УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ НАГРЕТЫХ ОБЪЕКТОВ
DEVICE FOR DETERMINING SPECTRAL EMISSIVITY OF HOT OBJECTS

Изобретение относится к измерительной технике в части создания измерителей спектральной излучательной способности нагретых тел и может быть использовано в качестве устройства для оперативного измерения спектральной излучательной способности металлов непосредственно в цеховых условиях в процессе их плавки и последующей термической обработки.
Известно устройство [1], содержащее расположенную по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, оптически связанные с ним три приемника излучения на трех разных длинах волн, по отношению сигналов в которых в устройстве определяется температура объекта. Устройство предназначено для работы в качестве пирометра - измерителя температуры и датчика в системе автоматического регулирования температуры объекта.
Преимуществом данного устройства, использующего трехканальную систему регистрации излучения исследуемого объекта, является то, что в процессе измерения отсутствует необходимость вводить поправки на излучательную способность измеряемого объекта, так как его блок обработки, используя предварительно занесенную в память априорную информацию, самостоятельно определяет значения излучательной способности в каждом из спектральных каналов.
Недостатком данного устройства является малое число спектральных каналов, а также то, что оно предназначено для работы именно в режиме пирометра, и не выводит на индикатор определенные в процессе измерения значения спектральной излучательной способности в каждом из каналов.
Известно устройство [2], являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее два источника излучения - "модели черного тела", оптическую систему, монохроматор, приемник излучения на выходе монохроматора, систему усиления и регистрации сигнала приемника и канал определения интегральной излучательной способности измеряемого объекта.
Преимуществом устройства является возможность измерений спектральной излучательной способности с минимальным шагом по шкале длин волн, определяемым конструктивными особенностями современных монохроматоров (менее 1 нм).
К недостаткам подобного устройства относятся, помимо больших габаритов и веса, большая длительность измерений в диапазоне от минимальной (0,3…0,4 мкм) до максимальной (1…2 мкм) длины волны. Это объясняется тем, что устройство использует один регистрирующий приемник излучения, и процесс измерения состоит в последовательном проецировании на этот приемник сканирующей системой всего исследуемого спектрального диапазона от минимальной до максимальной длины световой волны. Подобный недостаток требует, чтобы температура измеряемого объекта оставалась неизменной в течение всего времени измерения, которое может составлять десятки секунд, в зависимости от быстродействия монохроматора. Поэтому данное устройство практически неприменимо в цеховых условиях, где в процессе литья или при перемещении объекта по стану температура может заметно измениться даже за 1 с. В то же время попытки провести подобные измерения в лабораторных условиях, где температуру измеряемого объекта можно поддерживать постоянной, обычно сопровождаются очень большими погрешностями, поскольку излучательная способность сильно зависит не только от состава, но и от технологии получения материала, параметров термообработки, нагрева и т.д., а условия подготовки материала к измерениям в цеху и в лаборатории различны.
Целью изобретения является повышение точности измерения спектральной излучательной способности нагретых объектов за счет одновременной регистрации излучения от объекта в большом количестве независимых различных спектральных диапазонов.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения спектральной излучательной способности нагретых объектов, содержащем расположенные по ходу излучения исследуемого объекта оптическую систему, светоделительное устройство, выделяющее в спектре излучения объекта N узких спектральных полос, расположенных равномерно по всему спектральному диапазону устройства, количество спектральных диапазонов N выбирается большим 6, введены N независимых приемников излучения, N аналого-цифровых преобразователей (АЦП), N блоков памяти, N делительных устройств, устройство регистрации, синхронизатор, а также канал для определения температуры измеряемого объекта, при этом оптический вход приемника излучения в каждом канале связан со светоделительным устройством, а электрический выход - со входом соответствующего АЦП, первый выход которого связан с первым входом соответствующего делительного устройства, второй выход АЦП связан со входом соответствующего блока памяти, выход которого соединен со вторым входом делительного устройства, выходы делительных устройств соединены со входами устройства регистрации, датчик канала определения температуры измеряемого объекта находится в контакте с объектом, выход канала определения температуры соединен со входом устройства регистрации, все входы синхронизации АЦП и вход синхронизации канала определения температуры измеряемого объекта соединены с выходом устройства синхронизации.
Блок-схема устройства представлена на чертеже.
1
N
1
N
1
N
1
N
i
i
i
i
i
i
i
Устройство для определения спектральной излучательной способности нагретых объектов содержит расположенные по ходу излучения исследуемого объекта 1 оптическую систему 2, светоделительное устройство 3, N независимых приемников излучения ПР-ПР, представленных на чертеже элементами 7.1-7.N, N аналого-цифровых преобразователей АЦП-АЦП, представленных на чертеже элементами 8.1-8.N, N блоков памяти ОЗУ-ОЗУ, представленных на чертеже элементами 9.1-9.N, N делительных устройств Д-Д, представленных на чертеже элементами 10.1-10.N, устройство регистрации 4, синхронизатор 5, а также канал для определения температуры измеряемого объекта 6, при этом оптический вход приемника излучения ПР , где i принимает значение от 1 до N, в каждом канале связан со светоделительным устройством, а электрический выход - со входом соответствующего АЦП, первый выход которого связан с первым входом соответствующего делительного устройства Д, второй выход АЦП связан со входом соответствующего блока памяти ОЗУ, выход которого соединен со вторым входом делительного устройства Д, выходы делительных устройств соединены со входами устройства регистрации 4, датчик канала определения температуры измеряемого объекта 6 находится в контакте с объектом 1, выход канала определения температуры соединен со входом устройства регистрации 4, все входы синхронизации АЦП и вход синхронизации канала определения температуры измеряемого объекта 6 соединены с выходом устройства синхронизации 5.
На чертеже не показаны сети питания используемых элементов. Варианты используемых в устройстве стандартных элементов, составляющих блок-схему, приведены в примерах реализации устройства.
1
1
2
2
N
N
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Устройство работает следующим образом. Излучение объекта 1, энергия которого определяется нелинейными характеристиками излучательной способности ε(λ) объекта, зависящими от длины волны, воспринимаются оптической системой 2 устройства и разделяется светоделительным устройством 3 на N потоков с длинами волн: λ - в первом канале определения излучательной способности ε(λ), λ - во втором канале определения излучательной способности ε(λ), λ - в N-ом канале определения излучательной способности ε(λ). В каждом из этих каналов соответствующий приемник излучения ПР(i=1, 2, 3,…, N) преобразует энергию этих потоков излучения в пропорциональный электрический сигнал U(λ). В каждом канале соответствующий выходной сигнал приемника подается на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП для перевода его в цифровой код. Далее выходной сигнал преобразователя АЦП поступает на один из входов делителя Д, на второй вход которого поступает сигнал от блока памяти ОЗУ, куда предварительно занесена информация с преобразователя АЦП о величине сигнала в этом спектральном канале от источника излучения - "модели черного тела". Делитель Д находит отношение текущего сигнала от преобразователя АЦП к сигналу от блока памяти ОЗУ, после чего заносит полученный результат в устройство регистрации 4.
i
i
Преобразование в цифровой код всеми преобразователями АЦП осуществляются одновременно, по сигналу, вырабатываемому синхронизатором 5. Также по этому сигналу происходит измерение температуры объекта каналом определения температуры измеряемого объекта 6. Результат также заносится в устройство регистрации для последующей коррекции в случае, если температура измеряемого объекта и температура источника излучения - "модели черного тела", информация о которой хранится в ОЗУ, не равны друг другу.
i
Выходной сигнал синхронизатора 5, запускающий преобразователи АЦП и канал определения температуры измеряемого объекта 6, формируется по команде оператора.
Примеры реализации устройства.
Общие данные при различных вариантах реализации устройства:
min
max
- диапазон используемых длин волн: λ=0,3 мкм, λ=1,15 мкм;
- оптическая система устройства содержит объектив, окуляр, полевую диафрагму;
- относительное отверстие объектива 1/22;
- фокусное расстояние объектива 210 мм;
- показатель визирования устройства более 100:1;
- система визирования - беспараллаксная;
- в поле зрения окуляра видна темная точка - отверстие полевой диафрагмы и область измеряемого объекта вокруг нее, что позволяет ориентироваться, какая часть поверхности измеряется;
- для минимизации влияния расфокусировки объектив допускает фокусировку на объект;
- диапазон рабочих расстояний от устройства до объекта 0,6…3 м;
- конструкция окуляра допускает замену его на миниатюрную видеокамеру со своим объективом (для удобства документирования поведения регистрируемой поверхности в процессе измерения);
- быстродействие устройства не хуже 20 мс;
- напряжение питания устройства - 220 В;
- частота 50 Гц;
- потребляемая мощность менее 50 ВА.
Пример 1.
Использованы элементы:
- оптическая система - объектив Индустар-51;
- светоделительное устройство в виде дифракционной решетки 500 штрихов/мм;
- 9 приемников излучения типа ФД-24К за щелями, положение которых соответствует длинам волн 0,3 мкм, 0,4 мкм, 0,5 мкм,…, 1,0 мкм, 1,1 мкм;
- 9 усилителей фототока AD795;
-9 АЦП АD7894;
- 9 ОЗУ 573РФ2;
- 9 делителей 27512;
- регистратор цифровой НТ1616.
Пример 2.
Использованы элементы:
- оптическая система - объектив Индустар-51;
- светоделительное устройство в виде оптоволоконного коллектора с одним общим входом и 9 выходами, за которыми стоят интерференционные светофильтры с полосой пропускания 10…15 нм и центрами пропускания на 0,3 мкм, 0,4 мкм, 0,5 мкм,…, 1,0 мкм, 1,1 мкм;
- остальные элементы, как в примере 1.
Основная погрешность устройства определятся скоростью изменения температуры измеряемого объекта, она не должна превышать 1% за время срабатывания устройства (20 мс). При выполнении этого условия погрешность определения спектральной излучательной способности в измерительных каналах будет менее 1%, а общая погрешность определения всей характеристики при интерполяции промежуточных значений не превысит 3-4%. Погрешности за счет преобразователей АЦП гораздо ниже, не превышают 0,1%, т.к. АЦП 14-разрядные, остальные элементы (делители, блоки памяти, тегистратор) на погрешность измерений не влияют.
Таким образом, описанное устройство за счет одновременного измерения сигнала от объекта в 9 каналах позволяет находить спектральную излучательную способность нагретых объектов в цеховых условиях на объектах с непостоянной температурой с погрешностью в несколько раз меньше, чем в известных устройствах, использующих стандартные спектральные приборы.
Устройство найдет широкое применение при исследовании спектральной излучательной способности широкого круга высокотемпературных материалов, в первую очередь металлов и их сплавов.
Источники информации
1. С.С.Сергеев "Повышение точности измерения температуры с использованием новых моделей пирометров фирмы "ТЕХНО-АС". Приборы, №1, 2009, стр.1-6 - аналог.
2. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е.Шейндлина. М.: Энергия, 1974, 472 с. стр.142-143 - прототип.