Двухканальный панорамный пирометр спектрального отношения

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к устройствам бесконтактного измерения полей температур поверхности нагретых тел и горячего газового потока методом спектрального отношения. Может быть использовано в любой отрасли промышленности и для научных исследований для бесконтактного определения динамических температурных полей.
Диапазон применения устройства охватывает все виды контроля технологических процессов и исследовательской деятельности, где необходимо регистрировать пространственное распределение температуры на поверхности тел или в объеме реагирующего газа, с введенными естественным образом или принудительно микрочастицами, с помощью бесконтактного панорамного способа измерения спектральной температуры.
Известно устройство [патент №2396525, Бодров В.Н., Рассел М.М., «Способ дистанционного измерения температуры движущегося объекта»], представляющее собой двухканальный пирометр спектрального отношения, недостатком которого является отсутствие возможности измерения полей температур быстропротекающих процессов и отсутствие контроля спектральных полос излучения. Также известно устройство [патент №2485458, Захаренко В.А., Лобов Д.Г., Пономарев Д.Б., Шкаев А.Г., «Пирометр спектрального отношения»], представляющее собой двухканальный пирометр спектрального отношения, недостатком которого является отсутствие модуля совмещения изображений и, как уже было отмечено, отсутствие контроля спектральных полос излучения.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является [патент №2290614, Сергеев С.С., «Двухканальный пирометр спектрального отношения»], выполненный по каскадной схеме, что теоретически может повысить чувствительность прибора примерно в два раза.
Недостатком указанного прототипа является высокая погрешность измерений при исследовании температуры тел, не являющимися заведомо серыми, так как это основное предположение для пирометров спектрального отношения. Вторым недостатком прототипа является отсутствие контроля корректности измерений, так как при наличии спектральных компонент данный пирометр покажет неправильный результат и не предоставит данных о степени информативности выполненных измерений. Еще одним недостатком является изменение рабочего отрезка в каскадной схеме, что приводит к пространственному рассогласованию каналов и снижению точности измерений.
Технической задачей является разработка и создание двухканального панорамного пирометра спектрального отношения, который позволяет измерить спектральную зависимость излучения от длины волны, и, следовательно, уточнить результат измерения и проконтролировать наличие или отсутствие мешающих спектральных компонент в областях пропускания оптических фильтров основных каналов пирометра спектрального отношения, и имеет систему совмещения фотоприемных матриц.
Поставленная цель достигается тем, что двухканальный панорамный пирометр спектрального отношения, содержащий объектив, фокусирующий изображение с помощью светоделительного устройства на два фотоприемника, перед каждым из которых располагается оптический фильтр, имеет дополнительный спектрометр высокого спектрального разрешения, устройство совмещения спектральных изображений и матричные фотоприемники.
Устройство имеет дополнительный светоделительный элемент для отвода излучения в спектрометр высокого спектрального разрешения. Специализированный светоделительный элемент может быть выполнен в виде светоделительного куба, на некоторые грани которого нанесены покрытия для повышения светопропускания. Грани без покрытия могут быть использованы для отвода части излучения в светоприемный канал спектрометра.
Для совмещения изображений с обоих фотоприемников может быть применен механизм пространственного позиционирования одного или двух фотоприемников. Для повышения точности определения температуры методом спектрального отношения может быть применена специальная автоматизированная система управляемого позиционирования элементов и совмещения на основе анализа изображений, полученных с фотоприемников. Для еще более точного определения значений температуры механизм пространственного позиционирования фотоприемников может быть выполнен в виде автоматизированной системы субпиксельного совмещения.
Для создания более компактного конструктива фотоприемники могут быть объединены в одном устройстве конструктивно как механически, так и на уровне электронных интерфейсов. Полученный результат может представлять собой двухматричную камеру. Для повышения точности и повышения робастности устройства, матрицы могут быть совмещены оптически при производстве устройства и иметь интегрированную оптику. В целях повышения точности и надежности устройства может быть выполнена предварительная юстировка оптики и фотоприемных матриц при производстве с последующей фиксацией.
На фиг. 1 представлена общая конструкция устройства. Устройство состоит из входного объектива с корректирующей оптикой 1, могут применяться стандартные объективы со специальной насадкой, позволяющей менять рабочий отрезок объектива, светоделительного устройства в виде стеклянного куба, склеенного из двух 90° призм 2, особенностью которого является отсутствие просветляющих покрытий 3, 3' на выбранный диапазон длин волн на сторонах куба, обращенных к фотоприемным устройствам, что позволяет произвести отбор небольшой (5-10%) части излучения к дополнительному каналу спектрометра 6, 7, 8. Устройство содержит полосно-пропускающие фильтры 4, 4', обеспечивающие исходные данные по интенсивности излучения на двух длинах волн для спектральной пирометрии; скоростные регистрирующие камеры 5, 5', механизм позиционирования фотоприемников регистрирующих камер с возможностью автоматизированного управления субпиксельным перемещением фотоприемников 10; объектив-коллиматор спектрометра 6; широкополосный оптический волоконный кабель 7; спектрометр высокого разрешения 8. 6, 7, 8 представляет в совокупности дополнительный канал высокого спектрального разрешения, позволяющий измерять зависимость интенсивности излучения от длины волны с высоким спектральным разрешением и в большом диапазоне длин волн, а также контролировать наличие спектральных полос в области пропускания полосно-пропускающих фильтров 4, 4'; систему сбора и обработки данных (изображений) 9 с выводом результата анализа изображений по пространственному совмещению на исполнительные механизмы автоматизированной системы позиционирования 10, что позволяет добиться пиксельного совмещения изображений по положению и по масштабу, причем сама система обработки обеспечивает субпиксельное совмещение изображений также по положению и масштабу.
Технический результат достигается с помощью: канала контроля непрерывного спектра излучения, что позволяет оценить зависимость интенсивности излучения от длины волны, что важно при наличии нелинейности данной зависимости и измерения температуры потоков; особенности реализации отвода излучения для дополнительного канала; особенности реализации для исследования высокоэнтальпийных потоков характеризующихся не только высокими температурами, но и малыми временами переходных процессов; контура стабилизации изображений; контура совмещения панорамных спектральных изображений; возможности реализации в конструктивно едином приборе.
Способ измерения спектральной температуры известен давно и описан во многих учебниках, монографиях и научных статьях [Магунов А.Н. Спектральная пирометрия (обзор). Приборы и техника эксперимента, 2009, №4], [Фрунзе А. Пирометры спектрального отношения. Преимущества, недостатки, пути их устранения. Фотоника 4/2009]. Устройство использует двухточечный метод спектрального отношения - определение температуры по измерениям на интегральных участках, обусловленных применяемыми светофильтрами на двух поддиапазонах по длинам волн исследуемого излучения. Устройство расширительно толкует понятие датчик, как элемент (пиксел) чувствительной матрицы, что позволяет с использованием двух матриц проводить панорамные измерения полей спектральных температур. Известен ряд таких устройств, основанных на применении двух матричных камер [John М. Densmore et. al., High-speed two-camera imaging pyrometer for mapping fireball temperatures, APPLIED OPTICS, Vol. 50, No. 33, Nov. 2011], [F. Meriaudeau, Real time multispectral high temperature measurement, Image and Vision Computing 25 (2007) 1124-1133].
Пирометры спектрального отношения и яркостные тепловизоры в панорамном исполнении применяются почти повсеместно, включая службы ЖКХ и ремонтные строительные организации для анализа полей температур, и, как следствие, анализа нерасчетных случаев перегрева оборудования, утечек тепла, наличия теплоотвода в виде высокой влажности поверхностей и пр. Несколько меньшее, но также широкое применение такие устройства находят в медицинских исследованиях, и при работе с технологическими процессами, исследованиями систем в области плазмохимии, теплозащитных материалов, различных процессов в ДВС, авиационных и ракетных двигателях.
Не всем известно, что получаемые с помощью данных приборов значения температур почти всегда не соответствуют термодинамической температуре, в силу способа измерения температуры через регистрацию теплового излучения. На излучение всегда влияют излучательные свойства исследуемого материала во всех формах - твердой, жидкой, газообразной. Сложность исследования излучательной способности заключается в том, что она зависит не только от материала, но и от длины волны излучения (простейший пример - предмет обладает цветом, а не является всегда только черным, или серым), а также, что непросто представить, эти зависимости начинают изменяться с изменением температуры.
Так как бесконтактное измерение температуры крайне востребованный продукт, то идут на различные ухищрения, направленные на повышение точности измерений. Одно из таких усложнений представлено в данном устройстве. Начнем с того, что оно основано на определении не яркостной, как наиболее распространенной, а спектральной температуры. Этот способ позволяет измерять температуру не только абсолютно черных тел, а температуру условно серых тел, чем значительно расширяет область применения пирометров и тепловизоров.
Способ измерения спектральной температуры отличается тем, что измерение производится не на одной длине волны, а на двух, обычно отстоящих друг от друга недалеко в спектральном понимании. Две точки измерения позволяют отвлечься от самого значения спектральной излучательной способности и работать только с его относительным изменением. Следовательно - точность повышается.
Но измерения на двух длинах волн могут иметь также низкую точность, если меняется спектральная зависимость коэффициента излучения от длины волны, то есть меняется цвет. Измерения с помощью дополнительного спектрометрического канала в широкой спектральной области частично могут исправить эту проблему, оставив лишь допущения, что цветовые изменения локальны по спектру. Точность измерений при снижении требований к источнику излучения, таким образом, также повышается. В некоторых случаях это дает возможность измерить температуру газовых потоков по спектральным измерениям излучения мелких частиц потока.
Следующий момент, который может свести на нет измерения как яркостной, так и спектральной температур - это проникновение в измерительный канал спектральных атомарных и молекулярных линий возбужденных атомов и молекул. При этом обычный пользователь не имеет абсолютно никакой информации, что измеряемое значение вообще не может быть интерпретировано как температура. Дополнительные измерения в более широком спектральном диапазоне легко выявляют наличие таких линий и полос и дают возможность определить корректность измерения. Этот аспект чрезвычайно важен в промышленном производстве и исследованиях напряженных режимов нагрева, особенно высокотемпературного.
Таким образом, наличие не очень сложного спектрометрического канала в дорогой системе двухканального панорамного спектрального пирометра значительно повышает точность измерений, расширяет диапазон применимости и позволяет организовать предупреждение о недопустимости проведения измерений.
Система автоматической юстировки одного из фотоприемников для точного совмещения изображений позволяет существенно повысить точность измерений, как по температуре, так и по пространству. Автоматизация проводится на основе анализа изображений и выдачи команд исполнительным устройствам. Дополнительно введена система сбора и обработки информации, позволяющая стабилизировать регистрируемую последовательность радиационных изображений, а также призванная обеспечить точное субпиксельное совмещение изображений со всех каналов устройства, что еще более повышает разрешение прибора по температуре и пространству.
Кроме того, реализация технической задачи позволяет не только построить также известный двухканальный матричный пирометр спектрального отношения, но и, дополнив его каналом спектрометра высокого спектрального разрешения и системой автоматизированной юстировки фотоприемника, получить более высокую точность, как по значениям спектральной температуры, так и по пространственному разрешению. Также возможность обнаружения спектральных полос позволяет дополнить устройство системой предупреждения о невозможности проведения измерений, из-за недопустимой погрешности результата.
Дополнительным эффектом является возможность перенастройки устройства на измерение эмиссионной температуры при наличии соответствующих спектральных полос в диапазоне длин волн работы фотоприемных устройств и имеющихся полосно-пропускающих фильтров.
Компоненты устройства апробированы на высокоэнтальпийном аэродинамическом стенде, что показывает возможность его технической реализации в полном объеме.
Таким образом, технический результат, достигаемый устройством, позволяет получить следующие достоинства: бесконтактность, панорамность, возможность регистрации быстропротекающих процессов, контроль корректности представляемых результатов, возможность проведения измерений полей спектральных температур горячих продуктов горения, высокое разрешение по температуре и пространству.
Диапазон применения устройства охватывает все виды контроля технологических процессов и исследовательской деятельности, где необходимо регистрировать пространственное распределение температуры на поверхности тел или в объеме реагирующего газа, с введенными естественным образом или принудительно микрочастицами, с помощью бесконтактного панорамного способа измерения спектральной температуры.
Области применения могут представлять собой доменное, сталелитейное и сталепрокатное производство, контроль процессов горения в котлах и контроль выходящих продуктов горения, контроль производственных и технологических процессов, в которых, в результате обработки материала повышается температура. Весь контроль происходит бесконтактно, на расстоянии от исследуемого объекта и без необходимости прерывать или останавливать технологический процесс.
Кроме того, к областям применения можно отнести высокоэнтальпийные аэродинамические стенды, стенды термонагружения, высокоскоростную обработку деталей, литейное производство, а также другие производства и исследовательские стенды, где требуется измерять температуры поверхностей и потоков газа от 300 К до 15000 К.
Основными преимуществами устройства являются: более высокая точность температурной панорамной визуализации; контроль возможности измерений по мешающим спектральным линиям; панорамную визуализацию высокоскоростных процессов; возможность визуализации полей температур пламен; большую востребованность исследования температурных полей практически во всех областях науки и техники, включая медицинские исследования.