Способ спектрально-яркостной пирометрии объектов с неоднородной температурой поверхности
METHOD OF SPECTRAL-BRIGHTNESS PYROMETRY OF OBJECTS WITH NONHOMOGENEOUS SURFACE TEMPERATURE

Изобретение относится к технике бесконтактного измерения поля температуры в физико-химических процессах и может быть использовано в научно-технических областях, в которых требуется применение невозмущающих и/или быстродействующих средств контроля.
Задача измерения температурного распределения на поверхности исследуемого объекта – неоднородно нагретого тела или ансамбля частиц дисперсной фазы, особенно актуальна для быстропротекающих процессов, когда достигается локальное термодинамическое равновесие, но при этом наблюдаются явления тепломассопереноса. В таких условиях протекают процессы газотермического напыления покрытий, получения материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), сжигания твердых, жидких и газообразных топлив, нагрева материалов источниками энергии высокой плотности – лазерные и электронные пучки, плазменные струи.
В настоящее время для измерения температуры быстропротекающих процессов лучшими характеристиками обладают датчики на основе явления фотоэффекта. Сигнал системы измерения на их основе пропорционален количеству падающих фотонов.  Если объектом исследования является абсолютно черное тело (АЧТ), то его тепловое излучение подчиняется закону Планка, который при условии  принимает вид формулы Вина /1/
,         (1)
где  – количество фотонов энергии , излучаемых единицей поверхности тела с термодинамической температурой  в единицу телесного угла за единицу времени; , ,   – постоянная Планка,  – скорость света в вакууме,  – постоянная Больцмана. При работе в области длин волн ~ 500 нм формула (1) справедлива для температур << 30000 K. Поток фотонов, излучаемый реальным объектом, равен , а сигнал, регистрируемый монохромной измерительной системой в узкой полосе длин волн около  при фиксации других параметров оптоэлектронного тракта, имеет вид
, (2)
где  – чувствительность измерительной системы,  – излучательная способность объекта. Сигнал спектральной измерительной системы равен
, (3)
где – чувствительность измерительной системы после коррекции спектральных искажений оптоэлектронного тракта.
Средства пирометрии, опирающиеся на закон (1), можно разделить на две группы:
1) яркостные – температура определяется по абсолютному уровню сигнала системы контроля , детектирующей монохромный поток излучения;
2) многочастотные – температура определяется по соотношению сигналов на двух и более длинах волн в процессе измерения интенсивности потока излучения /2/. В методе цветовой пирометрии используется две длины волны, а температура объекта определяется по отношению . В методе спектральной пирометрии регистрируются сигналы в широком диапазоне длин волн (например, несколько тысяч значений в спектральном диапазоне 300 – 1000 нм), а температура объекта определяется по форме зарегистрированного спектра /3/. Для этого выбирается участок длин волн, где излучательную способность объекта можно считать постоянной (). Тогда линеаризация спектра в системе координат ,
(4)
позволяет идентифицировать его форму и определить термодинамическую температуру объекта по углу наклона прямой
. (5)
Для реальных материалов спектральная зависимость излучательной способности сравнительно слаба, поэтому на практике метод позволяет измерять истинные значения температуры объектов без  использования данных об их излучательной способности /3/.
Применение метода спектральной пирометрии для обработки гиперспектральных изображений позволяет получать распределение температуры на поверхности объекта. Однако современные гиперспектральные камеры формируют изображения либо путем сканирования элементов поверхности объекта, либо регистрацией серии монохромных изображений в процессе перестройки акустооптического или жидкокристаллического полосового светофильтра. Следствием этого является большая постоянная времени измерительной системы (регистрация гиперспектрального изображения размером 1024х1024 при спектральной глубине 500 длин волн и экспозиции 1 мс занимает порядка 1 секунды), что делает ее непригодной для наблюдения быстропротекающих процессов.
Яркостная пирометрия широко используется для измерения температуры неоднородно нагретых тел и ансамблей частиц с помощью многоэлементных КМОП- или ПЗС-датчиков. Регулярная структура фотоматриц, малые размеры фотоэлементов (2 – 15 мкм) и их большое количество позволяют одновременно производить измерения множества температур на всей поверхности объекта. Такие системы обладают высокой скоростью регистрации (до 10000 кадров размера 1024х1024 в секунду), которая позволяет контролировать динамику температурных полей быстропротекающих процессов. Однако яркостная пирометрия относится к методам абсолютных измерений и требует обязательной перекалибровки измерительной системы при изменении параметров ее электронно-оптического тракта: оптическое увеличение, дистанция наблюдения, коэффициент пропускания окружающей среды, усиление сигнала датчика, время экспозиции и т.д. Кроме того, подобные средства определяют яркостную температуру, которая для реальных объектов меньше термодинамической, а установить соответствие между ними возможно лишь при известной излучательной способности материала /2/. В дополнение к этим недостаткам невозможно контролировать тепловую природу детектируемого излучения, в котором может присутствовать паразитная составляющая, например, вследствие хемилюминесценции или полосатого излучения атомов и молекул окружающей среды.
Известен способ измерения распределения температуры по патенту /4/, который включает регистрацию изображения поверхности объекта на выбранной длине волны дважды: один раз за счет теплового излучения самого объекта, второй раз – изображение того же объекта, освещенного рассеянным излучением. Путем поэлементного сравнения яркости изображений определяют распределение коэффициента отражения по поверхности тела, и далее, с использованием закона Кирхгофа, – распределение излучательной способности. Таким образом, в отличие от обычного метода яркостной пирометрии, получают распределение термодинамической, а не яркостной температуры на поверхности. Недостатком способа является необходимость не только проведения предварительной калибровки регистрирующей камеры – пирометра, но и использования калиброванного (на выбранной длине волны) источника освещения, либо образца с известным коэффициентом отражения.
Также известен способ определения температурного распределения частиц дисперсной фазы в высокотемпературном потоке /5/ по спектру их суммарного теплового излучения. Способ включает регистрацию суммарного теплового спектра  от всех неоднородно нагретых частиц в области наблюдения и определение гистограммы  температурного распределения частиц, которая представляет собой значения количества (в относительных единицах) частиц с температурами . Недостатком способа является его неустойчивость: даже при наличии в регистрируемом спектре сравнительно слабого шума на уровне 0.1–0.3% происходит значительное искажение восстанавливаемого температурного распределения частиц, вплоть до физически некорректного вида (отрицательные значения количества частиц).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является пирометрический способ измерения распределения яркостной температуры по поверхности нагретого тела /6/. Указанный способ принят за прототип изобретения. Способ заключается в следующем. С помощью цифровой камеры регистрируют изображение поверхности тела за счет теплового излучения на выбранной длине волны  (в узком спектральном диапазоне). Уровень сигнала каждого элемента изображения однозначно связывают с яркостной температурой сопряженной области объекта. С помощью дополнительного калиброванного яркостного пирометра измеряют яркостную температуру в некоторой точке поверхности объекта и ставят ее в соответствие уровню сигнала в данной области. Значения яркостной температуры в остальных областях объекта вычисляют с использованием формулы Вина (1). Недостатки данного метода заключаются в необходимости использования дополнительного калиброванного яркостного пирометра, требования однородности температуры объекта в поле зрения яркостного пирометра, а также невозможности определения термодинамической температуры объекта при неизвестном значении его излучательной способности.
Технической задачей настоящего изобретения является определение распределения температуры на поверхности неоднородно нагретого тела или ансамбля частиц дисперсной фазы без использования калиброванного пирометра и предварительных данных о величине излучательной способности объекта.
Поставленная задача решается благодаря тому, что одновременно регистрируют изображение участка поверхности объекта на выбранной длине волны  и спектр суммарного теплового излучения с того же участка поверхности  в диапазоне, включающем . По зарегистрированному изображению определяют все уровни сигнала , соответствующие элементам поверхности объекта с температурами , где индекс  пробегает номера всех элементов поверхности.  Затем  вычисляют опорное значение сигнала . По зарегистрированному спектру излучения с использованием вспомогательных координат  вычисляют опорное значение температуры в точке . Далее множество температур  элементов поверхности объекта вычисляют по математической формуле .
На фиг.1а представлено монохромное изображение вольфрамовой ленты лампы СИ10-300, зарегистрированное на длине волны 725 нм при токе накала 13 А; на фиг. 1б представлен спектр суммарного теплового излучения вольфрамовой ленты (вверху) и те же данные во вспомогательных координатах (внизу); на фиг. 1в представлено восстановленное поле термодинамической температуры на поверхности вольфрамовой ленты. На фиг. 2а представлен спектр суммарного излучения гетерофазной плазменной струи на расстоянии 200 мм от среза сопла плазмотрона в процессе напыления частиц NiAl; на фиг. 2б представлено монохромное изображение излучающих частиц NiAl на длине волны 575 нм; на фиг. 2в представлено восстановленное распределение по температурам частиц NiAl в напылительной плазменной струе.
Сущность изобретения заключается в следующем. Выбирается длина волны , на которой излучение объекта описывается формулой Вина (1). С помощью фотоматрицы цифровой камеры, помещенной за узкополосным светофильтром с центральной длиной волны , регистрируется монохромное изображение поверхности объекта, элементы которой имеют температуры со значениями , где . Излучательная способность материала неизвестна, но считается постоянной  в диапазоне измеряемых температур на отрезке спектра вблизи . Температуре  элемента поверхности объекта по формулам (1) и (2) соответствует сигнал
, (6)
где , . По формуле (6) произвольные уровни сигнала  цифровой камеры при фиксированных параметрах ее оптоэлектронного тракта связаны с соответствующими температурами  и  выражением
. (7)
С помощью спектрометра производится регистрация спектра суммарного теплового излучения с участка поверхности объекта, наблюдаемого цифровой камерой. При этом сигнал спектрометра в соответствии с формулами (1) и (3) равен
, (8)
где . После перехода к вспомогательным координатам (4) соотношение (8) принимает вид
(9)
В соответствии методом спектральной пирометрии определим опорную температуру  как температуру серого излучателя, чей тепловой спектр имеет то же значение производной в точке , что и спектр (9)
(10)
При этом  может не принадлежать множеству температур элементов поверхности объекта , которые действительно присутствуют в области наблюдения. С другой стороны значение  может быть выражено через множество  из формулы (9) согласно определению (10)
(11)
Выражая в (11)  множество температур  с помощью формулы (6) через уровни сигнала элементов изображения , зарегистрированного цифровой камерой, получим формулу для определения опорного уровня сигнала , соответствующего опорной температуре
(12)
После этого множество температур  определяется по формуле (7). Как видно, неизвестное значение излучательной способности объекта  не влияет на результаты измерений.
Пример 1. Способ спектрально-яркостной пирометрии (СЯП) был использован для исследования неравномерности поля температуры на поверхности ленты вольфрамовой лампы  СИ10-300, выполняющей роль температурного эталона при калибровке пирометрических приборов. Регистрировалось изображение лампы с помощью видеокамеры PhotonFocus HD1, в оптический канал которой был установлен узкополосный светофильтр с максимумом полосы пропускания на длине волны =725 нм и шириной полосы пропускания 40 нм. Спектр суммарного излучения лампы регистрировался с помощью фотоспектрометра Aseq LR1-T  в спектральном диапазоне 400–900 нм. На фиг. 1а представлено зарегистрированное изображение вольфрамовой ленты при токе накала 13 А. Каждый элемент изображения ленты имеет уровень сигнала , выраженный в цифровых кодах 12-разрядного АЦП видеокамеры.  Согласно заявляемому способу определен опорный уровень сигнала . На фиг. 1б приведен зарегистрированный спектр излучения   (вверху) и те же данные с использованием вспомогательных координат ,  (внизу). По углу наклона касательной к нижнему графику в точке  определено значение опорной температуры . На фиг. 3в представлено восстановленное распределение температуры по поверхности ленты, полученное в соответствии с предлагаемым способом. Установлено, что область, в которой отличие температуры от максимального значения 1605 K не превышает 20 K, имеет длину 6 мм. На краях ленты температура падает до 1420 К.
Пример 2. Способ СЯП был использован для определения температурного распределения частиц дисперсной фазы в напылительном плазменном потоке. Исследования проводились на установке электродугового плазменного напыления «ТЕРМОПЛАЗМА 50–01» в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск) в процессе нанесения износостойкого покрытия из порошка NiAl узкой фракции 90–100 мкм пропан-воздушной струей. В качестве средств регистрации использовались видеокамера PhotonFocus HD1 и фотоспектрометр Aseq LR1-T. Регистрация спектра суммарного излучения струи (фиг. 2а) позволила установить, что спектральный диапазон в области 725 нм содержит полосатое излучение плазмы и непригоден для пирометрических измерений. По этой причине в оптический канал видеокамеры был установлен узкополосный светофильтр с максимумом полосы пропускания на длине волны =575 нм. В такой конфигурации регистрирующей аппаратуры были получены 300 изображений двухфазного потока на дистанции напыления 200 мм от среза сопла плазмотрона. Для отдельного изображения двухфазного потока (фиг. 2б) был зарегистрирован соответствующий спектр суммарного излучения. В соответствии с предлагаемым способом по зарегистрированному спектру было найдено значение опорной температуры , а по соответствующему изображению – опорный уровень сигнала , по которым были определены температуры всех частиц на изображении. Так как конфигурация системы измерения (параметры оптического и электронного  каналов: коэффициент увеличения, светофильтр, время экспозиции кадра и т.д.) и коэффициент излучения  материала оставались неизменными при формировании всех остальных изображений частиц, то найденное соответствие множества уровней сигнала множеству температур частиц  соблюдалось и для этих кадров видеоряда. Были найдены значения температуры всех зарегистрированных частиц и построено их температурное распределение, представленное на фиг. 2в. Предлагаемый способ позволил провести измерение температур ансамбля частиц без калибровки системы измерения и использования данных об излучательной способности материала NiAl.
Техническим результатом применения способа является возможность контроля поля температуры на поверхности неоднородно нагретого тела, либо ансамбля частиц дисперсной фазы в быстропротекающем процессе. Отличительной особенностью способа является совместный анализ элементов изображения поверхности излучающего объекта на выбранной длине волны  и спектра их суммарного теплового излучения, который позволяет объединить быстродействие и высокое пространственное разрешение средств яркостной пирометрии, автономность метода спектральной пирометрии от температурных эталонов и нечувствительность формы спектра теплового излучения на малом отрезке области Вина к величине излучательной способности материала. Кроме того, способ имеет средства поверки тепловой природы излучения объекта.
Источники информации
1) М.И. Эпштейн. Измерения оптического излучения в электронике// М.: Энергоатомиздат, 1990. – 254 с.
2) С.М. Чернин, А.В. Коган. Измерение температуры малых тел пирометрами излучения// М.: Энергия, 1980. – 96 с.
3) А.Н. Магунов. Спектральная пирометрия// М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 248 с.
4) Патент RU 2515086, МПК G01J 5/50, 2014. Пирометрический способ измерения распределения температуры на поверхности объекта.
5) Патент RU 2383873, МПК G 01J 3/30, G01K 13/04, 2010. Способ определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке.
6) Патент UA 44416, МПК G01J 5/50, G01J 5/52, 2009. Способ определения локальной яркостной температуры в отдельных точках нагретого тела и распределения яркостной температуры по поверхности нагретого тела.