СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ПИРОМЕТРА ИЗЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА Российский патент 2019 года по МПК G01J5/00 G01K15/00 

Изобретение относится к измерительной технике в области пирометрических измерений, предназначено для градуировки пирометров излучения, измерения температуры реальных объектов и может быть использовано в метрологии, в промышленности, при выполнении научных исследований.

Известен способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в получении зависимости эффективной освещенности фотоприемника пирометра от температуры для одного из его спектральных диапазонов и использовании единой для всех спектральных диапазонов градуировочной характеристики, по которой определяют действительную температуру объекта (А.с. СССР, №1783322, G01J 5/00, 1992).

Недостаток данного способа заключается в том, что получаемая градуировочная зависимость включает в себя световую характеристику приемника излучения, которая для некоторых датчиков трудно поддается математическому описанию и делает, в ряде случаев, невозможным рассчитать передаточную функцию пирометра, а, следовательно - измерить точно температуру.

Известен способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в градуировке пирометра по черному излучателю и последующем измерении температуры объекта (Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И., Стаднык Б.И., Ярышев Н.А. Температурные измерения. Справочник. // Киев: Наукова Думка. 1984. С. 315).

Недостаток способа заключается в систематических погрешностях измеряемой температуры объектов, возникающих вследствие отклонения свойств реальных объектов от идеального излучателя - черного тела, по которому градуируются пирометры.

Наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в получении зависимости сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя, хранении градуировочной характеристики и измерении по ней действительной температуры объекта (Кузьмичев В.Н. Калибровочная кривая цифровых анализаторов тепловых полей и методика ее получения // Оптико-механическая промышленность. 1979. №4, С. 46-48). В указанном способе градуировка выполняется путем составления таблицы соответствия сигнала пирометра температуре эталонного излучателя, имеющего тот же коэффициент излучения, что и контролируемый объект. Полученная градуировка хранится в виде таблицы или в виде коэффициентов полинома второй или третье степени. Значения температуры данной градуировочной характеристики используются для определения действительной температуры объекта.

Недостаток способа заключается в том, что согласно способу измерение температуры можно производить только для тех объектов, у которых коэффициент излучения идентичен коэффициенту излучения эталонного излучателя. Для остальных объектов измеряемая температура будет сильно отличаться от ее действительного значения, степень отличия температуры будет определяться отличием коэффициентов излучения объекта и эталонного излучателя.

Общим кардинальным недостатком всех известных способов градуировки пирометра и измерения температуры объектов является непринятие во внимание собственного коэффициента излучения пирометра в процессе его градуировки и измерения температуры. Этим грубо нарушается один из фундаментальных принципов теории теплообмена излучением.

Согласно данному принципу теории теплообмена излучением, при измерении температуры объекта пирометром происходит процессе теплообмена излучением между двумя телами: телом 1 (исследуемым объектом) и телом 2 (приемником излучения - пирометром). Как правило, в пирометрии тело 1 более нагрето, чем тело 2, поэтому тело 2 воспринимает часть энергии, излучаемой телом 1. Реальное тело 1 (объект) в заданном диапазоне длин волн λ₁÷λ₂ при заданной температуре Т₁ излучает в окружающую среду энергию, характеризуемую плотностью мощности q₁, значение которой может быть рассчитано по классическому соотношению квантовой теории (Дульнев Г.Н. Теория тепло- и массообмена // Уч. пособие. СПб.: НИУ ИТМО. 2012. с. 160-161, 164):

где

ε₁(λ) - спектральный коэффициент излучения тела 1 (объекта); L_bλ,1(λ,Т₁) - спектральная плотность мощности абсолютно черного тела, рассчитываемая по формуле Планка для температуры Т₁ (закон спектрального распределения поверхностной плотности потока излучения Планка) (Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением // пер. с англ. Под ред. Хрусталева Б.А. М.: Мир. 1975. с. 30).

В общем случае, согласно закону сохранения энергии и классической теории теплообмена излучением между двумя телами, величина плотности потока излучения q₂, принимаемого телом 2 (пирометром) от более нагретого тела 1 для случая 2-х параллельных пластин, равна (Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением // пер. с англ. Под ред. Хрусталева Б.А. М.: Мир. 1975. с. 30, с. 363-364; 10, с. 179-183):

где

ε_пр1,2(λ,T) - приведенный коэффициент излучения, или, как было принято называть раньше, «приведенная степень черноты»; символ Т в скобках указывает на то, что ε_пр1,2 - величина температурно-зависимая; L_bλ,2(λ,T₂) - спектральная плотность мощности абсолютно черного тела, рассчитываемая по формуле Планка, для температуры Т₂, при которой находится тело 2 (пирометр). В данной формуле принимается допущение, что поглощение излучения в промежуточной среде между телами 1 и 2 отсутствует. В общем случае приведенный коэффициент излучения (приведенная степень черноты) ε_пр1,2(λ) рассчитывается также по известному соотношению (Дульнев Г.Н. Теория тепло- и массообмена // Уч. пособие. СПб.: НИУ ИТМО. 2012., с. 182):

где

ε₂(λ,T₂) - спектральный коэффициент излучения (степень черноты) тела 2, в данном случае - пирометра (под спектральным коэффициентом излучения пирометра ε₂(λ,Т₂) здесь понимается эффективное значение, которое определяется совокупно коэффициентом излучения приемного устройства пирометра (поверхности фотодиода) и коэффициентом пропускания объектива пирометра; ϕ₁₂, ϕ₂₁ - угловой коэффициент облученности второго тела первым телом, и наоборот.

С учетом того, что пирометры фокусируются на измеряемый объект, можно принять строгое равенство единице угловых коэффициентов, т.е. ϕ₁₂=ϕ₂₁=1. В этом случае соотношение для расчета приведенного коэффициента излучения упрощается и принимает вид (Дульнев Г.Н. Теория тепло- и массообмена // Уч. пособие. СПб.: НИУ ИТМО. 2012., с. 183):

Итак, согласно теории теплообмена излучением, тепловой поток, воспринимаемый телом 2 (пирометром) от тела 1, зависит от приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2(λ), а значение его плотности рассчитывается по соотношению (2).

Обратимся к известному расчетному соотношению для фототока, генерируемого фотодиодом пирометра. Как известно, генерируемый фотодиодом фототок i_п рассчитывается по соотношению:

Которое, с учетом соотношения (2), трансформируется в соотношение (6):

где

F₂ - площадь поперечного сечения пучка падающего на фотодиод излучения, s(k) - спектральная чувствительность приемника излучения (фотодиода).

При выполнении градуировки согласно традиционным способам - по абсолютно черному телу (АЧТ), ввиду равенства единице коэффициента излучения АЧТ, т.е. ε₁(λ,T)=1,0, соотношение, описывающее фототок, принимает вид:

При реальных измерениях коэффициент излучения объекта ε₁(λ,Т₁), (объекта 1) значимо отличается от единицы, поэтому фототок должен рассчитываться по соотношению (6), в котором фигурирует приведенный коэффициент излучения ε_пр1,2(λ,T₁), а не коэффициент излучения объекта ε₁(λ,Т₁). Следовательно, корректировка показаний пирометра при измерениях температуры реальных объектов, должна выполняться по значению приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2(λ,Т₁).

В противоречие теории во всех способах-аналогах и способе-прототипе при реальных измерениях пирометр корректируют по коэффициенту излучения объекта ε₁(λ,Т₁), при этом допускают методическую ошибку, которая приводит к систематическому ощутимому завышению (до 10%) результатов измерений, а это значительно снижает точность измерений.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений за счет устранения методической ошибки, присущей всем известным способам.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта в первом варианте осуществления способа для предварительной градуировки пирометра используют два источника излучения, первый из которых является моделью абсолютно черного тела со спектральным коэффициентом излучения в пределах заданной точности равным единице, а второй источник представляет собой излучатель с известным, в пределах заданной точности, спектральным коэффициентом излучения, значение которого существенно отличается от спектрального коэффициента излучения первого источника; при градуировке пирометра измеряют его фототок при разных значениях термодинамической температуры первого источника; находят математическую зависимость фототока пирометра от температуры, при этом используют аппроксимацию полиномом, порядок которого определяют исходя из заданной точности; в пределах динамического диапазона пирометра произвольно выбирают и задают термодинамическую температуру второго источника, измеряют фототок пирометра, сгенерированный излучением от второго источника; по измеренным для одноименной термодинамической температуры фототокам от разных источников и значению спектрального коэффициента излучения второго источника рассчитывают спектральный коэффициент излучения пирометра; корректируют математическую зависимость фототока пирометра от температуры путем деления коэффициентов аппроксимирующего полинома на значение спектрального коэффициента излучения пирометра; рассчитывают приведенный коэффициент излучения для системы тел измеряемый объект - пирометр, при этом задают ожидаемое значение температуры объекта, для которой из справочных данных находят значение коэффициента излучения объекта и используют его для расчета приведенного коэффициента излучения; измеряют фототок пирометра, сгенерированный от излучения объекта; делят измеренное значение фототока на приведенный коэффициент излучения, полученное значение фототока подставляют в скорректированную математическую зависимость фототока пирометра от температуры и из нее расчетным путем находят термодинамическую температуру; для найденной температуры из справочных данных находят соответствующее ей значение коэффициента излучения объекта и снова пересчитывают приведенный коэффициент излучения, делят измеренное значение фототока на приведенный коэффициент излучения, полученное значение фототока подставляют в скорректированную математическую зависимость фототока пирометра от температуры и из нее расчетным путем находят термодинамическую температуру; в зависимости от заданной точности либо повторяют операцию пересчета приведенного коэффициента излучения и фототока, либо принимают последнее полученное значение температуры за истинную термодинамическую температуру объекта.

Во втором варианте осуществления способа в качестве второго источника используют температурную лампу с вольфрамовой лентой накаливания.

В третьем варианте осуществления способа для предварительной градуировки пирометра используют два источника излучения, первый из которых является моделью абсолютно черного тела со спектральным коэффициентом излучения в пределах заданной точности равным единице, а вторым источником является образцовая температурная лампа с вольфрамовой лентой накаливания; устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции значение коэффициента излучения, равное единице; градуируют шкалу пирометра в заданном диапазоне термодинамической температуры по температуре первого источника; в пределах динамического диапазона пирометра произвольно выбирают и задают термодинамическую температуру ленты накаливания образцовой температурной лампы, измеряют пирометром температуру ленты; рассчитывают значение приведенного коэффициента излучения системы тел лампа - пирометр и рассчитывают значение коэффициента излучения пирометра; рассчитывают приведенный коэффициент излучения для системы тел измеряемый объект - пирометр, при этом задают ожидаемое значение температуры объекта, для которой из справочных данных находят значение коэффициента излучения объекта и используют его для расчета приведенного коэффициента излучения; устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции рассчитанное значение приведенного коэффициента излучении; измеряют температуру объекта; для измеренной температуры из справочных данных находят соответствующее ей значение коэффициента излучения объекта и выполняют пересчет приведенного коэффициента излучения; устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции пересчитанное значение приведенного коэффициента излучении и снова измеряют температуру объекта; в зависимости от заданной точности либо повторяют операцию пересчета приведенного коэффициента излучения и измерения температуры объекта, либо принимают последнее измеренное значение температуры за истинную термодинамическую температуру объекта.

Для пояснения сущности предлагаемого способа на фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая механизм теплообмена излучением между двумя телами: 1 - исследуемый объект, 2 - приемник излучения пирометра; на фиг. 2 - графическая зависимость методического завышения ΔT измеряемой пирометром температуры ее истинного значения от температуры объекта Т₁; на фиг. 3 - графическая зависимость приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2(λ,T) от коэффициента излучения исследуемого объекта ε₁(λ,Т₁) при фиксированных значениях коэффициента излучения пирометра ε₂(λ,T₂)=0.7; 0.8; 0.9; на фиг. 4 - графическая зависимость фототока пирометра от термодинамической температуры: 1 - измеренная зависимость; 2 - скорректированная зависимость (зависимость для «идеального» пирометра).

Способ основан на положениях и принципах теории теплообмена излучением и квантовой теории М. Планка.

Как было показано выше, весомая причина, из-за которой в настоящее время имеет место разница в показаниях различных пирометров - неправильная коррекция показаний пирометра, обусловленная неправильной установкой значения коэффициента излучения. Неправильность коррекции заключается в том, что вместо требуемого значения приведенного коэффициента излучения системы тел реальный объект - пирометр, при измерениях устанавливают значение коэффициента излучения реального объекта. На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая механизм теплообмена излучением между исследуемым объектом 1 и приемником излучения - пирометром 2. Ввиду неправильно выполняемой коррекции при измерениях получается систематическое завышение измеряемой температуры, величина данного завышения зависит от соотношения коэффициентов излучения объекта и пирометра, уровня температуры и длины волны, на которой выполняются измерения. На фиг. 2 представлен пример зависимости величины данного завышения от уровня температуры для случая измерения температуры пирометром с шириной рабочей полосы λ=640-660 нм и для следующих характеристик объекта и пирометра: ε₂≈0.6, ε₁=0.90, ε_пр=0.56, ε₁/ε_пр1,2=0.90/0.56=1.61.

Для устранения возникающей методической ошибки необходимо для конкретно взятого пирометра следует определить его эффективный коэффициент излучения ε₂(λ,Т₂), и только затем измерять температуру объекта Т₁, предварительно установив на пирометре значение приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2(λ,Т), рассчитанное по соотношению (4) с учетом справочного значения коэффициента излучения исследуемого объекта ε₁(λ,Т₁) и найденного значения коэффициента излучения пирометра ε₂(λ,Т₂). На фиг. 3 представлены графические зависимости приведенного коэффициента излучения от коэффициента излучения объекта при нескольких фиксированных значениях коэффициента излучения пирометра.

Предлагается два независимых способа определения коэффициента излучения пирометра, из которых следуют два независимых способа градуировки пирометра и измерения температуры объекта.

Первый, более сложный, способ предназначен для прецизионных пирометров, таких как LP-3,4,5, и пирометров, находящихся на стадии сборки, у которых имеется возможность прямого измерения фототока, генерируемого пирометром. Для осуществления данного способа требуется два эталонных или образцовых излучателя: модель абсолютно черного тела (МАЧТ) и излучатель с точно известным коэффициентом излучения, значимо меньшим 1.0, в качестве такого излучателя может быть успешно использована образцовая температурная лампа, например, лампа СИ10-300 с вольфрамовой лентой накаливания.

Последовательность реализации способа градуировки следующая.

Первоначально, экспериментальным путем, используя МАЧТ, получают градуировочную зависимость фототока пирометра от термодинамической температуры, т.е. i_п=ƒ(T_T). После этого задают произвольное значение температуры Т₁, находящееся в пределах динамического диапазона пирометра. Расчетное соотношение, описывающее измеряемый фототок i_п,1, для заданной температуры МАЧТ Т₁, имеет вид (Meelis Sildoja, Farshid Manoocheri etc. Predictable quantum efficient detector: I. Photodiodes and predicted responsivity. - Metrologia, 50 (2013). C. 385-394):

где

IQED - внутренняя квантовая эффективность фотодиода пирометра (обычно IQED=0.8-0.9); е - элементарный заряд, Кл; λ - длина волны, м; h - постоянная Планка, Дж с; с - скорость света в вакууме, м/с; комплекс IQEDeλ/hc=s(λ) - спектральная чувствительность фототодиода пирометра, А/Вт; i_п,0 - фототок «идеального» пирометра («идеальный» пирометр - конкретно взятый пирометр, но как если бы он обладал 100% коэффициентом излучения); ε₂=ε₂(λ,T₂)=const - допущение, которое довольно строго и точно выполняется в рабочей полосе пирометра.

Затем на втором излучателе (температурной лампе) устанавливают ток питания, обеспечивающий температуру ленты накаливания, равную ранее заданной термодинамической температуре Т₁. При этом используют заранее известную градуировочную характеристику температурной лампы - зависимость тока лампы от требуемой термодинамической температуры. Регистрируют фототок пирометра i_п,2. Расчетное соотношение для этого случая, описывающее измеренный фототок i_п,2, имеет вид:

где

ε₁=ε₁(λ,T₁)=const - допущение, которое также довольно строго и точно выполняется в рабочей полосе пирометра, оно означает, что в рабочей полосе частот пирометра спектральный коэффициент излучения объекта неизменен. В частности, для вольфрама при температуре Т₁=1600 К, согласно (Larrabee R.D. The spectral emissivity and optical properties of tungsten. Technical report 328 // Research laboratory of electronics, Massachusetts institute of technology, May 21, 1957. 81 p.), значения спектрального коэффициента излучения равны: для λ₁=640 нм ε₁=0.4428, для λ₁=660 нм ε₁=0.4412, относительная разница составляет всего 0.36%, поэтому сделанное допущение для практических измерений приемлемо.

Далее рассчитывают значение спектрального коэффициента излучения пирометра ε₂ по соотношению, полученному исходя из соотношений (8), (9) через отношение измеренных фототоков i_п,1/i_п,2

Полученное значение ε₂ для данного пирометра принимают постоянным при всех последующих пирометрических измерениях.

После этого, используя ранее полученную зависимость фототока пирометра от термодинамической температуры МАЧТ i_п=ƒ(Т_T) находят зависимость фототока «идеального» пирометра i_п,0, при этом используют соотношение:

Таким образом, в результате произведенных операций получают значение спектрального коэффициента излучения пирометра ε₂ и зависимость фототока «идеального» пирометра от термодинамической температуры i_п,0=ƒ(T_T). Затем приступают к измерению термодинамической температуры интересующего объекта.

Второй, более простой, способ предназначен для уже находящихся в эксплуатации пирометров, имеющих в своем составе орган регулировки (коррекции) коэффициента излучения и цифровую индикацию измеряемой температуры. Возможность прямого измерения фототока у таких пирометров отсутствует. Для реализации алгоритма потребуется образцовая температурная лампа, предварительно отградуированная по МАЧТ, например, лампа СИ10-300 с вольфрамовой лентой накаливания.

Последовательность реализации способа градуировки следующая.

Устанавливают на температурной лампе ток, соответствующий некоторой заданной термодинамической температуре ленты накаливания лампы Т₁, находящейся в динамическом диапазоне пирометра. Устанавливают на пирометре при помощи органа коррекции значение коэффициента излучения, равное 1.0. Фокусируют пирометр на ленту накаливания и измеряют значение яркостной температуры Т_1Я. По измеренному значению Т_1Я и заданной термодинамической температуре Т₁ рассчитывают значение приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2 системы тел лампа-пирометр. Расчет выполняют по соотношению (Тепло- и массобмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др.; Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина - М.: Энергоиздат.1982. с. 349-35):

где

С₂=0.014387752 - второй коэффициент в формуле Планка, м⋅К; λ - эффективная длина волны пирометра, м. Для квазимонохроматических пирометров эффективная длина волны, как правило, равна λ=0.65 мкм, или λ=6.5⋅10^-7 м. Для этого случая формула (12) имеет вид:

Далее рассчитывают коэффициент излучения пирометра ε₂ по соотношению, вытекающему из соотношения (4):

После этого приступают к измерениям температуры реального объекта.

Перед выполнением измерений температуры реального объекта предварительно рассчитывают приведенный коэффициент излучения ε_пр1,2 системы тел: реальный объект - пирометр. Здесь необходимо иметь в виду, что, так как изначально температура объекта неизвестна, поэтому ее необходимо предварительно оценить, например, экспертным способом, т.е. - задать диапазон, в котором она ожидаемо находится. Далее из справочных данных находят среднее из оцениваемого диапазона температуры значение коэффициента излучения объекта ε₁ и по соотношению (4) выполняют расчет приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2.

В случае использования первого способа (для прецизионных пирометров) фокусируют пирометр на объект, регистрируют фототок пирометра i_п,i. По измеренному току рассчитывают фототок «идеального» пирометра i_п,0,i=i_п,i/ε_пр1,2, Из градировочной характеристики i_п,0=ƒ(T_T) по значению i_п,0,i находят искомую термодинамическую температуру исследуемого объекта. Для полученной температуры из справочных данных берут новое значение коэффициента излучения объекта и, аналогично вышеизложенному, заново делают пересчет искомой температуры. Операцию пересчета выполняют до тех пор, пока предыдущее и последующее значения температуры не будут различаться на заданную величину. В результате в качестве температуры объекта принимают значение температуры, достигнутое на последнем шаге итерации. Полученное значение температуры принимают за истинное значение температуры объекта.

В случае использования второго способа (для серийных пирометров) на пирометре с помощью органа коррекции устанавливают расчетное значение приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2. Фокусируют пирометр на объект и измеряют температуру. Для полученной температуры из справочных данных берут новое значение коэффициента излучения объекта и заново делают пересчет приведенного коэффициента излучения. Полученное значение вводят в пирометр и снова измеряют температуру. Итерации повторяют до тех пор, пока предыдущее и последующее измеренные значения температуры не будут различаться на заданную величину. В результате в качестве температуры объекта принимают значение температуры, измеренное на последнем шаге итерации. Полученное значение температуры принимают за истинное значение температуры объекта.

Пример реализации первого способа градуировки пирометра и измерения температуры реального объекта.

Пусть, например, требуется отградуировать квазимонохроматический пирометр и с его помощью измерить термодинамическую температуру реального объекта с неопределенностью не более 0,5%. Для этого, например, взят пирометр с рабочей полосой пропускания λ=640-660 нм и центральной длиной волны λ₀=650 нм. Для градуировки пирометра используют 2 эталонных источника излучения: первый источник - модель абсолютно черного тела, обладающая спектральным коэффициентом излучения ε₁=0.9995 (его значение при выполнении операции градуировки принимают равным единице), второй источник - температурная лампа с вольфрамовой лентой накаливания (модель СИ10-300) с точно известным значением спектрального коэффициента излучения, значимо меньшем единицы.

Первоначально, например, в диапазоне температуры 1400-2400 К, измеряют фототоки пирометра в зависимости от термодинамической температуры МАЧТ. В результате градуировки пирометра по МАЧТ получают аппроксимирующую математическую зависимость фототока пирометра от термодинамической температуры, например, такую зависимость:

Графическая иллюстрация полученной зависимости показана на фиг. 4 (кривая 1). Затем выбирают и задают термодинамическую температуру Т₁ второго источника (температурной лампы), например, T₁=1600 К. После чего измеряют фототок пирометра, сгенерированный от излучения второго источника, который имеет термодинамическую температуру T₁=1600К. Например, величина измеренного фототока составила i_п,2=0.0041399 мкА. Значение спектрального коэффициента излучения вольфрама при заданной температуре T₁=1600 К и взятой длины волны λ=650 нм равно ε₁=0.442. Из полученной при помощи МАЧТ аппроксимирующей математической зависимости фототока пирометра рассчитывают соответствующий заданной температуре фототок пирометра i_п,1 он оказывается равен i_п,1=0.0078854 мкА.

Далее, используя полученные данные о фототоках по соотношению (10) рассчитывают спектральный коэффициент излучения пирометра:

После этого корректируют полученную аппроксимирующую математическую зависимость (15) фототока пирометра путем деления коэффициентов аппроксимирующего полинома на значение спектрального коэффициента излучения пирометра (ε₂=0.723). В результате получают скорректированную градуировочную математическую зависимость фототока пирометра (т.е. «идеального» пирометра) от температуры:

Графическая иллюстрация полученной зависимости показана на фиг. 2 (кривая 2). На этом градуировку пирометра считают завершенной. В результате ее получают градуировочную математическую зависимость (16) фототока «идеального» пирометра i_п,0=ƒ(T) и спектральный коэффициент излучения пирометра ε₂=0.723.

Далее приступают к непосредственному измерению температуры объекта, например - расплава некоего металла. Так, как изначально его температура неизвестна, поэтому ее предварительно оценивают экспертным способом. Предположим, что она находится в пределах 1400-2400 К. Из справочных данных находят среднее для данного диапазона температуры значение коэффициента излучения данного расплава, например, данное значение равно ε₁=0.68, оно взято для средней температуры T=(1400+2400)/2=1900 К. Рассчитывают значение приведенного коэффициента излучения ε_пр1,2:

Далее измеряют фототок пирометра, сгенерированный излучением от исследуемого объекта (расплава). В результате измерения получают значение фототока, например, оно составило i_п=0.13657 мкА. Делят данное значение фототока на приведенный коэффициент излучения ε_пр1,2=0.54 и подставляют результат деления (i_п/ε_пр1,2=0.13657/0.54=0.2529 мкА) в градуировочную математическую зависимость фототока пирометра (16), из которой находят термодинамическую температуру объекта. Как следует из вычислений, она оказывается равной T=2059 К.

Так как значение коэффициента излучения расплава было взято для температуры T=1900 К, а не для T=2059, его значение корректируют: из справочных данных находят значение коэффициента излучения расплава для температуры T=2059 К, оно оказывается равным, например, ε₁=0.64.

Снова пересчитывают приведенный коэффициент излучения, получают:

Пересчитывают измеренный фототок пирометра:

i_п/ε_пр1,2=0.13657/0.514=0.2657 мкА и подставляют полученное значение в градуировочную математическую зависимость фототока пирометра (16). Находят термодинамическую температуру, она оказывается равной T=2069.3 К.

Снова корректируют значение коэффициента излучения расплава: из справочных данных находят его значение для температуры T=2069.3 К, оно оказывается равным ε₁=0.637. Пересчитывают приведенный коэффициент излучения, получают:

Пересчитывают измеренный фототок пирометра:

i_п/ε_пр1,2=0.13657/0.512=0.2667 мкА, подставляют полученное значение в градуировочную математическую зависимость фототока пирометра (16) и находят термодинамическую температуру, она оказывается равной T=2070.1 К.

Далее, в зависимости от требуемой точности либо продолжают выполнение математических итераций, либо останавливаются на последней итерации и принимают последнее полученное значение термодинамической температуры за истинное значение температуры объекта. Пусть, например, задана неопределенность измерения, равная 0,5% (т.е. точность 99,5%). В рассмотренном примере последнее полученное значение равно T=2070.1 К, оно отличается от значения, полученного на предыдущей итерации, на 0.8 К или на 0.04%. Так как данное отклонение меньше заданной неопределенности (0.04<0,5%), то принимают, что термодинамическая температура расплава равна T=2070.1 К≈2070 К.

Пример реализации второго способа градуировки пирометра и измерения температуры реального объекта.

Пусть, например, требуется отградуировать квазимонохроматический пирометр и с его помощью измерить термодинамическую температуру реального объекта с неопределенностью не более 0.5%. Для этого, например, взят пирометр с рабочей полосой пропускания λ=640-660 нм и эффективной длиной волны λ₀=650 нм. Для градуировки пирометра используют 2 эталонных источника излучения: первый источник - модель абсолютно черного тела, обладающая спектральным коэффициентом излучения ε₁=0.9995 (его значение при выполнении операции градуировки принимают равным единице), второй источник - температурная лампа с вольфрамовой лентой накаливания (модель СИ10-300) с точно известным значением спектрального коэффициента излучения, значимо меньшем единицы.

Первоначально с помощью органа коррекции на пирометре устанавливают значение коэффициента излучения объекта равное 1.0. Затем, например, в диапазоне температуры 1400-2400 К, градуируют шкалу пирометра в зависимости от термодинамической температуры МАЧТ. В результате градуировки пирометра по МАЧТ шкалу, привязанную к диапазону температуры 1400-2400 К.

Затем выбирают и задают термодинамическую температуру Т₁ ленты накаливания температурной лампы, например, задают температуру T₁=1600 К. После чего измеряют пирометром температуру, измеренное значение которой, например, оказалось равным T_1Я=1487 К. По соотношению (13) рассчитывают значение приведенного коэффициента излучения для системы тел лампа - пирометр, при этом значение спектрального коэффициента излучения вольфрама при заданной температуре T₁=1600 К и взятой длине волны λ₀=650 нм принимают равным ε₁=0.442. Рассчитанное по соотношению (13) значение приведенного коэффициента излучения составило ε_пр1,2=0,350. Далее по соотношению (14) рассчитывают коэффициент излучения пирометра ε₂, рассчитанное значение оказалось равно ε₂=0,627.

Оценивают ожидаемое значение измеряемой температуры объекта - расплава. Пусть, например, это значение равно T₁=1900 К, данной температуре, например соответствует коэффициент излучения расплава ε₁=0.68. По соотношению (4) рассчитывают приведенный коэффициент излучения системы тел объект (расплав) - пирометр, он оказывается равным ε_пр1,2=0.484. Вводят данное значение в пирометр и измеряют пирометром температуру объекта. Измеренное значение, предположим, составило T_1,изм=2136 К. Из справочных данных находят новое значение коэффициента излучения объекта, соответствующее температуре T_1,изм=2136 К, пусть, например, оно составило ε₁=0.64. Выполняют пересчет приведенного коэффициента излучения, оно оказывается равным ε_пр1,2=0.463. Вводят данное значение в пирометр и заново измеряют температуру объекта. Пусть, например, получают значение Т_1,изм=2101 К. Из справочных данных снова находят новое значение коэффициента излучения объекта, соответствующее температуре T_1,изм=2101, пусть, например, оно составило ε_пр1,2=0.645. Выполняют пересчет приведенного коэффициента излучения, оно оказывается равным ε_пр1,2=0.466. Вводят данное значение в пирометр и заново измеряют температуру объекта. Пусть, например, получают значение Т_1,изм=2103 К. В рассмотренном примере последнее полученное значение равно Т=2103 К, оно отличается от значения, полученного на предыдущей итерации, на 2 К или на 0.1%. Так как данное отклонение меньше заданной неопределенности (0.1<0,5%), то принимают, что термодинамическая температура объекта (расплава) равна Т=2103 К.

Техническая реализация изобретения не требует разработки каких-либо новых технических устройств и может быть осуществлена с помощью имеющихся средств измерений. Экономические затраты по внедрению способа - ничтожны.

Способ обеспечивает существенное повышение точности существующих и вновь разрабатываемых пирометров всех типов.

Изобретение относится к измерительной технике в области пирометрических измерений, предназначено для градуировки пирометров излучения, измерения температуры реальных объектов и может быть использовано в метрологии, в промышленности, при выполнении научных исследований. Изобретение заключается в том, что для предварительной градуировки пирометра используют два источника излучения, первый из которых является моделью абсолютно черного тела со спектральным коэффициентом излучения в пределах заданной точности, равным единице, а второй источник представляет собой излучатель с известным, в пределах заданной точности, спектральным коэффициентом излучения, значение которого существенно отличается от спектрального коэффициента излучения первого источника. При градуировке пирометра и измерениях температуры объекта выполняют коррекцию показаний пирометра по расчетному значению приведенного коэффициента излучения для системы тел пирометр - второй источник, пирометр - объект. Измерения температуры объекта выполняют поэтапно, используя метод последовательных приближений. Технический результат - повышение точности измерений температуры за счет устранения методической ошибки, присущей известным способам. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в том, что осуществляют бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки пирометра по эталонному источнику излучения, и

отличающийся тем, что

для предварительной градуировки используют два источника излучения, первый из которых является моделью абсолютно черного тела со спектральным коэффициентом излучения в пределах заданной точности, равным единице, а второй источник представляет собой излучатель с известным, в пределах заданной точности, спектральным коэффициентом излучения, значение которого существенно отличается от спектрального коэффициента излучения первого источника;

при градуировке пирометра измеряют его фототок при разных значениях термодинамической температуры первого источника;

находят математическую зависимость фототока пирометра от температуры, при этом используют аппроксимацию полиномом, порядок которого определяют исходя из заданной точности;

в пределах динамического диапазона пирометра произвольно выбирают и задают термодинамическую температуру второго источника, измеряют фототок пирометра, сгенерированный излучением от второго источника;

по измеренным для одноименной термодинамической температуры фототокам от разных источников и значению спектрального коэффициента излучения второго источника рассчитывают спектральный коэффициент излучения пирометра;

корректируют математическую зависимость фототока пирометра от температуры путем деления коэффициентов аппроксимирующего полинома на значение спектрального коэффициента излучения пирометра;

рассчитывают приведенный коэффициент излучения для системы тел измеряемый объект - пирометр, при этом задают ожидаемое значение температуры объекта, для которой из справочных данных находят значение коэффициента излучения объекта и используют его для расчета приведенного коэффициента излучения;

измеряют фототок пирометра, сгенерированный от излучения объекта;

делят измеренное значение фототока на приведенный коэффициент излучения, полученное значение фототока подставляют в скорректированную математическую зависимость фототока пирометра от температуры и из нее расчетным путем находят термодинамическую температуру;

для найденной температуры из справочных данных находят соответствующее ей значение коэффициента излучения объекта и снова пересчитывают приведенный коэффициент излучения, делят измеренное значение фототока на приведенный коэффициент излучения, полученное значение фототока подставляют в скорректированную математическую зависимость фототока пирометра от температуры и из нее расчетным путем находят термодинамическую температуру;

в зависимости от заданной точности либо повторяют операцию пересчета приведенного коэффициента излучения и фототока, либо принимают последнее полученное значение температуры за истинную термодинамическую температуру объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве второго источника используют температурную лампу с вольфрамовой лентой накаливания.

3. Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в том, что осуществляют бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки пирометра по эталонному источнику излучения, и

отличающийся тем, что

для предварительной градуировки используют два источника излучения, первый из которых является моделью абсолютно черного тела со спектральным коэффициентом излучения в пределах заданной точности, равным единице, а вторым источником является образцовая температурная лампа с вольфрамовой лентой накаливания;

устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции значение коэффициента излучения, равное единице;

градуируют шкалу пирометра в заданном диапазоне термодинамической температуры по температуре первого источника;

в пределах динамического диапазона пирометра произвольно выбирают и задают термодинамическую температуру ленты накаливания образцовой температурной лампы, измеряют пирометром температуру ленты;

рассчитывают значение приведенного коэффициента излучения системы тел лампа - пирометр и рассчитывают значение коэффициента излучения пирометра;

рассчитывают приведенный коэффициент излучения для системы тел измеряемый объект - пирометр, при этом задают ожидаемое значение температуры объекта, для которой из справочных данных находят значение коэффициента излучения объекта и используют его для расчета приведенного коэффициента излучения;

устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции рассчитанное значение приведенного коэффициента излучении;

измеряют температуру объекта;

для измеренной температуры из справочных данных находят соответствующее ей значение коэффициента излучения объекта и выполняют пересчет приведенного коэффициента излучения;

устанавливают на пирометре с помощью органа коррекции пересчитанное значение приведенного коэффициента излучении и снова измеряют температуру объекта;

в зависимости от заданной точности либо повторяют операцию пересчета приведенного коэффициента излучения и измерения температуры объекта, либо принимают последнее измеренное значение температуры за истинную термодинамическую температуру объекта.