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. 132-137.20080335, 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 линейной 12, где 1, 2 - коэффициенты аппроксимации, основанный на измерении интенсивностей его теплового излучения 1, 2 в двух участках спектра 1, 2 и последующем определении температуры путем сопоставления величины отношения этих АЧТ интенсивностей с температурной зависимостью отношения интенсивностей 1 ( ) , АЧТ 2 ( ) , определяемых при градуировке по модели абсолютно черного тела, отличающийся тем, что в процессе градуировки определяют спектральные чувствительности фотоприемников 1 и 2, рассчитывают температурные зависимости эффективных длин волн эф ( ) и эф ( ) в используемых участках спектра 1 2 где 21,438810-2 мК - вторая постоянная излучения- переменная интегрирования при определении температуры тела используют поочередную подсветку контролирул емой точки поверхности пучками лазерного излучения с мощностью 1 л , 2 на двух длил нах волн, лежащих в используемых участках спектра л 1 , 2 2 , определяют 1 возникающие при этом приращения регистрируемых интенсивностей 1 л 1 ,2 л 2 и 1 вычисляют отношение монохроматических коэффициентов отражения 1, 2 поверхности тела л 2 л 2 2 л 2 (л ) ,1, 21 л 1 1 л 1 (1 ) 2 используя полученные приращения и произведения мощности излучения лазеров на л чувствительности фотоприемников 1 л 1 л и 2 2 л , а термодинамическую температу 1 2 ру Т определяют путем численного решения системы уравнений Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах непрерывного бесконтактного контроля и регулирования температуры ряда технологических процессов обработки металлов с нестационарным поведением излучательной способности. Известен пирометрический способ определения термодинамической температуры поверхности тел с неизвестной спектральной излучательной способностью , основанный на измерении на двух длинах волн 1 и 2 интенсивностей собственного теплового излучения тела и отраженного от него излучения внешнего источника подсветки (способ относительной спектрорефлектометрии) 1, С. 115-118. По величине отраженного излучения источника подсветки определяют относительный коэффициент отражения тела отр отр - яркости отраженного излучения источника подсветки на длинах волн 1 и 2, оп ,1 2 14293 1 2011.04.30 опр - яркости излучения источника подсветки на этих длинах волн. Используя прибли 2 жения Вина для светимости абсолютно черного тела(, )12 / / 5 и преобразуя(2)1,1 1112 где 1, 2 - регистрируемые интенсивности теплового излучения тела на длинах волн 1, 2 при температуре 13,741810-16 Втм 2 и 21,43878610-2 мК - первая и вторая постоянные излучения. Значение температуры теланаходится путем численного решения уравнения (2). При использовании трех спектральных участков для некоторых частных случаев поведениявозможно получение аналитического выражения для определения 1, с. 114115. Основной недостаток перечисленных способов - необходимость измерения интенсивности излучения тела в узких спектральных участках, что требует использования узкополосных оптических фильтров и вращающихся оптико-механических узлов. Это усложняет конструкцию пирометра, снижает достижимое отношения сигнал/шум и ведет к росту инструментальных погрешностей измерения . Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения температурытела по величине отношения измеренных яркостей его теплового излучения в двух достаточно широких спектральных участках - способ спектрального отношения 1, с. 132. Однако этот способ позволяет точно определять термодинамическую температуру только серых тел, у которых излучательная способность не зависит от длины волныв спектральной области, где лежат используемые участки спектра. Излучательная же способность, например, металлов в спектральном диапазоне 1-5 мкм, наиболее востребованном на практике, не равна , а падает с увеличением 2, 3, что служит источником методической погрешности данного способа, которая может достигать 10 . Задачей изобретения является повышение точности пирометрического способа определения термодинамической температуры тел, излучательная способность которых изменяется с длиной волны излучения, температурой и временем. Сущность изобретения заключается в том, что в пирометрическом способе определения термодинамической температурытела, спектральная излучательная способность которого близка к линейной 12, где 1 и 2 - коэффициенты аппроксимации,основанном на измерении интенсивностей его теплового излучения 1 2 в двух участках спектра 1, 2 и последующем определении температуры путем сопоставления величины отношения этих интенсивностей с температурной зависимостью отношения интенсивноАЧТ стей 1,АЧТ, определяемых при градуировке по модели абсолютно черного те 2 ла, дополнительно в процессе градуировки определяют спектральные чувствительности фотоприемников 1 и 2, рассчитывают температурные зависимости эффективных длин волн эфи эфв используемых участках спектра 1 2 эф ( )1 эф ( )2 где 21,438810-2 мК - вторая постоянная излучения- переменная интегрирования при измерении температуры тела используют поочередную подсветку контролируел мой точки поверхности пучками лазерного излучения с мощностью 1 л , 2 на двух 14293 1 2011.04.30 длинах волн, лежащих в используемых участках спектра л 1 , л 2 , определяют 1 2 возникающие при этом приращения регистрируемых интенсивностей 1 л 1 ,2 л 2 и 1 вычисляют отношение монохроматических коэффициентов отражения поверхности тела л 1 л 1 1 л 1 (1 ) 1 1, 2 используя полученные приращения и произведения мощности излучения лазеров на чувл ствительности фотоприемников 1 л 1 (л ) и 2 2 (л ) , а термодинамическую температуру 1 2 определяют путем численного решения системы уравнений Поставленная задача решается путем уменьшения методической погрешности определения термодинамической температуры за счет учета отклонения излучательной способности поверхности металлов от константы, что позволяет определять температуру тел при изменении их спектрального коэффициента излучения в процессе нагрева и происходящего окисления их поверхности атмосферным кислородом. Полезное свойство, появляющееся у заявляемого технического решения - уменьшение методической погрешности определения термодинамической температуры. Кроме того,применение заявляемого способа в пирометрии позволяет упростить конструкцию пирометров, поскольку не требуется использование узкополосных оптических фильтров и перемещающихся оптико-механических узлов. Сущность заявляемого способа поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена функциональная схема пирометра, который может использовать предлагаемое техническое решение. Он содержит приемный объектив 1, который собирает тепловое излучение контролируемой точки поверхности тела 2 через отверстие ограничивающей диафрагмы 3 на две расположенные соосно друг за другом светочувствительные площадки фотоприемников 4 и 5. Производство приемников сэндвичного типа налажено рядом фирм, например 16 фирмы, -3413-08 фирмы , /2.2-025/010,/-025/020 фирмы. Чувствительная площадка коротковолнового фотоприемника 4, которая слабо поглощает длинноволновое излучение, располагается ближе к входному окну или объективу. Сигналы с выходов фотоприемников 1, 2,пропорциональные интегральным яркостям излучения металла в используемых спектральных участках, поступают в блок управления, обработки и индикации 6, который производит усиление и обработку сигналов фотоприемников, вычисление и индикацию температуры металла и управляет работой фотоприемников и лазерных источников 7, 8, 9. Лазерными источниками могут являться квантоворазмерные полупроводниковые лазерные диоды на основе соединений , , , излучающие в диапазоне до 3 мкм,а в средневолновой инфракрасной области - квантово-каскадные лазеры, работающие при комнатных температурах. Излучение лазеров с помощью оптических волокон 10 через соединитель 11 подводится к полупрозрачной пластинке 12, отражаясь от которого попадает на контролируемое тело 2. Блок управления обеспечивает поочередное включение лазеров 14293 1 2011.04.30 7 и 8. Для удобства наведения пирометра используется подсветка контролируемой точки объекта дополнительным полупроводниковым лазером 9, излучающим в видимой области спектра. Для исключения его влияния на результаты измерения температуры он при проведении измерений выключается блоком управления. На фиг. 2 показаны относительные спектральные чувствительности 1 и 2 сэндвичного фотоприемника 1713-05 фирмы , который можно использовать для регистрации излучения контролируемого тела и отраженного излучения лазеров в двух участках спектра. Для устранения влияния дневного или искусственного освещения на результат определения температуры можно использовать оптический фильтр, не пропускающий излучение видимой области спектра. Примерное спектральное пропускание такого оптического фильтра также показано на фиг. 2. На фиг. 3 показано семейство спектральных излучательных способностей чистого железа в инертной среде при разных температурах 3. На фиг. 4 приведены рассчитанные численно с использованием параметров сэндвичного фотоприемника 1713-05 и пирометра на фиг. 1 методические погрешности определения температуры предлагаемым методом и методом спектрального отношения. Для пояснения последовательности действий, которые необходимо выполнять при реализации заявляемого способа рассмотрим вначале более простой случай использования узких участков спектра. При использовании для регистрации теплового излучения узких спектральных участуз ков с длинами волн л , л температура спектрального отношения со , определяемая по 1 2 величине регистрируемых на этих длинах волн отношения интенсивностей излучения,связана с термодинамической температурой тела выражением 1, С. 79 л 1 1 1 л л 1 21 , уз уз уз а яркостные температуры я 1 , я 2 , определяемые по абсолютной величине интенсивно стей излучения тела на длинах волн л , л , - выражениями 1, С. 44 1 2(8) л 1 1 уз 2 л 2 я 2 с 2 Вычитая из первого равенства системы (8) второе, можно по измерениям двух яркостных температур получить информацию об излучательной способности объекта в виде 1,С. 101-102 Для вычисления термодинамической температуры требуется дополнительное уравнение или связь 2(1), которая может быть получена в результате определения отношения монохроматических коэффициентов отражения 1,2 поверхности тела (1). Для этого необходимо измерить сигналы фотоприемников 1, 2, пропорциональные интенсивностям теплового излучения контролируемой точки тела в соответствующих участках спектра. Затем поочередно измерить суммарные сигналы 11 ,2 2 , возникающие при последовательной поочередной подсветке контролируемой точки поверхности металла лазерными источниками на длинах волн л , л . Отношение 1,2 необходимо вычислять по нормиро 1 2 5 14293 1 2011.04.30 ванным приращениям зарегистрированных сигналов 1 л 1 ,2 л 2 , используя выра 2- чувствительности фотоприемников на длинах волн л , л . 1 2 Таким образом, измерив температуру спектрального отношения, яркостные температуры металла на длинах волн л , л и отношение монохроматических коэффициентов 1 2 отражения 1,2 поверхности тела, и составляя с учетом (7) и (9) систему из трех уравнений,л можно найти численными методами ее решение и определить термодинамическую температуру тела. Для исключения необходимости применения перемещающихся оптико-механических узлов необходимо использовать фотоприемники сэндвичного или мозаичного типов,которые обычно имеют два или три широкие спектральные участки регистрации излучения. При использовании двухспектральных фотоприемников абсолютные величины сигналов, генерируемые за счет теплового излучения контролируемого тела, определяются интегральными выражениями где- коэффициент, определяемый параметрами пирометра и схемы измерений 1 и 2 - абсолютные спектральные чувствительности регистрирующих трактов. Если используемый спектральный диапазон не очень широкий для многих материалов спектральную зависимость излучательной способности можно приближенно описывать линейной зависимостью 12, что позволяет записать (11) в виде где 1 ( )АЧТ (,)1 ( ),2 ( )АЧТ (,)2- зависимости абсолютных величин сигналов на выходах фотоприемников от температуры модели абсолютно черного тела, а- эффективные длины волн соответствующих спектральных участков регистрации теплового излучения, которые определяются в процессе градуировки (3). Пирометрические сигналы (12) могут быть выражены через яркость излучения тела на длинах волн л , л с помощью корректирующих множителей 1, 2 1, С. 33-34 1 2 Величина корректирующих множителей зависит от температуры контролируемого металла и крутизны изменения излучательной способности с длиной волны 1, С. 33-34 С учетом (14) в случае использования фотоприемников с широкими спектральными участками регистрации излучения система уравнений (10) для определения температуры может быть записана в виде где яркостные температуры Тя 1, Тя 2 определяются по величинам 1 2 измеренных интенсивностей теплового излучения тела, а температура спектрального отношения - по величине отношения 1/2. Тогда с учетом (15) система (16) может быть записана в виде (6). Решение этой системы осуществляют в численном виде с помощью метода итераций. Из второго уравнения системы (6) 1 выражают через 2 112 14293 1 2011.04.30 Это позволяет преобразовать систему (6) в систему из двух уравнений В качестве нулевого приближения по температуре выбирается температура спектрального отношения 0 ТСО. Затем в результате численного решения второго уравнения системы (18) л 1 относительно 2 уточняется значение коэффициента 2. После этого путем численного решения первого уравнения системы (18) относительно температуры с учетом уточненного значения 2 находится значение температуры Т 1 в первом приближении и т.д. Как показало численное моделирование, для определения искомой температуры контролируемого тела достаточно 1-2 итераций. Эффективность предлагаемого метода покажем на примере определения температуры чистого железа, нагреваемого в среде инертного газа в диапазоне от 850 до 1250 С. На фиг. 3 показаны изменения спектральной излучательной способности чистого железа при возрастании температуры 3. На фиг. 4 приведены рассчитанные численно методические погрешности определения температуры предлагаемым методом и методом спектрального отношения. При моделировании предполагалось, что для регистрации излучения контролируемого тела используется фотоприемник сэндвичного типа 1713-05 и оптический фильтр, отсекающий видимое излучение. Рабочие длины волн излучения лазеров л , л предполагались равными соответственно 0,9 и 1,4 мкм. Видно, что методи 1 2 ческая погрешность предлагаемого метода в диапазоне измеряемых температур 9001200 С более чем в 30 раз меньше методической погрешности метода спектрального отношения. Таким образом, применение заявляемого способа позволяет уменьшить методическую погрешность определения температуры тел с зависимостью излучательной способности в используемом диапазоне спектра, близкой к линейной, даже при ее нестационарном поведении в процессе нагрева. Методическая погрешность определения термодинамической температуры снижается и, например, для железа в инертной средене превышает 0,3 в наиболее востребованном на машиностроительных предприятиях диапазоне температур 900-1200 С, тогда как методическая погрешность способа спектрального отношения СО может достигать 6 . 8 14293 1 2011.04.30 Источники информации 1. Снопко В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. Минск, 1999. 2. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели Пер. с польского. - Л. Энергия, 1978. 3. Излучательные свойства твердых материалов Справочник / Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. -М., 1974. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9