Устройство для экспресс-калибровки яркостного пирометра

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным измерениям высоких температур методом яркостной пирометрии.
Яркостный пирометр измеряет яркостную температуру по абсолютной мощности излучения на длине волны пирометра. Известен способ калибровки яркостного пирометра по эталонному излучателю типа «черного тела» (Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М.: Наука, 1982 г.). При калибровке на «черном теле» выставляют температуру в определенном диапазоне температур и с определенным шагом, яркость излучения регистрируют многоэлементным матричным фотоприемником. По зарегистрированной яркости излучения и температуре находят градуировочную характеристику, которая связывает яркость излучения и температуру.
Недостатками использования «черного тела» является невозможность его размещения непосредственно на экспериментальной установке для учета потери света между измеряемым объектом и пирометром. Для яркостной пирометрии это существенный момент, как было сказано выше, в яркостной пирометрии температуру измеряют по абсолютной мощности излучения и, следовательно, результат измерения зависит от потери света во всем оптическом тракте. То есть эталонный объект необходимо устанавливать на место исследуемого объекта.
Наиболее близкими к заявленному техническому решению являются образцовые температурные лампы (ГОСТ 14008-82. Лампы температурные образцовые. Типы и основные параметры. Общие технические требования. - М.: Издательство стандартов, 1982, 10 с, ГОСТ 8.155-75. Лампы температурные образцовые 2-го разряда. Методы и средства поверки. - М.: Издательство стандартов, 1975, 30 с. - прил.), предназначенные для воспроизведения и передачи яркостной температуры. В известном техническом решении излучающей поверхностью является вольфрамовое тело накала в виде ленты, питание лампы осуществляют с помощью стабилизированного источника тока. Температура ленты накала зависит от протекающего через нее тока. Каждому значению тока соответствует определенная температура ленты.
Недостатками образцовых температурных ламп являются большие габаритные размеры, необходимость установки ламп строго в вертикальном положении для обеспечения охлаждения и продолжительное время, необходимое для стабилизации температуры.
Задачей и техническим результатом полезной модели является разработка малогабаритного стабильного источника излучения с равномерным распределением яркости излучения по оверхности, работающего на длине волны яркостного пирометра и позволяющего проводить его экспресс-калибровку, причем излучающая поверхность должна освещать более одного элемента на матричном фотоприемнике излучения а также повышение точности измерения температуры путем проведения экспресс-калибровки яркостного пирометра после каждого пуска в аэродинамической трубы.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для экспресс-калибровки яркостного пирометра, содержащем корпус, источник излучения, корпус имеет сферическую полость, в которой расположено окно, выходящее наружу и закрытое молочным стеклом, в качестве источника излучения использованы светодиоды, установленные внутри сферической полости так, чтобы ни один источник излучения не был виден через окно.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства для экспресс-калибровки яркостного пирометра.
На фиг. 2 приведена фотография предлагаемого устройства.
Устройство для экспресс-калибровки яркостного пирометра (фиг. 1) содержит корпус, имеющий сферическую полость, и состоящий из полусферы 1, кожуха 3 и полусферы 6; разъем питания 2. В полусфере 6 выолнено окно, закрытое молочным стеклом 4. Светодиоды 5 установлены в отверстиях на полусфере 6.
Противоположная сторона сферы по отношению к окну освещается светодиодами, причем так, чтобы ни один светодиод не был виден через окно. Стабильность излучения достигается стабилизированным источником питания. Для уменьшения влияния угла наблюдения и получения более равномерного поля интенсивности полость изготовлена в виде сферы, а окно полости закрыто молочным стеклом. Излучение от светодиодов освещает много элементов (около 50 элементов) на матричном приемнике излучения.
Калибровку яркостного пирометра с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом.
В яркостной пирометрии интенсивность излучения и температура связаны следующим выражением:
где I - интенсивность излучения, Т - температура, a  b - калибровочные коэффициенты. При калибровке яркостного пирометра определяют коэффициенты a  b, коэффициент a характеризует длину волну, на которой определяется яркостная температура, а коэффициент b характеризует оптический тракт.
При переходе от одной экспериментальной установки к другой меняется оптический тракт, это связано с тем, что на каждой установке своя система окон и зеркал. Также во время эксперимента на поверхности оптических элементов (окон, зеркал) могут осаждаться продукты разрушения исследуемых образцов, что тоже приводит к изменению оптического тракта. Следовательно, необходимо производить калибровку яркостного пирометра каждый раз, когда меняется оптический тракт. В большинстве случаев это проделать невозможно.
1
Данная проблема решается следующим путем: при калибровке яркостного пирометра в лабораторных условиях регистрируют интенсивность излучения I черного тела яркостным пирометром при разных температурах Т в определенном диапазоне температур с определенным шагом. Диапазон температур выбирается таким образом, чтобы он содержал измеряемые температуры при эксперименте. Далее методом наименьших квадратов находятся калибровочные коэффициенты a и b. Следующим шагом регистрируют интенсивность излучения заявляемого устройства - I, предварительно необходимо поместить заявляемое устройство на место черного тела для сохранения оптического тракта.
2
При изменении оптического тракта (переход на новую экспериментальную установку или загрязнение оптических элементов) снова регистрируют интенсивность излучения заявляемого устройства - I, предварительно поместив его на место исследуемых образцов. Выражение, связывающее интенсивность излучения и температуру исследуемой поверхности, соответствующее новому оптическому тракту, будет иметь следующий вид:
Заявляемое техническое решение успешно апробировано в высокоэнтальпийных аэродинамических установках при испытаниях теплозащитных материалов, излучение от заявляемого устройства освещало около 50 элементов на матричном приемнике излучения. Заявляемое устройство позволило значительно сократить время калибровки яркостного пирометра при подготовке к эксперименту, а также повысить точность измерения яркостной температуры путем проведения экспресс-калибровки яркостного пирометра после каждого пуска.