Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта Советский патент 1992 года по МПК G01J5/00 

XS

да

Изобретение относится к технике оптической пирометрии, осуществляющей бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки по эталонному источнику излучения, и может быть использовано для построения методики градуировки пирометров излучения и модели расчета температур. Сущность способа заключается в том, что при градуировке зависимость сигнала пирометра от температуры U f(T) снимают только для одного диапазона, для которого затем определяют зависимость эффективной освещенности фбтоприемника от температуры ЕЭф. f(T), далее на основании зависимостей рассчитывают зависимость сигнала пирометра от освещенности его фотоприемника ЕЭф. f(U). На основании ЕЭф. f(U), хранящейся в памяти пирометра для остальных диапазонов, определяется только характеристика ЕЭф. f(T) в виде трех коэффициентов т, n, k для каждого диапазона. 2 з.п.ф-лы, 6 ил. сл с

Изобретение относится к технике оптической пирометрии, осуществляющей бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки по эталонному источнику излучения, и может быть использовано для построения методики градуировки пирометров излучения и модели расчета температур.

Известен способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта 1, заключающийся в получении

сэ

ю ю

зависимости сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя, хранении градуировочной характеристики и измерении по ней действительной температуры объекта.

Практически градуировка производится путем составления таблицы соответствия сигнала пирометра температуре эталонного излучателя, имеющего тот же коэффициент черноты, что и контролируемый объект. Полученная таким образом градуировка хранится в виде таблицы или в виде коэффициентов полинома второй или третьей степени, описывающего данную градуировку. Значения температур данной градуировочной характеристики используется для определения истинной температуры объекта по уровню сигнала.

Недостатком этого способа является то, что можно производить контроль температур только тех объектов, коэффициент черноты которых соответствует коэффициенту черноты эталонного излучателя. Для остальных же объектов температура, определяемая по градуировочной характеристике, называемая условной температурой Т), будет отличаться от истинной температуры Т на величину AT, определяемую различием коэффициентов излучения е объекта и эталонного излучателя.

Для расширения области применения пирометра необходимо расширять диапазон контролируемых им температур. При контроле широкого диапазона температур из-за ограниченного динамического диапазона сигнала пирометра весь температурный диапазон необходимо разбивать на ряд диапазонов. Это может производиться путем дискретного неселективного ослабления излучения или установкой селективных фильтров, причем второй способ в некоторых случаях является предпочтительней, т.к. измерения в различных спектральных диапазонах позволяют обеспечить максимальное температурное разрешение для данного температурного диапазона, а также выбирать для измерений определенные окна прозрачности промежуточной среды. В общем случае расширение температурного диапазона пирометра может производиться одновременно и путем дискретного неселективного ослабления, и путем установки селективных фильтров, причем каждая градуировочная характеристика пирометрической системы для определенного поддиапазона (фиг 1) должна храниться в памяти этой системы (либо в цифровой памяти в виде электронной таблицы, либо на бумаге в виде графика).

Наиболее близким к заявляемому является способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта 2, заключающийся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя (T) и определении зависимости истинной температуры от условной Т ffT ) для всех диапазонов измерений, отличающихся спектральными характеристиками, хранении данных зависимостей в памяти пирометра и использовании их для расчета истинных температур

При данном способе градуировка производится путем получения зависимости U

f(T,) ), где Т) - температура эталонного излучателя с известной излучательной способностью Ј. После этого определяется зависимость измеряемой температуры от коэффициента черноты объекта f, например в виде (1+д Т) , где (5T f (Б). Снятие данной зависимости основано на том положении, что влияние коэффициента черноты объекта Е,на измеряемую температуру эквивалентно влиянию коэффициента

пропускания г. Коэффициент пропускания гу пирометров, имеющих оптическую систему, проще всего изменять с помощью пере- ключения апертурной диафрагмы объектива. При этом изменение светосилы

объектива Н будет эквивалентно изменению е,. Математически ото будет показано ниже. Такая зависимость Т от Е, используется при измерении истинной температуры в виде Т f(T ), где Т - условная температура, которая берется непосредственно из грэдуировочной характеристики U f(T ) (фиг.2)

Снятие градуировочной характеристики U f(T} ) и определение зависимости Т

f(T,j ) производится в каждом температурном диапазоне, отличающемся спектральной характеристикой фильтра. При большом количестве диапазонов процесс градуировки становится достаточно трудоемким Кроме этого, для проведения измерений во всем температурном диапазоне необходимо хранить характеристики Т f(T ) для каждого спектрального диапазона, что при табличном описании данной характеристики требует наличия значительного объема памяти для их хранения; аналитическое же описание данных характеристик с достаточной точностью не всегда эффективно, т к. зависимость U f(T} ) определяется совокупностью таких характеристик, как зависимость эффективной освещенности фотоприемника пирометра от температуры объекта ЕЭф f(T), описываемой законом Планка, и характеристикой свет-сигнал пирометра (). которая включает в себя световую характеристику приемника излучения, имеющую для некоторых датчиков форму, трудно поддающуюся описанию, и передаточную характеристику всего электронного тракта пирометра.

Целью изобретения является ускорение процесса градуировки.

Цель достигается тем, что в способе градуировки пирометра излучения и измерения

температуры объекта, заключающемся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя (T ), запоминании полученных зависимостей и определении истинной температу- ры, в первом диапазоне определяют зависимость эффективной освещенности от температуры ЕЭф(Т), и на основании ее и зависимости (T) рассчитывают зависимость сигнала пирометра от освещенности его фогоприемника (), а для остальных диапазонов определяют только зависимость ЕЭф(Т), используя при этом единую для всех диапазонов характеристику (), на основании которых определяют истинную температуру объекта.

В данном способе предлагается Ёместо зависимостей (T ) в каждом спектральном диапазоне определять зависимость (Т), а зависимость (T) определять только для одного диапазона, по которой рассчитывают зависимость (Еэф), используя ее при градуировке остальных диапазонов и измерениях истинной температуры (фиг.З). На основании этого можно сделать вывод, что заявляемый способ удовлетворяет критерию новизна.

Использование в качестве градуировоч- ной зависимости (ЕЭф) вместо (T) позволяет применять ее во всех спектральных диапазонах, т.к. она содержит в себе только энергетические характеристики пирометра: световую характеристику приемника излучения, передаточную характеристику тракта усиления и не зависит от спектрального ди- апазона, в котором производится измерение, поэтому отпадает необходимость снятия и хранения множества градуировоч- ных характеристик. Зависимость же температуры от эффективной освещенности и коэффициента черноты объекта поддается достаточно точно аналогическому описанию, т к она основана на законе Планка.

При определении температуры по определенному ЕЭф с помощью характеристики Еэф(Т) используют формулу

Т

п

-т ,

К-1л

где г, т, к- постоянные для данного диапазона коэффициенты, рассчитанные а процессе градуировки пирометра по трем точкам зависимости с- коэффициент черноты объекта

Данная формула, связывающая значения эффективной освещенности ЕЭф, коэффициента черноты Ј с температурой, наряду с простотой обладает высокой точностью описания Дополнительным достоинством формулы является то, что ее коэффициенты m, n и k могут быть получены из градуировочных характеристик.

Для учета характеристик объектива, расстояния от объекта, коэффициента пропускания промежуточной среды, отличных от значений соответствующих параметров в момент градуировки, расчет действительной температуры можно производить по формуле

п

к-In

ЕэфН0(1 -

-т,

0 5

0 5 0

5

0

5

где Н, F, а, т, Н0, FO, Эо, Т0- соответствен но светосила объектива, фокусное расстояние объектява, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды во время измерения тёйпёржурьт и в мо- Menf градуировки.

На фиг. 1 представлены градуировочные характеристики пирометров; на фиг.2 - алгоритм градуировки с запоминанием (T) и д ( Ј ); на фиг.З - алгоритм градуировки пирометра и измерения температуры по предлагаемому способу; на фиг.4 - типовая относительная спектральная характеристика пирометра; на фиг.5 - три градуировочные характеристики пирометра для одного фильтра при различных значениях светосилы объектива Н, на фиг.б - градуировочная характеристика и три точки, используемые д йГОТфедёления зависимости ) для температурных диапазонов,кроме первого.

Опишем реализацию способа, предварительно раскрыв методику получения зависимостей при градуировке пирометра.

Сигнал на выходе пирометра можно описать выражением

(E3q),(1)

где U - выходной сигнал;

ЕЭф - эффективная освещенность, создаваемая на приемной площадке пирометра;

(Е3ф) - функция преобразования свет -сигнал, включающая в себя световую характеристику приемника излучения и передаточную характеристику тракта усиления.

Эффективная освещенность на фотоприемнике пирометра описывается формулой 3

Е Н(1 -Ј)2rfi/r(AT)S(A)d;i а 0

(2)

где Н, F, а, т,е- соответственно светосила объектива, фокусное расстояние объектива, расстояние до объектива, коэффициент пропускания промежуточной среды, коэффициент излучения объекта. В общем случае г и Ј являются функциями от длины волны, но в пирометрических расчетах их обычно заменяют интегральными эквивалентами;

г( А, Т) - спектральная энергетическая светимость абсолютно черного тела, описываемая законом Планка, но для А К мкм данная зависимость с достаточной точностью описывается законом Вина

-5 -Яr(A,T} Ci А е Ат,(3)

где Ci и С2 - постоянные Планка;

А- длина волны излучения;

Т - температура тела;

5(А) - относительная спектральная характеристика системы, характеризующая спектральные избирательные свойства всего оптического тракта: объектив, фильтры, приемник излучения. Экспериментально установлено, что относительная спектральная характеристика приемников излучения, в частности видиконов, достаточно точно описывается функцией вида 3

К1 -К2 S(A)KoA e .(4)

Значения К0, Ki и Kz функционально связаны со значением Si относительной спектральной характеристики (фиг.4) по следующим формулам (математический вывод данных соотношений дан в приложении

1):

(SOф

где Атах - длина волны максимальной спектральной чувствительности;

AI - длина волны на длинноволновой ветви спектральной характеристики, на которой спектральная чувствительность равна Si.

С учетом этого формула (2) запишется в виде

с°° - (Ki +5}

EsfOh-jHO- TeCiKo/Ax

ЧЯп

xe-i(T+ d/LM

После раскрытия интеграла, используя преобразования Лапласа, выражение при- нимает вид

M HO- reCiKoC -l-(Kl +4)

10 Кг) r(Ki+4).

(9)

где f(Ki+4) - гамма функция, которая для целых Ki может быть записана формулой (Ki+3)l. Обозначив

Кз JH(1 --/red Ко,(10)

с

эффективную освещенность можно выра- зить формулой

Со-(К1+4)

(+К2) V Г(К1+4).

°1)

Данная формула точно описывает зависимость эффективной освещенности от температуры, но значения KI и К2 должны быть заранее определены по спектральным характеристикам приемника излучения, оптики и промежуточных фильтров. В большинстве случаев не имеется точных данных обо всех спектральных характеристиках, а решение системы из трех уравнений (11) для трех температур, при их

практическом определении из градуировоч- ных характеристик с целью нахождения Ki, К2 и Кз, приводит к трансцедентному уравнению.

Эффективная освещенность для различных видов спектральных характеристик может быть описана также формулой

50

55

45

Еэф е т + т

+ k

(12)

одним из достоинств которой является то, что ее коэффициенты m, n и k могут быть получены практическим путем из градуиро- вочных характеристик по трем точкам.

Достоверность выражения (12) можно доказать путем сравнения выражений (11) и (12). Приравнивая правые части уравнений (11) и (12), а также выражений их первых и вторых производных и решив систему из трех уравнений, находим зависимости коэффициентов m и п от Ki и К2

)

f) ГД 4--L

2С2+Т

n 2m(1 + XKi+1),

Коэффициент k является масштабным и определяется отдельно.

Коэффициенты тип зависят от темпе- ратуры - это означает, что выражение (12) аппроксимирует выражение (11) с достаточной точностью в некотором температурном диапазоне. По практическим расчетам точность соответствия формулы (12) формуле (11) достаточно высокая.

Коэффициенты m, n и k определяются из градуировочных характеристик по трем точкам.

Значение эффективной освещенности ЕЭф, как видно из формулы (9), пропорционально светосиле объектива Н, поэтому зависимость эффективной освещенности от температуры можно определить из зависимости температуры от светосилы объектива на одном уровне выходного сигнала пирометра.

Ниже рассматривается последовательность операций при реализации способа градуировки пирометра.

т

q Тз - Та 1 -q

Li2 ( Ti + m ) ( Т2 + m ) (Ti-T2)

- k е

Ti +m

Li2(Ti -Тз) Li3(Ti-T2)

Li2-ln MI1 ln Еэф ( T2 )

Hi

H2

I ,, In Еэф ( T1 ) - In Hl L13 - in - f e in - ,

ЕЭф ( Тз )Нз

(15) (16) (17) (18)

(19) (20)

Эффективная освещенность точки ЕэфОП принимается равной 1 для расчета k из усло вия нормировки.

Таким образом, в результате этих вычислений определяется градуировочная зависимость (Т) для первого спектрального диапазона описывается выражением (12) с учетом данных коэффициентов га, n и k, которые заносятся в память пирометрической системы.

4,Зависимость ) является постоянной для данного пирометра. Поэтому при градуировке пирометра в остальных спектральных диапазонах нет необходимости повторного снятия данной характеристики.

Расчет значений n, m и k для других спектральных диапазонов выполняется также по формулам (15-17), но при этом расчет производится по точкам Ti, T2 и Тз, взятым на одной температурной кривой (T) (фиг.6), а не на одном уровне трех характеристик Ж, Н2 и Нз, как в первом диапазоне. Это позволяет ускорить и упростить процесс градуировки во всех последующих спектральных диапазонах.

Для этого в оптическую систему пирометра устанавливается соответствующий данному диапазону светофильтр и повторяется процесс снятия зависимости (T), аналогично описанному в п.1, Для ускорения процесса градуировки достаточно определить только три точки этой характеристики U(Ti). U(T2) и и(Тз). По градуировочной зависимости (E3cj) для этих точек определяются соответствующие ЕЭф(Т1). ЕЭф(Т2) и Еэф(Тз), которые и используются для перерасчета спектральных коэффициентов m, n и k по формулам (15)-(20). Рассчитанные коэффициенты m, n и k записываются в память и фактически описывают соответствующую градуировочную зависимость с помощью выражения (12).

Таким образом, результатом процесса градуировки является запись в память пирометрической системы в табличном виде по точкам одной градуировочной зависимости ) и трех числовых коэффициентов m, n и k для всех спектральных диапазонов, необходимых для описания соответствующих гра- дуировочных зависимостей ).

Реализация описываемого способа в проце ссе измерения температуры при определении истинной температуры по полученным градуировкам производится в следующей последовательности:

а)по полученному значению выходного сигнала U, через хранящуюся в памяти градуировочную зависимость ), определяют значение эффективной освещенности ЕЭф:

б)полученное значение освещенности корректируется по коэффициенту черноты объекта измерения

Ей

Еэф с

(21)

или, если характеристики объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды в процессе измерений отличается от соответствующих параметров в процессе градуировки, то ЕЗ& необходимо корректировать по формуле

с Еэф Трг: ЕиJ

(22)

где г0г, тЈ - определяется по коэффициентам в момент градуировки и в момент измерения температуры по формуле

г Н(1-|)2ге:(23)

в) по скорректированному значению Ей определяется температура с учетом хранящихся в памяти расчитанных в процессе градуировки в конкретном спектральном диапазоне коэффициентов m, n и k

Т

k -In Е„

-m

(24)

Заявляемый способ может быть реализован в любых пирометрах, осуществляющих градуировку и измерение температуры под управлением ЭВМ, например, в тепло- визионном пирометре ИИ-42Т 5.

Таким образом, из вышерассмотренного можно заключить, что использование в качестве градуировочной зависимости 1М(ЕЭф) вместо (T) позволяет использовать ее во всех спектральных диапазонах,

тем самым сокращая количество хранимых полных градуировочиых характеристик до одной. Кроме этого, упрощается процесс определения зависимости измеряемой температуры от коэффициента черноты для

остальных диапазонов, отличающихся спектральными характеристиками фильтров1, вместо снятия трех градуировок снимаются только три точки на одной градуировке. Формула, используемая для расчета

температуры по определенному значению ЕЭф, имея довольно простое написание, обладает высокой точностью. Так, по практическим расчетам при использовании в качестве датчика в тепловизионной пирометрической системе видикона ЛИ-421 с максимумом спектральной чувствительности на Атах - 580 нм и с полушириной ДА 180 нм (, ,5), максимальная погрешность описания эффективной освещенности формулой (12) в диапазоне температур 800...2000 К составляет 0,43 %. Данная погрешность уменьшается при увеличении Т, а также коэффициента К2, который увеличивается при уменьшении

ширины спектральной характеристики. Для широко распространенных узкополосных пирометров (Атах 650 нм и ДА 10 нм) максимальная погрешность для того же температурного диапазона равна 0,000014%.

Расширенная формула позволяет при измерении температуры также учесть характеристики объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды.

Формула изобретения

п

Т

- m

где n, m, k - постоянные для данного диапазона коэффициенты, рассчитанные в прои

я

УфМ

0

цессе градуировки пирометра по трем точкам зависимости E3c})f(T);

Ј- коэффициент черноты объекта.

г

In

ЕэфН0(1

ар

но--Ј «

-пл,

где Н, F, а, т, Н0, F0, aQ, г-соответственно светосила объектива, фокусное расстояние объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды во время измерения температурь и в момент градуировки.

(Ы

w /

W

leetX (f+ffT)

U(Ty)J/U(f)

r-//v

x

uty/ /UW

T-/(T,}

ffT

П

ffr

Ъ

8T

к

V

ff

Фиг 2

Щи&Ъ

тах 1 Фиг.Ь

Фиг. 5

и

и

Т/ тг Ъ

Фиг. В

7