ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА
PYROMETRIC METHOD OF MEASURING TEMPERATURE DISTRIBUTION ON SURFACE OF OBJECT

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области оптической пирометрии, и предназначено для измерения распределения температуры на поверхности различных объектов.
Современные пирометрические методы измерения температуры можно разделить на три группы: яркостные методы (температура определяется по спектральной плотности теплового излучения объекта на заданной частоте), радиационные (температура определяется по энергетической светимости объекта) и многочастотные (температура определяется по спектральной плотности теплового излучения объекта на нескольких частотах). Все перечисленные методы обладают достаточно высоким пространственным разрешением и позволяют измерять распределение температуры.
Из предыдущего уровня техники известны различные варианты яркостных методов. В качестве примера можно привести метод, реализованный в устройстве, описанном в работе [С.Е.Александров, Г.А.Гаврилов, А.А.Капралов, Г.Ю.Сотникова, Д.Ф.Черных, А.Н.Алексеев, А.Л.Дудин, И.В.Коган, А.П.Шкурко, Устройство пирометрического контроля температуры подложки GaAs для установки молекулярно-лучевой эпитаксии, Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.1, с.123-127], который заключается в приеме пирометрического сигнала на заданной частоте и вычислении температуры в соответствии с результатами экспресс-калибровки по одной или нескольким реперным температурам. Общий недостаток всех яркостных методов - необходимость сведений о поглощательной способности объекта. В данном случае поглощательную способность учитывают при калибровке. Недостаток данного метода в необходимости наличия реперной температуры и отсутствии полного учета зависимости поглощательной способности объекта от температуры.
Известны различные варианты многочастотных методов. В качестве примера можно привести метод спектрального отношения, описание которого можно найти в работе [М.А.Гумиров, Пирометрия процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, Известия Томского политехнического университета, Математика и механика. Физика, 2007, т.311, №2, с.135-138], заключающийся в приеме двух пирометрических сигналов на разных частотах и расчете температуры по их отношению. Основной недостаток метода в том, что он применим лишь в тех случаях, когда в выбранном для измерений спектральном диапазоне поглощательная способность объекта не зависит от частоты.
Известен многочастотный метод, описанный в патенте [РФ №2365883, МПК G01J 5/60, опубл. 27.08.2009, бюл. №24], включающий прием, по меньшей мере, трех пирометрических сигналов на эквидистантно расположенных частотах, близость которых обеспечивает линейную зависимость логарифма произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды от длины волны. Температуру в данном способе вычисляют по отношению первого и третьего сигнала, затем вводят поправку, вычисленную по всем, по меньшей мере, трем сигналам. Недостаток метода в том, что он применим только в случаях, когда выполняется упомянутое выше условие линейности, строго говоря, метод требует наличия априорных сведений о свойствах объекта. Сближение частот пирометрических сигналов с одной стороны расширяет область применения метода, но при этом требует повышения спектрального разрешения и, следовательно, приводит к удорожанию метода. Увеличение количества пирометрических сигналов принимаемых на разных частотах также приведет к усложнению метода.
Известны различные мультиспектральные методы, заключающиеся в регистрации спектра теплового излучения объекта (на нескольких сотнях или тысячах частот), выборе участка спектра подобного спектру абсолютно черного тела и определении температуры по выбранному участку [А.Н.Магунов, Спектральная пирометрия (обзор), Приборы и техника эксперимента, 2009, №4, с.5-28]. Указанные методы не требуют каких-либо предварительных сведений о поглощательной способности объекта.
Общий недостаток всех многочастотных методов (и в особенности мультиспектральных) заключается в том, что они с технической точки зрения сложнее и соответственно дороже яркостных методов, поскольку требуют измерения пирометрического сигнала на нескольких частотах, что влечет применение соответствующей спектральной техники. Чтобы измерить распределение температуры многочастотным методом, фактически необходимо получить изображение объекта, сформированное его тепловым излучением на нескольких частотах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является хорошо известный метод относительной яркостной пирометрии, описание которого можно найти в работе [Ф.Ф.Каримова, С.Г.Орловская, В.В.Калинчак, М.С.Шкоропадо, Исследование температурных полей излучающих объектов, Физика аэродисперсных систем, 2006, вып.43, с.39-45] (прототип). Данный метод заключается в следующем. Формируют цифровое изображение объекта на выбранной частоте за счет испускаемого объектом теплового излучения. Измеряют среднюю температуру в некоторой области поверхности объекта с помощью пирометра. По распределению яркостей пикселей изображения объекта и показаниям пирометра вычисляют распределение температуры.
Недостаток данного метода в необходимости сведений о зависимости поглощательной способности объекта от координат на его поверхности и температуры, а также в необходимости применения независимого метода измерения температуры.
Технический результат, на достижение которого направленно изобретение, - способ измерения распределения температуры на поверхности объекта, не требующий каких-либо предварительных сведений о его свойствах, но при этом сохраняющий простоту и дешевизну яркостных методов (в частности, простоту и дешевизну метода относительной яркостной пирометрии).
Заявленный технический результат достигается следующим образом. В способе измерения распределения температуры на поверхности объекта, включающем формирование цифрового изображения объекта на выбранной частоте за счет испускаемого объектом теплового излучения, формируют дополнительное цифровое изображение того же объекта, освещенного рассеянным излучением подсветки. Выбор частоты, на которой формируют цифровые изображения объекта, в известной мере произволен.
(тепл)
(общ)
Далее формируют массив i, каждый элемент которого представляет собой яркость соответствующего пикселя цифрового изображения объекта, и массив i, каждый элемент которого представляет собой яркость соответствующего пикселя дополнительного цифрового изображения объекта.
(тепл)
:
Затем с помощью зависимости I(i) (где i - яркость данного пикселя, I - спектральная плотность излучения, распространяющегося от соответствующего участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, приходящаяся на единицу видимой площади этого участка поверхности объекта) формируют массив i
(тепл)
(тепл)
i,j
i,j
I =I(i )
(общ)
индексы i,j указывают номер элемента массива. Аналогичным образом формируют массив I:
(общ)
(общ)
i,j
i,j
I =I(i )
(отр)
Далее формируют массив I, каждый элемент которого представляет собой спектральную плотность излучения подсветки, отраженного от соответствующего участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, приходящуюся на единицу видимой площади этого участка поверхности объекта:
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
(отр)
0
По массиву I и величине освещенности поверхности объекта на выбранной частоте ω вычисляют массив коэффициентов отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры R:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>р</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
где I - освещенность поверхности объекта на выбранной частоте.
(тепл)
По массиву R и массиву I в соответствии с формулой Планка и законом Кирхгофа, записанным для теплового излучения, распространяющегося в сторону объектива видеокамеры, вычисляют массив температур Т:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>η</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>η</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow /><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
0
где ω - частота, на которой формируют изображения объекта,
i,j
D - отношение мощности излучения, испускаемого в сторону объектива видеокамеры плоским Ламбертовым источником, расположенным перпендикулярно оптической оси видеокамеры на месте соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта, к мощности излучения, испускаемого этим источником по всем направлениям;
k - постоянная Больцмана;
η - постоянная Планка;
с - скорость света в вакууме.
0
0
Если освещенность поверхности объекта на выбранной частоте при формировании дополнительного цифрового изображения объекта не известна (источник излучения подсветки не откалиброван) рядом с исследуемым объектом размещают образец с известным (равным некоторой величине R) коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте. Освещенность поверхности объекта на выбранной частоте определяют по величине R, зависимости I(i) и яркостям пикселей цифрового изображения образца с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте.
0
В случае если источник излучения подсветки откалиброван, образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте может быть использован для корректировки (экспресс-калибровки) зависимости I(i), позволяющей отслеживать изменение пропускания промежуточной среды со временем на частоте ω. Если объект находится в вакуумной камере, изменение пропускания промежуточной среды может быть связанно с загрязнением окна вакуумной камеры.
Если необходимо измерить зависимость распределения температуры на поверхности объекта от времени и при этом заранее известно, что поглощательная способность объекта на выбранной частоте от температуры не зависит, дополнительное цифровое изображение объекта, необходимое для определения элементов массива R, можно формировать только один раз. Такой подход увеличивает разрешение по времени.
Главное отличие от прототипа заключается в том, что распределение температуры измеряют не по одному цифровому изображению, а по двум изображениям, одно из которых получено в условиях подсветки объекта рассеянным излучением. Метод расчета распределения температуры по яркостям пикселей имеет соответствующие отличия. Температуру рассчитывают не по поглощательной способности, а по коэффициенту отражения рассеянного излучения в заданном направлении в заданный телесный угол. Измерение средней температуры в некоторой области поверхности объекта не требуется, соответственно не требуется применение независимого метода измерения температуры.
Пример применения описанного способа измерения распределения температуры на поверхности объекта
Данный способ использовали для измерения распределения температуры на поверхности образцов природных минералов во время лазерного ступенчатого аргон-аргонового датирования. Эксперименты выполняли на стандартном лазерном комплексе «Argus» (Аналитический центр ИГМ СОРАН).
Образец природного минерала (объект) помещали в вакуумную камеру масс-спектрометра и нагревали с помощью лазерного излучения, чтобы выделить из него аргон, по изотопному составу которого определяют возраст образцов природных минералов при аргон-аргоновом датировании. Изображение нагретого образца природного минерала, формируемое на полупроводниковой матрице видеокамеры за счет видимого излучения, выводили на монитор компьютера; видеокамера была оснащена красным узкополосным оптическим фильтром (при измерениях использовались образцы природных минералов, представляющие собой тонкие, непрозрачные в видимой области спектра пластинки; температура нагрева образцов природных минералов позволяла фиксировать их тепловое излучение в видимой области спектра). Пропускание красного узкополосного оптического фильтра на частоте максимальной прозрачности обеспечивало полное подавление фоновой засветки полупроводниковой матрицы видеокамеры за счет дневного света. Освещение образца природного минерала рассеянным излучением при формировании дополнительного цифрового изображения объекта осуществляли с помощью встроенной подсветки лазерного комплекса «Argus». Для вычисления освещенности поверхности образца природного минерала рядом с ним размещали образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на частоте максимальной прозрачности красного узкополосного оптического фильтра. Зависимость I(i) определили с помощью известной модели абсолютно черного тела - резистивной печке с небольшим отверстием для вывода теплового излучения. Обработку цифровых изображений осуществляли с помощью программы написанной на платформе Framework 4.0.
На рисунке (фиг.1) представлено распределение температуры на поверхности образца слюды (биотита) на одной из ступеней нагрева. Значения координат на поверхности образца (х, у) указанны в пикселях, пространственное разрешение составляло 120 мкм, погрешность измерения температуры 10°С, погрешность измерения температуры в основном определяется качеством видеокамеры. Из данного графика видно, что распределение температуры неоднородно, разброс температур достигает 60°С.
Описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта позволил выполнять контроль распределения температуры на поверхности образцов природных минералов (поглощательная способность которых не известна и существенно зависит как от координат на их поверхности, так и от температуры) во время лазерного нагрева при датировании и, следовательно, позволил исключить ранее не учитываемую погрешность в возрасте образцов природных минералов, связанную с неоднородностью их прогрева (как показал эксперимент, величина этой погрешности может в 15 раз превосходить аналитическую погрешность). Практическая реализация способа измерения распределения температуры на поверхности объекта не потребовала существенных дополнительных технических затрат, дополнительные затраты ограничились приобретением одного красного узкополосного оптического фильтра.
0
Приведенный пример не исчерпывает все возможности способа измерения распределения температуры на поверхности объекта и служит лишь иллюстративным целям. Под объектом можно понимать твердое тело, непрозрачное на выбранной частоте (минерал, полупроводниковый элемент и т.д.); каплю жидкости, непрозрачную на выбранной частоте и не меняющую форму за время формирования цифрового изображения объекта и дополнительного цифрового изображения объекта (например, каплю ртути) и т.д. Кроме того, приведенный пример не является единственным вариантом технической реализации описанного способа измерения распределения температуры на поверхности объекта. Конкретные реализации могут отличаться выбором частоты ω, способом формирования цифровых изображений и т.д.
Таким образом, в отличие от известных яркостных (а также двух- или трехчастотных) способов описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта не требует каких-либо предварительных сведений о свойствах объекта, все необходимые параметры определяются экспериментально. Благодаря тому, что коэффициенты отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте определяются непосредственно в условиях измеряемого распределения температуры, описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта позволяет экспериментально учитывать зависимость поглощательной способности объекта как от координат на его поверхности, так и от температуры. Описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта обеспечивает подавление ошибки измерения температуры связанной с неровностями поверхности объекта, поскольку фактически измеряют эффективные коэффициенты отражения. По сравнению с многочастотными способами (и в особенности мультиспектральными) описанный способ проще в реализации и требует меньших затрат, поскольку подразумевает формирование цифровых изображений на одной частоте. Таким образом, описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта предоставляет возможности аналогичные возможностям мультиспектральных способов, сохраняя простоту и дешевизну яркостных.