СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2011 года по МПК G01J5/52 

Изобретение относится к пирометрии и может быть использовано для дистанционного измерения температуры различных объектов с неизвестным коэффициентом излучения в строительстве, пищевой промышленности и металлургии.

Известен способ измерения цветовой температуры, реализованный в цветовых пирометрах типа «Спектропир» [Харазов В.Г. Автоматизация высокотемпературных процессов. - М.: Энергия. 1974. С.25]. Способ включает сбор и фокусирование излучения, выделение двух спектральных диапазонов, преобразование излучения в электрический сигнал, усиление сигналов и формирование отношения.

Недостатком этого способа является низкая точность.

Наиболее близким, взятым в качестве прототипа, является способ измерения температуры [Мухамедяров Р.Д., Харисов Р.И. Способ измерения температуры. Патент РФ №2086935. Бюл. №22. Опубл. 10.08.97], включающий сбор и фокусирование излучения, выделение N спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-том спектральном диапазоне в электрический сигнал U_i в электронном тракте, усиление сигналов и формирование двух линейных комбинаций из сигналов N спектральных диапазонов, а абсолютное значение температуры определяют из соотношения:

где K_1i и K_2i - параметры элементов тракта, которые выбирают по результатам изменения абсолютной температуры эталонного излучения.

Недостатком этого способа является эмпирический характер соотношения (1) и отсутствие строгой связи с физическими законами Кирхгофа и Планка для теплового излучения тел.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка физически обоснованного способа дистанционного измерения температуры поверхности объектов с неизвестным коэффициентом излучения, который обеспечит достоверное и точное измерение температуры без наличия информации о коэффициенте излучения исследуемой поверхности.

Поставленная задача достигается за счет того, что в данном способе измерения температуры по собственному излучению с неизвестным коэффициентом излучения поверхности исследуемых объектов, при котором производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал , их усиление и обработка, согласно изобретению длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов, а абсолютную температуру поверхности объекта определяют из соотношения:

где

;

;

;

;

i=1, 2, 3;

и Δλ_i - соответственно эффективная длина волны и ширина i-го спектрального диапазона измерительной системы;

Теория, на основе которой разработан способ определения температуры поверхности объектов, следующая. Предполагается регистрация N спектральных сигналов в N спектральных диапазонах Δλ_n эффективными длинами волн измерительного канала [Холопов Г.К., Шуба Ю.А. О нормировании чувствительности радиометров. Оптико-механическая промышленность. - 1977. - №10. - С.6-8] каждого спектрального диапазона (верхних индекс «е» при длинах волн в дальнейшем опущен):

…………………………………………………………………………………………………

где А и ω_зр - площадь входного зрачка и телесный угол поля зрения оптической системы пирометра;

S(λ_i) - абсолютная спектральная чувствительность приемника оптического излучения на длине волны λ_i

τ_O(λ_i), τ_a(λ_i), τ_ф(λi) - спектральный коэффициент пропускания соответственно оптической системы прибора, слоя атмосферы и спектральных фильтров на длине волны λ_i;

ε(λ_i) - коэффициент излучения поверхности объекта на эффективных длинах волн λ_i, где i=1, 2, …, N-1, N;

C₁ и С₂ - постоянные в формуле Планка;

Т - искомая абсолютная температура поверхности объекта.

Для исключения потери информации в спектре коэффициента излучения ε(λ_n) интервал длин волн Δλ_i выбирается из теоремы Котельникова [Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983. - С.321-324]: Δλ_i=1/(2υ_m), где υ_m - предельная частота в спектре ε(λ_n), i=1, 2, …, N-1, N.

Как видно из формул (3)…(5), в целом они представляют систему N уравнений с N+1 неизвестными величинами, к которым относится Т и N значений коэффициента излучения ε(λ₁), ε(λ₂), …, ε(λ_n). Для решения этой системы уравнений выбираем во всем спектральном интервале чувствительности приемника излучения N спектральных диапазонов, причем длина волны конца последующего диапазона, начиная со второго, совпадает с длиной волны конца предыдущего диапазона, а один из диапазонов является суммой всех остальных. В итоге, коэффициент излучения поверхности объекта в этом диапазоне можно выразить в виде:

где Δλ₁, Δλ₂, Δλ_n-1, Δλ_n - ширина полосы длин волн выбранных спектральных диапазонов пирометра, получаемых введением N спектральных фильтров.

Подставим теперь выражение (6) в (5), и на основании уравнений (3) и (4), получаем системы N уравнений с N неизвестными, которая на основании [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров. - М.: Наука, 1986. - С.161-164] математически строго решается.

Рассмотрим решение такой системы для случая N=3, то есть при использовании случая трех спектральных диапазонов Δλ₁, Δλ₂ и Δλ₃=Δλ₁+Δλ₂. При N=3 получаем следующую систему 3-х уравнений с тремя неизвестными величинами Т, ε(λ₁), ε(λ₂):

Решение системы уравнений (7) дает выражение (2) для искомой абсолютной температуры Т поверхности объекта:

Следует отметить, что параметры β₁, β₂, K_i, γ₃₁ и γ₃₂ имеют следующий физический смысл:

β₁ и β₂ - параметры, физически характеризующие отношение энергетической яркости теплового излучения поверхности объекта соответственно в первом Δλ₁ и втором Δλ₂ спектральном диапазоне к энергетической яркости теплового излучения поверхности объекта в третьем Δλ₃ спектральном диапазоне и математически определяемые по формулам:

;

;

γ₃₁ и γ₃₂ - параметры, физически характеризующие разность обратных значений эффективных длин волн измерительного канала соответственно 3-го и 1-го, 3-го и 2-го спектральных диапазонов, и математически определяемые по формулам:

;

;

где K_i - коэффициент, физически определяющий произведение значений площади входного зрачка А измерительного устройства, его угла поля зрения ω_зр, спектральной чувствительности S(λ_i), коэффициентов пропускания оптической системы τ_o(λ_i), слоя атмосферы между объектом и измерительным устройством τ_a(λ_i) и спектрального фильтра τ_ф(λ_i), и математически определяемый по формуле:

K_i=A·ω_зр·S(λ_i)·τ_a(λ_i)·τ_ф(λ_i);

i=1, 2, 3;

где U(λ_i) - значение электрического сигнала на выходе приемника излучения измерительного устройства при введении в оптическую систему i-го спектрального фильтра.

Таким образом, поставленная задача для заявляемого способа выполняется за счет нового признака: выбор трех спектральных диапазонов осуществляется таким образом, чтобы длина волны начала второго спектрального диапазона совпадала с длиной волны конца первого, а третий диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа определения температуры, где приняты следующие обозначения: 1 - защитное окно; 2, 3 - зеркальный объектив; 4 - полевая диафрагма; 5 - окуляр; 6 - турель с тремя спектральными фильтрами; 7 - конденсор; 8 - приемник теплового излучения; 9 - усилитель; 10 - блок обработки информации (БОИ); 11 - индикатор температуры; 12 - откидывающиеся зеркало; 13 - эталонный излучатель в виде абсолютно черного тела (АЧТ) на область рабочих температур устройства; 14 - блок управления.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом: тепловое излучение от исследуемой поверхности проходит защитное окно 1, собирается объективом 2, 3, проходит диафрагму 4 и с помощью окуляра 5 и конденсора 7 фокусируется на чувствительной площадке приемника излучения 8, предварительно пройдя спектральный фильтр 6. Электрический сигнал U(λ₁) формируется, когда в поле зрения прибора вводится 1-й фильтр, электрический сигнал U(λ₂), когда в поле зрения вводится 2-й фильтр, а электрический сигнал U(λ₃), когда в поле зрения вводится 3-й фильтр.

Для энергетической градуировки устройства в схему вводится плоское, откидывающиеся зеркало 12, которое направляет лучи от АЧТ 13, расположенное в фокальной плоскости окуляра 5. Управление режимом работы АЧТ осуществляется блоком управления 14. При градуировке устройства устанавливается температура АЧТ 13 в диапазоне рабочих температур устройства и направляется излучение на зеркало 12. Далее излучение проходит окуляр 5, спектральный фильтр 6, конденсор 7 и попадает на приемник излучения 8, где преобразуется в электрический сигнал U_э(λ_i). Электрические сигналы U_э(λ_i) с i=1, 2, 3 усиливаются блоком 9 и поступают в блок обработки информации 10. После обработки по формуле (2) на индикаторе выдается воспроизводимое значение температуры АЧТ. Аналогичные процедуры проделываются при других температурах АЧТ в диапазоне работы устройства.

Предлагаемый способ может быть использован для дистанционных измерений температуры поверхностей в энергетике, строительных сооружениях, пищевой промышленности и металлургии.

Изобретение относится к пирометрии. В способе производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал, их усиление и обработка. Длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго спектральных диапазонов. Техническим результатом изобретения является возможность дистанционного измерения температуры поверхности объектов с неизвестным коэффициентом излучения, который обеспечит достоверное и точное измерение температуры без наличия информации о коэффициенте излучения исследуемой поверхности. 1 ил.

Способ измерения температуры, заключающийся в определении температуры поверхности объектов по их собственному излучению с неизвестным коэффициентом излучения поверхности, при котором производится сбор и фокусирование излучения, выделение трех спектральных диапазонов, преобразование излучения в каждом i-м спектральном диапазоне в электрический сигнал , их усиление и обработка, отличающийся тем, что длина волны начала второго спектрального диапазона совпадает с длиной волны конца первого, и третий спектральный диапазон является суммой первого и второго диапазонов, а абсолютную температуру Т поверхности объекта определяют из соотношения

где




K_i=A·ω_зр·S(λ_i)·τ_o(λ_i)·τ_a(λ_i)·τ_ф(λ_i);
i=1, 2, 3;
- эффективные длины волн измерительного канала в спектральных диапазонах Δλ₁, Δλ₂, Δλ₃ соответственно;
- значения сигналов на выходе приемника излучения при введении в поле зрения соответственно 1-го, 2-го и 3-го фильтров соответственно,
K₁, К₂, К₃ - постоянные прибора, соответственно при введении 1-го, 2-го и 3-го фильтров,
С₂ - постоянная в формуле Планка,
А - площадь входного зрачка измерительного устройства, ω_зр - телесный угол поля зрения оптической системы измерительного устройства, S(λ_i) - абсолютная спектральная чувствительность приемника оптического излучения на длине волны λ_i,
τ_o(λ_i), τ_a(λ_i), τ_ф(λ_i) - спектральный коэффициент пропускания соответственно оптической системы, слоя атмосферы между объектом и измерительным устройством, и спектрального фильтра на длине волны λ_i.