Способ определения коэффициентов излучения и истинной температуры объектов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИСТИННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения коэффициентов излучения и истинной температуры объектов,включающий измерение амплитуд сигналов, соответствующих интенсивности оптического излучения, на выходах двух различных измерительных спектральных каналов, по величине которых вычисляют температуру объекта, измерение отношения амплитуд этих сигналов, отличающийся тем, что до измерения амплитуд сигналов на выходах измерительных каналов производят калибровку каналов по абсолютно черному телу (АЧТ), определение истинной температуры Т объекта осуществляют из отношения амплитуд сигналов на выходах измерительных каналов с учетом отношения коэффициентов излучения в спектральных диапазонах измерительных каналов, которое вычисляют по формулам где 1, 2 - коэффициенты излучения в спектральных диапазонах первого и второго измерительных каналов соответственно,1, 2 - амплитуды сигналов на выходах первого и второго измерительных каналов соответственно,Т 1, Т 2 - температуры объекта, вычисленные по амплитудам сигналов на выходах первого и второго измерительных каналов соответственно,6736 1 1 (2 ) ,2 (1 ) - амплитуды сигналов на выходах первого и второго измерительных каналов соответственно, соответствующие температурам АЧТ, равным Т 1 и Т 2,а коэффициенты излучения 1 и 2 определяют по формулам 111 ( ) ,222 ( ) , где 1 ( ),2- амплитуды сигналов на выходах первого и второго измерительных каналов соответственно, соответствующие температуре АЧТ, равной Т.(56)1514049 1, 1990.1440157 1, 1991.156336 2, 1994.386269, 1973.2162210 1, 2001.2083961 1, 1997.2086935 1, 1997. Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в системах бесконтактного измерения, автоматического контроля и регулирования температуры различных объектов и технологических процессов. Известен пирометр спектрального отношения 1, содержащий два спектральных канала, формирующих электрические сигналы, пропорциональные потокам излучения в двух различных участках спектра с эффективными длинами волн 1, 2, блок измерения отношения этих сигналов, блок регулировки коэффициента передачи в этих каналах, измеритель состояния излучательной способности, блок управления коэффициентами передачи каналов. Температура определяется из отношения сигналов в измерительных каналах. Недостатком этого устройства является то, что высокая точность измерений обеспечивается только в случае, если коэффициенты излучения измеряемого объекта одинаковы в обоих спектральных диапазонах. Если коэффициенты излучения не одинаковы, то устройство будет давать значительную погрешность измерений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения излучательной способности и температуры объектов 2, основанный на измерении интенсивности оптического излучения в двух спектральных каналах и последующем измерении разности этих сигналов затем путем повышения температуры объекта (10-30 С) и изменения коэффициента передачи электронных трактов добиваются, чтобы разность показаний не зависела от температуры, после этого рассчитывают значение коэффициента излучения и температуры. Недостатком этого способа является то, что для измерения излучательной способности и температуры объектов необходимо нагревать измеряемый объект, что значительно увеличивает время измерений и изменяет первоначальный термодинамический баланс контролируемого объекта или технологического процесса, что дает дополнительную погрешность при измерении температуры до нагрева. Задачи изобретения - повышение точности измерения температуры, упрощение процесса измерения температуры и коэффициента излучения и расширение функциональных возможностей. Поставленные задачи решаются путем того, что в способе измерения излучательной способности и температуры объектов, основанном на измерении интенсивности оптиче 2 6736 1 ского излучения в двух различных спектральных каналах и последующем измерении отношения этих сигналов, осуществляется калибровка измерительных каналов по абсолютно черному телу (АЧТ) и используется следующий алгоритм компьютерной обработки сигналов измерение истиной температуры осуществляется из отношения амплитуд сигналов на выходах измерительных каналов отношение коэффициентов излучения в спектральных диапазонах измерительных каналов вычисляется по формулам 1 /21 / 1 (2 ) 1 /22 (1 ) /2 ,где 1, 2 - сигналы на выходах первого и второго измерительного канала 1, 2 - температуры объекта, измеренные в первом и втором каналах, по значению амплитуд сигналов первого и второго канала, соответственно коэффициенты излучения в спектральных диапазонах определяются следующим образом 11 / 122 /2, где- вычисленная истинная температура объекта, 1,2- сигналы первого и второго канала при температуре АЧТ, равной истинной температуре объекта . Функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, представлена на фигуре. Устройство содержит два измерительных канала 1 и 2 со спектральными диапазонами 1-2 и 3-4, соответственно, электрические сигналы на выходах которых пропорциональны потокам излучения в этих участках спектра, и информационно-измерительный блок 3, выполненный на базе микропроцессора. Система работает следующим образом. Величина энергии нечерного телав спектральном диапазоне 12, излучаемой поверхностью тела, находящегося при температурес излучательной способностью (,Т), определяется следующим соотношением 2 где 12 - полоса пропускания приемника излучения,- спектральное распределение плотности энергии излучения объекта, определяемое формулой Планка 1-52/)-1)-1,где- температура,13,741310-12 Втсм 2 21,436 градсм- длина волны,мкм. Выражение (1) по известному значению выходного сигнала приемника излученияпозволяет вычислить температуру объекта при известном значении (,). Так как в большинстве случаев неизвестно значение излучательной способности (,), то в уравнении (1) появляются два неизвестных, и в таком виде оно однозначно не решается. Для однозначного измерения температуры и излучательной способности необходимо использование двух измерительных каналов 1 и 2 со спектральными диапазонами 1-2 и 3-4,соответственно, электрические сигналы на выходах которых 1, 2 пропорциональны потокам излучения в этих участках спектра 2 где 1(,) - коэффициент излучения в спектральном диапазоне 1-2, 2(,) - коэффициент излучения в спектральном диапазоне 3-4, К - коэффициент, зависящий от типа приемника излучения, оптической системы и коэффициента усиления измерительного канала. 3 6736 1 Оба измерительных канала калибруются по абсолютно черному телу (АЧТ), коэффициент излучения которого (,)1.память микропроцессора блока 3 записывается зависимость выходных сигналов первого и второго каналов 1, 2 от температуры АЧТ,и зависимость отношения 1 /2 от температуры АЧТ. Таким образом, если 1(,)2(,)1, то по величине 1 или 2 однозначно определяется истинная температура объекта . Если 1(,)2(,)1, то оба канала будут показывать не правильные, но одинаковые значения температуры объекта, т.е. 12. Следовательно по величине измеренных температур 1 и 2 в обоих спектральных диапазонах можно судить о равенстве (или не равенстве) коэффициентов излучения 1(,), 2(,) в спектральных диапазонах. Взяв отношение сигналов 1, 2 из формулы (2) и полагая, что 1(,)2(,), получаем 2 Как видно, данное отношение определяется только температурой объектаи не зависит от коэффициента излучения (,), и измерение истиной температуры осуществляется из отношения амплитуд сигналов на выходах каналов 1/2, используя зависимость, записанную в память микропроцессора 3. Если измеренные значения температуры на выходах спектральных каналов не равны 12, т.е. коэффициенты излучения в спектральных каналах не равны 1(,)2(,),то вычисляется отношение коэффициентов излучения в спектральных диапазонах по следующему алгоритму. Выходные сигналы измерительных каналов равны 2(5) , где- истинная температура объекта, 1, 2 - температуры объекта, измеренные в первом и втором каналах, соответствующие температуре абсолютно черного тела, излучающего ту же величину энергии, что и реальный объект. Так как оба канала калиброваны по абсолютно черному телу, то очевидно, что если бы в первом спектральном диапазоне 1-2 у объекта был бы коэффициент излучения 2(,), то первый канал показал бы температуру 2, а если бы во втором диапазоне 3-4 объект имел коэффициент излучения 1(,), то второй канал показал бы температуру 1,т.е. Из (4) - (7) можно легко получить, что отношение коэффициентов излучения в спектральных диапазонах будет равно или//( )/( ) /,1 где 1, 2 - сигналы на выходах первого и второго спектрального канала при истиной температуре объекта 1, 2 - температуры объекта, измеренные в первом и втором каналах,4(, 1 ) - выходной сигнал второго канала при температуре абсолютно 3 черного тела 1 (берется из калибровочного графика в памяти микропроцессора), 1 (2 )- выходной сигнал первого канала при температуре АЧТ 2 (бе 1 рется из калибровочного графика). Затем с учетом полученного отношения 1/2 измерение истиной температурыосуществляется из отношения амплитуд сигналов на выходах каналов 1/2. Коэффициенты излучения в спектральных диапазонах определяются следующим образом где- вычисленная истинная температура объекта,22 /2, 1 вого канала при температуре АЧТ, равной истинной температуре объекта , 2(, 1 ) - сигнал второго канала при температуре АЧТ, равной(величи 3 ны берутся из калибровочного графика). Таким образом, с использованием калибровки измерительных каналов по абсолютно черному телу и описанного выше алгоритма компьютерной обработки сигналов система позволяет одновременно измерять истинную температуру и излучательную способность объекта без применения дополнительного нагрева. Это дает повышение точности измерения температуры за счет отсутствия погрешности, связанной с влиянием внешнего нагрева на первичный термодинамический баланс контролируемого объекта или процесса,уменьшение времени измерения температуры и коэффициента излучения и расширение функциональных возможностей. Источники информации 1. А.с. СССР 1105763, МПК 01 5/20, 1984. 2. А.с. СССР 1514049, МПК 01 5/02, 1990. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.