СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТА ПО ИЗМЕРЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ Российский патент 2010 года по МПК G01J5/60 

Изобретение относится к области пирометрии и радиометрии и может быть использовано для измерения температуры и излучательной способности объектов.

Известен способ определения температуры и излучательной способности (ЕПВ, №0384, МПК G01J 5/60, опубл. 29.08.90 г.) в двух заданных коротковолновых диапазонах λ₁≤λ≤λ₂ и λ₃≤λ≤λ₄ термоизлучающего объекта объема V. Данный способ состоит в измерении энергии ΔЕ₁₂, излучаемой объектом в первом диапазоне λ₁≤λ≤λ₂, которая дает значение первого дифференциала R₁₂=ΔE₁₂/(λ₂-λ₁)V, измерении энергии ΔЕ₃₄, излучаемой объектом во втором диапазоне длин волн λ₃≤λ≤λ, дает значение второго дифференциала R₃₄=E₃₄/(λ₂-λ₁)V, нахождении логарифмов log_b(R₁₂) и log_b(R₃₄) как линейных комбинаций переменных log137 и 1/Т, где коэффициенты при этих переменных известны, и определении величин log137 и 1/Т из указанных линейных комбинаций.

Недостатком данного способа является то, что он реализуется только в ближнем ИК-диапазоне и для реализации способа необходимо знать данные о термоизлучающем объекте.

Известен способ пирометрических измерений (патент №2255312, МПК G01J 5/60, опубл. 19.08.2003 г.), включающий измерение истинной температуры поверхности по величине яркостных температур не менее чем на трех длинах волн. Измеряя не менее трех компонент спектра, вычисляют логарифм произведения коэффициента спектральной излучательной способности на коэффициент пропускания промежуточной среды для каждой длины волны, при этом каждые три значения длин волн выбираются настолько близкими, что зависимость логарифма названного произведения от длины волны будет линейна.

Недостатком рассматриваемого способа пирометрических измерений является то, что он применим только для ближнего ИК-диапазона.

Известен способ (патент №2086935, МПК G01J 5/60, опубл. 10.01.1994 г.) измерения температуры объектов по их собственному излучению с неизвестной излучающей способностью, включающий сбор и фокусирование излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом спектральном диапазоне в электрические сигналы, их усиление и формирование отношения, в электронном тракте введены две линейные комбинации из сигналов N спектральных диапазонов.

Недостатком данного способа является то, что он применим только для измерения температуры определенного класса серых тел, излучательная способность которых не зависит от длин волн излучения, что значительно уменьшает применимость этого способа.

Известен способ измерения излучательной способности объектов по измеренной температуре (RU 2162210, C1, G01J 5/50, 20.01.2001 г.), в котором реализованы пирометрические измерения на двух длинах волн (прототип).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении круга анализируемых объектов при увеличении спектрального диапазона измерения излучательной способности объектов по измеренной температуре.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения излучательной способности объекта по измеренной температуре осуществляют сбор и фокусирование теплового излучения, выделяют N спектральных диапазонов, преобразуют излучения в каждом спектральном диапазоне в электрические сигналы, проводят их усиление и оцифровку, определяют первые N-1 производные сигнала центрального спектрального диапазона по длине волны, измеряют температуру Т по функциональному соотношению, связывающему выбранный сигнал и его производные, и определяют излучательную способность объекта ε(λ₁, T) в N спектральных , где i изменяется от единицы до числа выделенных спектральных диапазонов, f(λ_i) - оцифрованное значение сигнала в выбранном диапазоне, с₂ - постоянная Планка.

Температуру Т измеряют по функциональному соотношению

, где ,

,

, ,

, здесь , i=1, 2, 3.

f(λ₂) - есть оцифрованное значение сигнала второго спектрального диапазона,

, - первые две производные сигнала второго спектрального диапазона по длине волны при выделенных трех спектральных диапазонах.

Температуру Т при λ₂Т≤1200 мкм·K измеряют из соотношения

.

Температуру Т измеряют по функциональному соотношению

, где ,

, ,

,

,

,

,

, здесь , i=1, 2, 3, 4.

f(λ₂) - есть оцифрованное значение сигнала второго спектрального диапазона,

, , - первые три производные сигнала второго спектрального диапазона по длине волны при выделенных четырех спектральных диапазонах.

Температуру Т при λ₂Т≤1200 мкм·K измеряют из соотношения

.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа измерения излучательной способности объекта по измеренной температуре.

Схема содержит приемную оптическую систему 1, образующую оптические спектральные каналы, N фотоприемных блоков 2.1, 2.2, 2.3, …, образующих N каналов, и вычислительный блок 3, где происходит вся цифровая обработка сигналов, вычисление температуры и излучательной способности.

Предлагаемый способ измерения излучательной способности по измеренной температуре осуществляет сбор и фокусирование теплового излучения с помощью приемной оптической системы 1, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал фотоприемными блоками 2.1, 2.2, 2.3, …2N, усиление, оцифровку, определение первых N-1 производных сигнала центрального спектрального диапазона по длине волны в вычислительном блоке 3, где осуществляется измерение температуры по функциональному соотношению, связывающему выбранный сигнал и его производные, и по измеренной температуре измеряется излучательная способность объекта ε(λ_i, Т) в N спектральных диапазонах по соотношению

,

где λ_i - длина волны i-го спектрального диапазона, i изменяется от единицы до числа выделенных спектральных диапазонов, f(λ_i) - оцифрованное значение сигнала в i-ом спектральном диапазоне, с₂ - постоянная Планка.

В общем случае для ИК диапазона .

Если для ε(λ, Т) достаточна аппроксимация в виде ε(λ, Т)=ехр[а₀(Т)+а₁(Т)λ], то, продифференцировав выражение

,

дважды по λ получим формулу для вычисления температуры. Для этой цели перепишем формулу в виде: .

Логарифм правой части хорошо аппроксимируется для любой температуры выражением , а значит .

Имея три спектральных канала можно вычислить коэффициенты k_i, i=1, 2, 3. Введем обозначения: , i=1, 2, 3. Составим систему уравнений:

,

,

Решение системы:

, ,

.

Производные по λ вычисляются из соотношения :

,

Возвращаясь к формуле

,

продифференцируем ее дважды и получим следующее выражение:

, здесь .

Для нахождения корня по методу Ньютона нужна еще производная

.

Для вычисления температуры берется λ=λ₂, функции F(z), вычисляются при λ=λ₂. Корень ищется по формуле .

После того как найден корень z₀, температура вычисляется по формуле . Первое приближение берется из соотношений:

, .

Если λ₂Т≤1200 мкм·K, то измерение температуры T реализуется по соотношению .

После измерения температуры T излучательная способность объектов ε(λ_i, Т) в каждом из трех выбранных спектральных диапазонов определяется соотношением ,

где Т - измеренная температура, i=1, 2, 3.

Если ln[ε(λ, T)]=a₀(Т)+а₁(Т)λ+а₂(Т)λ², то продифференцировав

трижды по λ получим формулу для вычисления температуры. Для этой цели перепишем формулу в виде: .

Логарифм правой части хорошо аппроксимируется для любой температуры выражением , а значит .

Имея четыре спектральных канала можно вычислить коэффициенты k_i, i=1, 2, 3, 4. Введем обозначения: , i=1, 2, 3, 4.

Составим систему уравнений:

,

,

.

Решение системы:

,

,

.

Производные по λ, вычисляются из соотношения:

.

,

,

.

Возвращаясь к соотношению

,

продифференцируем ее трижды, получим следующее выражение:

,

где .

Для нахождения корня (Т) по методу Ньютона нужна еще производная: .

Для вычисления температуры берется λ=λ₂, функции F(z), вычисляются при λ=λ₂. Корень ищется по формуле .

После того как найден корень

z₀ температура вычисляется по формуле: . Первое приближение берется согласно соотношениям:

, .

Если λ₂T≤1200 мкм·K, то измерение температуры Т реализуется по соотношению .

После измерения температуры Т излучательная способность объектов в каждом из четырех выбранных спектральных диапазонов определяется. соотношением ,

где Т - измеренная температура, i=1, 2, 3, 4.

Увеличение количества спектральных диапазонов позволяет точнее измерять температуру и излучательную способность. При изменении излучательной способности по квадратичному закону от длины волны, например для наиболее распространенного минерала на Земле - вода, лед - точность измерения температуры составляет 0.001 градуса, а точность измерения излучательной способности при этом улучшается от десяти до ста раз в зависимости от спектрального диапазона измерения.

Изобретение относится к области пирометрии и радиометрии. Способ включает сбор и фокусирование теплового излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом спектральном диапазоне в электрический сигнал, их усиление и оцифровку, определение первых N-1 производных сигналов центрального спектрального диапазона по длине волны, измерение температуры и излучательной способности объекта по функциональному соотношению, связывающему выбранный сигнал и его производные. Технический результат - расширение круга анализируемых объектов при увеличении спектрального диапазона измерения излучательной способности по измеренной температуре. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения излучательной способности объекта по измеренной температуре, отличающийся тем, что осуществляют сбор и фокусирование теплового излучения, выделяют N спектральных диапазонов, преобразуют излучения в каждом спектральном диапазоне в электрические сигналы, проводят их усиление и оцифровку, определяют первые N-1 производные сигнала центрального спектрального диапазона по длине волны, измеряют температуру Т по функциональному соотношению, связывающему выбранный сигнал и его производные, и определяют излучательную способность объекта ε(λ_i, Т) в N спектральных диапазонах по соотношению , где i изменяется от единицы до числа выбранных спектральных диапазонов, f (λ_i) - оцифрованное значение сигнала в выбранном диапазоне, с₂ - постоянная Планка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру Т измеряют по функциональному соотношению
, где ,
,
,
,
, где , i=1, 2, 3,
f(λ₂) - оцифрованное значение сигнала второго спектрального диапазона,
, - первые две производные сигнала второго спектрального диапазона по длине волны при выделенных трех спектральных диапазонах.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что температуру Т при λ₂Т≤1200 mkm·K измеряют из соотношения
.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру Т измеряют по функциональному соотношению
где ,
,
,


, ,
, где , z=1, 2, 3, 4.
f(λ₂) - оцифрованное значение сигнала второго спектрального диапазона,
, , - первые три производные сигнала второго спектрального диапазона по длине волны при выделенных четырех спектральных диапазонах.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что температуру Т при λ₂Т≤1200 mkm·K измеряют из соотношения