СПОСОБ СПЕКТРОТЕРМОМЕТРИИ
SPECTROTHERMOMETRY METHOD

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для бесконтактного измерения локальных температур нагретых тел и сред в широком диапазоне температур.
На современном уровне развития науки и техники известны следующие технические решения, близкие, по своей сути, к предлагаемому способу.
Известен способ спектрометрического измерения температуры потока газа с поглотителем (патент на изобретение РФ №2583853, МПК G01K 13/02, G01J 5/58, опубл. 10.05.2016, БИ №13), заключающийся в том, что предварительно калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяют зависимость величины электрического сигнала системы измерения от температуры газа в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, и производят юстировку оптической системы измерения излучаемой энергии путем установки приемника излучения в фокусе оптической системы, измеряют парциальное давление в измеряемом потоке газа и определяют содержание поглотителя в потоке газа, вычисляют поправочный коэффициент, измеряют характеристику спектра излучения потока газа и по результатам измерений с учетом поправочного коэффициента судят о температуре потока газа, отличающийся тем, что определение температуры проводят послойно, по меньшей мере, в трех слоях газа заданной толщины, перпендикулярных линии визирования оптической системы, юстировку оптической системы проводят для одного из средних слоев газа, после юстировки оптической системы последовательно перемещают источник излучения вдоль линии визирования оптической системы и измеряют величину изменения сигнала источника излучения в зависимости от расфокусировки оптической системы, определяют для каждого слоя газа характеристику части спектра излучения потока газа, соответствующей этому слою газа заданной толщины, и величину изменения сигнала источника излучения при прохождении его к приемнику излучения через поток газа, по полученным величинам изменения сигнала вычисляют поправочный коэффициент для каждого слоя газа, парциальное давление измеряют в каждом слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость для каждого слоя газа заданной толщины значения волнового числа поглотителя от температуры газа, а температуру в каждом слое газа заданной толщины определяют с учетом поправочного коэффициента по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в этом слое газа заданной толщины от температуры газа в заданной системе координат, с линией, полученной по результатам измерения части спектра излучения, соответствующей этому слою газа заданной толщины.
Известен способ измерения температуры движущегося объекта (патент на изобретение РФ №2396 G01J 5/60, опубл. 10.08.2010, БИ №22). Способ заключается в оптическом приеме сигнала теплового излучения объекта, спектральном разложении сигнала, формировании изображения спектра излучения на поверхности матрицы приемников, сигналы с выходов которых аппроксимируют аппроксимантами банка данных функций Планка для множества температур, выбирают наиболее точную аппроксиманту и выводят соответствующее ей значение температуры и погрешность ее определения. Аппроксимируют те же сигналы матрицы приемников с использованием банка данных для множества изображений объекта, выбирают наиболее точную аппроксиманту и выводят соответствующее ей значение погрешности распознавания изображения объекта в виде сигнала управления приводом визирования с возможностью визирования оптической системы в направлении на движущийся объект.
Известен способ измерения действительной температуры и спектральной излучательной способности объекта, заключающийся в том, что в заданном спектральном диапазоне поочередно визируют объект двумя однотипными приемниками оптического излучения и измеряют их выходные сигналы, по измеренным сигналам рассчитывают искомые параметры, при этом выполняют предварительную градуировку приемников по модели абсолютно черного тела, коэффициенты излучения приемников выбирают из условия, чтобы коэффициент излучения одного из приемников был близок или равен единице, а коэффициент излучения другого был существенно меньше единицы, а искомые параметры находят расчетным путем (патент на изобретение РФ №2727340, МПК G01J 5/10, опубл. 21.07.2020, БИ №21).
Известен способ измерения яркостной температуры объекта (патент на изобретение РФ №2718701, МПК G01J 5/52, опубл. 14.04.2020, БИ №11), заключающийся в том, что используют калиброванный по спектру опорный источник излучения, задают полосу излучения опорного источника, в заданной спектральной полосе излучения компарируют энергетические светимости объекта и опорного источника, регулируют мощность излучения опорного источника до достижения равенства энергетических светимостей источника и объекта, измеряют достигнутую мощность излучения опорного источника и рассчитывают его энергетическую светимость, рассчитывают коэффициент неэквивалентности спектра излучения опорного источника спектру идеального абсолютно черного тела, а искомую яркостную температуру объекта находят расчетным путем. В другом варианте данного способа используют некалиброванный по спектру опорный источник, задают узкую спектральную полосу излучения опорного источника, в заданной спектральной полосе излучения компарируют энергетические светимости объекта и опорного источника, регулируют мощность излучения опорного источника до достижения равенства энергетических светимостей источника и объекта, измеряют достигнутую мощность излучения опорного источника и рассчитывают его энергетическую светимость, в заданной спектральной полосе измеряют спектральное распределение мощности излучения объекта, рассчитывают коэффициент неэквивалентности спектра излучения объекта спектру излучения идеального абсолютно черного тела, а искомую яркостную температуру объекта находят расчетным путем.
Известен способ измерения распределения температуры на поверхности образца (Казаков В.А., Сенюев Ю.В. Измерение распределения температуры на поверхности образца при испытаниях в тепловых аэродинамических трубах. Труды МЭИ, Вып. 94, 2017, http://trudymai.ru/). Согласно данному способу в спектральной плотности мощности, полученной, например, спектрометром на ПЗС-линейке, выбирается пара длин волн, по которой бихроматическим методом спектрального отношения рассчитывается температура. Путем попарного перебора значений пар длин волн в регистрируемом спектре рассчитывают массив значений температур, получаемое количество значений которых довольно велико, что позволяет использовать статистическую обработку данных. Для определения температуры по спектру излучения с помощью спектрометра одномоментно регистрируют спектры излучения в широком диапазоне длин волн. Излучение собирается из выбранной точки поверхности нагретого тела и с помощью собирающей линзы проецируется на торец световода, по которому излучение подается в спектрометр. Определяют спектральную чувствительность фотоприемника спектрометра, которую выполняют с помощью источника излучения с известным распределением интенсивности по спектру - модели абсолютно черного тела (АЧТ). Регистрируют спектр излучения черного тела при заданной температуре, для той же температуры по формуле Планка рассчитывают распределение интенсивности в спектре. Отношение рассчитанного спектра Планка к зарегистрированному спектру модели АЧТ и есть спектральная чувствительность измерительной системы. Имея полученную градуировочную характеристику спектрометра, по спектрам, зарегистрированным во время эксперимента, определяют яркостную температуру на необходимых длинах волн и спектральную температуру исследуемого тела.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, согласно которому осуществляют регистрацию и коррекцию спектра излучения исследуемого объекта, представляют данные в координатной плоскости, в которой виновская область планковской кривой спрямляется, определяют искомую температуру по наклону прямой, для этого проводят подгонку полученной зависимости к линейной, при этом пользуются методом наименьших квадратов (Магунов А.Н. Спектральная пирометрия // Приборы и техника эксперимента, 2009, №4, С. 8). В данном способе для определения температуры используется участок спектра с низкой интенсивностью шумов, достаточно удаленный как от коротковолнового, так и от длинноволнового края чувствительности фотоприемника, с помощью которого осуществляется регистрация спектра излучения исследуемого тела.
Общий недостаток перечисленных выше способов, включая прототип, заключается в том, что в них выбирают некий спектральный интервал конечной длины, в котором имеет место максимальное совпадение спектра излучения измеряемого объекта со спектром излучения абсолютно черного тела. Такое выделение всегда носит субъективный характер, зависит от оператора, выполняющего измерения, что неминуемого сказывается на воспроизводимости результатов и существенно снижает их достоверность и точность.
Цель изобретения - повышение точности и сокращение длительности процесса измерения температуры.
Указанная цель достигается тем, что в способе спектротермометрии используют спектрометр заданной точности, который предварительно единожды калибруют, где находят его спектральную передаточную функцию, для этого в рабочем диапазоне спектрометра регистрируют спектр излучения модели абсолютно черного тела, находящейся при температуре одного из хорошо изученных фазовых переходов чистых металлов, в зарегистрированном спектре для дискретно заданных длин волн измеряют спектральные сигналы спектрометра, для одноименных длин волн рассчитывают по формуле Планка значения спектральной энергетической яркости идеального абсолютного черного тела, соответствующие заданной температуре фазового перехода, для каждой дискретно взятой длины волны находят отношение расчетной спектральной энергетической яркости идеального абсолютного черного тела к спектральному сигналу спектрометра, математически аппроксимируют зависимость рассчитанного отношения от длины волны и принимают полученную математическую зависимость за спектральную передаточную функцию спектрометра, на этом предварительную калибровку спектрометра считают завершенной, затем выполняют измерение температуры реального объекта, для чего в рабочем спектральном диапазоне спектрометра регистрируют им спектр излучения реального объекта, задают дискретные длины волн и измеряют для них спектральные сигналы спектрометра, исходя из спектральной передаточной функции спектрометра находят для заданных длин волн соответствующие им спектральные передаточные коэффициенты спектральной передаточной функции, находят спектральную энергетическую яркость реального тела, для чего умножают измеренные спектральные сигналы спектрометра на найденные спектральные передаточные коэффициенты, затем с помощью формулы Планка выполняют расчет спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела, при этом варьируют значением температуры, входящей в формулу Планка и находят такое значение температуры, при котором расчетная спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, умноженная на заранее известную спектральную излучательную способность реального объекта, наилучшим образом аппроксимирует найденную спектральную энергетическую яркость реального тела, после чего принимают данное значение температуры за действительную температуру реального объекта.
фп
В теоретическую основу предлагаемого способа положено следующее. Спектр излучения практически любого реального тела, измеренный конкретным средством измерения спектра - спектрометром, через спектральную передаточную функцию спектрометра искусственным образом может быть трансформирован в спектр излучения идеального черного тела, находящегося при той же самой температуре, что и само реальное тело. При этом указанная спектральная передаточная функция, по своей сути являющаяся аппаратной функцией спектрометра, не зависит от температуры, определенным образом распределена по спектру излучения и является величиной неизменной. Следовательно, имея спектральную передаточную функцию спектрометра, по измеренному с его помощью спектру излучения реального тела всегда можно найти температуру данного тела. Согласно заявленному способу для нахождения данной спектральной передаточной функции используют модель абсолютно черного тела (АЧТ), в которой осуществляют один из хорошо изученных фазовых переходов (плавление или затвердевание) чистых металлов, например, меди с температурой фазового перехода T = 1357,77 К. Использование фазового перехода обусловлено высокой временной стабильностью температуры чистого металла во время его плавления или затвердевания, которое, например, для меди характеризуется абсолютной температурной нестабильностью не более 10 мК, что позволяет измерить спектр излучения полости модели АЧТ с очень высокой точностью. Измеряют спектрометром спектр излучения полости модели АЧТ, температура которой заранее задана и точно известна. При измерениях фокусируют спектрометр в полость модели АЧТ и регистрируют искомый спектр, типичный вид которого представлен на фиг. 1. Спектральную передаточную функцию спектрометра W(***) находят по соотношению:
где
W(λ) - спектральная передаточная функция спектрометра,
BB
зад
зад
L(λ, T) - расчетная спектральная энергетическая яркость идеального абсолютно черного тела, соответствующая заданной температуре фазового перехода T,
1
2
c, c - первая и вторая радиационные постоянные, соответственно,
λ - длина волны,
ачт
i
зад
i
i
зад
н
в
U(λ) - спектральный сигнал спектрометра, измеренный на модели АЧТ. При этом, предварительно, по известной формуле Планка для выбранной длины волны λ (фиг. 1) и заданной температуры T рассчитывают спектральную энергетическую яркость идеального абсолютно черного тела и ей в соответствие ставят спектральный сигнал спектрометра U(λ), измеренный от излучения модели АЧТ на той же длине волны λ и той же заданной температуре T. Затем, рассчитанную по соотношению (1) спектральную передаточную функцию W(λ) либо аппроксимируют математической функцией, либо представляют в виде двумерной матрицы с заданным шагом дискретизации по длине волны. При этом, в отличие от ряда аналогов и прототипа, спектральную передаточную функцию находят для всего рабочего спектрального диапазона спектрометра λ=λ÷λ, например, для диапазона λ=400÷1100 нм. Это обеспечивает намного большую выборку экспериментальных данных, полностью исключает влияние субъективного фактора при выборе анализируемого спектрального диапазона и, в конечном счете, существенно повышает точность измерений. Спектральную передаточную функцию получают предварительно и единожды, поэтому при измерениях температуры реальных тел каждый раз ее не выполняют, что существенно сокращает длительность процесса измерений.
i
i
i
После нахождения спектральной передаточной функции спектрометра приступают к измерениям температуры реального тела. Для этого, фокусируют спектрометр на поверхность реального тела и измеряют спектр его излучения, при этом получают набор сигналов спектрометра U(λ), которые затем умножают на соответствующие передаточные коэффициенты спектральной передаточной функции W(λ). После этого, используя полученные значения результата умножения W(λ)U(λ), варьируют значением температуры, входящей в формулу Планка и находят такое ее значение, при котором расчетная спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, умноженная на заранее известную спектральную излучательную способность ε(λ) реального объекта, наилучшим образом аппроксимирует спектральную зависимость W(λ)U(λ). Математически эта операция описывается следующим соотношением:
после чего принимают данное значение температуры Т за действительную температуру реального объекта.
Суть способа поясняется работой устройства, блок-схема которого представлена на фиг. 2. Устройство включает: 1 - коллиматор, посредством оптического кабеля 2 соединенный со спектрометром 3, цифровой выход которого подключен к персональному компьютеру 4. С помощью данного устройства измеряют температуру объекта 5.
i
Устройство работает следующим образом. Сфокусированное коллиматором 1 излучение от объекта 5, с помощью оптического кабеля 2 передается на вход спектрометра 3 и, попадая на ПЗС-матрицу спектрометра 3, разлагается по спектру, в результате чего на цифровом выходе спектрометра 3 имеют место оцифрованные спектральные сигналы U(**). Данные оцифрованные сигналы обрабатываются в персональном компьютере 4 по специально разработанной программе, которая реализует расчеты по указанным выше соотношениям (1), (2).
Заявленный способ преимущественно ориентирован на измерение высоких и сверхвысоких температур (T>1500 К). При этом, в случае, когда спектральная излучательная способность реального объекта известна точно, способ позволяет измерять действительную температуру объекта. В случае, когда спектральная излучательная способность реального объекта неизвестна, способ позволяет измерять яркостную температуру объекта. Точность измерений, обеспечиваемая способом, целиком и полностью определяется точностью измерения спектральной передаточной функции спектрометра по модели АЧТ и точностью самого спектрометра. Оцениваемая величина относительной неопределенности измерений температуры согласно данному способу не превышает 0,1%.