Классификация акустооптических измерительных преобразователей для систем экологического и техносферного мониторинга

Metrology and information-measuring devices

Мухамадиев А.А.

Mukhamadiev A.A.

кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры «Информационноизмерительная техника»

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»,

Россия, г. Уфа

УДК 621.38:669

КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И ТЕХНОСФЕРНОГО МОНИТОРИНГА

В данной работе рассматривается необходимость обеспечения контроля и измерения температуры с заданными метрологическими характеристиками. Обосновывается необходимость применения дистанционных средств измерения температуры. Рассмотрены методы дистанционного измерения температур тел: яркостный, цветовой, радиационный.

Проводится анализ энергетического оптического преобразователя температуры и оптического преобразователя температуры спектрального отношения. Показано, что недостатками энергетического оптического преобразователя температуры являются: необходимость априорной информации об оптических свойствах поверхности объектов; зависимость точности измерения от геометрии расположения объекта и его формы, состояния окружающей среды и воздействия других объектов. Указано, что подобных недостатков лишен оптический преобразователь спектрального отношения, однако, в силу конструктивных особенностей его показания оказываются завышенными более чем на 10%.

Выявлено, что невысокая точность и низкая функциональность измерения обусловлено тем, что коэффициент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, либо невозможно сканирование спектра излучения с целью выбора окон прозрачности атмосферы. Приведены данные об ошибках измерения при 1% ошибке установки коэффициента излучения.

Рассмотрены пути решения данной проблемы. Разработана классификация оптических преобразователей температуры с целью выявления методов и средств, обеспечивающих комплексное улучшение характеристик. Предложено создание оптических преобразователей температур на основе акустооптического эффекта.

Ключевые слова: температура; измерение; оптический преобразователь температуры; акустооптический преобразователь.

CLASSIFICATION OF OPTICAL TRANSDUCERS FOR TEMPERATURE SYSTEMS FOR ENVIRONMENTAL MONITORING AND TECHNOSPHERIC

In this paper we consider the need for monitoring and measuring the temperature with the set metrological characteristics. The necessity of application of remote temperature measurement instruments. The methods of remote temperature measurement tel: luminance, color, radiation.

The analysis of the energy of the optical transducer temperature and the temperature of the optical transmitter spectral ratio. Acknowledged that the lack of power of the optical transmitter temperature are: the need for a priori information about the optical properties of the object surface; dependence of the accuracy of measurement geometry of the object and its shape, the environment and the impact of other objects. Indicated that these deficiencies deprived optical converter spectral ratio, however, due to the design features of its readings are too high by more than 10%.

Revealed that the low accuracy and low functionality of measurement due to the fact that the emissivity is either unknown or changes to the law in midget unknown period of time, or it is impossible to scan the emission spectrum in order to select the windows of atmospheric transparency. The data on the measurement error of 1%

Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014

113

Метрология и информационно-измерительные устройства

error installing emissivity. The ways to solve this problem. The classification of optical converters temperature in order to identify the methods and means of ensuring a comprehensive improvement in performance. Suggested the creation of optical converters temperatures based on acousto-optic effect.

Key words: temperature; measurement; optical transducer temperature; acousto-optical transducer.

Температура является одной из наиболее распространенных физических величин, требующих измерения и контроля во многих отраслях промышленности и научной деятельности. Постоянное развитие уровня автоматизации и все большее использование высокотемпературных технологических процессов, а также поддержание их качества, приводит к необходимости создания устройств -оптических преобразователей температуры (ОПТ), обеспечивающих контроль и измерение температуры с заданными метрологическими характеристиками. В ряде технологических процессов (высокие температуры, перемещение объекта и т. д.) возникает необходимость применения дистанционных средств измерения температуры.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили три метода дистанционного измерения температур тел: яркостный, использующий для измерения температур тел, изменение с температурой яркости тела в данной длине волны; цветовой, основанный на изменении с температурой распределения энергии внутри данного участка спектра излучения тела; радиационный, использующий зависимость от температуры общего количества энергии, излучаемого телом в широком спектральном интервале. По принципу действия, который определяется параметром теплового излучения, используемым для измерения температуры излучающего тела, ОПТ разделяются на два класса: энергетические и спектрального отношения. Энергетические ОПТ могут быть разделены на следующие три группы: ОПТ полного излучения, ОПТ частичного излучения, монохроматические ОПТ [1].

Однако, следует отметить, что результат измерений будет зависеть не только от температуры, но и от оптических свойств и состояния поверхности исследуемого объекта. Для того чтобы измерить температуру объекта, необходимо иметь априорную информацию об оптических свойствах поверхности объектов, а учитывая, что это не всегда возможно (например, изменение фазового состояния при плавлении металлов и их сплавов), следовательно, невозможно узнать истинную температуру с необходимой точностью. Таким образом, не всегда возможно использование энергетических ОПТ. Также у них имеются недостатки, при которых точность измерения зависит: от расстояния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности

и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом.

Данных недостатков в определенной степени лишены ОПТ спектрального отношения, которые определяют температуру объекта по отношению сигналов от двух приемников, работающих на разных длинах волн. Таким образом, расстояние, форма измеряемого объекта, запыленность, загазованность одинаково влияют на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение, а отличие значения s измеряемого объекта от 1 чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников, поэтому отношение сигналов слабо зависит от s, и корректный результат измерения получается без знания s объекта.

Однако у данного типа ОПТ имеется и существенный недостаток. Результат их измерения зависит от спектральной зависимости s = f(X), при которой с ростом длины волны спектральная излучательная способность sA, снижается. В связи с чем сигнал длинноволнового приемника оказывается заниженным по сравнению с коротковолновым. По этой причине показания ОПТ спектрального отношения оказываются завышенными нередко более чем на 10% [2].

Таким образом, невысокая точность и низкая функциональность измерения обусловлена тем, что коэффициент излучения объектов либо неизвестен, либо изменяется по неизвестному закону в сверхмалый промежуток времени, либо невозможно сканирование спектра излучения с целью выбора окон прозрачности атмосферы. Имеющиеся не сегодняшний день способы и средства измерения, основанные на них, не позволяют измерять температуру с высокой точностью и чувствительностью в широком диапазоне измерения. Исходя из вышеизложенного следует, что важной научно-технической проблемой является создание нового класса ОПТ, обладающих характеристиками, позволяющими выполнить сформированные выше требования. Для более наглядного понимания существующей проблемы в плане обеспечения заданной точности вследствие неправильной установки коэффициента излучения, представим рисунок.

114

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014

Metrology and information-measuring devices

Таким образом, необходимы новые направления с целью решения данной проблемы. Одним из концептуальных решений повышения точности является увеличение отношения количества длин волн, т. е. количества измеряемых спектров. В частности, в работе [3] рассматривается конструкция трехспектрального пирометра. Однако несмотря на кажущееся решение проблемы возникает ряд других проблем: усложнение конструкции, усложнение калибровки и т. д.

Также в последние годы, значительно возрос интерес к спектральной пирометрии, предназначенной для измерения температуры по оптическим спектрам теплового излучения объектов с возможностью измерения температуры при отсутствии априорных данных об излучательной способности. Процесс измерения заключается в регистрации непрерывного спектра излучения в широком интервале длин волн, последующем сравнении полученного спектра со спектром черного излучателя, определении участков, где эти спектры подобны, и нахождении искомой температуры как параметра распределения интенсивности в спектре. Данный метод в отличие от изложенных выше проводит измерения на большом количестве (сотнях и тысячах) длин волн. Однако для применения данного метода необходима разработка специальных спектрометров для регистрации широкого спектра излучения в области Вина. Таким образом, у данного метода также присутствуют определенные проблемы, которые в ряде случаев являются преобладающими, а именно, высокая стоимость спектрометра, сложность конструкции, сложность обработки сигнала и т. д. [4].

С целью систематизации и последующего анализа рассмотрим вначале все возможные методы измерения физические принципы получения пер-

вичной измерительной информации и не принимая во внимание структуры и алгоритмы обработки информации. Классифицировать методы и средства измерения можно по различным критериям. Обычно основным критерием таких классификаций являются физические эффекты. В данной работе, поскольку целью систематизации является выявление методов и средств, обеспечивающих комплексное улучшение характеристик, автор предлагает следующую схему классификации (рисунок 2).

Проведенный анализ различных способов и средств измерения, основанных на них, показал, что основные ограничения на характеристики вводятся используемыми элементами оптики, которые ограничивают количество длин волн на которых производятся измерения. Для качественного улучшения характеристик необходимо использование адаптивной оптики. Совершенствование структуры и элементной базы, базирующееся на традиционных физических эффектах, не дает значимых результатов. В связи с этим наиболее приемлемо применение элементов на новых физических эффектах. Одним из которых является акустооптический эффект, обладающий большим потенциалом.

Сущность эффекта заключается во взаимодействии электромагнитных волн с акустическими возмущениями, распространяющимися в упругой среде. Из широкого спектра разработанных к настоящему времени акустооптических элементов наибольшее распространение получили акустооптические перестраиваемые фильтры, обладающие большим количеством положительных характеристик. Акустооптические перестраиваемые фильтры (АОПФ) позволяют исследовать спектральный состав электромагнитного излучения по длинам волн в оптическом диапазоне, найти спектральные

Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014

115

о

ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

CD

CD

т:

-I

"О

О

-I

CD

X

_С

CD

О

т;

s

CD

-8-

о

"О

s

ш

сг

CD

CD

т;

О

О"

О

S

о

-I

CD

X

<

X

со

X

CL

С

щ

-Q

X

X

о

X

d

<

ъ*

X

е

X

и

и

<

ч

По характеру взаимодействия с объектом

активные

По принципу действия

лазерные

===±==

энергетические

По организации взаимодействия с объектом

те

eg

Cl

CL О Е- ^

О.

<и

н

ЕЕ

о. ё

« к

•©• s

CL О £ S £ Q S ^ s Н

5 о? 5 яз

= X О. х а» 5

со 2 eg S

«=; з

2

X

X

<и

* eg CL Н о X н CJ О X

о **

X О

те X <и аа

Cl X

4) н

S о

О

Cl

<и

н

eg

X

н

X те <u S X- О

cj Н

<и <и

£ 2 S о s s о Q

Щ ^

о н

н

о

-е-

ЕЕ

1

X

X

eg

X

X

о

CL

Е-

<U

ЕЕ

_£

спектрального отношения

пассивные

универсальные

ЕЕ

Т7

eg

2

О

а

х

о

X

о

ЕЕ

По типу

применяемой

оптики

адаптивная

По принципу

действия оптического элемента

перестраиваемые по длине волны

светофильтры

интерференционные фильтры

По способу управления 1 Г

с микроконтроллером без микроконтроллера с персональным компьютером

-1 i

По

1 Г *

исполнению стационарные переносные комбинированные

DO

со

Метрология и информационно-измерительные устройства

Metrology and information-measuring devices

характеристики излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением. Их перестройка осуществляется путем «свипирования» несущей частоты акустической волны. Основное предназначение

- выделение из широкого спектра составляющей с узким спектральным диапазоном и перестройка центральной волны этого диапазона в соответствии с управляющим сигналом [5-9].

Применение подобных оптических элементов, по своей сути являющихся адаптивными, значительно расширяет возможности измерения и функции и нивелирует недостатки. В подобном ОПТ появляется возможность управления полосами пропускания АОПФ и выбора таких длин волн, измерения в которых позволят определить значения истинной температуры объекта контроля. АОПФ позволяет не только существенно упростить и повысить надежность оптической части пирометра (вследствие исключения второго канала и решения взаимной юстировки каналов), но и увеличить точность измерений за счет одномоментной температурной стабилизации одного фотоприемника излучения, отсутствия каких-либо движущихся частей, микродвигателей, колеблющихся шторок в оптической части пирометра. Таким образом, создание нового класса ОПТ, основанного на применении адаптивной оптики на основе акустооптического эффекта, позволяет значительно повысить точность измерения температуры.

Список литературы

1. Фаррахов Р.Г. Оптико-электронные преобразователи температуры для систем контроля технологическими процессами: Научное издание [Текст] / Р.Г. Фаррахов, М.А. Ураксеев, А.А. Муха-мадиев. - Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2010. - 105 с.

2. Фрунзе А.В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора [Текст] / А.В. Фрунзе // Фотоника. - 2012. - № 3. - С. 46-51.

3. Шелковой Д.С. Разработка и исследование принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра: автореферат диссертации ... кандидата технических наук [Текст] / Шелковой Денис Сергеевич. - Новосибирск, 2010. - 158 с.

4. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия: особенности, преимущества, ограничения [Текст] / А.Н. Магунов // Фотоника. - 2012. - № 1. - С. 40-45.

5. Мухамадиев А.А. Математическая модель акустооптического пирометра [Текст] / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2012.

- № 2. - С. 28-30.

6. Мухамадиев А.А. Статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра [Текст]/ А.А.

Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов // Датчики и системы. - 2011. - № 11. - С. 41-43.

7. Мухамадиев А.А. Акустооптический преобразователь температуры / А.А. Мухамадиев, Р.Г. Фаррахов [Текст] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2011. - № 1. - С. 26-28.

8. Фаррахов Р.Г. Универсальный пирометр для измерения высоких температур / Р.Г. Фаррахов, А.А. Мухамадиев [Текст] // Датчики и системы. -2010. - № 11. - С. 23-25.

9. Фаррахов Р.Г. Математическая модель оптического преобразователя температуры с волоконным световодом [Текст] / Р.Г. Фаррахов // Приборы. - 2010. - № 4. - С. 11-14.

References

1. Farrahov R.G. Optiko-jelektronnye preob-

razovateli temperatury dlja sistem kontrolja tehnologicheskimi processami: Nauchnoe izdanie

[Tekst] / R.G. Farrahov, M.A. Urakseev, A.A. Muhama-diev. - Ufa: Ufimskaja gosudarstvennaja akademija jekonomiki i servisa, 2010. - 105 s.

2. Frunze A.V. Vlijanie metodicheskih pogresh-nostej pirometra na vybor pribora [Tekst] / A.V. Frunze // Fotonika. - 2012. - № 3. - S. 46-51.

3. Shelkovoj D.S. Razrabotka i issledovanie principov postroenija i shemy opticheskogo trehspektral'nogo pirometra: avtoreferat dissertacii ... kandidata tehnicheskih nauk [Tekst]/ Shelkovoj Denis Sergeevich. - Novosibirsk, 2010. - 158 s.

4. Magunov A.N. Spektral'naja pirometrija: osobennosti, preimushhestva, ogranichenija [Tekst] / A.N. Magunov// Fotonika. - 2012. - № 1. - S. 40-45.

5. Muhamadiev A.A. Matematicheskaja model' akustoopticheskogo pirometra [Tekst] / A.A. Muhamadiev, R.G. Farrahov // Datchiki i sistemy. -2012. - № 2. - S. 28-30.

6. Muhamadiev A.A. Staticheskaja harakteristika, chuvstvitel'nost' i razreshajushhaja sposobnost' akusto-opticheskogo pirometra [Tekst] / A.A. Muhamadiev, R.G. Farrahov // Datchiki i sistemy. - 2011. - № 11. - S. 41-43.

7. Muhamadiev A.A. Akustoopticheskij preobra-zovatel' temperatury / A.A. Muhamadiev, R.G. Farrahov [Tekst] // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. - 2011. - № 1. - S. 26-28.

8. Farrahov R.G. Universal'nyj pirometr dlja izmerenija vysokih temperatur / R.G. Farrahov, A.A. Muhamadiev [Tekst] // Datchiki i sistemy. - 2010. -№ 11. - S. 23-25.

9. Farrahov R.G. Matematicheskaja model' opticheskogo preobrazovatelja temperatury s volokonnym svetovodom [Tekst] / R.G. Farrahov // Pribory. - 2010. - № 4. - S. 11-14.

Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014

117