СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к способу измерения температуры и коэффициента излучения поверхности при температуре выше 900 K, включающему регистрацию излучения поверхности посредством многоволнового пирометра, чувствительного к волнам различной длины.

Известен способ измерения температуры и коэффициента излучения поверхности при температуре выше 900 K, включающий регистрацию излучения поверхности посредством многоволнового пирометра, чувствительного к волнам различной длины преобразование полученных сигналов в цифровую форму, обработку данных посредством процессора, определение с помощью закона Вина-Планка температуры поверхности в предположении, что поверхность является идеальным черным телом, расчет по формуле аппроксимации коэффициента излучения, зависящего от температуры и длины волны, и расчет искомой температуры с учетом величины коэффициента излучения.

Согласно этому известному способу обработка данных основывается на уравнении Вина-Планка для черного тела

причем L энергетическая яркость при длине волны λ C1 и C2 - постоянные, и T температура черного тела.

Так как исследуемая поверхность, как правило, не является идеально черным телом, то должен учитываться коэффициент излучения E (эмиссионной способности), который представляет отношение между энергетической яркостью черного тела и реального тела.

Этот коэффициент излучения зависит от температуры и длины волны и может быть выражен в виде ряда Тейлора следующей формы:
l_nE = a₀+a₁λ+a₂λ²+... (2).
Из опыта известно, что зависимость от длины в ограниченном диапазоне длин волн является непрерывной функцией, так что ряд (2) через несколько терм может быть прерван.

Согласно известному способу предлагается выбрать линейное приближение функции (2) и из шести измеренных значений энергетической яркости согласно шести длинам волн пирометра соответственно совместно оценить две длины волны и затем определить температуру с помощью анализа квадратов отклонений единичных результатов.

Оказалось, что этот способ для трудных случаев ведет к результатам, при которых невозможно никакое надежное суждение об их точности.

Так считаются трудными пирометрические измерения сильно отражающих поверхностей, где коэффициент излучения очень низок из-за возможных поверхностных реакций очень колеблется (например, алюминий во время металлургических обработок).

В основу изобретения положена задача создать такой способ измерения температуры и коэффициента излучения поверхности посредством многоволнового пирометра с различными длинами волн, который бы позволил сократить вычислительные затраты и уменьшить остаточные ошибки, а также получить пригодные результаты даже при очень нежелательных условиях измерения.

Техническим результатом способа согласно изобретению является повышение точности измерения.

Эта задача согласно изобретению решается за счет того, что посредством пирометра регистрируют значения интенсивностей излучения контролируемой поверхности на длинах волн полученные таким образом сигналы пирометра сравнивают с сигналами пирометра, ожидаемыми на основании принимаемого коэффициента излучения, рассчитанного по формулам аппроксимации, соответствующим моделям нулевого, первого и высшего порядка, находят разности между указанными сигналами и для расчета искомой температуры контролируемой поверхности используют формулу аппроксимации, которая для всех длин волн дает наименьшую сумму квадратов этих разностей.

Предпочтительно, что по способу согласно изобретению образуют банк данных по коэффициентам излучения поверхностей, выполненных из различных материалов, вводят этот банк данных в процессор и используют его для расчета искомой температуры контролируемой поверхности в случае, когда она выполнена из одного из этих материалов.

На фиг. 1 показана блок-схема операций, которые должны осуществляться процессором; на фиг. 2-схематически пирометр согласно изобретению.

Пирометр 1, использующий шесть длин волн, как это известно из описания известного пирометра, выдает одновременно шесть значений интенсивности излучения наблюдаемого пирометром тела или его поверхности, причем применяемые на практике длины волн лежат между 400 и 2000 нм (нанометр). Ширина полосы измерительного канала лежит ниже 100 нм.

Пропорциональные интенсивности измеряемые величины известным образом получаются в фотодиодах и после преобразования в цифровую форму подводятся в процессор 2. Там, во-первых, сначала констатируется, достаточно ли стабильны сигналы, то есть достаточно ли низок уровень шумов. Только тогда, когда это будет установлено, может рассчитываться температура с достаточно малой ошибкой (стандартное отклонение сигнала: S_o). Тогда выбирается формула для определения коэффициента излучения E согласно уравнению 2. Делаются различия между моделью нулевого порядка, по которой l_nE является постоянной "a", зависящей от длины волны, моделью первого порядка, при которой l_nE линейно зависит от длины волны (формула оценивается путем определения a₀ и a₁) и моделями высшего порядка, в которых должны использоваться дальнейшие члены ряда Тейлора.

Вначале исходят от модели первого порядка и определяются a₀ и a₁ и тем самым коэффициент излучения для шести длин волн, причем a₀ и a₁ во всех определяющих уравнениях должны иметь то же самое значение. В основу кладется расчет из подпрограммы, которая минимизирует сумму квадратов отклонений между измеряемыми сигналами и интенсивностью излучения, рассчитанной с помощью значения коэффициента излучения, определенного благодаря a₀ и a₁, и которая рассчитывает результирующее стандартное отклонение S_k процедуры регулировки (Fittingsprozedur).

Ожидаемые ошибки и определения температуры и коэффициента излучения рассчитываются в виде дифференциалов, которые получаются путем следующих друг за другом приращений сигналов при соответствующей ошибке и путем нового расчета температуры и коэффициента излучения. Затем рекомендуется перепроверить, не могла ли быть применима также модель нулевого порядка, так как это обеспечивает в определении температуры меньшую абсолютную ошибку. Это получается тогда, когда постоянная a₁ из уравнения 2 лежит ниже задаваемого значения, то есть когда коэффициент излучения практически не зависит от длины волны. Таким образом, получается в этом случае шесть независимых друг от друга измерений температуры при различных длинах волн.

Выбор моделей высшего порядка ведет к уменьшению стандартного отклонения S_k, но не обязательно к температурной ошибке. И наоборот, когда S_k достигает значения S_o, любое следующее повышение порядка модели (перевыравнивание) (Overfitting) чаще всего дает не уменьшение, а увеличение неточности в определении температуры. Когда при оценке ошибки устанавливается, что ошибка увеличивается, то тем самым находится оптимальная модель и устанавливаются постоянные a₁, a₂.a_j.

Если анализ ошибок показал, что ошибка особенно мала, то рекомендуется запомнить семейство кривых, связывающих температуру, длину волны и коэффициент излучения с целью дальнейшего использования. Таким образом, создается упорядоченный по типу материалов исследуемых поверхностей информационный банк, к которым можно позднее вернуться. Это особенно имеет значение тогда, когда при более позднем измерении имеются очень нежелательные условия измерения, например, дифференцированное по окрашенности дымообразование на оптическом пути пирометра или нестабильности в электронике из-за высокой температуры окружающей среды. В этом случае сравниваются лишь пирометрически измеренные величины с ранее найденными для тех же материалов семействами кривых и отсюда можно непосредственно рассчитывать температуру. Один из таких банков данных, запитанный наименее сигналами помех, на фиг. 2 предусмотрен с позицией 3. С информацией этого банка данных также могут работать параллельно другие одноцветные пирометры.

С помощью пирометра согласно изобретению также при нежелательных условиях могут проводиться желательные расчеты в течение одной миллисекунды, так что на экране 4 практически в реальном масштабе времени могут быть представлены во времени кривые изменения температуры или коэффициента излучения также и для быстро проходящих процессов, как, например, при импульсном нагреве лазером. Тем самым открываются новые возможности анализа быстро проходящих процессов в диапазоне температур выше 700 K и до 10.000 K.

Использование: область пирометрии. Сущность: в способе измерения температуры и коэффициента излучения поверхности при температуре выше 900 K регистрируют излучение поверхности посредством многоволнового пирометра. Этот пирометр имеет несколько чувствительных к различным интервалам длин волн детекторов излучения и процессор для обработки данных, который получает после обработки в цифровую форму выходные сигналы индикаторов излучения и из них с помощью закона Вина-Планка рассчитывают температуру при предположении, что, говоря о поверхности, речь идет об идеальном черном теле. Затем рассчитывается коэффициент излучения, зависящий от температуры и длины волны, из этих рассчитанных значений температуры согласно формуле аппроксимации (приближения) и найденная отсюда температура. В соответствии с изобретением разности между сигналами пирометра и ожидаемыми на основании принимаемого коэффициента излучения и найденной отсюда расчетным путем температуры сигналами пирометра рассчитываются для различных вариантов аппроксимации и затем выбирается формула (вариант) аппроксимации, который для всех длин волн дает меньшую сумму квадратов этих разностей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения температуры и коэффициента излучения поверхности при температуре выше 900К, включающий регистрацию излучения поверхности посредством многоволнового пирометра, чувствительного к волнам различной длины преобразование полученных сигналов в цифровую форму, обработку данных посредством процессора, определение с помощью закона Вина-Планка температуры поверхности в предположении, что поверхность является идеальным черным телом, расчет по формуле апроксимации коэффициента излучения, зависящего от температуры и длины волны, и расчет искомой температуры с учетом величины коэффициента излучения, отличающийся тем, что посредством пирометра регистрируют значения интенсивностей излучения контролируемой поверхности на длинах волн полученные таким образом сигналы пирометра сравнивают с сигналами пирометра, ожидаемыми на основании принимаемого коэффициента излучения, рассчитанного по формулам апроксимации, соответствующим моделям нулевого, первого и высшего порядков, находят разности между указанными сигналами и для расчета искомой температуры контролируемой поверхности используют формулу апроксимации, которая для всех длин волн дает наименьшую сумму квадратов этих разностей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образуют банк данных по коэффициентам излучения поверхностей, выполненных из различных материалов, вводят этот банк данных в процессор и используют его для расчета искомой температуры контролируемой поверхности в случае, когда она выполнена из одного из этих материалов.