Пирометрический способ определения термодинамической температуры тела

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Фираго Владимир Александрович Сеньков Андрей Григорьевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(56) СНОПКО В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. - Минск, 1999. - С. 159-160.20080335, 2008.6736 1, 2004.2290614 1, 2006.1413443 1, 1988.483394 1, 1992.(57) Пирометрический способ определения термодинамической температурытела, спектральная излучательная способность которого в используемой области спектра близка к экспоненциальной (12) или линейной 12, где 1, 2, 1, 2 - коэффициенты аппроксимации, а- длина волны, основанный на измерении интенсивности теплового излучения тела 1, 2 и 3 на трех длинах волн 1, 2 и 3 и последующем вычислениипо значениям используемых длин волн и отношений 1/2 и 2/3, отличающийся тем, что измерение интенсивности теплового излучения тела проводят в трех широких участках спектра, при градуировке пирометра измеряют температурные зависиАЧТ мости интенсивности излучения модели абсолютно черного тела 1 ( ) ,АЧТ ( ) ,2 АЧТ 3 ( ) , используя которые рассчитывают температурные зависимости эффективных длин волн эф ( ) , эф ( ) , эф ( ) в используемых участках спектра 1 2 3 эф ( )1 эф ( )2 эф ( )3 где с 21,43878610-2 мК - вторая постоянная излучения- переменная интегрирования,а термодинамическую температуруопределяют по величине измеренных интенсивностей излучения 1, 2 и 3 путем численного решения уравнения 1 АЧТ эф эф 3 АЧТ эф эф 2 2232 эфэфэфэф 0 2 3 1 2 АЧТ 1 АЧТ 2 12 3 на возрастающей ветви зависимости . Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах непрерывного бесконтактного контроля и регулирования температуры при обработке горячих металлов. Известен пирометрический способ определения температуры тела (метод частичного излучения), основанный на измерении с помощью фотоприемного устройства интегральной интенсивности собственного теплового излучения тела в используемом участке спектра, нормировке полученного значения интенсивности на величину эффективной излучательной способности эф поверхности тела в этом участке спектра и последующем определении температуры путем сравнения полученного нормированного значения интенсивности излучения с зарегистрированной при проведении градуировки пирометра зависимостью интенсивности излучения эталонного излучателя (модели абсолютно черного тела (АЧТ от температуры 1, 2. Недостатками этого способа определения температуры являются необходимость знания значения эффективной излучательной способности поверхности тела эф в используемом участке спектра, а также погрешность определения температуры, вызываемая отклонением действительных значений эф от применяемых, которые возникают вследствие неточности определения эффективной излучательной способности и существующей зависимости ее от состояния поверхности и температуры тела. Способ спектрального отношения, основанный на измерении с помощью двух фотоприемников интегральной интенсивности собственного теплового излучения тел 1 и 2 в двух спектральных участках и последующем определении температуры путем сравнения величины отношения измеренных интенсивностей излучения 1/2 с определяемой при АЧТ градуировке пирометра температурной зависимостью отношения 1/АЧТинтен 2 сивностей излучения эталонного излучателя в соответствующих спектральных участках 1, 2, позволяет определять термодинамическую температуру только серых тел, излучательная способность которых не зависит от длины волны. Поскольку излучательная способность многих веществ изменяется с длиной волны и температурой, методическая погрешность определения температуры этим способом может достигать 5 и более. Наиболее близким к заявляемому изобретению является трехспектральный монохроматический способ определения температуры тел, имеющих экспоненциальную(12) или линейную 12 спектральную зависимость излучательной способности в используемой области спектра 2, с. 159-160, где а 1, а 2 и 1, 2 - коэффициенты аппроксимации,- длина волны, основанный на измерении интенсивности их теплового излучения 1, 2 и 3 на трех длинах волн 1, 2 и 3 и последующем вычислении термодинамической температуры по значениям используемых длин волн и отношений измеряемых интенсивностей 1/2 и 2/3 по формуле Недостатком этого способа является необходимость использования узких спектральных интервалов для регистрации теплового излучения, что снижает отношение сигнал/шум при невысоких температурах и усложняет конструкцию пирометра, поскольку требуется использование узкополосных интерференционных оптических фильтров, кото 14292 1 2011.04.30 рые необходимо периодически поочередно помещать перед фотоприемником. Применение такого способа в пирометрах на основе трехспектральных фотоприемников сэндвичного и мозаичного типов, появившихся в последнее время, невозможно, так как их элементы чувствительны в широких участках спектра. Задачей изобретения является повышение точности пирометрического способа определения температуры тел, излучательная способность которых изменяется с длиной волны излучения, временем и температурой. Сущность изобретения заключается в том, что в пирометрическом способе определения термодинамической температурытела, спектральная излучательная способность которого в используемой области спектра близка к экспоненциальной (12) или линейной 12, где 1, 2 и 1, 2 - коэффициенты аппроксимации, а- длина волны, основанном на измерении интенсивности теплового излучения тела 1, 2 и 3 на трех длинах волн 1, 2 и 3 и последующем вычислениипо значениям используемых длин волн и отношений 1/2 и 2/3, измерение интенсивности теплового излучения тела проводят в трех широких участках спектра, при градуировке пирометра измеряют температурные зависимости интенсивности излучения модели абсолютно черного тела АЧТ АЧТ 1,АЧТ, 3, используя которые численно рассчитывают температурные 2 эф эф зависимости эффективных длин волн 1,эф,3 в используемых участках 2 спектра где 21,43878610-2 мК - вторая постоянная излучения- переменная интегрирования,а термодинамическую температуру Т определяют по величине измеренных интенсивностей излучения 1, 2 и 3 путем численного решения уравненияАЧТ эф эф 3 АЧТ эф эф 2( )1 232 эфэфэфэф 0(2) 2 3 1 2 АЧТ 2 АЧТ 12 12 3 на возрастающей ветви зависимости . Поставленная задача решается путем использования измерений интенсивности теплового излучения контролируемого тела в трех широких участках спектра, что позволяет существенно снизить случайную (инструментальную) погрешность определения температуры, а также дает возможность определять температуру при аппроксимации спектральной излучательной способности тела линейной или экспоненциальной функциейс двумя независимыми параметрами 2, с. 170 3. Полезное свойство, появляющееся у заявляемого способа определения термодинамической температуры, - упрощение конструкции пирометра, поскольку исключается необходимость использования узкополосных интерференционных фильтров и перемещающихся оптико-механических блоков, при сохранении автоматического учета влияния ширины и положения используемых спектральных участков на результаты определения термодинамической температуры. Сущность предлагаемого способа поясняют графические зависимости на фиг. 1-3. На фиг. 1 показано семейство спектральных излучательных способностей вольфрама при 14292 1 2011.04.30 разных температурах в диапазоне 1000-2200 С. На фиг. 2 а приведены относительные спектральные чувствительности элементов фотоприемника или форма спектральных участков, использованных при построении графических зависимостей на фиг. 2 б и фиг. 3. На фиг. 2 б представлены температурные зависимости эффективных длин волн для используемых спектральных участков. На фиг. 3 а приведены температурные зависимости, а на фиг. 3 б - относительные методические погрешности определения термодинамической температуры при использовании заявляемого способа (1) и способа спектрального отношения (2, 3). Зависимость спектральной освещенности фотоприемников пирометра тепловым излучением тела с яркостью (,) от расстояниядо объектива и его параметров при использовании приближения Вина описывается выражением-16 2 где с 13,74183210 Втм и 20,01438786 мК - первая и вторая постоянные излучения, ,и 0 - диаметр, фокусное расстояние и спектральное пропускание объектива соответственно. Полагая, что в используемых участках спектра 00, температурные зависимости величины сигналов 1, 2, 3, формируемых тепловым излучением тела на выходах фотоприемников, определяются интегральными выражениями 2, с. 25 3 э(,) 3 (,)АЧТ (,) 3 ,где 0 э 2(1 - /)2/(4 2) - коэффициент, определяемый параметрами пирометра и схемы измерений, э - площадь светочувствительных элементов фотоприемника,- абсолютная спектральная чувствительность соответствующих элементов фотоприемника,МАЧТ(,Т) - спектральная светимость абсолютно черного тела, (,) - спектральная излучательная способность контролируемого тела. В случае линейной зависимости спектральной излучательной способности поверхности контролируемого тела от длины волны- температурные зависимости сигнала, формируемого излучением модели АЧТ на выходах фотоприемников- температурные зависимости эффективных длин. АЧТ АЧТ эф эф Температурные зависимости 1,АЧТ, 3, 1,эф,3 мож 2 2 но определить в процессе градуировки пирометра по модели абсолютно черного тела. Тогда при определении температуры, измерив 1, 2, 3, можно составить систему нелинейных алгебраических уравнений с тремя неизвестными , 1 и 2, которая сводится к уравнению(2) относительно температуры. Это уравнение решается численными методами. Для определения температуры не требуется знание абсолютных величин измеряемых пирометрических сигналов 1, 2, 3, так как в (2) используются только отношения измеренных АЧТ АЧТ сигналов 1 /АЧТ и 3 /АЧТ , т.е. результаты не зависят от величины коэффициента . 2 2 эф эф Эффективные длины волн 1 ,эф ,3 , определяемые формулами (7), могут быть 2 рассчитаны численно при известных спектральных чувствительностях фотоприемников 1, 2, 3. При неизвестных 1, 2, 3 температурные зависимости эффекэф эф тивных длин волн 1,эф,3 определяют при градуировке пирометра по мо 2 дели абсолютно черного тела по формулам (1), которые получают из (7) следующим образом. Используя для описания спектральной плотности энергетической светимости модели абсолютно черного тела известное приближение ВинаАЧТ (, )1 52,(8) и дифференцируя его по температуре , получимАЧТ с 2 АЧТ . 2 Умножая (9) на спектральную чувствительность фотоприемникаи интегрируя по длине волны , получим выражение 14292 1 2011.04.30 которое представляет собой связь между числителем и знаменателем (7). Поскольку при температуре абсолютного нуля спектральная плотность светимости АЧТ равна нулю, интегрируя (10) по температуре в пределах от 0 до , получим При низких температурах пирометрические сигналы АЧТ слабые, поэтому интегрирование в (12) целесообразно вести начиная с нижней границызаданного температурного диапазона пирометра. Тогда выражение (12) представляется в виде суммы АЧТ 1 АЧТ( ) эф( )22( ) ,АЧТ АЧТ( )( ) в которой известно только второе слагаемое. Полагая, что приэффективные длины волнэфблизки к предельным эффективным длинам волнпр 2, с. 29-33, получим что позволяет записать (13) в видеАЧТ ( ) 2 Методическая погрешность определения термодинамической температуры при использовании предлагаемого способа обусловлена отклонением спектральной излучательной способности контролируемого тела (,) от линейной аппроксимации (4). Сравнение методических погрешностей определения температуры проведем на примере вольфрама,излучательная способность которого хорошо изучена 4. На фиг. 1 показано изменение спектральной излучательной способности вольфрама при его нагреве в среде инертного газа от 1000 до 2200 С. Видно, что зависимость излучательной способности вольфрама от длины волныи приблизительно может быть описана линейной функцией . При численной оценке методической погрешности использовались спектральные характеристики трехцветнойматрицы фотоприемников на приборах с зарядовой связью 411 фирмы . Для устранения влияния инфракрасного излучения полагалось, что используется оптический фильтр фирмы , отсекающий инфракрасное излучение. Результирующие спектральные зависимости относительной чувствительности фотоприемного тракта моделируемого пирометра приведены на фиг. 2 а. На фиг. 2 б эф показаны полученные температурные зависимости эффективных длин волн 1,эфэф,3, которые рассчитаны численно по формулам (1). 2 14292 1 2011.04.30 На фиг. 3 а представлены рассчитанные температурные зависимостиили левой части уравнения (2) для нескольких значений температуры вольфрама и получаемых интенсивностей его теплового излучения, определяемых (3). При численном решении (2) вычисляется зависимостьпри возрастанииот нижней границы измеряемого диапазона температур до точки, когдастановится равным нулю, т.е. на участке возрастания . На фиг. 3 б показаны полученные при расчетах относительные методические погрешности определения температуры вольфрама 1 - с помощью предлагаемого способа, 2 способом спектрального отношения по величине отношения 1/2, 3 - способом спектрального отношения по величине отношения 2/3. Видим, что, несмотря на имеющуюся нелинейность спектральной зависимости излучательной способности вольфрама,относительная методическая погрешность измеренияпри использовании заявляемого способа не превышает 0,5 , что в несколько раз меньше, чем методическая погрешность способа спектрального отношения. По сравнению с трехспектральным монохроматическим способом инструментальная погрешность заявляемого способа примерно вшир /узк раз меньше, где шир и узк - эффективные ширины спектральных участков, используемых в заявляемом и трехспектральном монохроматическом способах. Таким образом, заявляемый способ позволяет определять термодинамическую температуру тел, спектральная излучательная способность которых в используемом диапазоне спектра близка к линейной или экспоненциальной зависимости. При этом автоматически учитываются изменения излучательной способности тел, возникающие в процессе их нагрева и окисления их поверхности атмосферным кислородом. Источники информации 1. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М., 1982. 2. Ллойд Дж. Системы тепловидения. - М. Мир, 1987. 3. Снопко В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. Минск, 1999. 4. Нуттер Г.Д. Общие соображения, влияющие на устройство пирометра высокой точности // Основные понятия и современные методы измерения температур. - М. Металлургия, 1967. - С. 183-205. 5. Излучательные свойства твердых материалов Справочник / Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. - М., 1974. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8