ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PYROMETRIC METHOD FOR THERMODYNAMIC METAL TEMPERATURE TEST AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREFOR

Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах непрерывного бесконтактного контроля и регулирования температуры ряда технологических процессов обработки металлов на машиностроительных предприятиях.
1
2
Известен способ определения термодинамической температуры поверхности тел с неизвестной спектральной излучательной способностью ε(λ), основанный на измерениях на двух длинах волн λ и λ интенсивностей собственного теплового излучения тела и отраженного от него излучения внешнего источника подсветки (способ относительной спектрорефлектометрии) [1, с.115-118]. Вначале по величине отраженного излучения источника подсветки определяется относительный коэффициент отражения тела
1
2
1
2
1
2
где ρ и ρ - коэффициенты отражения, ε и ε - излучательные способности тела, ,  - яркости отраженного излучения опорных источников на длинах волн λ и λ, ,  - яркости излучения опорных источников на этих длинах волн. Далее в результате преобразования (1) с использованием приближения Вина  получают уравнение
где , ;
1
2
1
2
1
2
-16
2
-1
-2
L(λ, T), L(λ, T) - яркости теплового излучения тела на длинах волн λ, λ при температуре T; С=1.191·10 Вт·м·ср, С=1.43·10 м·К - первая и вторая постоянные излучения.
Значение температуры тела Т находится путем численного решения уравнения (2). При использовании трех спектральных участков в частных случаях возможно получение аналитического выражения для определения Т [1, с.114-115].
Основной недостаток этого способа - необходимость измерения интенсивности излучения тела в узких спектральных участках, что требует использования узкополосных оптических фильтров и ведет к значительному уменьшению отношения "сигнал/шум" и снижению точности измерения Т.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения температуры Т тел 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 температуру только «серых» тел, у которых излучательная способность не зависит от длины волны ε(λ)=const в диапазоне, где лежат используемые участки спектра. Излучательная же способность металлов в спектральном диапазоне 1-5 мкм, наиболее востребованном на практике, не равна const, а падает с увеличением λ и приблизительно описывается экспоненциальной
или степенной
0
0
зависимостями, где ε(Т), а(Т), β (Т), b(T) - некоторые функции температуры [1-3]. Для данного способа это служит источником методической погрешности, которая часто превышает 10%.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство [4] для измерения термодинамической температуры тел, включающее приемный объектив, два соосно расположенных фотоприемника, диафрагму, расположенную перед фотоприемниками, и микропроцессор, осуществляющий обработку сигналов фотоприемников и вычисление температуры тела.
Недостатком данного устройства является необходимость знания эффективных излучательных способностей тел в используемых спектральных участках, поскольку устройство градуируется с использованием модели абсолютно черного тела и без ввода в микропроцессор отношения эффективных излучательных способностей может правильно определять термодинамическую температуру только «серых» тел. Поскольку при нагреве металла разные участки его поверхности окисляются атмосферным кислородом с разной скоростью, зависящей от состояния поверхности в этих участках и уровня ее загрязнения, происходят неконтролируемые изменения излучательной способности, особенно существенные для черных металлов. Это приводит к значительным методическим погрешностям определения термодинамической температуры металлов с излучательной способностью, зависящей от длины волны и температуры.
Задачей изобретения является повышение точности пирометрического способа определения термодинамической температуры металлов, излучательная способность которых изменяется с длиной волны излучения, временем и температурой, путем уменьшения методической погрешности за счет учета отклонения излучательной способности поверхности металлов от константы, что позволит определять термодинамическую (истинную) температуру металлов при изменении их спектрального коэффициента излучения в процессе нагрева.
1,2
2,3
Сущность изобретения заключается в том, что в пирометрическом способе определения термодинамической температуры металлов, основанном на измерении яркости теплового излучения фотоприемниками в двух спектральных участках и последующем определении температуры по величине отношения сигналов фотоприемников и зависимости этого отношения от температуры, определяемой при градуировке, при градуировке дополнительно определяют спектральные чувствительности фотоприемников, рассчитывают температурные зависимости отношения сигналов, которые регистрируются фотоприемниками при разных функциональных зависимостях излучательной способности металлов от длины волны, при определении температуры дополнительно используют поочередную подсветку контролируемой точки поверхности металла тремя лазерами с известными мощностями и длинами волн излучения и 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 ρ, ρ:
1
1
1
2
2
2
2
3
1
2
где  - мощности излучения лазеров; S(λ), S(λ), S(λ), S(λ) - чувствительности фотоприемников на длинах волн излучения лазеров; U и U - сигналы фотоприемников, вызываемые тепловым излучением металла;  - сигналы фотоприемников при подсветке соответствующим лазером; полученные отношения коэффициентов отражения используют для определения параметра используемой функциональной зависимости излучательной способности металла, определяющего величину ее отклонения от константы, температуру металла определяют по величине отношения сигналов фотоприемников, вызываемых тепловым излучением металла, и рассчитанной при градуировке температурной зависимости отношения этих сигналов, соответствующей полученному значению параметра.
Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, содержащего приемный объектив, собирающий тепловое излучение контролируемой точки металла на чувствительные площадки двух соосно расположенных фотоприемников, диафрагму, размещенную перед фотоприемниками и ограничивающую размеры светового пятна, попадающего на чувствительные площадки фотоприемников, и блок управления, обработки и индикации на основе микропроцессора, устройство дополнительно содержит блок попеременно излучающих полупроводниковых лазеров, управляемых микропроцессором, причем три лазера - инфракрасные и предназначены для измерения отношений монохроматических коэффициентов отражения металла, а четвертый - видимого диапазона - для визуального наведения оси поля зрения на контролируемую точку металла, малогабаритный коллиматор лазерного излучения, который размещен перед приемным объективом соосно с ним и связан с блоком лазеров через оптоволокна и соединитель.
1
2
Поставленная задача решается путем определения спектральных чувствительностей S(λ), S(λ) используемых фотоприемников при градуировке пирометра и численного расчета семейства температурных зависимостей отношений сигналов фотоприемников, вызываемых тепловым излучением металла в используемых спектральных участках, для разных значений а (или b):
1
2
1
2
3
1,2
2,3
где U, U - сигналы фотоприемников, генерируемые в результате освещения их тепловым излучением металла и пропорциональные интегральной яркости теплового излучения с учетом чувствительности фотоприемников в используемых спектральных участках. При определении температуры металла Т для вычисления величины параметра а (или b), характеризующего степень отклонения спектральной излучательной способности металла ε(λ) от константы, дополнительно используют три лазерных источника 7, 8, 9, излучающих на длинах волн λ, λ, λ, и измеряют яркости отраженного от поверхности металла излучения этих источников при их поочередном включении. По измеренным яркостям в отсутствие лазерной подсветки и при поочередном включении 7, 8, 9 находят величины ρ, ρ отношения монохроматических коэффициентов отражения металла, которые связаны с излучательной способностью металла ε соотношениями
При численном решении (6) с учетом используемого вида аппроксимации коэффициента излучения металла (3) или (4) находят искомый коэффициент а (или b), определяющий скорость изменения излучательной способности ε металла с длиной волны. Далее, используя заранее рассчитанные зависимости (5), определяют температуру тела Т.
Свойства, появляющиеся у заявляемого технического решения, следующие:
- уменьшение методической погрешности определения температуры металлов способом спектрального отношения в инфракрасной области спектра, достигаемое путем определения величины неизвестного параметра а (или b) используемой аппроксимации их спектральной излучательной способности, которая далее используется при вычислении температуры;
- упрощение конструкции пирометра за счет применения соосных оптических схем формирования лазерной подсветки и приема излучения от тела, что исключает применение подвижных механических узлов.
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена функциональная схема устройства, осуществляющего предложенный способ. Устройство имеет приемный объектив 1, который собирает тепловое излучение контролируемой точки поверхности металла 2 через отверстие ограничивающей диафрагмы 3 на два расположенных соосно друг за другом фотоприемника сэндвичного типа 4 и 5 (например, J16SI фирмы Judson Technologies, K-3413-08 фирмы HAMAMATSU, S/IGА2.2-025/010, UVS/IA-025/020 фирмы Electro Optical Systems). Причем чувствительная площадка коротковолнового фотоприемника 4, которая слабо поглощает длинноволновое излучение, расположена ближе к объективу. Сигналы с выходов фотоприемников U, U, 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, 10. В качестве лазерных источников используются квантоворазмерные полупроводниковые лазерные диоды на основе соединений GaSb [5-7], излучающие в диапазоне 2-3 мкм, а в средневолновой инфракрасной области также лазеры на подложке InAs [8]. Излучение лазеров с помощью оптических волокон 11 через соединитель 12 подводится к малогабаритному коллиматору лазерного излучения 13, размещенному перед приемным объективом, оптическая ось которого юстировкой совмещена с оптической осью приемного объектива 1. Блок управления обеспечивает поочередное включение лазеров 7, 8 и 9. Для удобства наведения пирометра используется подсветка контролируемой точки объекта дополнительным полупроводниковым лазером 10, излучающим в видимой области спектра. Для исключения его влияния на результат измерения температуры он при проведении ее измерений выключается блоком управления.
Устройство функционирует следующим образом. Отношение сигналов фотоприемников, возникающих под действием потока теплового излучения объекта, в общем случае определяется выражением
1
2
АЧТ
где ε(λ) - спектральная излучательная способность контролируемого металла; S(λ), S(λ) - абсолютные спектральные чувствительности пирометра, определяемые спектральными характеристиками используемых фотоприемников и объектива, L (λ, T) - спектральная яркость абсолютно черного тела (АЧТ).
В случае экспоненциальной аппроксимации (3) спектральной излучательной способности тела отношение сигналов фотоприемников зависит от величины коэффициента а:
1
2
Таким образом, при известных спектральных характеристиках пирометра S(λ) и S(λ), которые определяют в процессе его градуировки, отношение сигналов фотоприемников является функцией двух переменных: температуры объекта Т и параметра экспоненциальной аппроксимации а, характеризующего скорость изменения величины излучательной способности металла с длиной волны:
Семейство температурных зависимостей (9) для разных значений а после определения спектральных характеристик пирометра находят расчетным путем и записывают в память микропроцессора пирометра.
1
2
3
2
1
2
1,2
2,3
При измерении температуры металла микропроцессор должен определить величину параметра а, характеризующего скорость изменения излучательной способности металла с длиной волны. Для этого он измеряет сигналы фотоприемников, возникающие под действием теплового излучения металла без подсветки. Затем по очереди измеряются сигналы , , , , возникающие при поочередной подсветке контролируемой точки поверхности металла лазерным излучением источников 7, 8, 9 на длинах волн λ, λ, λ. Поскольку длина волны излучения второго лазера λ лежит в области перекрытия спектральных чувствительностей фотоприемников S(λ) и S(λ), по нормированным приращениям зарегистрированных сигналов  микропроцессор вычисляет отношения монохроматических коэффициентов отражения ρ и ρ:
где , ,  - мощности излучения лазеров 7, 8, 9. После чего микропроцессор находит параметр а аппроксимации ε(λ) металла путем численного решения системы из двух уравнений
Температура металла определяется микропроцессором численной интерполяцией по ближайшим рассчитанным значениям семейства зависимостей (9).
В случае использования степенной аппроксимации (4) спектральной излучательной способности металла семейство температурных зависимостей отношения сигналов фотоприемников для разных значений b определяется, подобно (8), по формуле
1, 2
2, 3
Тогда после нахождения по формуле (10) значений отношений ρ, ρ монохроматических коэффициентов отражения металла микропроцессор путем численного решения системы уравнений
определяет величину коэффициента b. Затем температура металла Т определяется интерполяцией по ближайшим рассчитанным значениям семейства зависимостей (12).
Таким образом, предлагаемый пирометрический способ определения термодинамической температуры металлов и устройство для его осуществления позволяет уменьшить методическую погрешность определения температуры до 0.15%, тогда как методическая погрешность способа спектрального отношения может составлять от 2 до 10%.
Источники информации
1. В.Н.Снопко. 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.
4. Патент РФ № 2290614, G01J 5/60, опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36.
5. A.Joullié, P.Christol, A.N.Baranov, A.Vicet: Mid-infrared 2-5 µm heterojunction laser diodes. Topic Appl. Phys. 80, 2003, 1-59.
6. A.Joullié, G.Glastre, R.Blondeau, J.C.Nicolas, Y.Cuminal, A.N.Baranov, A.Wilk, М.Garcia, P.Grech, C.Alibert: Continuous-wave operation of GaInAsSb-GaSb type-II quantum-well ridge-lasers. IEEE J. Select. Topic Quantum Electron. 5, 1999, 711-714.
7. A.Salhi, D.Barat, D.Romanini, Y.Rouillard, A.Ouvrard, R.Wemer, J. Seufert, J. Koeth, A.Vicet, A Garnache: Single-frequency Sb-based distributed-feedback lasers emitting at 2.3 µm above room temperature for application in tunable diode laser absorption spectroscopy. Appl. Opt. 45, 2006, 4957-4965.
8. P.Christol, M.E1.Gazouli, P.Bigenwald, A.Joullié: Performance simulation of 3.3 µm interband laser diodes grown on InAs substrate. Physica Е: Low-dimensional Systems and Nanostructures 14, 2002, 375-384.