Анализ эффективности использования одноканальных пирометров с разными спектральными характеристиками в условиях запыленности

УДК 536.521.2 :681.2.088

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОДНОКАНАЛЬНЫХ ПИРОМЕТРОВ С РАЗНЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В УСЛОВИЯХ ЗАПЫЛЕННОСТИ

EFFICIENCY ANALYSIS OF THE USAGE OF SINGLE-CHANNEL RADIATION THERMOMETERS WITH DIFFERENT SPECTRAL CHARACTERISTICS IN DUSTY ENVIRONMENT

Н. С. Чернышева, А. Б. Ионов, Б. П. Ионов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

N. S. Chernysheva, A. B. Ionov, B. P. Ionov

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье представлены экспериментальные данные о результатах измерения температуры в условиях запыленности пирометрами частичного излучения с разными спектральными характеристиками. Проведена оценка влияния запыленности на случайную и систематическую погрешность рассматриваемых приборов. Было исследовано два способа введения внешней коррекции и рассмотрена эффективность использования показаний внешнего пылемера для компенсации влияния пылевого облака. Установлено, что в реальных условиях коэффициент коррекции, применяемый для компенсации влияния пыли, должен быть вычислен достаточно точно (±0.04).

Ключевые слова: пирометр, пылевое облако, клинкер, погрешность, коррекция.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-79-87

I. Введение

С развитием технологий бесконтактные измерения температуры находят всё большее применение в различных областях деятельности человека. Связано это с преимуществами данного способа измерения температуры над контактным (измерение температуры в труднодоступных местах или движущихся объектов; безопасность оператора; продолжительный срок службы; быстродействие и т.д.) [1].

В настоящее время при бесконтактных измерениях температуры чаще всего используют одноканальные пирометры частичного излучения. Проведенные ранее исследование показали [2], что приборы данного класса в некоторых случаях не способны достоверно определять температуру. Зачастую это связано с влиянием измерительной ситуации (вариативностью внешних факторов), которая может иметь неопределенный характер. То есть из-за воздействия различных факторов среды, через которую проходит излучение от объекта контроля до пирометра, возникает случайная погрешность. К этим факторам относят: поглощение излучения газовыми компонентами атмосферы, поглощение и рассеяние излучения частицами пыли, фоновое излучение и т.д. [3].

Особенно, негативное влияние среды проявляется при непрерывном мониторинге технологических процессов в промышленных условиях, когда измерительная ситуация является существенно нестационарной. Ярким примером этого является цветная металлургия, стекольная и цементная промышленность, где пространство между объектом контроля и пирометром чаще всего является существенно запыленным.

Влияние пыли на бесконтактное измерение температуры на данное время изучено мало. Чаще всего на практике пыль моделируют как серое тело, что, с точки зрения теории Ми, неправильно, т.к. спектральная характеристика пыли, в общем случае, не является постоянной, к тому же она зависит от концентрации и дисперсного состава частиц [4].

В связи с чем возникает потребность проведения более подробных исследований степени влияния облака пыли на пирометрические измерения. Для этого необходимо провести измерения в одинаковых условиях (од-

ной и той же измерительной ситуации) для нескольких разнотипных пирометров частичного излучения (спектральные характеристики приемников излучения должны быть различны).

На данный момент нашли применение приемники излучения с различными спектральными характеристиками, при этом разработчики пирометров, как правило, используют классические рекомендации по выбору спектрального диапазона чувствительности детектора для своей задачи. Однако подобные рекомендации не учитывают влияние запыленности. Поэтому в настоящее время целесообразно провести ряд исследований для формирования более полного представления о критериях оптимального выбора приемников излучения при построении аппаратуры для проведения бесконтактных температурных измерений.

II. Постановка задачи

Цель данного исследования заключается в экспериментальном обосновании рекомендаций по выбору спектральных характеристик приемников излучения в условиях запыленности, а также анализе эффективности введения внешней коррекции в одноканальные пирометры.

Поэтому, в рамках работы, можно выделить следующие задачи:

а) оценка случайной составляющей погрешности разнотипных одноканальных пирометров (имеющих приемники излучения с различными спектральными характеристиками);

б) оценка влияния запыленности среды на случайную и систематическую погрешность исследуемых пирометров;

в) рассмотреть способы и оценить эффективность компенсации влияния пылевого облака путем введения внешней коррекции;

г) провести анализ возможности подбора оптимальных характеристик приемника излучения для повышения качества измерений в условиях запыленности.

III. Теория

Для оценки влияние облака пыли на показания пирометров частичного излучения с различными спектральными характеристиками была использована экспериментальная установка, которая подробно описана в [5].

В состав установки входит: герметичная пылевая камера, модель абсолютно черного тела (АЧТ), экспериментальная пирометрическая система и двулучевой оптический пылемер. Принцип работы установки основан на том, что излучение от АЧТ и оптического лазера проходит сквозь пылевую камеру через специальные окна и попадает на приемники излучения пирометров. Оптический пылемер в данной экспериментальной установке обеспечивает измерение параметров пылевого облака, т.е. определяет коэффициент пропускания среды (т). Система измерения концентрации пыли работает синхронно с пирометрической системой.

Экспериментальная пирометрическая система представляет собой совокупность пяти пирометров частичного излучения, в каждом из которых находится фотогальванический приемник излучения на основе PbSe. Все приемники излучения имеют индивидуальную спектральную характеристику (Х1=1.6...3.6 мкм; Х2=2.6...4.5 мкм; Х3=2.9...3.05 мкм; Х4=3.51...3.65 мкм; Х5=4.19...4.4 мкм).

Оптическая схема пирометрической системы (рис. 1) позволяет передавать ИК-излучение от объекта практически одновременно на все 5 пирометров (1-5). Это происходит так: ИК-излучение, прошедшее через входное окно прибора, фокусируется линзой (6) на зеркало (7) оптического модулятора, который с большой скоростью вращается на оси двигателя (8). Таким образом, при вращении зеркала, излучение последовательно поступает на измерительные датчики (каналы 1-5). При этом все пирометры смотрят в одну область объекта контроля.

Для компенсации влияния случайной погрешности в современных пирометрах частичного излучения есть возможность ввода интегрального коэффициента коррекции (ек), лежащего в пределах от 0 до 1. Данный коэффициент позволяет преобразовать исходный сигнал приемника излучения s в соответствии с выражением [6]:

sk = s 1 ek , (1) где sk - скорректированный сигнал, поступающий на вход блока вычисления температуры пирометра.

Рис. 1. Оптическая схема экспериментальной пирометрической системы.

IV. План исследования

А. Подготовительный этап.

Перед началом основной серии экспериментов были определены градуировочная и шумовая характеристики для каждого пирометра частичного излучения.

Градуировочная характеристика приемников была получена экспериментальным путем (рис. 2) при помощи АЧТ в диапазоне температур 350...750°С, с шагом ~50°С. Номера 1...5 соответствуют нумерации пирометров, такая нумерация будет сохраняться на всех дальнейших графиках. Из рис. 2 видно, что датчики пирометров реагируют на изменение температуры неодинаково, что полностью соответствует закону Планка. Для указания размерности физических величин в тексте статьи допускается использование единиц системы СИ. Использование внесистемных единиц допускается лишь в тех случаях, когда это является общепринятым стандартом обозначения в той или иной отрасли.

В числовых интервалах физических величин вместо дефиса ставится многоточие (например, 40.50 см).

Аббревиатуры, употребляемые как прилагательные, пишутся через дефис (например: ИК-спектроскопия, ПЭ-пленка, ЖК-состояние).

Аббревиатуры пишутся единообразно по всей статье (например: ЭДС или э.д.с.; КПД или к.п.д.).

5x1а3 4x1а3 ЗхЮ3 2x1а3 ыа3

1 2 3 4 5 ---♦ • -к к ++

/ > г/

/ V А-' .А

400 500 (500 700

В1дскЬ{к1у 1нпрега1иге: "С

Рис. 2. Градуировочная характеристика пяти пирометров частичного излучения

В каждой температурной точке АЧТ проводится один цикл измерений. Один цикл длится 70 секунд и состоит из 50 последовательных измерений, при каждом из которых значение кода с выхода АЦП пирометра переводится в температуру по градуировочной характеристике. Итоговая оценка температуры представляет собой усредненное значение за цикл измерений.

На рис. 3 представлена временная диаграмма одного цикла измерения при температуре АЧТ, равной 500°С.

540

О 520

а

Е зоо

с.

е

о

Н430

460

: : з 4 5 — ♦ ♦« — - • -

*

10

20 30

Меашгетегй пшпЬег

40

50

Рис. 3. Показания пирометров в стационарных условиях измерения при температуре АЧТ равной 500°С

На рис. 4. представлены шумовые характеристики для каждого пирометра, зависящие от изменения температуры АЧТ.

2 'ё

В

и н 1

'-А

и

а

4-3

VI

1 2 3 4 5 » • * Л

* % < * ч * % V

ч ч ч " А-    1

V)

500 600

В1аскЬос1у 1ешрега1иге: С

700

Рис. 4. Зависимость среднеквадратичного отклонения пирометров (1-5) от изменения температуры АЧТ

Б. Экспериментальный этап.

Основная серия экспериментов проводилась в следующей последовательности:

1) клинкерная пыль была помещена в камеру установки в таком количестве, чтобы облако пыли в взвешенном состоянии пропускало примерно 50% излучения. Для создания активной фазы пылевого облака использовались вентиляторы, предусмотренные конструкцией установки;

2) были произведены синхронные измерения сигнала оптическим пылемером и экспериментальным пирометрами в диапазоне температур АЧТ 400.. ,700°С в нескольких точках. Каждое измерение предполагает последовательную регистрацию пятидесяти значений выходного кода чувствительного элемента пирометра. Значения температур АЧТ соответствуют выбранным температурам в процессе измерения шумовых характеристик на предварительном этапе.

4.3. Этап статистической обработки.

Этап статистической обработки выполняется в следующей последовательности:

1. Оценка влияния пылевого облака на результаты измерений для каждого пирометра (оценка погрешности).

2. Определение среднего значения коэффициента пропускания среды за все время измерений оптическим пылемером (т).

Коэффициент пропускания среды был вычислен на основе выражения [7]:

г,

где ЩХ)- значение интенсивности излучения отдельного пирометра; 10(Х) - значение интенсивности излучения опорного канала пылемера.

3. Анализ измеренных данных с целью определения наилучшего коэффициента коррекции для каждого пирометра с точки зрения минимизации погрешности (е).

4. Оценка эффективности введения внешней коррекции, проводимой двумя способами:

а) первый способ: в качестве коэффициента коррекции для всех пирометров используется одно и то же значение коэффициента пропускания среды (т), вычисленного в пункте 2;

б) второй способ: в каждый пирометр вносится свой уникальный коэффициент коррекции, определенный на этапе 3.

5. Определение итоговой погрешности измерений после введения коррекции двумя способами.

Данное исследование позволит определить, какое влияние одна и та же пыль оказывает на все 5 пирометров в разных температурных точках. При этом следует отметить, что используемая экспериментальная установка не позволяет обеспечить полной воспроизводимости моделируемых условий измерения. Это объясняется постоянным изменением внешних и внутренних условий эксперимента: нестационарность пылевого облака каждый раз проявляется уникальным образом; наблюдается постоянное уменьшение количества активной части пыли из-за ее паразитного оседания и прилипания к стенкам камеры и т.п.

V. Результаты экспериментов

На рис. 5 представлен один цикл измерений экспериментального этапа исследования при температуре АЧТ равной 500°С. Сравнивая рис. 3 с рис. 5, очевидно, что пылевое облако значительно ослабляет уровень сигнала всех пирометров, при этом наблюдается возрастание эквивалентного уровня шума на выходе каждого пирометра.

Рис. 5. Показания пирометров в условиях активной фазы пылевого облака при температуре АЧТ,

равной 500°С

Переходим к этапу статистической обработки данных. На рис. 6 приведена зависимость усреднённой погрешности каждого пирометра от изменения температуры АЧТ. Во всем температурном диапазоне погрешность принимает недопустимые значения и увеличивается пропорционально значению температуры. Стоит отметить, что наибольшую чувствительность к запыленности проявляет пирометр №5 (область его чувствительности лежит в самом длинноволновом диапазоне).

400 500 600 700

В1аскЫх1у 1ешрега1же; : С

Рис. 6. Общая погрешность пирометров, вызванная запыленностью

Параллельно пирометрическим измерениям были получены значения коэффициента пропускания среды двулучевым пылемером во всем температурном диапазоне. Далее было рассчитано среднее значение коэффициента пропускания среды (т) в активной фазе пылевого облака, которое составило 0.544.

На рис. 7 представлены графики, демонстрирующие оптимальный коэффициент коррекции (е) для всех пирометров в каждой температурной точке. Оптимальность значений коэффициентов заключается в том, что при их использовании погрешность пирометра не превышает 1°С. Поскольку при втором способе коррекции для каждого пирометра требуется вычислить одно значение е, то в качестве принятого используется усредненное значение по всему температурному диапазону.

065

0.6

05

04

Л'  > .у

к----£ У

1 2 3 4 5 +4»

400

300 600

В1аскЬсн1у 1етрега1же= гС

700

Рис. 7. Подобранный коэффициент коррекции для каждого пирометра на всех температурных точках

На рис. 8-9 изображены графики, показывающие эффективность коррекции, выполняемые двумя способами. Безусловно, при введении коррекции наблюдается значительное снижение уровня погрешности в обоих случаях. При первом способе коррекции хорошо заметно, что пирометр №5 требует использование собственного коэффициента коррекции, отличающегося от остальных пирометров. С другой стороны, для корректировки показаний остальных четырех пирометров использование результатов измерений оптического пылемера вполне оправданно (погрешность, в основном, не превышает 10°С). Задание уникального коэффициента коррекции для каждого пирометра (второй способ) сокращает погрешность примерно 2 раза. Стоит также отметить, что дальнейшее снижение погрешности практически невозможно вследствие оптических свойств пыли (пыль не ведет себя, как серое тело).

В1аскЬо<1у

Рис. 8. Погрешность скорректированных значений температуры первым способом

Рис. 9. Погрешность скорректированных значений температуры вторым способом

В ходе проведения исследования установлено, что независимо от способа внесения коррекции итоговые значения среднеквадратичного отклонения каждого пирометра ведут себя примерно одинаково (табл. 1). Для примера на рис. 10 приведены соответствующие графики зависимости СКО от температуры АЧТ для первого способа коррекции. Видно, что с ростом измеряемой температуры случайная составляющая погрешности постепенно возрастает.

ТАБЛИЦА1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛУЧАЙНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОГРЕШНОСТИ

ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

а Спектральный диапазон, дт СКО (без пыли) Первый способ коррекции Второй способ коррекции

е Средняя погрешность Среднее СКО е Средняя погрешность Среднее СКО

1 1.6...3.6 0.085 0.544 4.3 3.85 0.53 3.42 3.89

2 2.6...4.5 0.655 0.544 4.82 4.21 0.56 3.17 4.19

3 2.9...3.05 0.9 0.544 7.10 3.7 0.57 3.35 3.65

4 3.51...3.65 0.343 0.544 7.46 4.11 0.56 5.13 4.08

5 4.19...4.4 1.729 0.544 15.25 6.07 0.51 4.16 6.31

10

ё >

ц

й й

ж 4

1 2 3 4 5 ---О©*А♦ *

1оо

500 600

В1яскЬос1у tempн"atш"e; СС

700

Рис. 10. Показания среднеквадратичного отклонения (С°) при коррекции усредненным коэффициентом пропускания среды пылемера 0.544

VI. Выводы

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Влияние запыленности на результаты измерения с использованием пирометров частичного излучения является существенным фактором, игнорирование которого приводит к возникновению погрешности, достигающей сотни градусов (вне зависимости от выбранного пирометра).

2. Правильно подобранный коэффициент коррекции позволяет снизить погрешность до 10°С, при этом каждый пирометр требует подбора для него уникального значения е, зависящего от спектральной характеристики чувствительности приемника излучения.

3. Оптические свойства пыли, полученные при исследовании, не позволяют считать ее серым телом. Поэтому погрешность пирометрических измерений не может быть сведена к инструментальной.

4. Информативным параметром, свидетельствующим о наличии запыленности (об активной фазе пылевого облака), является среднее значение вычисленного СКО. При измерении в условиях пыли его уровень вырос в несколько раз. Таким образом, этот параметр может быть использован для диагностики измерительной ситуации.

5. В реальных условиях коэффициент коррекции, применяемый для компенсации пыли, должен быть вычислен достаточно точно (±0.04), для того чтобы погрешность не превысила 20°С.

6. В ходе проведения исследования наихудшим образом себя зарекомендовал пирометр № 5, в котором применен датчик, спектральная область чувствительности которого лежит в наиболее длинноволновом диапазоне. Остальные пирометры показали достаточно схожие характеристики. В частности, оказалось, что в условиях запыленности у пирометров с широкополосными приемниками излучения практически отсутствуют преимущества по сравнению с пирометрами с узкополосными датчиками, поскольку основной вклад в случайную составляющую погрешности вносит влияние хаотического движения частиц пыли.

VI. Заключение

Таким образом, успешное применение одноканальных пирометров в условиях запыленности возможно только в случае тщательного подбора коэффициента коррекции для данной измерительной ситуации. В тех случаях, когда свойства среды изменяются достаточно часто, применение подобных пирометров будет приводить к значительной погрешности. При этом альтернативой является создание многоканальных пирометрических систем, регистрирующих излучение в разных спектральных диапазонах.

Источник финансирования Работа выполнена в рамках НИР №18106В ОмГТУ.

Список литературы

1. Zang Z. M., Tsai B. K., Machin G. Radiometric Temperature Measurements: I. Fundamentals // Experimental Methods in the Physical Sciences. Publisher: Academic Press, 2009. Vol. 42. 376 p.

2. Чернышева Н. С., Ионов Б. П., Ионов А. Б. Диагностика измерительной ситуации при бесконтактных измерениях температуры в сложных условиях // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 147-151.

3. Minkina W., Dudzik S. Infrared Thermography // Errors and Uncertainties. N.Y.: John Wiley & Sons, 2009. 212 p.

4. Hergert W., Wriedt T. The Mie Theory: Basics and Applications // Heidelberg.: Springer, 2012. 259 p.

5. Чернышева Н. С., Ионов Б. П., Ионов А. Б. Экспериментальная установка для изучения влияния запыленности на бесконтактные измерения температуры // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 110-115.

6. DeWitt D. P., Nutter G. D. Theory and Practice of Radiation Thermometry. N. Y.: Wiley Interscience, 1988. 1138 p.

7. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.