СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРА ЧАСТИЦ ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2007 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к пирометрии излучения, и предназначено для измерения параметров дисперсных (мутных) сред, в частности, твердых частиц и капель жидкости в энергетических установках, при производстве новых материалов и нанесении покрытий.

Известны способы получения информации о коэффициенте излучения ε исследуемого объекта, основанные на нелинейных преобразованиях сигналов пирометра, полученных для нескольких длин волн λ теплового излучения объекта [1]. Они заключаются в получении электрических сигналов, пропорциональных яркости теплового излучения объекта в нескольких участках спектра, преобразовании полученных сигналов таким образом, что результат становится однозначной функцией коэффициента излучения, и определении этого коэффициента для выбранных участков спектра. В частности, преобразованиям могут быть подвергнуты условные температуры [2].

Недостатками этих способов, в случае применения к дисперсным средам, являются наложение ограничений на значения используемых длин волн и высокие требования к точности температурных измерений, влияющих на погрешность определения коэффициента излучения. Кроме того, определение вида зависимости ε(λ) этими способами проблематично, поскольку для этого используется ограниченное количество довольно широких спектральных интервалов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ измерения температуры и коэффициента излучения поверхности [3, прототип]. Он включает регистрацию пирометром яркости излучения объекта b_i на нескольких длинах волн λ_i, определение предварительного значения температуры Т_п объекта с помощью закона Вина-Планка в предположении, что объект является абсолютно черным телом, расчет по величинам Т_п и b_i значений коэффициента излучения объекта ε_i, аппроксимацию ε(λ) несколькими зависимостями, расчет ожидаемых сигналов пирометра для каждой аппроксимирующей зависимости, выбор зависимости ε(λ), для которой сумма квадратов разностей минимальна, определение с учетом выбранной зависимости уточненного значения температуры и коэффициента излучения. В случае, когда материал поверхности известен, предусмотрен выбор величины ε из банка данных.

Недостатком этого способа является существенная погрешность определения температуры и невозможность определения вида зависимости ε(λ) в случае его применения для дисперсных сред. Причина в том, что спектр излучения дисперсной среды, в результате рассеяния излучения на частицах, существенно отличается от спектра абсолютно черного тела: может содержать несколько экстремумов [4] и не являться гладкой кривой [5]. Поэтому получить вид зависимости ε(λ) путем аппроксимации нескольких экспериментально полученных значений ε_i в принципе невозможно, а определение уточненного значения температуры по неправильно определенной зависимости ε(λ) теряет смысл. Результат определения предварительного значения температуры в предположении, что объект является абсолютно черным телом, будет неверным, так как неверно предположение. В результате описанный способ оказывается неприемлемым для диагностики дисперсных сред. Кроме того, способ-прототип не позволяет измерять средний размер частиц среды, а в случае определения температуры с использованием значений ε из банка данных оставляет открытым вопрос определения ε.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа, обеспечивающего возможность комплексной диагностики дисперсной среды за счет определения трех взаимосвязанных параметров: температуры, коэффициента излучения и среднего размера частиц.

Предлагаемый способ определения температуры, коэффициента излучения и среднего диаметра частиц дисперсной среды включает: регистрацию пирометром сигналов u_i, пропорциональных яркости излучения b_i дисперсной среды на множестве длин волн λ_i, расчет вида зависимости коэффициента излучения ε_j(λ) по теории Ми для нескольких значений среднего диаметра частиц d_j, включающих ожидаемое значение, с шагом, не превышающим величину допустимой погрешности определения диаметра частиц, выбор по виду зависимости ε_j(λ) двух длин волн λ_a и λ_b с одинаковыми коэффициентами излучения, определение предварительного значения температуры среды Т_п методом пирометрии спектрального отношения по сигналам пирометра u(λ_a), u(λ_b), расчет по предварительным значениям Т_п и ε_j(λ) для каждого диаметра d_j множества ожидаемых сигналов пирометра соответствующего множеству длин волн λ_i, определение вида зависимости , выбор такого номера диаметра j, при котором зависимость K_j(λ) аппроксимируется моделью минимального порядка при заданной погрешности аппроксимации, определение по выбранному номеру j среднего диаметра частиц d_ср=d_j, поправки к предварительному значению температуры по отношению ε_j(λ_a)/ε_j(λ_b), коэффициента излучения среды ε(λ) как произведения ε_j(λ)·K_j(λ).

Предложенное техническое решение, прежде всего, отличается от прототипа способом определения вида зависимости ε(λ), при котором основные закономерности этой зависимости учитываются расчетным путем, аппроксимируются не экспериментальные данные u_j(λ), а их отличие от расчетных К_j(λ) - в качестве критерия отбора подходящей зависимости ε(λ) используется порядок аппроксимирующей функции.

Благодаря расчетному определению вида ε(λ) удается установить зависимость между ε, λ и d, то есть извлечь информацию о размере частиц из экспериментальных данных о яркости излучения. Аппроксимация отличий экспериментальных данных от расчетных, вместо аппроксимации самих экспериментальных данных, исключает из способа некорректную операцию восстановления сложной функции ε(λ) по ограниченному количеству экспериментальных точек и повышает точность определения зависимости ε(λ). Критерий «минимальный порядок модели» позволяет отобрать функции с одинаковым расположением экстремумов, без чего определение размера частиц было бы невозможным.

Описанный порядок взаимосвязанных действий позволяет использовать результаты определения одного параметра для повышения точности определения другого: расчет ε(λ) по ожидаемому диаметру частиц позволяет выбрать подходящие длины волн для измерения температуры, используя данные о температуре и яркости, корректируют вид зависимости ε(λ), по виду этой зависимости уточняют диаметр частиц. Возможно повторение этого цикла для повышения точности конечных результатов.

Предложенный способ осуществляется с помощью многоканального пирометра собственной разработки, калибруемого по эталонной температурной лампе СИ 10-300.

Способ применяется в лабораторных условиях для диагностики продуктов сгорания.

Источники информации

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

2. Авторское свидетельство 476464 (СССР).

3. Патент 2083961 (Россия), прототип.

4. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 332 с.

5. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978. - 400 с.

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ включает экспериментальное определение яркости излучения дисперсной среды для нескольких длин волн по сигналам пирометра, определение по ним предварительного значения температуры среды Т, расчет предполагаемого вида зависимости коэффициента излучения среды от длины волны для нескольких значений среднего диаметра частиц d по теории Ми, расчет ожидаемых сигналов пирометра. В способе проводится аппроксимация отличия экспериментальных данных от расчетных. Технический результат - способ позволяет получить вид зависимости коэффициента излучения среды от длины волны ε_j(λ) для дисперсной среды, повысить точность измерения температуры и определить средний размер частиц. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения температуры, коэффициента излучения и среднего диаметра частиц дисперсной среды, включающий регистрацию сигналов u_i, пропорциональных яркости излучения b_i среды на множестве длин волн λ_i, определение предварительного значения температуры Т среды, определение предварительного значения коэффициента излучения ε(λ_i) по нескольким формулам, выбор формулы ε(λ_i) путем сравнения сигналов пирометра u_i=ϕ·b_i, с сигналами u*_i, ожидаемыми на основании принимаемого коэффициента излучения, и расчет искомой температуры с учетом величины коэффициента излучения, отличающийся тем, что значения коэффициента излучения предварительно рассчитывают по теории Ми в виде зависимостей ε_j(λ) для нескольких значений среднего диаметра частиц d_j, включающих ожидаемое значение d_o, с шагом, не превышающим величину допустимой погрешности определения диаметра, по виду зависимости ε_j(λ), рассчитанной для d_o, выбирают два участка спектра (λ_а и λ_b) с одинаковыми коэффициентами излучения и по сигналам пирометра на выбранных длинах волн методом пирометрии спектрального отношения определяют предварительное значение температуры среды Т_п, для каждой зависимости ε_j(λ) рассчитывают ожидаемые сигналы пирометра u*_j(λ) по предварительной температуре и коэффициенту ε_j(λ), определяют вид зависимости , выбирают такой номер j, при котором зависимость K_j(λ) аппроксимируется моделью минимального порядка при заданной погрешности аппроксимации, определяют коэффициент излучения среды как произведение K_j(λ)*ε_j(λ), истинную температуру, используя закон Вина-Планка и произведение выбранных зависимостей ε_j(λ)*K_j(λ), а средний диаметр частиц d_cp считают равным тому, что был использован при расчете выбранной зависимости ε_j(λ).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения точности определения величин Т, ε и d_cp все действия повторяют как цикл, используя в качестве ожидаемого диаметра частиц величину d_cp из предыдущего цикла.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при наличии в дисперсной среде излучающего или поглощающего газа, величины λ_а и λ_b выбирают за пределами спектральных полос излучения этого газа, а температуру газа оценивают по яркости и коэффициенту излучения на длинах волн, расположенных внутри этих спектральных полос.