1 и отраженное излучение от поверхностей 9 и 10 с контрастной отражательной способностью (сильной и слабой), а по соотношению этих контрастных излучений, смешанных в коллекторах-излучателях 14 и 15, и информативного излучения жгута 16 сигналы соответствующих выходов фотоприемников ФП 1,ФП 2 и ФПИ обрабатывают в блоке первичной обработки БПО, по результатам обработки 4 13276 1 2010.06.30 идентифицируют измеряемую температуру. В такой совокупности информационнопреобразовательных операций и световодных каналирующих, направляющих и смешивающих оптические излучения от контролируемой поверхности и опорных отражающих поверхностей с большим различием в излучательной способности поверхностей улучшаются метрологические возможности и эргономика контроля (за счет дистанцирования оператора от нагретой поверхности). Источники информации 1. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура Пер. с нем. / Под ред. Профоса П. - 2-е изд. перераб. и доп. - М. Металлургия,1990. - С. 341-346. 2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т.Окоси Пер. с япон. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е, 1990. - С. 144-145 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5