СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТИЦ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ ДВИЖУЩИХСЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано при определении температуры движущихся объектов, например частиц вещества, при газопламенном или плазменном нанесении покрытий, а также температуры реагирующих компонентов во фронте горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковых композиционных материалов.

Известен способ измерения температуры движущихся объектов, основанный на сравнении интенсивности излучения объекта и модулированного опорного пучка, в котором измеряют максимальную и минимальную интенсивности опорного светового пучка и суммарную интенсивность опорного светового пучка и излучения движущегося объекта при пересечении им опорного пучка, по результатам измерений определяют поверхностную плотность излучения объекта и по ней судят о температуре движущегося объекта [1].

Недостатком способа является невозможность определения температуры частиц при перекрытии опорного пучка одновременно двумя или более частицами с разными температурами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения температуры, включающий измерение интенсивности излучения при разложении в спектр и ее производной по длине волны и определение температуры по отношению значений интенсивности излучения и ее производной [2].

Недостатком способа является низкая точность определения температуры в смеси разнородно нагретых частиц, так как с помощью данного способа можно определить температуру, которая может не совпадать ни с одной из действительных температур компонентов гетерогенного объекта и не являться средней температурой разнородно нагретых частиц, например, в случае смеси частиц с двумя различными температурами. Увеличение числа N спектральных отсчетов при регистрации теплового спектра от совокупности разнородно нагретых частиц не приводит к увеличению определяемых температур в смеси различно нагретых частиц. Таким образом, данный способ не может обеспечивать гарантированную точность определения температуры при разнородно нагретых компонентах объекта измерения.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов, включающем измерение интенсивности излучения при разложении в спектр, во время измерения производят суммирование спектральных интенсивностей на N длинах волн от пролетающих разнородно нагретых частиц конденсированной фазы, наблюдаемых при движении гетерогенного объекта в поперечном направлении относительно заданного сечения, после чего получают суммарный тепловой спектр U от разнородно нагретых частиц, который является вектором значений: u(l₁), u(l₂), . ..,u(l_i),...,u(l_N), где u(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i, и определяют гистограмму Z температурного распределения частиц, которая представляет собой вектор значений: Z(T₁), Z(T₂),...,Z(T_N) на N заданных температурах по следующей формуле
Z = A^-1 • U,
где
A - матрица размером N • N значений {a (li Ti)}спектральной интенсивности излучения черного тела, определяемых по формуле. Планка на каждой из измеряемых N длин волн и каждой из N заданных температур;
среднюю температуру частиц находят по формуле
,
Технический результат - повышение точности определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов.

Повышение точности определения температуры в смеси разнородно нагретых частиц достигается за счет увеличения числа N спектральных отсчетов при регистрации теплового спектра от разнородно нагретых компонентов движущегося гетерогенного объекта, что обеспечивает определение по формуле (1) до заданного числа N различаемых температур в конденсированной фазе движущегося гетерогенного объекта.

Способ определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов осуществляется следующим образом. При движении гетерогенного объекта производят измерение интенсивности излучения при разложении в спектр. Во время измерения производят суммирование спектральных интенсивностей на N длинах волн от пролетающих разнородно нагретых частиц конденсированной фазы, наблюдаемых при движении гетерогенного объекта в поперечном направлении относительно заданного сечения. Получают суммарный тепловой спектр U от пролетевших разнородно нагретых частиц конденсированной фазы. А затем определяют гистрограмму Z температурного распределения частиц по формуле (1) и среднюю температуру частиц по формуле (2).

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения температуры частиц конденсированной фазы движущегося гетерогенного объекта.

Устройство содержит оптическую систему 1, которая проецирует изображение движущегося гетерогенного объекта 2 в плоскость входной щели спектрального дисперсионного устройства 3, на выходе которого в фокальной плоскости 4 тепловой спектр регистрируют многоэлементным линейным фотоприемником 5 типа МПД-структуры, работающим в режиме накопления заряда. Фотоприемник 5 состоит из набора N фотодиодов и схемы опроса. На каждом отдельно взятом фотодиоде фотоприемника 5 происходит преобразование падающего излучения в электрический сигнал, и на всех фотодиодах производится параллельное одновременное накопление электрического сигнала в течение времени регистрации t_нак. После времени накопления заряда t_нак. схема опроса фотоприемника 5 снимает с фотодиодов электрические сигналы u(l₁), u(l₂),...,u(l_N), аналого-цифровой преобразователь 6 переводит их в цифровую форму. Полученный спектр передается на блок цифровой обработки сигналов 7, где блоком 7 для определения гистрограммы Z температурного распределения частиц производится операция произведения зарегистрированного спектра на обратную матрицу A^-1, согласно формуле (1), после этого определяется средняя температура частиц конденсированной фазы по формуле (2).

Устройство работает следующим образом. Тепловое излучение разнородно нагретых частиц конденсированной фазы гетерогенного объекта 2, движущегося в поперечном направлении относительно заданного сечения (где положение сечения задается положением оптической системы 1 и входной щелью спектрального дисперсионного устройства 3), проходит через оптическую систему 1 и проецируется на входную щель спектрального дисперсионного устройства 3, которое пространственно разделяет прошедшее через входную щель излучение по N длинам волн, полученное на B длинах волн изображение входной щели проецируется в фокальную плоскость 4. В фокальной плоскости 4 спектрального дисперсионного устройства 3 находится линейный многоэлементный фотоприемник 5, N фотодиодов которого работают в режиме накопления заряда и измеряют получение объекта на N длинах волн, где каждый 1-й фотодиод на длине волны l_i суммирует спектральные интенсивности b от пролетающих разнородно нагретых частиц. Так как фотоприемник 5 работает в режиме накопления заряда, то снимаемые после времени t_нак. с фотоприемника 5 электрические сигналы записываются в виде системы линейных уравнений:
u(l₁) = z(T₁) • b(l₁, T₁) + z(T₂) • b(l₁, T₂) + ... + z(T_N) • b(l₁, T_N),
u(l₂) = z(T₁) • b(l₂, T₁) + z(T₂) • b(l₂, T₂) + ... + z(T_N) • b(l₂, T_N),
u(l_i) = z(T₁) • b(l_i, T₁) + z(T₂) • b(l₁, T₂) +...+ z(T_N) • b(l_i, T_N)
u(l_N) = z(T₁) • b(l_N, T₁) + z(T₂) • b(l_N, T₂) +...+ z(T_N) • b(l_N, T_N),
где
u(l_i) - электрический сигнал i-го фотодиода, который регистрирует излучение объекта на длине волны l_i;
b(l_i, T_j) - спектральная интенсивность излучения конденсированной фазы объекта при температуре T_j на длине волны l_i;
z(T_j) - относительное количество (то есть гистограмма температурного распределения частиц) частиц конденсированной фазы объекта, находящихся при температуре T_j.

Значения b(l_i, T_j) спектральной интенсивности излучения конденсированной фазы объекта заменяют на значения a(l_i, T_j) спектральной интенсивности, которые определяются по формуле Планка на каждой из измеряемых N длин волн и каждой из N заданных температур при измерении эффективной температуры частиц по эталону черного тела и получают матрицу A значений спектральной интенсивности излучения черного тела. Снимаемые с фотоприемника 5 электрические сигналы u(l₁), u(l₂),...,u(l_N) преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 6. Полученный спектр подается на блок цифровой обработки сигналов 7, который согласно формуле (1) для определения гистограммы Z температурного распределения частиц производит операцию произведения полученного спектра на обратную матрицу A^-1. По найденному Z определяют, при каких температурах находятся частицы гетерогенного объекта. Далее находят среднюю температуру частиц по формуле (2).

Преимуществами данного способа является повышение точности измерения температурного распределения слабосветящихся частиц конденсированный фазы за счет суммирования теплового излучения от отдельных частиц конденсированной фазы гетерогенного объекта, сокращение числа циклов измерения для определения температурного распределения частиц и повышение технологических возможностей способа за счет того, что температурное распределение определяется по результатам измерения суммарного теплового спектра разнородно нагретых частиц конденсированной фазы и не требует измерения температуры отдельных частиц.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство N 805082 МКИ G 01 J 5/50, 1981.

2. Авторское свидетельство N1497465 МКИ G 01 J 5/60, 1989 (прототип).

Использование: определение температуры движущихся объектов частиц вещества при газопламенном или плазменном нанесении покрытий, а также температуры реагирующих компонентов во фронте горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковых композиционных материалов. Сущность изобретения: измеряют интенсивность излучения при разложении в спектр и во время измерения производят суммирование спектральных интенсивностей на длинах волн от пролетающих разнородно нагретых частиц конденсированной фазы, наблюдаемых при движении гетерогенного объекта в поперечном направлении относительно заданного сечения. После этого получают суммарный тепловой спектр V от разнородно нагретых частиц, который является вектором значений: U (l₁) , U (l₂). . .U (l_i... U(l_N ), где U(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i , и определяют гистограмму 2 температурного распределения частиц, которая представляет собой вектор значений Z(T₁), Z(T₂), ............Z(T_N) на N заданных температурах по следуюшей формуле: Z = A^-1•V (1); где А - матрица размером N • N значений {a(l_i,T_j)} спектральной интенсивности излучения черного тела, определяемых по формуле Планка на каждой из измеряемых N длин волн и каждой из N заданных температур, среднюю температуру частиц находят по формуле 1 ил.

Способ определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов, включающий измерение интенсивности излучения при разложении в спектр, отличающийся тем, что во время измерения производят суммирование спектральных интенсивностей на N длинах волн от пролетающих разнородно нагретых частиц конденсированной фазы, наблюдаемых при движении гетерогенного объекта в поперечном направлении относительно заданного сечения, после чего получают суммарный тепловой спектр U от разнородно нагретых частиц, который является вектором значений U(l₁), U(l₂),..., U(l_i), ..., U(l_N),
где U(l_i) - суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i, и определяют гистограмму Z температурного распределения частиц, которая представляет собой вектор значений Z(T₁), Z(T₂),...,Z(T_N) на N заданных температурах по следующей формуле:
Z = A^- 1 • U,
где А - матрица размером N • N значений {a(li, Tj)} спектральной интенсивности излучения черного тела, определяемых по формуле Планка на каждой из измеряемых N длин волн и каждой из N заданных температур,
среднюю температуру частиц находят по формуле
о