Способ пирометрического определения температурного поля поверхности нагретого тела и устройство для его осуществления

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕТОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Фираго Владимир Александрович Сеньков Андрей Григорьевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Способ пирометрического определения температурного поля поверхности нагретого тела, в котором с помощью матрицы кремниевых -фотоприемников измеряют интенсивность теплового излучения контролируемой поверхности в инфракрасном участке спектра и прилегающем к нему участке красного цвета, сглаживают зарегистрированные поля интенИК ИК сивностей,инизкочастотным пространственным фильтром, затем нормируют на соответствующее отношеполе отношений сглаженных интенсивностейние эффективных коэффициентов излучения поверхности контролируемого тела в используемых спектральных участках- ВИК и ИК и определяют искомое температурное поле путем сопоставления точек поля номированных отношений с темпераИК турной зависимостью отношения интенсивностейИК, построенной заранее в процессе градуировки по модели абсолютно черного тела. 2. Устройство для пирометрического определения температурного поля поверхности нагретого тела, содержащее приемный объектив для направления теплового излучения контролируемой поверхности на чувствительные площадки матрицы кремниевых фотоприемников, а также отсекающий видимое излучение оптический фильтр и цифровой блок управления, обработки и индикации, отличающееся тем, что указанные фотоприемники выполнены в виде -фотоприемников, а оптический фильтр выполнен с границей непропускания, совпадающей с серединой участка спектральной чувствительности элементов красного цвета. 13990 1 2011.02.28 Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах непрерывного бесконтактного контроля и регулирования температуры горячих тел с нестационарной излучательной способностью. Известен способ получения теплового изображения поверхности тел, основанный на регистрации с помощью тепловизора интегральной интенсивности их собственного теплового излучения в используемом участке спектра 12 оптического диапазона 1, 2. При известном эффективном коэффициенте излучения поверхности тела в этом участке спектра , нормируя получаемые значения интенсивности каждой точки тепловой картины на его величину, определяют температурное поле путем сопоставления этих нормированных значений с зарегистрированной при проведении градуировки тепловизора зависимостью интенсивности излучения модели абсолютно черного тела от температуры. Недостатком этого способа построения температурного поля являются погрешности,вызываемые отклонением действительных значенийот используемых, которые возникают вследствие неточности определения эффективного коэффициента излучения и существующей зависимости его от состояния поверхности и температуры металла. Для уменьшения влияния неконтролируемого поведения спектральной излучательной способности (, ) на погрешности определения температуры металлических тел с гладкой монотонной функциональной зависимостью (, ), содержащей два неизвестных параметра, используют двух- и треххроматические способы определения термодинамической температуры 3, основанные на измерении интенсивности теплового излучения металла на двух 1, 2 или трех длинах волн 1, 2, 3 и вычислении температуры по их отношению, что для нескольких видов функциональной зависимостипозволяет уменьшить или исключить влияние неизвестных параметров аппроксимациина результаты определения термодинамической температуры. Недостатками этих способов при получении распределения температуры по наблюдаемой поверхности являются необходимость использования узких спектральных интервалов, что снижает отношение сигнал/шум при невысоких температурах, а также необходимость осуществления сканирования по двум координатам для получения изображения регистрируемого температурного поля. Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения температурного поля поверхности горячих тел по величине видеосигнала , формируемого матрицей кремниевых фотоприемников 4,(1)( / )1 где- температура модели абсолютно черного тела, используемой при калибровке пирометра, ,и- константы, определяемые при калибровке. При формировании изображения температурного поля нормируют получаемые значения видеосигнала на эффективный коэффициент излучения контролируемой поверхностии, используя отношения (1), определяют яркость пикселя данной точки изображения, которая пропорциональна температуре. Используемый для регистрации интенсивности теплового излучения спектральный диапазон в ближней инфракрасной области формируют с помощью оптического фильтра, который не пропускает видимое излучение. Недостатком этого способа определения распределения температуры является необходимость точного знания эффективного коэффициента излучения , который в процессе окисления горячих металлов атмосферным кислородом может увеличиваться в три и более раз. Это служит источником методической погрешности, относительная величина которой в производственных условиях может превышать 10 . Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство 4 для определения температурного поля наблюдаемой поверхности горячих тел, содержащее приемный объектив, собирающий тепловое излучение контролируемой поверхности тела 13990 1 2011.02.28 на чувствительные площадки матрицы кремниевых фотоприемников, оптический фильтр,отсекающий видимое излучение, и цифровой блок управления, обработки и индикации. Недостаток данного устройства - необходимость учета расстояния до контролируемой поверхности и величины ее эффективной излучательной способности в используемом спектральном участке, поскольку устройство градуируется с использованием модели абсолютно черного тела и без ввода в память цифрового блока эффективной излучательной способности может правильно определять термодинамическую температуру только абсолютно черных тел. Поскольку при нагреве тел и их дальнейшей обработке часто происходят неконтролируемые изменения излучательной способности, возникают существенные методические погрешности определения температурного поля. Задачей изобретения является повышение точности определения температурного поля поверхности нагретых тел с нестационарной излучательной способностью. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе контроля используют способ пирометрического определения температурного поля поверхности нагретого тела, в котором с помощью матрицы кремниевых -фотоприемников измеряют интенсивность теплового излучения контролируемой поверхности в инфракрасном участке спектра и прилегающем к нему участке красного цвета, сглаживают зарегистрированные поля инИК тенсивностей,,ИК низкочастотным пространственным фильтром, затем норми руют поле отношений сглаженных интенсивностейна соответствующее отношение эффективных коэффициентов излучения поверхности контролируемого телаэф ИКэфИК в используемых спектральных участках- ИК и ИК и определяют иско мое температурное поле путем сопоставления точек поля нормированных отношений с ИК температурной зависимостью отношения интенсивностейИК, построенной заранее в процессе градуировки по модели абсолютно черного тела. Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего приемный объектив для направления теплового излучения контролируемой поверхности на чувствительные площадки матрицы кремниевых фотоприемников, а также отсекающий видимое излучение оптический фильтр и цифровой блок управления, обработки и индикации, в котором указанные фотоприемники выполнены в виде -фотоприемников, а оптический фильтр выполнен с границей непропускания, совпадающей с серединой участка спектральной чувствительности элементов красного цвета. Поставленная задача решается путем использования одновременных измерений интенсивности теплового излучения контролируемой поверхности в трех участках спектра,ИК ИК т.е. формирования полей получаемых интенсивностей,,, сглаживания каждого поля низкочастотным пространственным цифровым фильтром, поэлементного вычисИК ИК ления поля отношения сглаженных интенсивностей, нормировки получаемых значений этого поля на отношение эффективных коэффициентов излучения эф эф поверхности контролируемого телаИКИК в используемых спектральных участках- ИК и ИК и сопоставления вычисленных значений точек нормированного поля отноИК ИК эф эф шения интенсивностей сглаженных полейс темпера турной зависимостью отношения интенсивностей излучения модели абсолютно черного ИК телаИКАЧТ , которую определяют при градуировке. Полезные свойства, появляющиеся у заявляемого технического решения уменьшение методической погрешности определения температурного поля контролируемой поверхности горячих тел, достигаемое путем уменьшения влияния на определяе 3 13990 1 2011.02.28 мые значения температуры неконтролируемых изменений спектральной излучательной способности их поверхности ИК ИК эф эф независимость отношенияи получаемых значений температуры от расстояния до контролируемой поверхности. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, осуществляющего предложенный способ на фиг. 2 - спектральная чувствительность монохромной матрицы кремниевых фотоприемников и ее чувствительность при использовании отсекающего видимое излучение оптического фильтра на фиг. 3 спектральные чувствительности элементов -матрицы кремниевых фотоприемников и пропускание фильтра(,) (фиг. 3 а), а также результирующая чувствительность элементов матрицы (фиг. 3 б) на фиг. 4 - спектральные зависимости излучательной способности поверхности стали при разных величинах ее окисления, на фиг. 5 - рассчитанные методические погрешности определения термодинамической температуры поверхности стали при использовании монохромной матрицы с отсекающим видимое излучение фильтром и заявляемого устройства. Устройство имеет приемный объектив 7, собирающий тепловое излучение контролируемой поверхности горячего тела 2 на чувствительные площадки матрицы фотоприемников 3, оптический фильтр 4 и цифровой блок управления, обработки и индикации (ЦБ ОУИ) 5 (фиг. 1). Для уменьшения вклада в регистрируемую интенсивность теплового излучения тела отраженного от его поверхности неравновесного излучения окружающей среды (посторонних источников излучения) используют оптический фильтр 4. Обычно используют фильтр, отсекающий видимое излучение, что позволяет с учетом спектральной чувствительности кремниевых фотоприемников (кривая 6 на фиг. 2) сформировать требуемый спектральный участок регистрации теплового излучения(кривая 7 на фиг. 2) 4. В заявляемом устройстве при регистрации интенсивности теплового излучения используют три перекрывающихся участка спектра, лежащие в инфракрасной области и прилегающему к нему участку красного цвета (фиг. 3 б), которые для-матриц со спектральной чувствительностью элементов, показанной на фиг. 3 а, формируют с помощью оптического фильтра со спектральным коэффициентом пропускания, приведенным на фиг. 3 а. Граница отсечки оптического фильтра в области, соответствующей красному цвету (фиг. 3 а), определяется нижней границей диапазона измеряемых температур с использованием условия - интенсивность отраженного поверхностью контролируемого горячего тела излучения внешних источников освещения должна быть намного меньше интенсивности собственного теплового излучения. Для стандартных условий освещенности в цехах производственных помещений, например, при освещенности торца нагреваемой в индукционной печи заготовки рассеянным излучением люминесцентных ламп с цветовой температурой 4100 К, составляющей 50 лк, погрешностью,вызываемой отраженным от контролируемой поверхности металла излучением источников освещения, можно пренебречь, если граница отсечки видимого излучения находится около 0,7 мкм, а температура металла превышает 900 С. Устройство функционирует следующим образом. Тепловое излучение контролируемой нагретой поверхности фокусируется объективом в плоскости расположения светочувствительных элементов матрицы фотоприемников. В процессе поглощения фотонов в этих элементах накапливаются электроны. При контроле равномерно нагретого тела число накапливаемых в ячейках матрицы электронов флуктуирует возле средних значений, отклонение от которых вызывается суммарным влиянием радиационного, темнового и геометрического шумов, а также шумом выходного каскада чтения зарядов. После окончания процесса формирования видеокадра образуется фиксированный во времени зарядовый рельеф. При считывании зарядов светочувствительных ячеек многоэлементных фотоприемников мозаичного типа (в них для разделения цветов используется матрица светофильтров Байера) в памяти ЦБ УОИ формируется трехслойная матрица пирометри 13990 1 2011.02.28 ческих сигналов с размерами (в/2)(г/2), где г, в - число фоточувствительных ячеек по горизонтали и вертикали. Поскольку при использовании -матриц с мозаикой светофильтров Байера элементов с фильтрами зеленого цвета в два раза больше, сигналы от этих соседних элементов попарно суммируются и делятся на два. Для учета вклада в видеосигнал темнового тока в каждой матрице фотоприемников имеется область (несколько строк и столбцов по краям матрицы), закрытая от попадания внешнего излучения. Величина заряда, генерируемого в светочувствительных ячейках этой области, обусловлена только тепловой генерацией носителей заряда, т.е. темновым током светочувствительных ячеек. После считывания зарядов, накопленных в светочувствительных ячейках, и формирования полей пирометрических сигналов, пропорциональных интенсивностям теплового излучения тела, из них вычитают усредненное значение темнового сигнала. Для повышения отношения сигнал/шум каждое их трех полей полученного кадра сглаживают цифровым низкочастотным пространственным фильтром. Затем поэлементно вычисляют поле отношения сглаженных интенсивностей, после чего производят деление полученных значений поля на вводимую ЦБ УОИ величину отношения эффективных излучательных способностей для контролируемого тела. Температуру точки тела, соответствующей вы бранному элементу изображения, определяют путем сопоставления вычисленного значеИК ИК эф эф ния элемента поляс температурной зависимостью(2)ИКАЧТ , которую определяют при градуировке по модели абсолютно черного тела (АЧТ). Поскольку в процессе нагрева происходит постепенное окисление поверхности металлов атмосферным кислородом, излучательная способность их поверхности увеличивается(фиг. 4) 5, 6. Если при определении температуры поверхности использовать отношения эффективных излучательных способностейэф ИКэфИК для чистой неокисленной по верхности металла, возникает методическая составляющая погрешности определения температуры, величина которой может быть оценена по формуле эф эф эф где- отношение эффективных излучательных способностей для окисИКИК ленной поверхности металла, аопределяется дифференцированием (2) по . В качестве примера на фиг. 4 показаны спектральные излучательные способности чистой (линия черного цвета 8) и окисленной (линии серого цвета 9 - слабое окисление, 10 среднее окисление, 11 - сильное окисление) поверхности стали 6, а на фиг. 5 - соответствующие рассчитанные методические погрешности определения температуры, обусловленные отсутствием учета изменения излучательной способности поверхности стали при ее окислении, для монохромного устройства 4 (линии серого цвета 9 а - при слабом, 10 а при среднем, 11 а - при сильном окислении) и для заявляемого устройства (линии черного цвета 9 б - при слабом, 10 б - при среднем, 11 б - при сильном окислении). Таким образом, предлагаемые способ пирометрического определения температурного поля поверхности нагретого тела и устройство для его осуществления позволяют за счет использования отношения регистрируемых в двух участках спектра интенсивностей теплового излучения устранить необходимость учета расстояния до контролируемого тела и до 3 раз уменьшить методическую погрешность определения температурного поля, вызы 5 13990 1 2011.02.28 ваемую неконтролируемыми изменениями излучательной способности тел при их нагреве и окислении атмосферным кислородом. Источники информации 1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов Учебное пособие для вузов. - Л. Машиностроение, 1977. 2. Ллойд Дж. Системы тепловидения. - М. Мир, 1987. 3. Снопко В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. Минск, 1999. 4. Патент США 4, 687,344 1, МПК 01 5/02, опубл. 18.08.1987. 5. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели Пер. с польского. - Л. Энергия, 1978. 6. Излучательные свойства твердых материалов Справочник / Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. - М., 1974. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.