МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
MULTICHANNEL DEVICE FOR MEASUREMENT OF PYROMETRIC CHARACTERISTICS

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к пирометрии спектрального отношения, и может быть использовано для создания приборов анализа и контроля высокотемпературных технологических процессов и при решении научно-исследовательских задач, связанных с измерением характеристик процессов, преимущественно быстропротекающих в неоднородных средах, например типа взрыва.
В области цветовой пирометрии в последние годы наибольшее внимание уделялось разработке средств контроля температуры в технологических процессах. Приборы контроля должны давать результат в реальном времени с тем, чтобы использовать его для управления процессом. Большое внимание уделялось увеличению точности измерений, например, путем одновременного определения коэффициента излучения и вычисления истинной температуры. В то же время сравнительно мало информации по проблеме измерения температуры в исследовательских целях, особенно для диагностики быстропротекающих процессов, например взрыва. К сожалению в этих условиях практически невозможно учитывать спектральную и температурную зависимость коэффициента излучения объекта, поэтому расчеты, как правило, делаются в приближении постоянства коэффициента излучения, то есть в приближении абсолютно серого тела. Здесь существенным является возможность исключить влияние геометрических факторов, поскольку для вычисления цветовой температуры достаточно относительных измерений. Цветовая температура используется как обобщающий параметр, характеризующий эффективность протекающих процессов. Такие измерения, как правило, дороги, а зачастую просто уникальны. Поэтому главная задача измерительного комплекса состоит в регистрации в реальном времени как можно большего массива информации, а также создание аппаратных средств и совершенных программ для последующей обработки этой информации.
Известно многоканальное спектральное светоизмерительное устройство [см. Пат. США №4909633, МПК G01J 01/04, G01J 05/60, публ. 1990.03.20.], включающее объектив, оптоволоконный жгут, разделенный на три канала, индивидуально позиционированные к трем светоприемным элементам, имеющим различные спектральные чувствительности. Три компонента света одновременно конвертируются в три электрические сигнала и затем в цифровые величины посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Этот прибор не позволяет с достаточной точностью и достоверностью в широком динамическом диапазоне производить абсолютные измерения пирометрических характеристик. Поскольку жгут набран из конечного числа волокон, он имеет дискретную структуру. При однородном освещении это обстоятельство не имеет значения, но неоднородность объекта приводит к разному освещению разных волокон жгута и к ошибкам в распределении световой энергии по спектральным каналам анализатора. Чтобы уменьшить эту ошибку, авторы устройства выводят торец жгута из фокальной плоскости объектива, в результате чего его дискретная структура оказывается «смазанной», но при этом размытой оказывается и область фотометрирования.
Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство для измерения пирометрических характеристик процесса [см. Пат. РФ на пол. мод. №32594, МПК G01J 05/60, приор. 2003.04.21.], включающее элемент оптической схемы, разлагающий излучение на квазимонохроматические компоненты, и следующие за ним в оптическом тракте светочувствительные элементы, в качестве которых используются кремниевые фотодиоды, схема подключения которых соответствует фотодиодному режиму, а элемент оптической схемы, разлагающий излучение на компоненты, представляет ряд, состоящий, по крайней мере, из двух светофильтров, пропускающих излучение в различных областях спектра.
С помощью этого устройства исследуются во времени оптические характеристики взрыва. Для сбора спектральной информации используется набор фотодиодов с полосовыми фильтрами, образующий быстродействующий многоканальный спектральный анализатор. Сигналы фотодиодов по коаксиальным кабелям передаются на цифровые осциллографы, где запоминаются для последующей обработки. Регистрируются сигналы, пропорциональные освещенности в точке установки анализатора. Записанная информация с помощью ЭВМ по известной программе обрабатывается с целью получения пирометрических характеристик, таких как абсолютные значения освещенности в точке установки приемников, силы света источника и цветовой температуры, средней по объему светящегося тела.
Этот прибор также не позволяет с достаточной точностью и достоверностью измерять абсолютные пирометрические характеристики, к тому же сигналы в нем передаются по длинным кабелям, подверженным электромагнитным наводкам. Прибор недостаточно надежен, т.к. блок фотоприемников со светофильтрами находится вблизи объекта, то есть в зоне взрыва находятся хрупкие оптические элементы, которые необходимо защищать.
Чтобы измерить яркость какой то зоны, надо перед приемниками помещать идентичные объективы и полевые диафрагмы и строго сводить их поля зрения.
Интерференционные фильтры имеют характерную особенность. Их ширина полосы и положение центра зависят от углов падения, что приводит к значительным ошибкам при разных угловых размерах объекта или его несимметричном развитии во время взрыва.
Нами предложен высокоточный быстродействующий надежный прибор для измерения в широком динамическом диапазоне абсолютных пирометрических характеристик неоднородных объектов, типа взрыва.
Заявленный технический результат получен нами, когда в многоканальном устройстве для измерения пирометрических характеристик, преимущественно быстропротекающих процессов в неоднородных средах, типа взрыва, включающем элемент, разлагающий излучение от измеряемого объекта на спектральные составляющие, размещенные в оптическом тракте фотоприемный узел и узел регистрации и обработки информации в виде АЦП и ЭВМ, новым является то, что в оптическом тракте перед элементом, разлагающим излучение, дополнительно установлен волоконный световод, выходной торец которого служит входной диафрагмой элемента, разлагающего излучение, собственно элемент, разлагающий излучение, выполнен в виде вогнутой дифракционной решетки, в выходной плоскости которой установлен фотоприемный узел в виде снабженной усилителями многоэлементной фотоприемной линейки, каждый элемент которой принимает излучение в узкой полосе спектра, при этом количество элементов линейки выбрано большим, чем количество каналов АЦП, а ЭВМ снабжена функцией расчета абсолютной освещенности, абсолютной яркости, а также цветовой температуры.
Понятие «многоканальный» означает возможность получать тем больше спектральной информации, чем больше спектральных каналов, а также означает возможность выбора оптимальных длин волн для расчета температуры. Число каналов регистрации ограничено числом каналов АЦП. Ограничивать число каналов регистрации, то есть каналов АЦП, означает ограничить информативность прибора. Поэтому в данном случае возможность выбора предполагает количество спектральных каналов большее, чем каналов регистрации, то есть число элементов линейки большее, чем число каналов АЦП
С целью повышения чувствительности и скорости регистрации прибора соседние элементы многоэлементной фотоприемной линейки объединены в группы.
Прибор допускает два режима измерений, а именно: измерение освещенности, создаваемой всем объектом в целом, и измерение яркости выбранной ограниченной зоны. Соответственно вычисляется либо средняя по объекту цветовая температура, либо локальная температура выбранной зоны. В первом случае световод закрепляется на таком расстоянии, чтобы вся область излучения находилась внутри апертурного угла световода, во втором случае между объектом и световодом устанавливается объектив так, чтобы на входной торец световода попадала заданная часть изображения объекта, например центральная. Подходы к решению этих задач известны.
Световод дает возможность проводить измерения непосредственно внутри объекта. Подходы к решению этой задачи известны.
На Фиг.1 приведена схема заявленного устройства, где показаны: входной торец 1 оптоволоконного световода 2, его выходной торец 3, диспергирующий* (*Диспергирующим назван элемент, разлагающий излучение на монохроматические компоненты. [И.В.Пейсахсон. «Оптика спектральных приборов», Машиностроение, Ленинград., 1975 г., стр.34 и далее.]) элемент 4, многоэлементный фотоприемник 5, программируемый коммутатор 6, АЦП 7, компьютер 8 и объект 9.
На Фиг.2 приведена схема, иллюстрирующая преобразование измерителя освещенности или силы света (фиг.2а) в измеритель локальной яркости (фиг.2б), где показаны входной торец 1 световода 2, выделенная зона 1' объекта 9, соответствующая проекции входного торца 1 световода 2, и объектив 10.
OTH
На Фиг.3 показаны диаграммы формирования полосового оптоэлектронного фильтра при объединении нескольких соседних элементов фотоприемной линейки: на фиг.3а - аппаратная функция одного элемента линейки, на фиг.3б - аппаратная функция группы соединенных элементов линейки, где S - относительная чувствительность схемы регистрации, λ - длина волны и одновременно координата х элемента линейки, т.к. линейка установлена в фокальной плоскости решетки вдоль направления дисперсии.
На Фиг.4 представлены графики спектральных яркостей во времени и расчет цветовой температуры тест-объекта** (**Под тест-объектом мы понимаем вторичный эталон с известными пирометрическими характеристиками) при испытаниях макета устройства.
На фиг.5 и 6 представлены в увеличенном виде графики характеристик тест-объекта, приведенные на фиг.4.
Заявленное устройство работает следующим образом (см. Фиг.1). Излучение неоднородного быстроизменяющегося в пространстве объекта 9 попадает на входной торец 1 оптоволоконного световода 2. Входной торец световода установлен на таком расстоянии, что светящаяся зона не выходит за пределы его угловой апертуры. Выходной торец 3 световода 2 выполняет роль входной диафрагмы диспергирующего элемента 4, выполненного в нашем приборе в виде вогнутой дифракционной решетки, создающей цветные изображения диафрагмы в своей фокальной плоскости, в которой установлен многоэлементный фотоприемник 5 с усилителями электрического сигнала (не показаны). Выходы усилителей через программируемый коммутатор 6 подключаются к АЦП 7. Информация в цифровом виде поступает по USB-каналу (не показан) на компьютер 8, в котором она регистрируется, а затем обрабатывается и хранится в числовом и графическом виде.
Диспергирующий элемент заявленной конструкции выполняет также и другую функцию, необходимую в подобных измерениях, а именно сведение полей зрения всех приемников излучения в строго заданном направлении.
Коммутатор 6 управляется программным способом по медленному каналу связи с компьютером 8. Подходы к решению этой задачи известны. Эта часть программы позволяет выбирать нужные длины волн для регистрации сигналов каналами АЦП 7, а также формировать полосы нужной ширины на этих длинах волн.
Большее количество спектральных каналов, существенно больше, чем это требуется для расчета цветовой температуры, дает возможность выбирать, например программным способом, оптимальные длины волн в зависимости от свойств объекта. Это позволяет исключить линии неравновесного происхождения или линии самопоглощения, а также не имеющие отношения к исследуемым процессам, и принимать в расчет только априорно надежные интервалы. В благоприятных обстоятельствах увеличение числа каналов увеличивает точность приближения к распределению Планка и, соответственно, точность расчета цветовой температуры.
Чтобы обеспечить максимальное количество спектральных каналов, нами была выбрана дифракционная решетка. Дифракционная решетка разлагает излучение объекта в непрерывный спектр, что дает возможность получить любое количество спектральных каналов.
Регистрировать освещенность, создаваемую объектом или его частью, можно путем измерения освещенности непосредственно входной диафрагмы анализатора. При этом прибор должен находиться достаточно близко к объекту. Только в этом случае заполняется вся входная апертура и можно проводить фотометрирование протяженного объекта практически без потерь сигнала. Кроме того, входная диафрагма подобно камере-обскуре строит изображение объекта на входной оптике, то есть создает пространственно неоднородное освещение, что приводит к ошибкам спектрального анализа и погрешностям вычисления температуры. Последнее обстоятельство особенно сильно проявляется на вогнутой решетке.
Применение волоконного световода устраняет оба отмеченных недостатка схемы камеры-обскуры.
Во-первых, апертура световода близка к входной апертуре дифракционной решетки, а потери на пропускание в традиционной для цветовой пирометрии области спектра у световода невелики, так что сохранение сигнала будет обеспечено при значительном удалении прибора на десятки и сотни метров.
Во-вторых, одним из свойств волоконного световода является его способность не просто передавать свет, но и смешивать лучи света, приходящие с разных направлений. Применительно к задаче фотометрирования взрыва это означает возможность получать средние по пространству значения силы излучения или освещенности, а также средние цветовые температуры при любой конфигурации облака разлета горячих частиц. Строго говоря, неоднородность не устраняется, а преобразуется в осесимметричную, что достаточно для подавления погрешности. Использование свойства световода интегрировать пространственные неоднородности помимо типового применения в качестве линии передачи сигнала и позволило в совокупности с другими признаками устройства достичь заявленный результат.
Ширина спектральной полосы определяется дисперсией решетки и размером самого элемента. Чем больше элементов линейки в рабочем диапазоне спектра, тем уже ширина полосы пропускания в каждом спектральном канале. Калибровка фотоприемников в узкой полосе спектра позволяет измерять температуру в более широком диапазоне. Для прибора с широкополосными фильтрами, как, например, в прототипе, максимальная точность достигается для температур, близких к той, при которой делалась калибровка. При других температурах ошибка возрастает. Это объясняется влиянием на результат измерений формы кривой излучения, которая и определяется температурой тела. Чем уже полоса канала измерения, тем меньше ошибки редукции, меньше влияние формы, шире диапазон измерений.
Благоприятными обстоятельствами можно считать также наличие достаточного времени для регистрации сигнала многих спектральных каналов. Это важно, например, для АЦП последовательного типа. При фотометрировании коротких импульсов приходится уменьшать количество каналов регистрации. Программа позволяет определять цветовую температуру минимум по трем длинам волн. Подходы к решению таких задач известны.
Соседние элементы многоэлементной линейки можно объединять, например, программным способом с целью увеличения чувствительности или увеличения скорости регистрации. При этом образуются полосовые фильтры с крутыми симметричными фронтами (см. Фиг.3), крутизна которых определяется аппаратной функцией одного элемента, а ширина полосы пропускания определяется количеством объединенных элементов и величиной дисперсии решетки. Таким образом можно организовать оптико-электронные полосовые фильтры на нужные интервалы длин волн с идентичными характеристиками по ширине и форме кривой пропускания в отличие от набора стеклянных или интерференционных фильтров, идентичность которых невозможна по технологическим причинам.
Идентичность полос упрощает и ускоряет процедуру расчета искомых величин, то есть процесс обработки результатов эксперимента, а также увеличивает точность измерений.
Объединение элементов полезно также для аппаратного интегрирования сильно неравномерных спектров, что, как правило, и наблюдается в спектрах взрыва.
В заявляемом устройстве анализируемое излучение потенциально опасного объекта через волоконный световод передается на аналитическую часть прибора, которая может находиться в укрытии. Применение световода позволяет не только решить задачи фотометрирования неоднородного объекта, но и обеспечить безопасность оборудования.
Выполнение диспергирующего элемента в виде вогнутой дифракционной решетки вместо плоской уменьшает число оптических элементов, подверженных влиянию вибраций, температурному расширению и прочим дестабилизирующим факторам, что особенно важно для работы в полевых условиях, а также сокращает массу и габариты прибора.
Пример конкретного исполнения.
Нами изготовлен и испытан прибор на основе заявляемого устройства.
Прибор показал хорошие метрологические и эксплуатационные свойства.
В качестве световода использовалось кварцевое волокно с диаметром ядра 0,8 мм и длиной 20 м. Вогнутая дифракционная решетка размером 40×40 мм имеет радиус 100 мм и криволинейные штрихи плотностью 400 штр./мм. Рабочий диапазон длин волн 400-800 нм. Фотоприемная линейка фирмы «Hamamatsu» - кремниевая, интегральная, содержит 16 фотодиодов размером 0,9×1,45 мм. Возможно применение линейки с числом элементов 35 той же фирмы. Блок усилителей выполнен на микросхемах AD8034 фирмы «Analog Devices». Для преобразования аналоговых сигналов применен АЦП последовательного типа «USB-3000» со скоростью опроса каналов 3 МГц. Связь с компьютером типа «Note-Book» осуществляется по USB - каналу. Произвольная выборка каналов осуществляется программным способом. Оптическая и электронная схемы вместе с АЦП размещены в защитном корпусе размером 100×120×250 мм.
Быстродействие прибора практически ограничено быстродействием фотодиодной линейки и скоростью цифрового преобразования. В данной реализации достигнуто временное разрешение измерителя цветовой температуры около 1 мкс. Применяя коммерчески доступную PIN-фотодиодную линейку и современные широкополосные усилители, можно получить быстродействие на уровне 0,1 мкс. Такие скорости можно реализовать, используя АЦП параллельного типа или многоканальные цифровые осциллографы, установленные непосредственно рядом с анализатором.
На Фиг.4 показаны результаты испытаний прибора.
В качестве тест-объекта нами выбран импульсный электрический разряд в диэлектрическом капилляре.
Калибровка прибора проводилась по эталонной лампе с температурой около 2800 К. Воспроизводимость измерений температуры собственно эталонной лампы составляла 0,3%. Величина цветовой температуры плазмы разряда составила 28000 К, что в 10 раз выше, чем при калибровке. Измеренная величина температуры в разряде оказалась на 10 % выше, чем величина, полученная паспортизованным измерителем яркостной температуры, что соизмеримо с погрешностью самого яркостного пирометра. Это свидетельствует о широком динамическом диапазоне измерений заявленного прибора.
Величина абсолютной яркости объекта была на 4 порядка выше, чем при калибровке прибора, поэтому перед входом устанавливался нейтральный ослабитель. Имея калиброванные нейтральные ослабители, например сетчатые, можно с такой же точностью измерять абсолютные спектральные яркости и освещенности.
Программное обеспечение, специально разработанное для этого прибора на основе известных алгоритмов, позволяет рассчитывать абсолютные или относительные освещенности, либо яркости в выбранных каналах, а также вычислять цветовую температуру путем подгонки к ближайшей кривой Планка по минимуму среднеквадратичного отклонения, а также спектральные яркости или освещенности на произвольных длинах волн путем расчета в приближении черного тела.
Обработка данных и вывод результатов расчета временного хода температуры производится в течение нескольких секунд, что позволяет получать результаты прямо на испытательном полигоне и оперативно использовать их для подготовки следующего эксперимента.