Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2014 г. Выпуск 2 (33). С. 32-42

УДК 681.785

СПЕКТРАЛЬНЫЙ пирометр для контроля температуры В ПРОЦЕССАХ ТЕРМОСИНТЕЗА

А. В. Долматов, И. П. Гуляев, Р. Р. Имамов

Введение.

Многие современные технологии производства изделий и покрытий основаны на термосинтезе [1-3]. Этот класс процессов характеризуется высокими значениями температуры (700-5000 К) и позволяет создавать материалы с уникальной твердостью, жаростойкостью, устойчивостью к агрессивным средам и т.д.

Термосинтез в рамках метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) применяется в технологиях производства регенерируемых металлокерамических фильтров тонкой очистки жидкостей, фильтров-горелок для получения пиролитического углерода и фильтров-катализаторов для дожигания выхлопных газов автомобилей [4-6]. В технологиях газотермического напыления процесс термосинтеза используется для восстановления изношенных металлических и керамических деталей, нанесения термо -защитных, коррозионно-стойких, фрикционных и других видов функциональных покрытий [7-10].

Температура является одним из важнейших параметров в подобных технологиях. При этом ее высокий уровень и малый размер частиц исходных материалов не оставляют альтернативы оптическими методам контроля. Наибольшее распространение получили методы яркостной и радиационной пирометрии. Они основаны на регистрации абсолютной величины светового потока и требуют знания излучательной способности нагретого материала (и других параметров процесса термосинтеза), а соответствующие им средства измерения нуждаются в калибровке [11-16]. Поэтому определение термодинамической температуры процесса термосинтеза подобными методами невозможно без дополнительных исследований, которые зачастую являются весьма трудоемкими. Решение этой актуальной проблемы возможно с помощью средств контроля, у которых результат измерения температуры не будет зависеть от теплофизических параметров процесса термосинтеза.

Целью настоящей работы является разработка прибора контроля температуры процессов термосинтеза на основе метода спектральной пирометрии. Для достижения поставленной цели требовалось решение следующих задач:

1) интегрировать спектрометр BTC-110S (B&W Tek, США) в виртуальный спектральный пирометр на базе среды MATLAB;

2) разработать стенд и методику калибровки спектрального пирометра;

3) оценить точность спектрального пирометра.

Метод спектральной пирометрии использует для определения температуры нагретого тела регистрацию его излучения одновременно во многих (от десятков до тысяч) участках спектра. Форма спектра излучения нагретого тела описывается законом Планка, однако для оптического диапазона длин волн и температур от 1000 до 3500 К можно без существенной потери точности использовать приближение Вина. При этом зависимость уровня сигнала фотоприемника с накоплением заряда (фотоэлектронов) можно записать следующим образом:

Модификация метода спектральной пирометрии

А-т -у/ X •s Х,Т • Cj

(

S X ,т

X4

4

ехр

V

32

А. В. Долматов и др. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

где S А, Т - сигнал фотоприемника, А - геометрический фактор, г - время накопления заряда, s - спектральная излучательная способность материала, ц/ - спектральная характеристика оптоэлектронного тракта прибора, Я - длина волны, Т- термодинамическая температура, c, С - константы [17]. Обозначив откорректированный сигнал фотоприемника S' — S/ц/, представим зарегистрированный спектр в координатах Вина:

In S'-Л = In A-x-s-cx -

я-т

С 1

у = \п S'-Я* , х = —, а0 - In А - т - s • сг , ах = — ,

Я

у - а0 - аг  х.

Т

с

2

Таким образом, на участке спектра, где спектральную излучательную способность материала можно считать постоянной, термодинамическая температура определяется по углу наклона касательной

r = -l/f.

/ ах

Зависимость спектральной излучательной способности материала от температуры и длины волны накладывает некоторые ограничения на использование метода спектральной пирометрии. Во-первых, он должен применяться либо для однородно нагретых объектов, либо область объекта, визируемая прибором, должна быть настолько мала, что градиент температуры в ней должен отсутствовать. Во-вторых, на спектре в координатах Вина необходимо выбирать такой участок для измерения температуры, где наблюдается линейная зависимость, которая является признаком постоянной величины спектральной излучательной способности.

Перед измерением температуры необходимо компенсировать искажения информационного сигнала, которые возникают в процессе его преобразования в оптоэлектронном тракте прибора. Эта процедура заключается в определении спектральной характеристики оптоэлектронного тракта у/ Я путем калибровки спектрометра по температурному эталону с известным тепловым спектром и вычислении откорректированного сигнала S' — S/у/.

Виртуальный спектральный пирометр

Спектральный пирометр разработан на базе концепции виртуальных приборов, которая предполагает взаимодействие двух подсистем: сбора данных и их обработки (рис. 1). Подсистема сбора данных включает оптический канал и спектрометр BTC-110S (B&W Tek, США). Подсистема обработки данных реализована программно посредством класса объектов ssSpectr среды MATLAB [18]. Взаимодействие подсистем осуществляется с помощью интерфейса RS-232 и протокола ASCII, команды которого представлены в таблице 1.

33

Приборы и методы контроля

Рисунок 1. Структура виртуального спектрального пирометра

Класс объектов ssSpectr инкапсулирует команды спектрометра, автоматизирует процессы установки соединения прибора с ПК, настройки скорости обмена данными, декодирования передаваемых данных. Свойства и методы объекта класса ssSpectr приведены в таблице 2.

Таблица 1. Команды спектрометра BTC-110S

Команда спектрометра Описание

I{Data} Установка времени накопления заряда (экспозиции) (в миллисекундах). Допустимый диапазон от 50 до 65000 мс.

?I Запрос времени экспозиции.

K{Data} Установка скорость передачи данных до значения {Data}. Допустимые значения {Data}: 5 = 2400 бод; 4 = 4800 бод; 3 = 9600 бод; 2 = 19200 бод; 1 = 38400 бод; 0 = 115200 бод.

?K Запрос текущей скорости передачи данных.

Q Сброс спектрометра.

S Запуск процесса измерения спектра и его передачи в ПК.

Таблица 2. Свойства и методы объектов класса ssSpectr

Метод/Свойство Описание

ssSpectr (calibFile) (конструктор) Создает объект класса: выполняет поиск порта спектрометра, устанавливает соединение с прибором, настраивает скорость обмена данными. Если задан файл калибровки, то загружает данные о дисперсии спектрометра и его аппаратной функции.

Expos (свойство) Запись: устанавливает значение экспозиции (в мс); Чтение: возвращает текущее значение экспозиции спектрометра (в мс).

Wavelength (свойство) Чтение: возвращает длины волн каждой ячейки спектра в виде вектора значений, если определена дисперсия прибора.

capture(count) (метод) Выполняет захват спектров количеством count. Если для объекта определен фоновый спектр, то выполняется аддитивная и мультипликативная коррекция сигнала.

captureBlack(count) (метод) Выполняет захват фоновых спектров количеством count, вычисляет усредненный спектр и сохраняет в качестве внутренних данных объекта.

clearBlack (метод) Очищает текущий фоновый спектр объекта

T(count, cwl, dl) (метод) Работает, если загружены данные о калибровке и зарегистрирован фоновый спектр. Производит захват count спектров и определяет температуру по усредненному спектру с центральной длиной волны cwl и шириной полосы dl.

34

А. В. Долматов и др. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

Рассмотрим пример работы с виртуальным спектральным пирометром в среде MATLAB.

sss - ssSpectr

sss.Expos - 50;

sss.captureBlack

[5, wl] - sss.capture

T — sss T

clear sss;

Команда (4) создает объект класса ssSpectr, инициализируя его данными предварительной калибровки из файла sss300-600.mat. В файле содержатся результаты определения дисперсии спектрометра и его аппаратная функция. С помощью (5) осуществляется настройка экспозиции спектрометра в 50 мс. Затем инструкцией (6) фиксируется спектр фонового излучения, усредненный по 100 зарегистрированным спектрам. После команды (6) в поле зрения пирометра можно поместить объект наблюдения и зарегистрировать спектры его излучения командой (7) или измерить его температуру командой (8). Команда (7) приводит к регистрации 20 спектров, которые помещаются в массив s размерностью 20х2048. В массив wl размерностью 1х2048 помещаются данные о длине волны каждой ячейки детектора. Команда (8) ведет к регистрации одного спектра и определения температуры объекта по участку спектра с центральной длиной волны 495 нм и шириной полосы 20 нм. Вызов (9) приводит к завершению работы пирометра и разрушению объекта управления спектрометром.

Стенд и методика калибровки

В качестве эталона для калибровки спектрального пирометра использовалась образцовая температурная лампа ТРУ-1100-2350 с известной зависимостью яркостной температуры от тока, протекающего по ее вольфрамовой ленте. На основе справочных данных по спектральной излучательной способности вольфрама sw Л,Т [19], графически представленных на

рисунке 2, и приближения Вина моделировался спектр теплового излучения эталона с заданной термодинамической температурой.

Рисунок 2. Спектральная излучательная способность вольфрама

35

Приборы и методы контроля

С помощью формулы

T T-—In S

Tb T c2

где Tb - яркостная температура вольфрамовой ленты лампы ТРУ-1100-2350, измененная яркостным пирометром на длине волны 650 нм, T - термодинамическая температура, построена с точностью до 1 градуса таблица соответствия яркостной и термодинамической температуры эталона. Она позволила определить зависимость термодинамической температуры эталонной области вольфрамовой ленты лампы от тока (рис. 3).

Рисунок 3. Калибровочная зависимость температурной лампы

Коэффициенты коррекции аппаратной функции спектрометра можно вычислить

как отношение сигнала модельного спектра излучения эталона к зарегистрированному

k — ) = У*

рег

где k (—) коэффициент коррекции аппаратной функции прибора для i -ого фотоэлемента, регистрирующего излучение на длине волны —, SMOd и S - уровни модельного и зарегистрированного сигнала на длине волны i при термодинамической температуре T . Однако

было сделано предположение, которое в последствие подтвердилось, что аппаратная функция спектрометра зависит также от величины светового потока, т.е. корректирующая функция спектрального пирометра зависит от длины волны и уровня регистрируемого сигнала k (Я, S) . Поэтому методика калибровки основывалась на варьировании термодинамической

температуры эталона от 1200 до 2500 К с шагом 10 градусов, которое позволило определить коэффициенты коррекции сигнала для каждого фотоэлемента сенсора во всем динамическом диапазоне.

Для калибровки спектрального пирометра использовался стенд, структурная схема которого показана на рисунке 4.

36

А. В. Долматов и др. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

Рисунок 4. Структурная схема стенда для калибровки спектрального пирометра

Объект класса ETLamp позволил из среды MATLAB контролировать ток температурной лампы, инкапсулируя протокол управления источником PSH-2035 (GW, Instek). С помощью процедуры wPlank моделировался спектр вольфрамовой лампы с заданной термодинамической температурой, а объект класса ssSpectr использовался для сбора данных спектрометром. Программой калибровки предусматривалось измерение 50 спектров (с коррекцией аддитивной составляющей) при фиксированной температуре, что позволило определить средний уровень сигнала и коэффициент его вариации для каждой ячейки фотолинейки.

Рисунок 5. Мультипликативная поправка сигнала спектрометра

Диапазон температур в программе калибровки позволил в ходе эксперимента на стенде найти мультипликативную поправку сигнала k (A, S) . Последующая обработка этих данных заключалась в обнулении таких коэффициентов коррекции, для которых соотношение сиг-

2 3

нал-шум находилось за пределами интервала 10 -10 . Нижний предел соответствует относительной точности измерения 1 %, а верхний - границе области насыщения сигнала. На за-

37

Приборы и методы контроля

вершающей фазе осуществлялась нормировка функции k A, S относительно максимума,

т. к. измерение температуры методом спектральной пирометрии основано на форме спектра, а не определяется абсолютным уровнем сигнала. Результат калибровки спектрального пирометра приведен на рисунке 5.

Измерение температуры

Методика измерения температуры спектральным пирометром реализована в методе «Т» виртуального прибора (табл. 2). Его работа требует предварительной загрузки файла калибровки и регистрации фонового спектра. Алгоритм работы включает последовательную регистрацию заданного количества спектров, вычисление усредненного спектра (если количество регистрируемых спектров было больше единицы), коррекцию аддитивной составляющей (вычитание фонового спектра) (12) (рис. 6), мультипликативную коррекцию (13) (рис. 7).

ga ^урег ^уфои

Si=k A^s; -S“, / = 1,2048,

где Sfe!;, Sf°H - сигнал i -ого фотоэлемента регистрируемого и фонового спектров, S“ - сигнал с коррекцией аддитивной составляющей, к At,S“ - коэффициент мультипликативной коррекции, S - откорректированный сигнал.

Рисунок 6. Спектр излучения исследуемого объекта после аддитивной коррекции

После мультипликативной коррекции из вектора S А удаляются значения на таких Я,,

где St=0, и значения, которые не попадают в интервал [Ац-АА/2,Ац+АА/2,~^ (рис. 7,а).

Длина волны, соответствующая середине интервала Ац и ширина интервала А А задаются

аргументами метода прибора (табл. 2). Оставшееся множество значений спектра S' используется для вычисления коэффициентов линии регрессии в координатах Вина. Завершается алгоритм определением температуры по формуле (3) (рис. 7, б).

38

А. В. Долматов и др. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

а

Рисунок 7. Исправленный спектр излучения исследуемого объекта

Апробация методики калибровки и тестирование спектрального пирометра проводились на экспериментальной установке для контроля макропараметров процесса термосинтеза металлокерамических фильтров (рис. 8) [20]. В качестве оптической системы установки использовался стереомикроскоп МБС-10 (ЛЗОС, Россия). Один из оптических каналов задействован для измерения яркостной температуры тепловизионной системой на базе высокоскоростной камеры «ВидеоСпринт» [21]. Второй, вспомогательный канал предназначен для синхронизации пуска «ВидеоСпринт».

Проблема эксплуатации такой экспериментальной установки заключалась в том, что спектральный коэффициент излучательной способности синтезируемой металлокерамики зависит от многих факторов исходной шихты и должен определяться индивидуально для каждого образца. А яркостная температура не является макропараметром, однозначно характеризующим СВ-синтез и конечный продукт. Таким макропараметра может выступать только термодинамическая температура процесса.

Для решения описанной проблемы в экспериментальную установку была введена трино-кулярная насадка, которая позволила дополнить комплекс спектральным пирометром. На основе разработанной методики калибровки были определены мультипликативные поправки сигнала для каждого фотоэлемента датчика спектрометра.

39

Приборы и методы контроля

Рисунок 8. Экспериментальная установка (1 - микроскоп МБС-10; 2 - тринокулярная насадка; 3 - оптоволоконный кабель;

4 - спектрометр BTC-110S; 5 - тепловизор; 6 -источник тока PHS-2035; 7 - печь вертикальная;

8 - образец шихты для СВ-синтеза)

Оценка точности спектрального пирометра осуществлялась следующим образом. В качестве температурного эталона использовалась образцовая лампа ТРУ-1100-2350, которая помещалась вместо образца шихты в фокальной плоскости измерительной системы (рис. 9). Используя принцип обратимого хода лучей производилось нацеливание спектрального пирометра на эталонную область вольфрамовой ленты лампы (рис. 10). Диаметр визируемой спектрометром площадки составил 700 мкм. Задавалось произвольное значение тока лампы и измерялась ее температура тепловизионной системой и спектральным пирометром.

Рисунок 9. Стенд для оценки точности Рисунок 10. Нацеливание спектрального

спектрального пирометра (1 - температурная пирометра (1 - вольфрамовая лента лампы; 2 -лампа ТРУ-1100-2350; 2 - светодиодный область визирования пирометра; 3 - уровень

излучатель для отметки области визирования) эталонной области на вольфрамовой ленте)

Яркостная температура, измеренная тепловизионной системой, пересчитывалась в термодинамическую на основе спектральной излучательной способности вольфрама. По калибровочной характеристике лампы (рис. 3) определялась ее термодинамическая температура и

40

А. В. Долматов и др. Спектральный пирометр для контроля температуры в процессах термосинтеза

точность измерения этой температуры яркостным и спектральным пирометром. Оценка точности выполнялась в диапазоне, характеризующем температуру реакции СВС в системе Ni-Al. Результаты этих исследований отображены на рисунке 11.

Предельная относительная ошибка измерения термодинамической температуры спектральным пирометром в данном диапазоне составила 0,7 %.

Выводы

Концепция виртуальных приборов позволила с наименьшими затратами интегрировать спектрометр BTC-110S в спектральный пирометр, предоставив для обработки его сигналов мощнейшие средства MATLAB, в том числе из области параллельных вычислений. Методика и автоматизированный стенд для калибровки спектрального пирометра способствовали реализации такого подхода к коррекции сигнала спектрометра BTC-110S, который обеспечил точность измерения температуры объекта не превышающую 0,7 %. Внедрение спектрального пирометра в систему контроля макропараметров термосинтеза металлокерамических фильтров дало возможность установить однозначную связь между температурой реакции СВС и свойствами конечного продукта, при неизвестном коэффициенте излучательной способности материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта № 14-08-90428.

Литература

1. Development Prospects of SHS Technologies in Altai State Technical University / V. V. Evstigneev, P. J. Guljaev, I. V. Miljukova [et al.] // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2006. - Т. 15, № 1. - С. 99-104.

2. Гуляев, П. Ю. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.2 (35). - С. 230-233.

3. Gulyaev P. Yu. Plasma spraying of protective coatings from ferromagnetic SHS-materials // Research Journal of International Studies. - 2013. - № 12-1 (19). - P. 74-77.

4. Гуляев, П. Ю. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, № 5-2. - С. 382-385.

41

Приборы и методы контроля

5. Гуляев, П. Ю. Байесовское восстановление цвета цифровых изображений [Текст] / П. Ю. Гуляев, Ю. П. Гуляев, А. В. Долматов // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. - 1997. - № 2. - С. 114-115.

6. Гуляев, П. Ю. Интеллектуальные наноструктурные СВС-системы и виртуальные механизмы формирования ультрастабильных цеолитных материалов [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова, А. В. Долматов // Ползуновский альманах. - 2008. - № 2. - С. 38-39.

7. Солоненко, О. П. Плазменная обработка и напыление порошков оксидов металлов, состоящих из полых сфер [Текст] / О. П. Солоненко, И. П. Гуляев, А. В. Смирнов // Письма в Журнал технической физики. - 2008. - Т. 34, № 24. - С. 22-27.

8. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев //Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.1(35). - С. 144-148.

9. Gulyaev I. P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure // Journal of Physics: Conference Series. - 2013. - Vol. 441: 012033. DOI: 10.1088/1742-6596/441/1/012033.

10. Структурно-фазовые изменения в порошковых СВС-материалах при плазменном нанесении покрытий [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. В. Милюкова, И. П. Гуляев [и др.] // Изв. вузов. Физика. - 2007. - № 9 (Приложение). - С. 349-352.

11. Gulyaev I. P., Ermakov K. A., Gulyaev P. Yu. New high-speed combination of spectroscopic and brightness pyrometry for studying particles temperature distribution in plasma jets // European Researcher. - 2014. - № 3-2 (71). - P. 564-570.

12. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев [и др.] //Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-6. - С. 1194-1199.

13. Гуляев, П. Ю. Диагностика распределения температуры и скорости напыляемого порошка в импульсном плазменном потоке [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Изв. вузов. Физика. - 2007. - № 9 (Приложение). - С. 114-117.

14. Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, В. А. Попов [и др.] // Ползуновский вестник. - 2012. - № 2-1. -С. 4-7.

15. Долматов, А. В. Комплекс автоматизированной калибровки тепловизионной системы на базе MATLAB [Текст] / А. В. Долматов, К. А. Ермаков, В. В. Лавриков [и др.] // Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2 (25). - С. 59-63.

16. Долматов, А. В. Виртуальная тепловизионная система с микросекундным периодом регистрации [Текст] / А. В. Долматов, А. О. Маковеев, К. А. Ермаков, В. В. Лавриков // Пол-зуновский альманах. - 2012. - № 2. - С. 31-36.

17. Виновский критерий выбора параметров редукции температурного распределения частиц по их суммарному тепловому спектру [Текст] / П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан, И. П. Гуляев [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2008. - Т. 51. - № 93. - С. 69-76.

18. MATLAB.Exponenta: центр компетенций MathWork [Электронный ресурс]. Copyright 2001-2013 Softline Company. Дата обновления: 21.04.2012. - Режим доступа : http://matlab.exponenta.ru/ (Дата обращения: 25.03.13).

19. Излучательные свойства твердых материалов : справочник [Текст] / под общ. ред. А. Е. Шейндлина. - М. : Энергия. 1974. - 472 с.

20. In-situ selfpropagating-hightemperature-synthesis controlled by plasma / P. Yu. Gulyaev, I. P. Gulyaev, Cui Hongzhi [et al.] // Вестник Югорского государственного университета. -2012. - № 2 (25). - С. 28-33.

21. Научно-производственная компания «Видеоскан» [Электронный ресурс] // Copyright ЗАО «НПК ВИДЕОСКАН» (C). Дата обновления: 04.05.14. - Режим доступа : http://www.videoscan.ru/ (Дата обращения: 14.04.14).

42