Спектральный метод и устройство измерения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестной излучательной способности пирометрируемой поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Бесчастный Михаил Александрович

• Бесчастный Михаил Александрович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Бесчастный Михаил Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Современное состояние проблемы

1.1 Использование температурных шкал при измерении высоких температур

1.2 Оптические методы измерения высоких температур

1.3 Современные методы температурного контроля

Выводы

Глава 2. Метод определения высоких температур без приближения Вина

2.1 Полихроматический метод определения температуры без приближения Вина

2.2 Методическая и инструментальная погрешности определения

температуры без приближения Вина

Выводы

Глава 3. Метод минимизации погрешностей определения температуры

3.1. Моделирование спектрального распределения коэффициента

излучения

3.2 Эквивалентная длина волны и её влияние на погрешность

Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования в области высоких и экстремально высоких температур

4.1 Эксперименты по определению температуры катода плазмотрона

4.2 Эксперименты по определению температуры металлов при

нагревании токовым импульсом

Выводы

Глава 5. Метод анализа спектрального коэффициента излучения объектов с использованием данных о спектре собственного теплового излучения

5.1 Метод анализа спектрального коэффициента излучения объектов

5.2 Эксперименты по исследованию спектрального коэффициента

излучения объектов по спектру теплового излучения

Выводы

Заключение

Список цитированной литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектральный метод и устройство измерения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестной излучательной способности пирометрируемой поверхности»

Актуальность темы:

Диссертационная работа посвящена вопросам, связанным с бесконтактным измерением и контролем экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестной излучательной способности поверхности объектов, а также вопросам анализа спектрального коэффициента излучения поверхности объектов с использованием данных о тепловом излучении от них.

Современные исследования в области бесконтактного измерения и контроля температуры и поверхностных свойств объектов и материалов при высоких и экстремально высоких температурах нуждаются в использовании новых подходов, позволяющих решать поставленные задачи в экстремальных условиях при наличии агрессивных сред и высокой скорости протекания изучаемых процессов.

В частности, при исследованиях свойств материалов в ходе воздействия на них лазерного излучения, либо нагреве их с помощью токового разряда, свойства веществ изменяются в течение нескольких долей секунды, что затрудняет использование справочных данных о материалах, указанных для детерминированных состояний веществ. Наличие же помех, обусловленных лазерным излучением, а также испарением вещества и образованием загазованной среды, снижает эффективность классических методов термометрии и теплового контроля.

Так, традиционные методы пассивной бесконтактной термометрии предполагают наличие сведений о спектральном коэффициенте излучения от объекта на длине волны, на которой происходит регистрация излучения от него. Кроме того, при неравномерном ослаблении излучения при прохождении сквозь агрессивную среду, необходима информация о степени ослабления среды, которая в реальности для каждого эксперимента различна.

Другой проблемой при регистрации излучения на отдельных длинах волн является необходимость анализа природы этого излучения.

В связи с этим весьма актуальным является создание новых методов и устройств на их основе, позволяющих измерять и контролировать экстремально высокие значения термодинамической температуры при неизвестной спектральной характеристике излучательной способности объектов в ходе быстропротекающих процессов, сопровождающихся мощным энерговыделением и наличием агрессивной среды.

Цели и задачи:

Целью диссертационной работы является разработка нового метода измерения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестной излучательной способности поверхности и метода анализа спектрального коэффициента излучения по спектру собственного теплового излучения от объекта при отсутствии априорной информации о нём, а также проведение исследований возможности применения разработанных методов.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов определения температуры при отсутствии априорной информации об объекте на предмет применимости их для определения экстремально высоких температур объектов, расположенных в агрессивных средах при отсутствии информации об их излучательной способности;

- разработать схему установки для регистрации собственного теплового излучения от поверхности объекта, позволяющую получать мгновенное распределение интенсивности излучения с высокой частотой регистрации;

- провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность измерения и контроля мгновенного значения термодинамической температуры в условиях помех, обусловленных окружающей средой;

- разработать метод анализа спектрального коэффициента излучения объектов с использованием данных о спектре собственного теплового излучения;

- разработать экспериментальные установки для регистрации спектра излучения в различных спектральных диапазонах и получения большого массива информации о собственном тепловом излучении объекта;

- выработать рекомендации и предложения по применению разработанного метода определения экстремально высоких значений термодинамической температуры;

- выработать рекомендации и предложения по применению разработанного метода анализа спектрального коэффициента излучения с использованием данных о спектре собственного теплового излучения.

Методы исследования:

При проведении теоретических исследований физических процессов, происходящих при излучении и регистрации теплового излучения, были использованы фундаментальные соотношения термодинамики и термометрии. При обработке массивов данных, содержащих информацию о температуре и излучательной способности объектов исследования, использовались методы математической статистики и теории вероятностей. В качестве программ для расчётов использовались "Matlab" фирмы "The MathWorks Inc" и Mathcad" фирмы "Parametric Technology Corporation".

При проведении экспериментальных исследований применялся современный многоэлементный матричный фотоприёмник для области длин волн 0,4^1,0мкм, новейший приёмник на базе микроболометрической матрицы для области 8,0^14,0мкм, а также приёмник на базе антимонида индия для области 3,0^5,0мкм. В ходе создания экспериментальных установок использовались высокопроизводительные аналоговые и цифровые микросхемы и элементы оптоэлектроники, а также современные средства визуализации.

Для калибровки экспериментальных установок использовалась высокоточная модель АЧТ типа M-360 фирмы "Mikron Infrared".

Достоверность полученных результатов достигается:

- использованием аналитических выражений, базирующихся на фундаментальных законах термодинамики, применением уравнения Планка для вывода итерационных соотношений и расчёта термодинамической температуры;

- использованием прецизионной модели АЧТ типа M-360 фирмы "Mikron Infrared", обеспечивающей стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющей проводить корректное сопоставление получаемых результатов с термодинамическими значениями температуры;

- сопоставлением экспериментально полученных данных о термодинамической температуре с данными высокоточной модели АЧТ;

- компьютерным моделированием оптических схем, макетов измерителей температуры и излучательной способности с использованием программы проектирования и анализа оптических систем "Tracepro";

- использованием высокоточных измерительных приборов, и специализированного оборудования ведущих мировых производителей, таких, как: "Hamamatsu", "Mikron Infrared", ""Texas Instruments"", ""Altera"", "Xenics"", ""Tektronix"", "LeCroy" и новейших программных средств "Matlab", "Tracepro"" и "Mathcad ";

- сопоставительным анализом результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы и хоздоговорной НИР шифр "Обзор", проведённой «НИУ «МЭИ» в интересах секции прикладных проблем при Президиуме РАН.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Метод определения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестной излучательной

способности поверхности, основанный на использовании спектра собственного теплового излучения, полихроматического метода с численным определением температуры без приближения Вина, анализе температурных данных и их статистической обработке;

2) Метод повышения точности получаемых результатов с помощью минимизации инструментальной и методической погрешности полихроматического метода, путём выбора оптимального значения эквивалентной длины волны и моделирования зависимости спектрального коэффициента излучения линейной и экспоненциальной функциями;

3) Метод анализа спектрального коэффициента излучения объектов с использованием данных о спектре собственного теплового излучения, позволяющий оптимизировать температурный контроль объектов.

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

1) Разработан и экспериментально подтвержден новый метод определения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестном спектральном распределении излучательной способности поверхности, в ходе которого используется спектр собственного теплового излучения, полихроматический метод и последующая статистическая обработка температурных данных;

2) Впервые в отечественной практике получены математические выражения для полихроматического метода, базирующиеся на уравнении Планка, позволяющие повысить точность определения температуры при анализе спектра теплового излучения, выходящего за пределы применимости приближения Вина;

3) Впервые в отечественной практике экспериментально продемонстрирована возможность измерения термодинамической температуры объекта с неизвестной спектральной характеристикой излучательной способности, при воздействии стороннего неравновесного излучения, а также в ходе быстропротекающих процессов в экстремальных условиях.

Практическая значимость:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения измерителей экстремальной термодинамической температуры объектов с неизвестной излучательной способностью поверхности;

- диапазон значений термодинамической температуры, измеряемой полихроматическим методом, расширен за пределы применимости приближения Вина;

- подтверждена возможность существенного снижения методической погрешности полихроматического метода, обусловленной неизвестной излучательной способностью поверхности, при моделировании распределения спектрального коэффициента излучения линейной и экспоненциальной функциями.

- появилась возможность создания базы данных коэффициентов излучения от объектов для включения её в спектральные измерительные приборы;

- результаты работы использованы при выполнении хоздоговорной НИР «Обзор-МЭИ», проведённой в интересах секции прикладных проблем при Президиуме РАН при построении спектральной установки для быстрой регистрации спектров и определения температуры удалённых объектов;

Глава 1. Современное состояние проблемы

1.1. Использование температурных шкал при измерении высоких температур.

Температура является одним из критических параметров большинства современных высокотемпературных технологий, таких как лазерная, плазменная, ядерная и других. Тем не менее, исследования в области измерения высоких температур крайне скудны и проводятся лишь при производственной необходимости. Так, в большинстве технологических установок ограничиваются не точными значениями температуры, а нахождением и поддержанием необходимого температурного режима производства. При необходимости же точного определения температуры на производственных предприятиях используются традиционные методы.

Традиционные методы измерения температуры основываются на использовании практических температурных шкал. Их построение изначально осуществлялось исходя из анализа физических свойств веществ, зависящих от температуры. Наибольшее распространение получило использование такого свойства веществ, как постоянство температуры при фазовых переходах. В результате фазовые переходы чистых веществ были выбраны в качестве реперных точек для построения температурных шкал. На данный момент на основе рекомендаций Консультативного комитета по термометрии используется принятая в 1990г. международная шкала температур МТШ-90. Она основана на прецизионных измерениях температур, выполненных за последние 30 лет в различных странах, в частности, в России (ВНИИМ и ВНИИФТРИ). Шкала температур в МТШ-90 разделена на 4 участка, последний из которых - для температур свыше 1234,93К - основывается на законе излучения Планка и реперных точках затвердевания Ag (1234.93К), Au (1337.33К) и ^ (1357.77К) [1]. Выше точки плавления меди практически нет реперной точки, пригодной для воспроизведения и передачи МТШ-90.

Одним из возможных решений данной проблемы является реализация высокотемпературных реперных точек на основе эвтектических сплавов «Тугоплавкий Металл - Углерод». На сегодняшний день в данном направлении проводятся исследования, в ходе которых путём многократного отжига получают тигли, суммарная погрешность температуры фазовых переходов которых составляет менее 0.5 ОС. Так, в работе [2] сообщается о серии успешных измерений температуры эвтектических сплавов, температуры фазовых переходов которых приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Температуры плавления эвтектических сплавов.

Наименование эвтектики М-С Температура, ОС

Бе-С 1153

Со-С 1324

N1-0 1329

Рё-С 1492

ЯЬС 1657

Р1-С 1738

Яи-С 1953

1г-С 2290

Яе-С 2474

ОБ-С 2732

Аналогичные исследования в области использования сплавов, проведённые в работе [3], позволяют говорить о возможности использования эвтектического сплава на основе вольфрама <^С-С» в качестве реперной точки, что позволяет воспроизводить температуру до 3020,7К. В перспективе данное направление может привести к расширению диапазона температур, воспроизводимых температурными шкалами, за счёт высокотемпературных реперных точек фазовых переходов сплавов.

Основываясь на современном состоянии традиционных методов термометрии, здесь и далее под экстремально высокими будут пониматься значения термодинамической температуры, превышающие температуру фазового перехода наиболее тугоплавких из исследуемых на сегодняшний день эвтектических сплавов, то есть температуры порядка 3000К и выше.

Наибольшей популярностью среди измерителей температур, калибруемых посредством температурных шкал, пользуются контактные датчики температуры - термопары. Их преимуществами являются простота использования, дешевизна, а также относительно большой температурный диапазон измерений.

Основная проблема, возникающая при использовании температурной шкалы, заключается в невозможности объективной оценки термодинамической погрешности. Под погрешностью понимают разность между истинным и измеренным значением величины, при этом в данном случае истинное значение неизвестно. Другая проблема заключается в неединственности самой шкалы. В частности, результаты сличений национальных эталонов единицы температуры в тройной точке воды выявили расхождения значений между собой. При этом опорное значение температуры при сличении является лишь средним значением результатов конкретных сличений и используется в качестве ориентира [4].

Следующей особенностью, связанной с передачей единицы температуры в области радиационной термометрии, является необходимость пересмотра методов построения температурной шкалы на уровне первичных эталонов. При этом особый интерес представляет температурный диапазон свыше 1000 ОС [5]. Также на сегодняшний день не до конца решена сама проблема сличения эталонных значений температуры в случае их несовпадения между собой по результатам измерений, проводимых различными международными лабораториями [6].

1.2 Оптические методы измерения высоких температур.

Альтернативой традиционной термометрии с использованием температурных шкал является бесконтактная термометрия в оптическом диапазоне спектра, современное состояние и проблемы которой подробно отражены в работе [7]. На сегодняшний день данное направление серьёзно продвинулось вперёд за счёт разработки многоэлементных приёмников инфракрасного излучения, совершенствования технологии изготовления неохлаждаемых приёмников излучения, в том числе микроболометрических матриц. В результате повысилась точность измерений, уменьшилась инерционность и массогабаритные размеры приёмников излучения, а также появилась возможность регистрации распределения излучения от объекта на протяжённом спектральном участке, что является неоспоримым преимуществом по сравнению с бесконтактными методами пирометрии, использующими регистрацию излучения на одной длине волны.

Среди оптических методов термометрии разделяют методы, использующие интегральный спектр излучения от объекта, а также спектральные методы, использующие для расчёта температуры данные об излучении на одной, двух или нескольких длинах волн.

В основе методов, использующих интегральный спектр излучения от объекта, лежит закон Стефана-Больцмана, в соответствии с которым поверхностная плотность излучения от объекта пропорциональна температуре объекта в четвёртой степени. Коэффициентом пропорциональности является постоянная Стефана-Больцмана. Недостатком данной группы методов являются сложность в практической регистрации полного спектра теплового излучения от объекта, влияние взаимного расположения плоскости объекта и регистратора на результаты измерения температуры, а также сложность в учёте коэффициента излучения от объекта, который помимо зависимости от значения длины волны имеет и температурную зависимость.

Одним из современных методов, использующих интегральный спектр излучения, является методика определения температуры объекта с предварительным моделированием его трёхмерной формы по тепловой картине собственного излучения от объекта [8^10]. Так, в статье [11] сообщается об измерениях температуры фюзеляжа самолёта с помощью поляризационных термограмм. Вместе с тем, остаётся не совсем ясной методика учёта влияния коэффициента излучения в случае отсутствия данных об объекте. В большинстве случаев с этой целью прибегают к табличным данным об интегральном коэффициенте излучения, являющемся для многих материалов табулированной величиной. Табулирование значений интегрального коэффициента излучения проводится, как правило, путём сличения спектра от объекта исследования со спектром эталонного излучателя, откалиброванного по температурным шкалам, что приводит к ограничению температурного диапазона применимости данной группы методов температурами порядка 1500К.

В основе метода, использующего данные об излучении на одной длине волны (яркостной метод), лежит закон Планка, в соответствии с которым для абсолютно чёрного тела (далее - АЧТ), находящегося при температуре T в состоянии термодинамического равновесия, спектральная поверхностная плотность мощности излучения описывается уравнением (функцией) Планка:

С 1

= - ^ (1.1)

где RP(X,Т) - спектральная поверхностная плотность мощности, X - длина

л

волны; с - скорость света; C1=2я:c h - первая пирометрическая константа, C2=ch/k - вторая пирометрическая константа.

Для широко распространённых на сегодняшний день фотонных приёмников излучения, вместо спектральной поверхностной плотности мощности переходят к спектральной плотности потока фотонов от объекта, и уравнение Планка записывают в виде:

ФР(Л,Т) =

С

1

ИсЛ ехрС2! АТ -1

(1.2)

где ФР(Я,Т) - спектральная плотность потока фотонов (далее - СППФ).

В отличие от АЧТ, спектральный коэффициент излучения которого равен единице, излучение от реальных (окрашенных) объектов описывается уравнением:

С, 1

Ф(Я, Г) = е(Л, Т) X Фр (Л, Т) = е(Л, Т) X

/?сЯ4 ехр С2 / ^ -1

(1.3)

где е(Л,,Т) - спектральный коэффициент излучения, значение которого для реальных объектов меньше единицы на всём спектральном диапазоне.

Это означает, что температура объекта может быть выражена аналитически и определяется значением спектральной плотности потока фотонов на длине волны регистрации, а также спектральным коэффициентом излучения на данной длине волны (рис.1.1).

| 2.5 =

о н

-е 2

ос

о

о н о

х 10

29

03

и

о ь о в

и0

ь о о а

ь о

4 1=

2 л

ч Й Он

у

О)

с

о

1.5 ф

1

0.5

1 I I I 1

функция данной я] Планка, сос жостной те 1тветствую мпературе цая

, , , , , , , , , , , , , , , < 1

X 3

7 9

длина волны, мкм.

И

13

15

Рис.1.1 Иллюстрация яркостного метода.

Вместе с преимуществами, такими как простота практического применения и относительная дешевизна оборудования, данный метод имеет и недостатки. Прежде всего, это необходимость наличия информации о спектральном коэффициенте излучения на данной длине волны и спектральном коэффициенте ослабления окружающей среды. Помимо этого, проведение единичного измерения приводит к возрастанию влияния случайной погрешности измерений, а проведение серии измерений для нивелирования случайной погрешности не позволяет проводить измерение температуры быстропротекающих процессов.

Одним из способов снижения случайной погрешности состоит в использовании яркостного метода определения температуры на нескольких длинах волн. Примером использования мультиспектрального яркостного метода является методика, разработанная компанией «FAR Associates» под руководством Р. Фелиса [12^13]. Алгоритм методики включает следующие этапы:

- сбор данных о спектре излучения с ПЗС-линейки (каждому пикселю соответствует участок 2нм);

- определение яркостной температуры на каждом участке. Если полученные значения на всех участках одинаковы, то температура считается найденной;

- если значения температуры в разных участках спектра неодинаковы, то строится гистограмма температур, из которой определяется наиболее вероятная температура и среднеквадратичное отклонение.

В работе [14] описаны результаты экспериментов по спектральной термометрии температур порядка 3000К в загазованной среде, демонстрирующие преимущество мультиспектрального яркостного метода перед классическим яркостным методом. Вместе с тем учёт влияния ослабления среды для мультиспектрального яркостного метода не вполне очевиден. Сами авторы также признают наличие множества проблем при использовании данного метода и предлагают решать их путём исследования

высокотемпературных свойств материалов, их каталогизации и учёту при проведении экспериментов [15].

Среди других исследований в области яркостной мультиспектральной термометрии также необходимо отметить исследовательскую группу Яна Чин-Лина (Университет Харбина, Китай), решающую проблему неизвестного коэффициента излучения путём аппроксимации его линейной либо полиномиальной функциями [16]. Среди отечественных групп, развивающих методы яркостной термометрии, следует упомянуть группу Д.Я. Света (Объединённый институт высоких температур РАН), одного из первых отечественных учёных, занявшегося исследованиями в области бесконтактной термометрии [17^19]. Также следует отметить исследования В.А Фрунзе (ВГУП «ВНИИОФИ»), использующего для нивелирования погрешности, обусловленной неизвестным коэффициентом излучения, моделирование его полиномиальной функцией с последующим вводом поправочных коэффициентов при градуировке пирометров [20^22].

В основе метода, использующего данные об излучении на двух длинах волн (бихроматический метод), помимо закона Планка, лежит предположение о равномерном ослаблении излучения на исследуемых длинах волн при прохождении через среду, что даёт возможность нивелировать влияние среды распространения излучения на результаты определения температуры. С этой целью берётся отношение величин спектральной плотности потока фотонов на двух длинах волн:

Ф2(Л2,Т) £(Я2,Т) ехрСз/Л^Э"1' ( }

При условии равномерного ослабления излучения на длинах волн Х1зД2 отношение спектральной плотности потока фотонов в левой части уравнения (1.4) остаётся неизменным. Однако в данном случае температура уже не может быть выражена в явном виде, поэтому при определении температуры бихроматическим методом большинство пирометристов переходят от уравнения Планка к уравнению Вина [18]:

Г ПСА

(1.5)

Стоит отметить, что уравнение (1.5) представляет собою первый член разложения уравнения (1.2) в ряд:

ФР(Я,Г) = -^- 1хКС9//1Г>ехр^2С9/ЛГ>ехр(ЗС9/ЛГ>...." (1 6)

ИсЛ " " "

При переходе к уравнению Вина появляется возможность получения строгого аналитического выражения для определения температуры по методу спектрального отношения. Соотношение (1.4) преобразуется к виду:

Ф_ V ехрС2/>У\

■ X ■

Ф2(Л2,Т) ^ ехрС2/Л1Т_

(1.7)

отсюда выражение для определения температуры:

Т = С2х

С

1

1п

Я248(Я1,Т)Ф2(Я2,Т) к

^е^ТШ^Т)

1п

Я248(Я1,Т)Ф2(Л2,Т)

где Л,2- Х1) - виновская эквивалентная длина волны.

,(1.8)

| 2.5 =

о н

-е 2 «

о 2 О Е-

О

1.5

03

| ф

о

в

х 10"

-о ь о о

ь о ч 1=

0.5 »1

I

¡3 ф

ей

Он

н

ё о

с

о

1 1

функция данной ц Планка, сос ветовой тег 1тветствую лпературе цая

^~7 . , , , , , , , , , , , , , , < 1

1 х2 3

7 9

длииа волны, мкм.

И

13

15

Рис.1.2. Иллюстрация бихроматического метода.

Отметим, что математически приближение Вина справедливо при выполнении неравенства:

С2 / ХТ >>1, (1.9)

На практике модель Вина с высокой точностью совпадает с формулой Планка вплоть до длин волн Х=0.25С2/Т [7]. Эта область лежит слева от максимума изотермы Планка. Иллюстрация бихроматического метода с регистрацией распределения СППФ в области Вина приведена на рис.1.2.

Как и в случае с яркостным методом, для снижения случайной погрешности измерений вычисления бихроматическим методом проводятся на нескольких длинах волн (мультиспектральный бихроматический метод). При этом ввиду зависимости инструментальной погрешности от величины эквивалентной длины волны, расстояние между длинами волн Х1 и Х2 в ходе измерений стараются выбрать как можно большим. Одним из примеров мультиспектрального бихроматического метода является методика, разработанная научным коллективом Захаренко В.А. (Омский государственный технический университет), в ходе которой для регистрации излучения на нескольких длинах волн используется перестраиваемый фотодиодный пирометр [23]. Преимуществом данной методики является относительно невысокая стоимость реализации, а недостатком - временная задержка на перестройку пирометра, не позволяющая одновременно фиксировать излучение на двух диапазонах длин волн. Отметим, что научная группа В.А. Фрунзе (ВНИИОФИ) также использует мультиспектральный бихроматический метод на двух диапазонах длин волн, регистрируя излучение с помощью широкодиапазонного приёмника на основе 1пОаЛ8 либо германиевого фотодиода, а затем вводя корректирующие коэффициенты в (1.8) для снижения погрешности, обусловленной неизвестными значениями спектрального коэффициента излучения в(Х,Т) [24-25].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бесчастный Михаил Александрович, 2016 год

- ■

ж 1

-

3.8 4.0 4.2 4.4 4.6

длина волны, мкм.

4.8

5.0

5.2

Рис.5.9. Первые производные распределений спектров теплового излучения

от исследуемых поверхностей.

0.015

0.01

0.005

ч

0)

3

н о

К Ы

и

и о 3 о

3

ц

о 3

1) 3

3

4

0 а

§ -0.005

Си

3

1

04

0

-0.01

1

I

\ 1

3.8 4.0 4.2 4.4 4.6

длина волны, мкм.

4.8

5.0

5.2

Рис.5.10. Вторые производные распределений спектров теплового излучения

от исследуемых поверхностей.

Дифференциальный анализ позволяет выделить для окрашенных поверхностей следующие характерные признаки, отображённые в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - сигнатуры исследуемых поверхностей в среднем ИК диапазоне.

цвет поверхности, воспринимаемый глазом длины волн сигнатур 1 типа, мкм. длина волны сигнатур 2 типа, мкм.

желтый 4.05, 4.30, 4.53, 4.94, 5.00 3.74, 3.88, 4.16, 4.42, 4.73, 4.97

красный 4.02, 4.89, 5.03 3.73, 3.85, 4.17, 4.45, 4.71, 4.96

зелёный 3.91, 4.35, 4.68, 4.88, 5.00 4.11, 4.48, 4.76, 4.95

синий 3.93, 4.39, 4.63, 4.83, 4.97 3.77, 4.11, 4.49, 4.72, 4.90

коричневый 3.95, 4.45, 4.71, 4.77, 5.00 4.15, 4.54, 4.74, 4.91

серый 3.95, 4.93, 5.03 3.75, 4.13, 4.55, 4.79, 4.93

чёрный 4.03, 4.41, 4.49, 4.89, 5.03 3.74, 3.86, 4.17, 4.44, 4.71, 4.96

Полученные сигнатуры удобно представить в матричном виде. На рис.5.11 представлена матрица сигнатур 1 типа. На рис.5.12 представлена матрица сигнатур 2 типа.

Рисунок 5.11 - Матрица сигнатур 1-го типа для исследуемых поверхностей.

Рисунок 5.12 - Матрица сигнатур 2-го типа для исследуемых поверхностей.

Анализ матриц сигнатур 1-ого и 2-ого типа показывает, что, несмотря на совпадения отдельных длин волн, общий набор характерных признаков для каждой из окрашенных поверхностей индивидуален. Обработка спектральных данных с использованием дифференциального анализа позволяет в дальнейшем автоматизировать процесс распознавания цели по излучённому тепловому излучению.

Проведённые испытания экспериментального модуля для быстрой регистрации спектров говорят о принципиальной возможности применения разработанного метода для анализа спектрального коэффициента излучения объектов в области среднего ИК диапазона. Несмотря на то, что отклонение в значении сигнатур для различных пентафталевых лаков незначительно, разработанный метод может использоваться в ходе предварительного анализа однородности спектрального коэффициента излучения по поверхности объекта. С целью получения ещё более точных спектральных распределений коэффициента излучения, а также сокращения времени регистрации спектра, можно заменить одноэлементный приёмник с механической развёрткой на приёмник матричного типа. Данный вид приёмников обладает на порядок более высокой стоимостью, однако при наличии данного приёмника с точностью измерений, совпадающей с точностью измерений одноэлементным приёмником с механической развёрткой, возможно уменьшение времени сканирования на один и более порядков.

Эксперименты в дальнем инфракрасном диапазоне.

Схема экспериментальной установки для быстрой регистрации спектра в среднем ИК диапазоне изображена на рис. 5.13 Внешний вид экспериментальной установки показан на рис.5.14.

Установка включает в себя:

1. Объект и диафрагму для формирования потока теплового излучения;

2. Отражательную дифракционную решётку--эшелле, 100 штрихов/мм.;

3. Микроболометрическую ИК-камеру для регистрации теплового спектра;

4. ЦЖ-кабель;

5. Портативный компьютер для обработки полученного спектра.

6. Узкополосные ИК-фильтры и модель АЧТ для калибровки;

7. Вентилятор для охлаждения диафрагмы и уменьшения тепловых шумов.

Рис.5.13. Схема экспериментальной установки ОЭС для быстрой регистрации

спектра в ИК диапазоне.

В качестве модели реальных объектов использовалась алюминиевая пластина, покрытая пентафталевыми красками различных цветов. Алюминиевая пластина закреплена на электрической плитке. В качестве регистратора спектра использовалась камера на базе модуля XTM-640 фирмы «Xenics», основным компонентом которого является матричный приемник №04322-039 фирмы «ULIS» с форматом изображения 640x480. В качестве объектива использовался объектив типа «CN-4020» фирмы «Xenics». Объектив разработан для области спектра 8^14 мкм. Фокусное расстояние f объектива равно 18 мм при относительном отверстии 1/F, равном 1.

При регистрации интегрального теплового излучения от объекта в дальнем ИК диапазоне разница между пентафталевыми красками различных

цветов, нанесёнными на алюминиевую пластину, незначительна. Установка для регистрации интегрального спектра представлена на рис.5.15. Программное обеспечение позволяет провести визуализацию зарегистрированного изображения.

Рис.5.14. Экспериментальная установка ОЭС для регистрации спектров собственного теплового излучения в дальнем ИК диапазоне.

Рис.5.15. Внешний вид установки для регистрации интегрального теплового

спектра от объекта.

С помощью экспериментальной установки, изображённой на рис.5.14, в диапазоне длин волн 3.6-5.2мкм проводилась регистрация спектров теплового излучения от алюминия, покрытого пентафталевыми красками различного цвета. Зарегистрированные с помощью камеры спектры теплового излучения отображены на рис.5.16. Здесь цвет спектра соответствует цвету пентафталевой краски, визуально воспринимаемому человеческим глазом.

На рис. 5.17 представлены распределения тепловых спектров в виде, удобном для их сравнения. Распределения получены путём полиномиальной аппроксимации (в данном случае - полиномом 9 степени). Сравнительный анализ полученных распределений позволяет сделать вывод, что в зависимости от цвета пентафталевой краски спектральный коэффициент излучения может иметь различное распределение в области 3.6-5.2мкм. В данном случае видно, что по форме спектра совпадают излучение от синего и зелёного покрытий, а также излучение от чёрного и красного покрытий. Ход кривых, соответствующих разным цветам, различен не только, что может позволить различать объекты, покрытые данными пентафталевыми красками.

На рис.5.18 представлены распределения первых производных от полиномов СКИ, точки перехода производных через ноль соответствуют экстремумам распределений спектрального коэффициента излучения исследуемых поверхностей. Обозначим эти точки за сигнатуры 1 типа.

На рис.5.19 представлены распределения вторых производных от полиномов СКИ, точки перехода производных через ноль соответствуют точкам перегиба распределений спектрального коэффициента излучения исследуемых поверхностей. Обозначим эти точки за сигнатуры 2 типа.

Рис.5.16. Вид спектров теплового излучения от окрашенных объектов,

зарегистрированных ИК камерой.

50

ч: и

к

н о

я я и

СО

к

нР

н о о я и я

о

к

45

40

К 35 к

я

30

7.0

7.5 8.0

длина волны, мкм.

8.5

9.0

Рис.5.17. Спектры теплового излучения от поверхностей с пентафталевым

покрытием, после обработки.

8.0

длина волны, мкм.

Рис.5.18. Первые производные распределений спектров теплового излучения

от исследуемых поверхностей.

0.5

ч

и

я

н

о

К ^

О

м

о

о =1

3

4 о с

и

3

4 о о

СО

3 о

Си

3

0

1

0.25

0

-0.25

-0.

¿^Щ^зййг^,, ..........А

II

0

7.5

8.0

длина волны, мкм.

8.5

9.0

Рис.5.19. Вторые производные распределений спектров теплового излучения

от исследуемых поверхностей

Дифференциальный анализ позволяет выделить для окрашенных поверхностей только сигнатуры 2 типа, отображённые в табл. 5.2 (сигнатуры 1 типа ярко не выражены).

Таблица 5.2 - сигнатуры исследуемых поверхностей в среднем ИК диапазоне.

цвет поверхности, длина волны сигнатур 2 типа, мкм.

воспринимаемый глазом

желтый 7.19, 7.31, 7.60, 8.07, 8.47, 8.79

красный 7.27, 7.44, 8.38, 8.77

зелёный 7.10, 7.97, 8.57, 8.70

синий 7.20, 7.24, 7.57, 8.02, 8.45, 8.77

коричневый 7.41, 7.58, 8.24, 8.70

серый 7.19, 7.79, 7.81, 8.37, 8.71

чёрный 7.14, 7.27, 7.61, 8.08, 8.63, 8.76

Полученные сигнатуры удобно представить в матричном виде. На рис. 5.20 представлена матрица сигнатур 2 типа.

Рис.5.20. Матрица сигнатур 2-го типа для исследуемых поверхностей.

Анализ матриц сигнатур 2-ого типа показывает, что, несмотря на совпадения отдельных длин волн, общий набор характерных признаков для каждой из окрашенных поверхностей индивидуален. Обработка спектральных данных с использованием дифференциального анализа позволяет в дальнейшем автоматизировать процесс распознавания цели по отражённому тепловому излучению.

Проведённые испытания экспериментального модуля ОЭС для быстрой регистрации спектров говорят о возможности применения разработанного метода для анализа спектрального коэффициента теплового излучения объектов в области дальнего ИК диапазона. Несмотря на то, что отклонение в значении сигнатур для различных пентафталевых лаков незначительно, разработанный метод может использоваться в ходе предварительного анализа однородности спектрального коэффициента излучения по поверхности объекта. С целью повышения эффективности метода в дальнейшем следует повышать разрешение и чувствительность матричного приёмника.

Выводы.

Результаты работы, изложенные в пятой главе, могут быть сведены к следующему:

1. Разработан метод анализа спектрального коэффициента излучения объектов с использованием данных о спектре собственного теплового излучения.

2. Разработана экспериментальная установка для регистрации теплового излучения на базе камеры 1ЯТ18 2000С и проведены эксперименты в средней инфракрасной области, показавшие принципиальную возможность использования разработанного метода для анализа спектрального коэффициента излучения в средней ИК-области.

3. Разработана экспериментальная установка для регистрации теплового излучения на базе модуля ХТМ-640 и проведены эксперименты в

дальней инфракрасной области, показавшие принципиальную возможность использования разработанного метода для анализа спектрального коэффициента излучения в дальней ИК-области.

4. Получено, что данный метод может быть использован при предварительном исследовании однородности спектрального коэффициента излучения по поверхности объекта. Дальнейшее повышение достоверности результатов применения метода возможно путём одновременной регистрации излучения в нескольких спектральных участках, а также повышения чувствительности и разрешающей способности регистраторов.

Заключение

Результаты диссертационной работы кратко сводятся к следующему:

- разработан и экспериментально подтвержден новый метод определения экстремально высоких значений термодинамической температуры при неизвестном спектральном распределении излучательной способности поверхности, в ходе которого используется спектр собственного теплового излучения, полихроматический метод и последующая статистическая обработка температурных данных;

- получены математические выражения для полихроматического метода, базирующиеся на уравнении Планка, позволяющие повысить точность определения температуры при анализе спектра теплового излучения, выходящего за пределы применимости приближения Вина;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения измерителей термодинамической температуры высоконагретых объектов с неизвестной излучательной способностью поверхности;

- диапазон значений термодинамической температуры, измеряемой полихроматическим методом, расширен за пределы применимости приближения Вина;

- подтверждена возможность существенного снижения методической погрешности полихроматического метода, обусловленной неизвестной излучательной способностью поверхности, при проведении предварительного моделирования распределения спектрального коэффициента излучения линейной и экспоненциальной функциями;

- появилась возможность создания базы данных коэффициентов излучения от объектов для включения её в спектральные измерительные приборы.

Экспериментальные исследования, проведённые в видимой области спектра при регистрации теплового излучения от высоконагретых объектов, подтвердили работоспособность метода измерения экстремально высоких

значений термодинамической температуры при неизвестном значении спектрального коэффициента излучения.

Экспериментальные исследования на имитаторе окрашенного тела показали возможность снижения методической погрешности определения температуры в несколько раз при предварительном моделировании зависимости спектрального коэффициента излучения линейной и экспоненциальной функциями.

Экспериментальные исследования, проведённые в инфракрасной области спектра при регистрации теплового излучения от нагретых алюминиевых пластин, покрытых различными пентафталевыми лаками, подтвердили работоспособность метода анализа спектрального коэффициента излучения объектов.

Результаты работы были изложены в 19 публикациях, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Перспективы дальнейшего развития разработанных методов видятся в следующем:

- создание спектральных установок со сверхбыстрыми матричными приёмниками излучения (время экспозиции порядка единиц микросекунд) для более качественной оценки динамики быстропротекающих процессов;

- создание модульных спектральных установок для одновременной регистрации излучения в нескольких диапазонах инфракрасного излучения, а также оснащение их регистраторами высокой чувствительности и разрешения для повышения достоверности анализа спектрального коэффициента излучения объектов;

- создание баз данных спектральных коэффициентов излучения при различных температурах с последующим внесением их в спектральные пирометры, с целью оптимизации температурного контроля поверхностей объектов при исследовании свойств новых материалов и сплавов.

Список цитированной литературы

1. Международная температурная шкала, 1990 г. (The International Temperature Scale of 1990) (текст опубликован: Metrologia, 1990, v.27, pp.310)

2. Сильд Ю. А., Матвеев М. С., Походун А. И. Реализация высокотемпературной реперной точки на основе эвтектического сплава "PtC" // «ТЕМПЕРАТУРА-2007» / Материалы 3-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии, г. Санкт-Петербург - СПб: ФГУП «ВНИИМ им Д.И.Менделеева», 2007.

3. Б.Б. Хлевной, И.А. Григорьева. Высокотемпературная реперная точка на основе металлоуглеродного соединения WC-C (3020,7 К). // «ТЕМПЕРАТУРА-2015» / Материалы 5-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии, г. Санкт-Петербург -СПб: ФГУП «ВНИИМ им Д.И.Менделеева», 2015, с. 61.

4. Походун А. И. Современное состояние и перспективы развития термометрии // Мир Измерений, 2011., № 4(122), С. 64.

5. Походун А.И., Матвеев М.С., Фуксов В.М. Пути воспроизведения и передачи единицы температуры в области радиационной термометрии с учетом перехода на новое определение Кельвина // «ТЕМПЕРАТУРА-2015» / Материалы 5-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии, г. Санкт-Петербург - СПб: ФГУП «ВНИИМ им Д.И.Менделеева», 2015, с.39.

6. Чуновкина А.Г. Методы обработки результатов ключевых сличений и их влияние на принятие решений о подтверждении неопределённостей измерений, заявляемых участниками сличений // «ТЕМПЕРАТУРА-2015» / Материалы 5-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии, г. Санкт-Петербург - СПб: ФГУП «ВНИИМ им Д.И.Менделеева», 2015, с.42-44.

7. Магунов А. Н. Спектральная пирометрия //М.ФИЗМАТЛИТ, 2012., 248с.

8. Пат. 2410654 РФ, МПК G01J 5/52. Способ измерения температуры [Текст] / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул, Ю. А. Фесько, Д. С. Шелковой.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». - № 2009134008/28; опубл. 27.01.2011; Бюл. № 3. - 6 с.

9. Пат. 2431936 РФ, МПК H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / Тымкул В.М., Фесько Ю.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». - 2010129703/09; заявл. 15.07.2010; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29. - 8 с.

10. Пат. 2141735 РФ, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, О.В. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». -№95111870; заявл. 11.02.95; опубл. 20.11.99, Бюл. № 32. - 4 с.

11. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Методика и результаты измерения температуры сложных поверхностей на основе поляризационных термограмм // Интерэкспо Гео-Сибирь, №1, т.5, 2014

12. US patent 5772323 Temperature determining device and process // Ralph A. Felice. 1998.

13. Felice R.A. The Spectropyrometer - a Practical Multi-wavelength Pyrometer // The 8th symposium on Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, 0ct.2002.

14. Felice R.A. Successful pyrometry in investment casting. Investment casting institute 55th technical conference and expo, Oct, 2007.

15. Felice R.A. Expert System Spectropyrometer Results for non-black, TOn-grey, or Changing Emissivity and Selectively Absorbing Environments // International workshop - Radiation measurements of bodies with unknown emissivities at the ElectroTechno exposition, Moscow, Russia, Nov.2-4, 2003.

16. Yang C-L, Dai J-M, Hu Y. Optimum identifications of spectral emissivity and temperature for multi-wavelength pyrometry // Chinese Phys. Lett Vol.20, No10 (2003) p.1685-1688

17. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. - М.: Наука, 1967 г. - 236 с.

18. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М.: Наука, 1982 г. - 296 с.

19. Свет Д.Я. Оптическая пирометрия теплового излучения: проблемы и пути их решения // Приборы, №10, 2008, с.100.

20. Патент № 2403539 (Российская федерация). Устройство для определения спектральной излучательной способности нагретых объектов / Фрунзе А.В. Заявл. 23.06.2009. Опубл. 10.11.2010.

21 . Фрунзе А.В. Алгоритм определения действительной температуры объекта с учетом температурной зависимости его излучательной способности // Датчики и системы, №10, 2014, с.50 - 54.

22. Фрунзе А.В. Алгоритм определения действительной температуры объекта с учетом температурной зависимости его излучательной способности // Датчики и системы, №11, 2014, с58 - 61.

23. Патент РФ №2485458, МКИ О 01 I 05/60. Пирометр спектрального отношения/ В.А. Захаренко, Д.Г. Лобов, Д.Б. Пономарев, А.Г. Шкаев, заявитель и патентообладатель ГОУВПО «ОГТУ». № 2011149297/28; заявл. 02.12.2011; опубл. 20.06.2013 г, Бюл. №17.-4с.: ил.

24. Фрунзе А.В. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения // Фотоника, №4, 2009, с.32 - 37.

25. Пирометры переносные ДИЭЛТЕСТ // Государственные реестр средств измерений, регистрационный номер 28698-05.

26. Русин С.П. Об определении температуры непрозрачных материалов по спектральному максимуму теплового излучения // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. №5, с. 698-703.

27. Магунов А. Н. Лазерная термометрия твердых тел // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 224 с.

28. Магунов А. Н., Спектральная пирометрия // Приборы и техника эксперимента, №4, 2009, стр. 5-28.

29. Магунов А. Н., Измерение температуры объектов с неизвестной излучательной способностью методом спектральной пирометрии // Научное приборостроение, 2010, том 20, № 3, с. 22-26.

30. Магунов А. Н., Выбор спектрального интервала, в котором нагретый непрозрачный объект излучает как серое тело // «Приборы и техника эксперимента» 2010, № 6, с. 148-152.

31. Снопко В. Н., Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения // Минск: Ин-т физики им. Б.И. Степанова, 1999., 224с.

32. Неразрушающий контроль: справочник в 7 томах под общ. Ред. В.В. Клюева, т.5 в 2кн., Кн.1: Тепловой контроль / В.П. Вавилов. - М.: Машиностроение, 2004. - 679с.

33. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль //М.: ИД Спектр, 2013., издание 2-е. - 544с.

34. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Дата введения 1980-07-01.

35. ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. Дата введения 2001-11-21.

36. DelGrande N., Clark G.A., Durbin P.F. et al. Buried object remote detection technology for law enforcement // Proc. SPIE "Surveillance Technologies". 1991. V. 1479. P. 335 - 352.

37. US Patent 5444241A Emissivity corrected infrared method for imaging anomalous structural heat flows // Nancy K. Del Grande, Philip F. Durbin,Kenneth W. Dolan, Dwight E. Perkins, 1995.

38. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел // М.: Наука, 1964. -226с.

39. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров // М.: Издательство МЭИ, 2003, 596c.

40. Киренков И.И. Метрологические основы оптической пирометрии // М.: Издательство стандартов, 1976.

41. Васнев С.А. // Статистика: Учебное пособие. Москва: МГУП, 2001. 170 с.

42. Бодров В.Н., Казаков В.А., Бесчастный М.А. // Определение температуры бихроматическим методом спектрального отношения с использованием уравнения Планка.// журнал «Вестник МЭИ», №6, 2013 г стр. 211-216.

43. Бодров В.Н., Бесчастный М.А. // О возможности определения высоких значений термодинамической температуры в условиях плазменных помех при отсутствии реперных точек. // журнал «Приборы», №8, 2015, с.28-33.

44. A.M. Knyazkov, S.D. Kurbakov, A.I. Savvatimskiy, M.A. Sheindlin and V.I. Yanchuk. Melting of carbides by electrical pulse heating // High Temperatures-High Pressures, Vol.40, 2011, pp.349-358.

45. Онуфриев С.В., Савватимский А.И., Янчук В.И. Измерение теплофизических свойств карбидов циркония и тантала при высоких температурах (до и выше точки плавления) // Измерительная техника, 2011, №8, стр49-52.

46. Бесчастный М.А. Исследование возможности определения высоких температур методами бесконтактной термометрии по спектру теплового излучения // журнал «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, т.15, ч.4, 2015г., с.11-13.

47. Бодров В.Н., Бесчастный М.А. Телевизионный метод исследования тепловых спектров удалённых объектов // 21-я Международная научно-техническая конференция «Современные телевидение и радиоэлектроника», труды конференции, Москва, ФГУП МКБ «Электрон», 2013, с.161-163.

48. Бесчастный М.А. О возможности определения свойств поверхности объекта по спектру теплового излучения // Третья международная научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии», Москва, 2014.

49. Брамсон М.А., Инфракрасное излучение нагретых тел. - М.: Наука,. 1996, 225с.

50. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. // Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М., «Энергия», 1974. 472 с.

51. Бесчастный М.А. Оптико-электронное устройство для исследования зависимости спектральной характеристики коэффициента излучения от

температуры // журнал «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, т.12, ч.1, Москва, 2012, с.58-59.