СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING BRIGHTNESS TEMPERATURE AND PYROMETRIC CONVERTER FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике в области яркостной пирометрии и предназначено для выполнения дистанционных измерений температуры различных нагретых объектов.
На современном уровне развития науки и техники в данной области измерений известны и применяются следующие технические решения.
Известен дистанционный способ и система коррекции на основе квантовой теории для повышения точности радиационного термометра, основанные на измерении энергии излучения объекта радиационным термометром, построении адаптированной эффективной физической модели системы и калибровке радиационного термометра (патент РФ №2523775, МПК G01J 5/00, G06F 17/17, опубл. 20.07.2014).
Недостаток способа заключается в том, что при его реализации используется операция подгонки значений параметров, отражающих структуру энергетических уровней объекта, что неизбежно влечет за собой существенное снижение метрологической точности. Кроме того, способ предполагает использование заранее откалиброванных стандартных средств измерений температуры - платинового термометра сопротивления, термопарного преобразователя или ртутного термометра, что дополнительно снижает точность получаемых результатов, так как на неопределенность конечного результата измерений накладывается неопределенность исходной калибровки указанных средств измерений.
Известен также дистанционный пирометрический способ определения термодинамической температуры металлов, согласно которому при определении температуры используют поочередную подсветку анализируемого элемента поверхности металла тремя лазерами с известными мощностями и длинами волн излучения, при этом определяют возникающие при поочередной подсветке приращения сигналов фотоприемников, каждое из которых нормируют на мощность соответствующего лазера. По нормированным приращениям сигналов фотоприемников вычисляют отношения монохроматических коэффициентов отражения, учитывают отклонение излучательной способности поверхности металлов от константы и определяют термодинамическую температуру металлов при изменении их спектрального коэффициента излучения в процессе нагрева (патент РФ №2381463, МПК G01J 5/00, опубл. 10.02.2010).
Недостаток указанного способа заключается в относительно невысокой точности получаемых результатов, что обусловлено тем, что для реализации способа требуется измерение спектральной чувствительности трех фотоприемников, из чего следует 3-х кратное увеличение неопределенности измерений в сравнении с одиночным фотоприемником. Кроме того использование способа для измерения температуры слабоотражающих объектов, например, таких как модели абсолютно черного тела, у которых коэффициент отражения лазерного излучения недостаточен для надежной и точной регистрации отраженного сигнала, приводит к дополнительному снижению точности измерений.
Известен способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта, температуру которого определяют по величине тока накала после уравнивания яркости нити накала и объекта, ток накала на эталонную лампу подают только в режиме калибровки пирометра и яркость объекта регистрируют многоэлементным матричным или линейным фотоприемником, на часть фоточувствительных ячеек которого проецируют изображение нити эталонной лампы, ток накала которой в режиме калибровки изменяют по линейному закону, при этом в режиме калибровки в моменты приращения тока накала эталонной лампы на заданную величину нумеруют и запоминают значение тока накала эталонной лампы и соответствующее ему значение выходного сигнала указанного фотоприемника, а в режиме измерения температуру объекта определяют расчетным путем по значениям размаха выходного сигнала фотоприемника, ближайшим к измеренному значению и соответствующим величинам тока накала и известным для них значениям температур (патент на изобретение №2439510, МПК G01J 5/52, опубл. 10.01.2012, БИ №1). Недостатки способа заключаются в следующем. Во-первых, способ не может обеспечить высокую точность измерений из-за того, что уравнивание яркости нити накала эталонной лампы пирометра и объекта выполняется оператором визуально, следовательно, результат измерения сильно зависит от субъективного фактора. Во-вторых, калибровка пирометра в нестационарном тепловом режиме эталонной лампы, изменяющемся по линейному закону, всегда вносит дополнительную погрешность в результат измерения. В этой связи применение способа для номенклатуры объектов, где требуются точные измерения, ограничено.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ (прототип) измерения термодинамической температуры и реализующее его устройство, в которых для измерения термодинамической температуры используют калиброванные по спектру источник излучения и квантовый трап-детектор, измеряют сигнал трап-детектора, сформированный излучением от источника, по измеренному сигналу рассчитывают мощность излучения источника и по формуле М.Планка расчетным путем находят термодинамическую температуру, соответствующую данной яркости источника (патент РФ №2697429, МПК G01K 15/00, G01N 21/41, G01J 5/00, опубл. 14.08.2019, БИ №23).
Главный недостаток способа заключается в том, что способ преимущественно предназначен для измерений температуры моделей абсолютно черного тела. При измерениях температуры реальных тел, у которых спектр излучения отличен от спектра излучения абсолютно черного тела, в результат измерения вносится дополнительная неопределенность. В результате этого при использовании способа на реальных объектах достоверность получаемых результатов снижается, причем в каждом конкретном случае она зависит от типа и вида исследуемого объекта. В связи с этим способ ограничен для широкого применения в промышленности, так как преимущественно ориентирован на научные или метрологические учреждения. Это, в первую очередь, обусловлено высокой стоимостью и сложностью реализующей его аппаратуры. Поэтому перечень пользователей и номенклатура измеряемых объектов существенно ограничена. Кроме того, для осуществления процесса измерений, выполняемого согласно способу-прототипу, требуется довольно длительное время и довольно большое пространство для размещения измерительной аппаратуры, что для ряда объектов не всегда приемлемо. Поэтому номенклатура объектов также ограничена.
Технический результат от применения способа и устройства - расширение перечня пользователей изобретения и номенклатуры измеряемых объектов с одновременным уменьшением длительности процесса измерения, сокращением элементного состава устройства и уменьшением его себестоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе измерения яркостной температуры объекта используют пирометрический преобразователь и два опорных источника излучения, причем оба опорных источника используют только для предварительной калибровки пирометрического преобразователя, которую осуществляют заблаговременно, калибровку пирометрического преобразователя выполняют в два этапа, на первом этапе калибровки используют первый опорный источник излучения, обладающий заданным спектром излучения и заданными размерами пучка излучения, кроме того, используют высокоточное средство измерения оптической мощности, с помощью которого измеряют выходные сигналы пирометрического преобразователя, вызванные падающим на него оптическим излучением разной мощности от первого опорного источника, из полученных данных находят среднеинтегральный по заданному спектру излучения коэффициент преобразования мощности падающего на пирометрический преобразователь излучения в его выходной сигнал, на втором этапе калибровки используют второй опорный источник излучения, представляющий собой тепловой источник, который в заданном спектре излучения обладает коэффициентом излучения, близким или равным единице, и термодинамической температурой, которая заранее точно известна, на заданном расстоянии визирования визируют пирометрический преобразователь на излучающую поверхность второго опорного источника, измеряют пирометрическим преобразователем мощность излучения второго опорного источника в заданном спектре, по измеренной мощности находят визируемую площадь излучающей поверхности второго опорного источника, соответствующую заданному расстоянию визирования, после выполнения калибровки на заданном расстоянии визируют объект пирометрическим преобразователем, измеряют выходной сигнал пирометрического преобразователя, по нему находят мощность излучения объекта в заданном спектре, по значению мощности излучения объекта рассчитывают его яркостную температуру, при этом используют соотношение:
где
вых.об
U - измеренный выходной сигнал приемника оптического излучения, сформированный излучением от объекта,
К - среднеинтегральный по заданному спектру излучения коэффициент преобразования мощности падающего на пирометрический преобразователь излучения в его выходной сигнал,
Ρ - мощность излучения объекта в заданном спектре,
F - визируемая площадь анализируемой поверхности объекта,
τ(λ) - распределение спектрального пропускания излучения в заданном спектре,
1
2
с, с - первая и вторая радиационная постоянная, соответственно,
λ - длина волны излучения,
я
Т - яркостная температура объекта.
Заявленный способ реализуется с помощью пирометрического преобразователя для измерения яркостной температуры объекта, который содержит полосовой оптический фильтр с заданным спектральным пропусканием и с заданной добротностью, приемник оптического излучения, устройство визуального наведения с опцией измерения расстояния визирования, микропроцессор и устройство отображения информации, при этом полосовой оптический фильтр установлен на входе приемника оптического излучения, приемник оптического излучения образован последовательно установленными друг за другом объективом с заданным фокусным расстоянием и первичным преобразователем мощности оптического излучения в электрический сигнал, а первичный преобразователь мощности подключен к микропроцессору, микропроцессор подключен к устройству отображения информации.
Сущность предлагаемых способа и реализующего его пирометрического преобразователя поясняется фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлена схема измерения, согласно которой выполняется первый этап калибровки приемника оптического излучения, входящего в состав пирометрического преобразователя 11, на которой: 1 - первый опорный источник оптического излучения, обладающий заданным спектром излучения и заданными размерами пучка излучения, например, широкополосный лазер; 2 - высокоточное средство измерения оптической мощности, например, абсолютный криогенный радиометр или фильтровый радиометр, или иное средство измерения оптической мощности; 3 - приемник оптического излучения, состоящий из объектива 5 с заданным фокусным расстоянием, первичного преобразователя 6 мощности оптического излучения в электрический сигнал, микропроцессора 7, устройства отображения информации 8; 4 - полосовой оптический фильтр с заданным спектральным пропусканием и с заданной добротностью; 9 - устройство визуального наведения с опцией измерения расстояния визирования. На фиг. 2 представлена схема измерения, согласно которой выполняется второй этап калибровки пирометрического преобразователя, на которой: 10 - второй опорный источник излучения - тепловой источник, который в заданном спектре излучения обладает коэффициентом излучения близким или равным единице и термодинамической температурой, которая заранее точно известна, например, модель абсолютно черного тела; 11 - пирометрический преобразователь, состоящий из приемника оптического излучения 3, полосового оптического фильтра 4 и устройства визуального наведения с опцией измерения расстояния визирования 9. На фиг. 3 представлена схема измерения, согласно которой выполняется измерение яркостной температуры объекта 12 с помощью пирометрического преобразователя 11.
Предлагаемый способ основан на измерении мощности теплового излучения, исходящего от измеряемого объекта. Величина мощности теплового излучения Ρ связана с со спектральной энергетической яркостью объекта  и с его действительной температурой T, взаимосвязь которых описывается формулой Планка:
вых,об
При регистрации излучения от измеряемого объекта 12 первичный преобразователь мощности оптического излучения 6 генерирует выходной сигнал U, который линейно связан с мощностью Ρ падающего на приемник 3 оптического излучения (фиг. 3), указанная связь описывается соотношением:
где
К - среднеинтегральный по заданному спектру излучения коэффициент преобразования мощности падающего на приемник оптического излучения в его выходной сигнал, который, как правило, имеет размерность А/Вт или В/Вт. В свою очередь, мощность излучения Р, с учетом приведенной выше формулы Планка (1), может быть рассчитана по следующему соотношению:
где
F - визируемая площадь анализируемой поверхности объекта,
ε(λ) - спектральный коэффициент излучения объекта,
τ(λ) - спектральное пропускание излучения в заданном спектре.
Заданный спектр излучения формируется полосовым оптическим фильтром 4, который обладает заранее известным с заданной точностью спектральным пропусканием τ(λ). В случае, когда заданный спектр узкий, например, имеет ширину 10 нм или 20 нм (как это принято в яркостной пирометрии), то в таком спектре спектральный коэффициент излучения большинства объектов с высокой точностью можно считать величиной постоянной, не зависящей от длины волны λ. Поэтому в соотношении (3) указанный параметр ε(λ) можно принять величиной постоянной, равной значению ε, и вынести его за знак интеграла, т.е.:
я
я
Кроме того, необходимо учесть, что при измерении яркостной температуры Т значение ε для любых объектов условно принимается равным единице, т.е. ε=1, при этом яркостная температура Т связана с его действительной (термодинамической) температурой T соотношением:
где
λο - центральная длина волны заданного спектра.
С учетом этого, применительно к яркостной температуре объекта соотношение (4) правомерно записать в виде:
Из соотношений (6), (2) следует взаимосвязь яркостной температуры объекта с измеренным выходным сигналом пирометрического преобразователя 11:
вых.об
я
1
2
В соотношении (7) параметр U является измеряемым параметром, параметр Т является искомым параметром, параметры К и F - неизвестны, остальные параметры (с, с, τ(λ)) - известны. Значения параметров К (коэффициента преобразования мощности) и F (визируемой площади), находят путем предварительных калибровочных опытов, которые осуществляют следующим образом.
кi
вых.i.
зад
кi
кi
вых.i
кi
вых.i
кi
Для нахождения коэффициента преобразования мощности К используют схему измерений, представленную на фиг. 1. Согласно данной схеме измерений плоскопараллельный пучок излучения с i-ой мощностью, равной Р, от первого опорного источника оптического излучения 1 направляют через полосовой оптический фильтр 4 в приемник оптического излучения 3 и измеряют его выходной сигнал U При этом расстояние визирования выбирают или произвольным или равным расстоянию D, которое используется на 2-ом этапе калибровки и при реальных измерениях. Затем вместо приемника оптического излучения 3 соосно оптической оси излучения опорного источника 1 устанавливают высокоточное средство измерения оптической мощности 2, между высокоточным средством измерения оптической мощности 2 и опорным источником 1 устанавливают полосовой оптический фильтр 4. Измеряют высокоточным средством измерения оптической мощности 2 мощность излучения Р. Затем на некоторую величину изменяют мощность Р и оптического излучения первого опорного источника 1 и снова поочередно выполняют измерения выходного сигнала U приемника оптического излучения 3 и мощности излучения Р с помощью высокоточного средства измерения оптической мощности 2. При этом, соответственно, поочередно соосно оптической оси устанавливают приемник оптического излучения 3 и высокоточное средство измерения оптической мощности 2, при этом каждый раз используют полосовой оптический фильтр 4. Указанные операции выполняют для нескольких Ν-различных мощностей излучения первого опорного источника 1, например для N=10 или для большего количества значений. После чего коэффициент преобразования мощности К рассчитывают, как среднее из отношений U/P, т.е.
зад
вых.i
зад
вых.r
i
зад
Измерение площади визирования F. Т.к. площадь визирования F не поддается точному прямому измерению, поэтому ее значение определяют косвенным путем. Для этого используют схему измерений, представленную на фиг. 2. Согласно данной схеме на заданном расстоянии визирования D в заданном спектре τ(λ) измеряют выходной сигнал пирометрического преобразователя 11 U, сформированный излучением, сфокусированным от второго опорного источника 10, термодинамическая температура которого равна D и известна с заданной точностью. В данной схеме измерений взаимосвязь выходного сигнала U пирометрического преобразователя 11 и мощности излучения Р второго опорного источника 10 с термодинамической температурой D описывается соотношением:
зад
Из (9) находят значение искомой площади визирования F, соответствующей заданному расстоянию визирования D.
зад
зад
вых.об
Таким образом, после того, как неизвестные параметры К и F определены, их значения принимают неизменными и в дальнейшем их используют при реальных измерениях яркостной температуры реальных объектов, при этом в случае необходимости значения указанных параметров могут быть перепроверены путем повторной или периодической калибровки (поверки). После выполнения калибровки на заданном расстоянии визирования D, равном расстоянию визирования при калибровке D, осуществляют визирование реального объекта пирометрическим преобразователем 11, по измеренному сигналу которого U, решая соотношение (7) относительно температуры, находят искомую яркостную температуру реального объекта 12.
0
зад
Способ поясняется работой пирометрического преобразователя 11. Пирометрический преобразователь 11 состоит из полосового оптического фильтра 4 с заданным спектральным пропусканием и с заданной добротностью, объектива 5 с заданным фокусным расстоянием, первичного преобразователя 6 мощности оптического излучения в электрический сигнал, микропроцессора 7, устройства отображения информации 8, устройства визуального наведения с опцией измерения расстояния визирования 9. В свою очередь, объектив 5, первичный преобразователь мощности 6, микропроцессор 7 и устройство отображения информации 8 образуют приемник оптического излучения 3, являющийся составной частью пирометрического преобразователя 11. Полосовой оптический фильтр 4 задает спектр излучения, принимаемого от объекта, имеет полосу пропускания, например, 10 нм или 20 нм, и центральную длину волны, равную, например, λ=650 нм. Объектив 5 предназначен для фокусирования излучения от объекта на приемную поверхность первичного преобразователя 6 мощности оптического излучения в электрический сигнал. Микропроцессор 7 предназначен для автоматической обработки выходного сигнала первичного преобразователя 6 и решения соотношения (7) относительно температуры с одновременной выдачей значения выходного сигнала первичного преобразователя 6 и расчетного значения яркостной температуры на устройство отображения информации 8. Устройство визуального наведения с опцией измерения расстояния визирования 9 предназначено для фиксации заданного расстояния визирования D, и может быть выполнено, например, на основе лазерного дальномера, обладающего заданной точностью.
зад
зад
кi
вых
i
кi
кi
вых,i
кi
Измерение яркостной температуры объекта 12 с помощью указанного пирометрического преобразователя 11 осуществляется следующим образом. Перед началом измерений заблаговременно выполняют калибровку пирометрического преобразователя 11, которую выполняют в два этапа. Цель выполнения калибровки - нахождение значений параметров К (коэффициента преобразования мощности) и F (визируемой площади), входящих в уравнение измерения (7). На первом этапе калибровки размещают полосовой оптический фильтр 4 и приемник 3 пирометрического преобразователя 11 соосно излучению первого опорного источника излучения 1, который излучает плоскопараллельный пучок излучения малого диаметра, например, диаметром 1 мм. При этом расстояние визирования выбирают или произвольным или равным расстоянию D, которое используется на 2-ом этапе калибровки и при реальных измерениях. В случае, когда расстояние принимают равным расстоянию D, используют устройство визуального наведения 9. Затем задают некоторое значение мощности Ρ излучения первого опорного источника 1 и измеряют выходной сигнал U, приемника 3, значение которого отображается на устройстве отображения информации 8. Затем вместо приемника оптического излучения 3 соосно оптической оси излучения первого опорного источника 1 устанавливают высокоточное средство измерения оптической мощности 2, при этом между средством 2 и первым опорным источником 1 устанавливают полосовой оптический фильтр 4. Высокоточным средством измерения оптической мощности 2 измеряют мощность излучения Ρ. Затем на некоторую величину изменяют мощность Ρ оптического излучения первого опорного источника 1 и снова поочередно выполняют измерения выходного сигнала U приемника оптического излучения 3 и мощности излучения Ρ с помощью высокоточного средства измерения оптической мощности 2. При этом, соответственно, поочередно соосно оптической оси устанавливают приемник оптического излучения 3 и высокоточное средство измерения оптической мощности 2, при этом каждый раз используют полосовой оптический фильтр 4. Указанные операции выполняют для нескольких V-различных мощностей излучения первого опорного источника 1, например для N=10 или для большего количества значений. После чего по соотношению 8 рассчитывают среднестатистическое значение коэффициента преобразования мощности К.
зад
вых,r
зад
вых,об
вых,r
зад
зад
Затем приступают к второму этапу калибровки. На этом этапе используют второй опорный источник 10, представляющий собой тепловой источник, который в заданном спектре излучения обладает коэффициентом излучения близким или равным единице и термодинамической температурой, которая заранее точно известна, например, модель абсолютно черного тела. Визируют пирометрический преобразователь 11 на заданном расстоянии визирования D на излучающую поверхность второго опорного источника 10 и измеряют его U. При этом, для точной установки расстояния D используют устройство визуального наведения 9. Выполняют измерение сигнала U пирометрического преобразователя 11. По измеренному сигналу U, который отображается на устройстве отображения информации 8, и известной термодинамической температуре D второго опорного источника 10, решают соотношение (9) относительно площади F, находят ее значение, которое соответствует заданному расстоянию визирования D. Полученные при калибровке значения параметров К и F вводят в программу микропроцессора 7 для их последующего использования при измерениях яркостной температуры объекта, в частности - для решения соотношения 7 относительно температуры. Полученные значения К и F измеряют заблаговременно и считают их неизменными при всех последующих измерениях яркостной температуры реальных объектов. При этом, с заданной периодичностью выполняют поверку указанных параметров и, при необходимости, осуществляют их корректировку в микропроцессоре 7.
зад
зад
вых,об
Затем приступают непосредственно к измерениям яркостной температуры конкретного объекта. Для этого визируют пирометрический преобразователь 11 на излучающую поверхность объекта 12 на заданном расстоянии визирования D, при этом для точной установки расстояния D используют устройство визуального наведения 9. Измеряют выходной сигнал U пирометрического преобразователя 11, при этом в микропроцессоре 7 автоматически выполняется математическое решение соотношения (7) относительно яркостной температуры реального объекта 12, полученное значение которой отображается устройством отображения информации 8.
Оценка относительной неопределенности результатов измерений яркостной температуры, получаемых согласно заявленному способу. Оценку выполняют по следующему соотношению:
-4
-4
-4
-5
-4
-4
вых,об
в котором используют относительные неопределенности измерения параметров уравнения измерения (7), например, следующие достигаемые на практике значения: δK=2⋅10, δF=2⋅10, δτ=5⋅10, δU=10, δλ=10. Для приведенных данных относительная неопределенность результатов измерений составляет ΔT/T≈6⋅10 отн.ед. или
-4
По сравнению с существующими способами заявленный способ требует меньшей длительности процесса измерения и пространства, сокращает элементный состава реализующего его устройства, при этом обеспечивает относительную неопределенность результатов измерений не более 10 отн.ед. или 0,1%. Кроме того, так как калибровка и поверка реализующего способ пирометрического преобразователя может выполняться в специализированных метрологических учреждениях, оснащенных соответствующей аппаратурой (опорными источниками 1, 10), поэтому для реализации заявляемого способа каждому конкретному пользователю не требуется наличия опорных источников 1,10, что существенно снижает себестоимость, - это делает способ доступным для более широкого перечня пользователей и, следовательно, расширяет номенклатуру измеряемых объектов.