Пирометрический способ определения термодинамической температуры металла и устройство для его осуществления

аппроксимации функциональной ЗЗВИСИМОСТИ излучательной СПОСОбНОСТИ металла ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ, ПрИ ОПРВДВЛСНИИ ТВМПСРЗТУРЫ ДОПОЛНИТВЛЬНО ИСПОЛЬЗУЪОТ ПООЧСРСДНУЪО ПОДСВСТКУ КОНТрОЛИруСМОЙ ТОЧКИ ПОВВРХНОСТИ МСТЗЛЛЗ ТрСМЯ ЛЗЗСРЗМИ С ИЗВССТНЫМИ МОЩНОСТЯМИ И длинами ВОЛН ИЗЛУЧСНИЯ И ОПРСДСЛЯЮТ возникающие ПрИ поочередной ПОДСВВТКС приращения сигналов фОТОПРИВМНИКОВ, каждое ИЗ КОТОрЫХ НОРМИРУЪОТ на МОЩНОСТЬ СООТВВТСТВУЪОЩВГО лазера, ПО нормированным приращениям сигналов фОТОПрИ МНИКОВ ВЬТЧИСЛЯТОТ ОТНОШНИЯ МОНОХрОМаТИЧЗСКИХ КОЭффИЦИЗНТОВ ОТраЖеНИЯ р 12, р 23Р 1,2( 9 э Р 2,3( )2 а Пи, 11 Рж, 101) Нм, 52 Рж 25 (М) Где 11 И 12 - СИГНЗЛЬТ фОТОПрИеМНИКОВ, ВЬТЗЬТВЗСМЬТ ТСПЛОВЬТМ ИЗЛУЧСНИСМ МеТаЛЛаПЩ , Пуд 112 , Пдз - сигналы фотоприемников при подсветке соответствующим51(7 ь 1), 51(7 ь 2), 52 Оь 2), 52 Оь 3) - чувствительности фотоприемников на длинах волн излучения лазеров,полученные отношения коэффициентов отражения используют для определения значения параметра выбранной функциональной зависимости излучательной способности металла,определяющего величину ее отклонения от константы, а температуру металла определяют по величине отношения сигналов фотоприемников, вызываемых тепловым излучением металла, и рассчитанной при градуировке температурной зависимости отношения этих сигналов, соответствующей полученному значению параметра.2. Устройство для определения термодинамической температуры металла, содержащее приемный объектив, собирающий тепловое излучение контролируемой точки металла на чувствительные площадки двух соосно расположенных фотоприемников, диафрагму,размещенную перед фотоприемниками и ограничивающую размеры светового пятна, попадающего на чувствительные площадки фотоприемников, и блок управления, обработки и индикации на основе микропроцессора, отличающееся тем, что содержит блок управляемых микропроцессором попеременно излучающих полупроводниковых лазеров, три из которых инфракрасные и предназначены для измерения отношений монохроматических коэффициентов отражения металла, а четвертый видимого диапазона и предназначен для визуального наведения оси поля зрения на контролируемую точку металла, а также коллиматор лазерного излучения, установленный перед приемным объективом соосно с ним и связанный с блоком лазеров через оптоволокна и соединитель.Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах непрерывного бесконтактного контроля и регулирования температуры ряда технологических процессов обработки металлов на машиностроительных предприятиях.Известен способ определения термодинамической температуры поверхности тел с неизвестной спектральной излучательной способностью 80), основанный на измерениях на двух длинах волн М и М интенсивностей собственного теплового излучения тела и отраженного от него излучения внешнего источника подсветки (способ относительной спектрорефлектометрии) 1, с. 115-118. Вначале по величине отраженного излучения источника подсветки определяется относительный коэффициент отражения телагде р 1 и р 2 - коэффициенты отражения, 81 и 82 - излучательные способности тела, Цтр,Ь 2 Тр - яркость отраженного излучения опорных источников на длинах волн М и М, Д,Ь 2 ОП - ЯрКОСТИ ИЗЛУЧСНИЯ ОПОрНЫХ ИСТОЧНИКОВ на ЭТИХ длинах ВОЛН. Далее В результатеПреобразования (1) с Использованием приближения Вина ЦДТ) (С 1/7 с)е по лучают уравнение1-912 С, 12 С, 1 1 1, 2 1, ехр мт р 1, ехр т ж, ж, ( ) 5 5 где 11 ЬШЬТ) , 12 Ь(Ж 2 Т)Ж 2 , ЦЖЬТ), ЦЖЪТ) - яркости теплового излучения телана длинах волн М, М при температуре Т С 1 1,191-1 О 16 Вт-м 2-ср 1, С 2 1,43-1 О 2 м-К первая и вторая постоянные излучения.Значение температуры тела Т находится путем численного решения уравнения (2). При использовании трех спектральных участков в частных случаях возможно получение аналитического выражения для определения Т 1.Основной недостаток этого способа - необходимость измерения интенсивности излучения тела в узких спектральных участках, что требует использования узкополосных оптических фильтров и ведет к значительному уменьшению отношения сигнал/шум и снижению точности измерения Т.Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения температуры Т тел по величине отношения измеренных яркостей его теплового излучения в двух достаточно широких спектральных участках - способ спектрального отношения 4. Однако этот способ позволяет точно определять температуру только серых тел, у которых излучательная способность не зависит от длины волны 80) сопзг в диапазоне, где лежат используемые участки спектра. Излучательная же способность металлов в спектральном диапазоне 1-5 мкм, наиболее востребованном на практике, не равна сопзг, а падает с увеличением Ж и приблизительно описывается экспоненциальнойгод) Вопхж/жыь) (4) зависимостями, где 80(Т), а(Т), БО(Т), Ь(Т) - некоторые функции температуры 1-3. Для данного способа это служит источником методической погрешности, которая часто превышает 10 .Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство 4 для измерения термодинамической температуры тел, включающее приемный объектив, два соосно расположенных фотоприемника, диафрагму, расположенную перед фотоприемниками, и микропроцессор, осуществляющий обработку сигналов фотоприемников и вь 1 числение температуры тела.Недостатком данного устройства является необходимость знания эффективных излучательных способностей тел в используемых спектральных участках, поскольку устройство градуируется с использованием модели абсолютно черного тела и без ввода в микропроцессор отношения эффективных излучательных способностей может правильно определять термодинамическую температуру только серых тел. Поскольку при нагреве металла разные участки его поверхности окисляются атмосферным кислородом с разной скоростью, зависящей от состояния поверхности в этих участках и уровня ее загрязнения,происходят неконтролируемые изменения излучательной способности, особенно существенные для черных металлов. Это приводит к значительным методическим погрешностям определения термодинамической температуры металлов с излучательной способностью,зависящей от длины волны и температуры.Задачей изобретения является повышение точности пирометрического способа определения термодинамической температуры металлов, излучательная способность которых изменяется с длиной волны излучения, временем и температурой, путем уменьшения ме 3тодической погрешности за счет учета отклонения излучательной способности поверхности металлов от константы, что позволит определять термодинамическую (истинную) температуру металлов при изменении их спектрального коэффициента излучения в процессе нагрева.Сущность изобретения заключается в том, что в пирометрическом способе определения термодинамической температуры металла, основанном на измерении яркостей теплового излучения фотоприемниками в двух спектральных участках и последующем определении температуры по величине отношения сигналов фотоприемников и зависимости этого отношения от температуры, определяемой при градуировке, при градуировке дополнительно определяют спектральные чувствительности фотоприемников, рассчить 1 вают температурные зависимости отношения сигналов, которые регистрируются фотоприемниками при выбранной аппроксимации функциональной зависимости излучательной способности металла от длины волны, при определении температуры дополнительно используют поочередную подсветку контролируемой точки поверхности металла тремя лазерами с известными мощностями и длинами волн излучения и определяют возникающие при поочередной подсветке приращения сигналов фотоприемников, каждое из которых нормируют на мощность соответствующего лазера, по нормированным приращениям сигналов фотоприемников вычисляют отношения монохроматических коэффи циентов отражения р 1 д, р 23 Ю 4 лцдшд 0 ыН 2 щыолгде 11 и 112 - сигналы фотоприемников, вызываемые тепловым излучением металла Пщ , 111 , 112 , 112 - сигналы фотоприемников при подсветке соответствующим51(7 ь 1), 51 Оь 2), 52 Оь 2), 52 Оь 3) - чувствительности фотоприемников на длинах волн излучения лазеровполученные отношения коэффициентов отражения используют для определения параметра выбранной функциональной зависимости излучательной способности металла,определяющего величину ее отклонения от константы, а температуру металла определяют по величине отношения сигналов фотоприемников, вызываемых тепловым излучением металла, и рассчитанной при градуировке температурной зависимости отношения этих сигналов, соответствующей полученному значению параметра.Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего приемный объектив, собирающий тепловое излучение контролируемой точки металла на чувствительные площадки двух соосно расположенных фотоприемников, диафрагму, размещенную перед фотоприемниками и ограничивающую размеры светового пятна, попадающего на чувствительные площадки фотоприемников, и блок управления, обработки и индикации на основе микропроцессора, отличающегося тем, что содержит блок управляемых микропроцессором попеременно излучающих полупроводниковых лазеров, три из которых инфракрасные и предназначены для измерения отношений монохроматических коэффициентов отражения металла, а четвертый - видимого диапазона и предназначен для визуального наведения оси поля зрения на контролируемую точку металла, а также коллиматор лазерного излучения, установленный перед приемным объективом соосно с ним и связанный с блоком лазеров через оптоволокна и соединитель.Поставленная задача решается путем определения спектральных чувствительностей 51(7 ь), 5200 используемых фотоприемников при градуировке пирометра и численного расчета семейства температурных зависимостей отношений сигналов фотоприемников, вь 1 зываемых тепловым излучением металла в используемых спектральных участках, для разных значений а (или Ь)12 12 где 11, 12 - сигналы фотоприемников, генерируемые в результате освещения их тепловым излучением металла и пропорциональные интегральной яркости теплового излучения с учетом чувствительности фотоприемников в используемых спектральных участках. При определении температуры металла Т для вычисления величины параметра а (или Ь), характеризующего степень отклонения спектральной излучательной способности металла 80) от константы, дополнительно используют три лазерных источника Л 1, Л 2, Л 3, излучающих на длинах волн М, М, М, и измеряют яркости отраженного от поверхности металла излучения этих источников при их поочередном включении. По измеренным яркостям в отсутствие лазерной подсветки и при поочередном включении Л 1, Л 2, Л 3 находят величины рщ, р 23 отношения монохроматических коэффициентов отражения ме талла, КОТОрЫС связаны С ИЗЛУЧЗТВЛЬНОЙ СПОСОбНОСТЬЮ МТЗЛЛЗ 8 СООТНОШСНИЯМИПри численном решении (6) с учетом используемого вида аппроксимации коэффициента излучения металла (3) или (4) находят искомый коэффициент а (или Ь), определяющий скорость изменения излучательной способности 8 металла с длиной волны. Далее,используя заранее рассчитанные зависимости (5), определяют температуру тела Т.уменьшение методической погрешности определения температуры металлов способом спектрального отношения в инфракрасной области спектра, достигаемое путем определения величины неизвестного параметра а (или Ь) используемой аппроксимации их спектральной излучательной способности, которая далее используется при вычислении температурыупрощение конструкции пирометра за счет применения соосных оптических схем формирования лазерной подсветки и приема излучения от тела, что исключает применение подвижных механических узлов.Сущность изобретения поясняется фигурой, где приведена функциональная схема устройства, осуществляющего предложенный способ. Устройство имеет приемный объектив О,который собирает тепловое излучение контролируемой точки поверхности металла М через отверстие ограничивающей диафрагмы Д на два расположенных соосно друг за другом фотоприемника сэндвичного типа ФП 1, ФП 2 (например, 11651 фирмы .1115 оп Тес 1 шо 1 ойез,К-3413-О 8 фирмы НАМАМАТ 51, 5/16 А 22-О 25/О 1 О, 1/5/1 А-О 25/О 2 О фирмы Е 1 есгго Орг 1 са 1 Зузгешз). Причем чувствительная площадка коротковолнового фотоприемника ФП 1, которая слабо поглощает длинноволновое излучение, расположена ближе к объективу. Сигналы с вь 1 ходов фотоприемников 11, 12, пропорциональные интегральным яркостям излучения металла в используемых спектральных участках, поступают в блок управления, обработки и индикации БУОИ, который производит усиление и обработку сигналов фотоприемников, вь 1 числение и индикацию температуры металла и управляет работой фотоприемников и лазерных источников Л 1, Л 2, Л 3, Л 4. В качестве лазерных источников используются квантоворазмерные полупроводниковые лазерные диоды на основе соединений СаЗЬ 5-7,излучающие в диапазоне 2-3 мкм, а в средневолновой инфракрасной области также лазеры на подложке ПАЗ 8. Излучение лазеров с помощью оптических волокон ОВ через соединитель С подводится к малогабаритному коллиматору лазерного излучения К, размещенному перед приемным объективом, оптическая ось которого юстировкой совмещена с оптической осью приемного объектива О. Блок управления обеспечивает поочередное включение лазеров Л 1,Л 2 и Л 3. Для удобства наведения пирометра используется подсветка контролируемой точки объекта дополнительным полупроводниковым лазером Л 4, излучающим в видимой области спектра. Для исключения его влияния на результат измерения температуры он при проведении ее измерений выключается блоком управления.