СПОСОБ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD OF PYROMETRIC MEASUREMENTS

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим бесконтактным способам измерения излучательной способности и истинных температур различных объектов.
В методах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от свойств поверхности излучающего тела, пропускания промежуточной среды. Априорная информация об этих параметрах при измерении истинной температуры обычно используется в виде коэффициентов излучательной способности и пропускания промежуточной среды, табулированных в справочной литературе. Неполнота данных по этим коэффициентам, несоответствие их значений в реальных условиях табулированным, изменение свойств излучающей поверхности и промежуточной среды в процессе измерения приводят к возникновению методических погрешностей, превышающих инструментальные в десятки раз. С другой стороны, без определенной априорной информации об излучательных характеристиках объекта контроля сама задача об измерении его температуры методами оптической пирометрии оказывается беспочвенной.
Из предыдущего уровня техники известны различные варианты способов измерения излучательной способности и истинной температуры, основанные на многоволновом принципе.
Смотри, например, патент Д.Я.Света RU 2162210 C1, 7 G01J 5/50, недостаток описанного в нем способа заключается в невозможности его применения для полупрозрачных тел и необходимости в дополнительном двухволновом источнике излучения.
Известны также многоволновые способы спектрального отношения измерения истинных температур, например, описанных Hornbeck G.A. Temperature: Its. Measurement and Control in Science and Industry, N.Y.Reinolds, 1962; Bourianes R. Morea M, Revoew Phys. Appl. 1977 v.42, p.893, патент США 5, 773, 23, Int.cl. G01J 5/00, G0J 5/08 и др.
Все варианты способа спектрального отношения включают исключение «влияния» излучательной способности на результат измерения температуры при корректности, принятой аппроксимации зависимости спектральной излучательной способности от длины волны.
Недостатком указанных способов отношения является весьма большая погрешность, за счет увеличения значения эквивалентной длины волны при использовании метода двойного спектрального отношения.
За прототип нами взят способ, указанный в патенте №2255312. В этом способе величина полезного сигнала существенно увеличивается.
Способ, указанный в патенте, основан целиком на яркостном методе пирометрии.
При использовании в пирометре в качестве диспергирующего элемента спектрометра с дифракционной решеткой и приемника излучения в виде линейки из фотодиодов или из ПЗС (пикселей с зарядовой связью), яркостный метод является оптимальным.
Однако более простым в калибровке является сканирующий тип спектрометра с одним приемником излучения. Для ряда спектральных интервалов достаточно эффективным оказывается применение спектрометра на базе перестраиваемого акустооптического фильтра, в котором имеется только один приемник излучения.
Для повышения скорости обработки результатов измерения сканирующего спектрометра, особенно при импульсном лазерном нагреве эффективно использование «автоматического» исключения неселективной «серой» составляющей, имеющей место в пирометрии спектрального отношения. Эта составляющая может явиться как следствием неполноты заполнения объектива пирометра, так и свойствами самой поверхности излучения.
Предлагаемый способ совмещает преимущества обоих методов пирометрии - одинарного спектрального отношения и яркостного.
Поставленная задача решена тем, что предлагаемый способ, включающий измерение истинной температуры по величине, по меньшей степени трех спектральных составляющих, на эквидистантно расположенных длинах волн, близость значений которых обеспечивает линейную зависимость логарифма произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды от длины волны, отличается тем, что по измеренным первой и третьей спектральным составляющим вычисляют обратное значение температуры спектрального отношения, корректирующую поправку к которой на величину названного произведения для получения обратного значения искомой истинной температуры определяют по величине всех трех составляющих спектра.
Если требуемая величина методической погрешности при этом не достигается по причине недостаточной величины соотношения сигнал/шум, следует увеличивать количество используемых длин волн.
Для практической реализации способа в качестве диспергирующего устройства предлагается применять перестраиваемый акустооптический фильтр. Наличие одного приемника излучения и отсутствие механических элементов в нем значительно упрощает проблемы, связанные не только со стабильностью каналов, метрологической аттестацией, но главное со скоростью обработки результатов.
1
3
Таким образом, на двух длинах волн λ,λ обратное значение температуры спектрального отношения:
-1
1
3
2
1
3
Т(λ,λ)=Λ⁄Сln[U(λ)/U(λ)]
1
1
2
1
на двух пирометрических сигналах lnU(λ)=lnε-C/λT и
3
3
2
3
lnU(λ)=lnε-C/λT
можно записать в виде:
1
3
1
3
2
и
ln[U(λ)/U(λ)]=lnε(λ)/ε(λ)-C(Λ/T),
1
3
1
3
где ε, ε - произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды на длинах волн λи λ;
1
3
3
1
Λ=λ,λ/(λ-λ) - эквивалентная длина волны;
2
0
С=hс/К - вторая пирометрическая константа;
h - постоянная Планка;
0
с - скорость света;
K - постоянная Больцмана.
1
2
2
3
Δ
2
1
3
При выполнении названных выше условий: эквидистантности λ-λ=λ-λ=λ и линейности логарифма зависимости произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды от длины волны: lnε=(lnε+lnε)/2.
1
2
Корректирующую поправку lnε/ε обратного значения температуры спектрального отношения для определения обратного значения искомой истинной температуры можем вычислить по величине трех пирометрических сигналов в виде:
1
3
1
1
2
2
3
3
Δ
lnε/ε=[λlnU(λ)-2λlnU(λ)+λlnU(λ)]/λ, или
1
3
1
1
1
3
2
3
3
Δ
lnε/ε=[λlnε(λ)-(λ+λ)lnε(λ)+λlnε(λ)]/λ,
Пример применения предлагаемого способа
и
В качестве примера рассмотрим измерение истинной температуры железа при температуре Т=1400°С.
Данные по излучению железа взяты из известной работы Шварева К.М., Гущина В.С и др. (Теплофизика Высоких Температур, 1979 г., т.17, №1, с.66-71).
1
2
3
При λ=0,6; λ=0,65 и λ=0,7
1
3
1
1
2
2
3
3
Δ
lnε/ε=[λlnU(λ)-2λlnU(λ)+λlnU(λ)]/λ=(0,629892-1,383605+0,755167)/0,05=-0,0289
1
3
Табличное значение отношения спектральных излучательных способностей для железа на принятых значениях длин волн ε=0,35 и ε=0,34 составляет:
1
3
табл
(lnε/ε)=-1,04982+1,07881=-0,02922
Таким образом, погрешность в значении корректирующей поправки при применении предлагаемого способа будет:
Δ
1
3
1
3
табл
(lnε/ε)/(lnε/ε)=-0,0289/-0,02922=0,0101%
Что при значении температуры 1400°С составляет:
Δ
1
3
1
3
2
ΔТ/Т=(lnε/ε)ΛТ/(lnε/εС)=0,0101(4,2.1400)/14388<0,5%
При практической реализации предлагаемого способа в качестве спектрометра, наряду с обычной призмой и дифракционной решеткой, эффективно применение акустооптического фильтра.
Работа акустооптического фильтра основана на Брэгговской дифракции света на ультразвуке. В этом фильтре на периодической структуре, создаваемой в кристалле ультразвуковой волной, эффективно дифрагирует свет лишь определенной длины волны. За счет такой селективности из спектра падающего оптического излучения выделяется узкий спектральный интервал.
При изменении частоты ультразвука в широких пределах изменяется длина волны дифрагированного света.
Принципиальная схема реализации предлагаемого способа изображена на фиг.1
Здесь:
1 - входная оптика;
2 - поляризатор;
2
3 - акустооптический блок (кристалл парателлурита ТеO);
4 - источник ультразвукового сигнала;
5 - ВЧ-генератор (радиочастоты);
6 - анализатор;
7 - фотоприемник (фотодиод);
8 - усилитель фототока;
9 - аналого-цифровой преобразователь;
10 - компьютер.
e
2
Тепловое излучение через входное устройство 1 (объектив, световод) проходит через поляризатор 2 и попадает на вход акустооптического блока 3, представляющего из себя двулучепреломляющий кристалл (например, парателлурита ТО). На источник ультразвука 4 подается высокочастотный сигнал от генератора 5. С выхода акустооптического блока излучение с требуемой длиной волны, пройдя через анализатор 6, попадает на фотоприемник (фотодиод) 7; фототок усиливается в усилителе 8, преобразовывается в аналого-цифровом преобразователе 9 и подается на компьютер 10.