Способ определения температуры объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности радиационной пирометрии, и может быть использовано в науке и технике для определения температуры объекта, обладающего температурными и пространственными флюктуациями, некоррелированными между собой. Например, для определения температуры угольных частиц в котлоагрегате тепловой электростанции.

Целью предлагаемого способа и устройства для его осуществления является устранение указанного недостатка - а именно повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры объекта, заключающемся в определении температуры по вероятностной характеристике

флюктуации потока излучения объекта, ло- СО гарифмируют сигнал, пропорциональный О потоку излучения объекта, измеряют веро- Јb ятность нахождения полученного сигнала и {JTI его логарифма между их средними и меди- sQ энными значениями и определяют темпера- уф туру по отношению измеренных вероятностей. Поставленная цель достигается также тем, что в способе определения температу- Сл5 ры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно измеряют сигнал, пропорциональный потоку излучения объекта на другой длине волны, а вероятности нахо ждения сигнала между средним и медианным и значениями измеряют для отношения сигналов, пропорциональных потокам излучения на двух

длинах волн, и логарифма отношения этих сигналов.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта, состоящее из оптически связанных объектива, монохроматизирую- щего элемента, фотоприемного устройства и блока обработки сигнала, дополнительно содержит двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входом логарифмическим усилителем, при этом выход фотоприемного устройства соединен со входами двухканального измерителя, а его выход соединен с блоком обработки сигнала.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно снабжено оптически связанными объективом, монохромэтизирующим элементом с другой длиной волны и фотоприемным устройством, а также блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения.

Именно заявляемые новые отличительные признаки, не встречающиеся ни в одном из известных технических решений, описывающие дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта - двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и .меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем - обеспечивают логарифмирование сигнала, полученного при регистрации фотоприемным устройством потока излучения объекта на одной дли- не волны, измерение вероятности нахождения полученного сигнала и его логарифма между их средними и медианными значениями, и тем самым - достижение поставленной цели. Для объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта - оптически связанные объектив, монохроматизи- рующий элемент с другой длиной волны и фотоприемное устройство, а также блок измерения отношения сигналов - обеспечивают регистрацию потока излучения объекта на другой длине волны, измерение вероятностей нахождения сигнала между средним и медианным значением для отношения сигналов, пропорциональных излучению на

двух длинах волн, и логарифма отношения этих сигналов, и тем самым - достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Достижение поставленной цели - повышение точности - обеспечивается за счет измерения статистической характеристики

сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), что в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента

асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных интервалов.

Достижение поставленной цели - повышение точности измерения для объекта с

изменяющейся площадью поверхности излучения - обеспечивается за счет измерения статистической характеристики сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), чем в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных

интервалов, за счет устранения влияния неконтролируемой изменяющейся площади поверхности излучения объекта на результаты измерений.

Рассмотрим произвольную характеристику объекта у(Т), являющуюся однозначной функцией температуры объекта Т и имеющую функцию плотности вероятности д(у). Медианное значение ут функции у(Т) определяется из условия

ЛЈ9(у)йу (y)dy 0,5(1)

45

а среднее значение

Ус ЙУ9 Mdy(2)

Для флуктуирующей температуры обь- екта Т с одномодальной функцией плотности вероятности f(T) аналогично определяются медианное Тт и среднее Тс значения температуры. Отметим, что для однозначной и монотонной функции у(Т) всег- да справедливо условие у™ у(Тт).

По определению вероятность нахождения функции у(Т) в интервале между медианным ут и средним ус значениями равна

Ру JJJ,g(y) dy

(3)

Разложим данное выражение в ряд Тейлора в окрестности значения у ут:

Ру 9 (У) (Ус - Ут) + 1 /2 д (у) (ус - Ут)2 + ... (4)

где д (у) - производная функций плотности вероятности g (у).

Определим величины, входящие в правую часть формулы (4). Согласно Е.Н. Вент- цель.Теория вероятностей. М.: Наука-1969 - с. 263-265, функции плотности вероятности g (у) и f(T) связаны соотношением

д(у) - fCD /уСО

где у (Т) - производная функции у(Т) откуда легко можно получить

g M-JjCU-ffnya)

9(У) у СО2 yW

В формуле (12) первое слагаемое обусловлено нелинейностью функции у(Т), а второе слагаемое показывает вклад асимметрии функции плотности вероятно- сти f(T) в величину вероятности ру. При симметричной f(T) относительно среднего значения Тс отклонение 5Тт 0 и формула для вероятности упрощается

10

Py fCTm)$

. (13)

Выберем в качестве характеристик объекта у(Т) сигнал U(T), пропорциональный потоку излучения объекта Фл на длине волны Я, и сигнала V(T), пропорциональный логарифму сигнала U(T). Для них в соответствии с законом Планка в приближении Вина можно за- 20 писать

U(T) ЦФ Ц5 exp (С2/Я Т) (14)

Сущность изобретения: позволяет определить температуру дисперсных частиц по вероятностным характеристикам потока их излучения. Повышение точности измерений достигается за счет того, что температура измеряется по отношению измеренных вероятностей нахождения сигнала и логарифма измеренного сигнала между их медианными и средними значениями. Для увеличения точности измерений в условиях серого характера излучения дополнительно регистрируют поток излучения на другой длине волны и перед измерением вероятностных характеристик сигналов находят отношение сигналов на двух длинах волн и логарифм этого отношения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил. ел

где f(T) - производная функции плотности вероятности f(T);

у(Т) - вторая производная функции у(Т).

Для определения разности (ус - Ут) разложим функцию у(Т) в ряд Тейлора в окрестности значения Т Тс:

У(Т) у(Тс) + у (Тс)(Т-Тс) +

+ 1/2у(Тс)(Т-Тс)2 + ...(7)

Среднее значение ус равно

Ус уСТс)+1/2у(Тс) а + ...,

где 7Т - ((Т - Тс)2) - среднее квадратичное отклонение температуры.

Разность (ус - ут) определяется как

Ус - ут 1 ) у СГс) 3 Тт -1/2у(Тс) бТ2т + ...,(9) где бТт Тт - Тс

Поскольку для произвольной случайной величины, имеющей одномодальную функцию плотности вероятности, отклонение медианного значения от среднего всегда меньше величины среднего квадратичного отклонения, то при выполнении условия малости флюктуации температуры

сгт«Тс(10) в формуле (9) ограничимся первыми двумя слагаемыми

Ус-ут 1/2у(ТсМ -у (Тс)дТт (11)

Подстановка выражений для д(у), д (у) и (Ус - Ут) в формулу (4) с учетом условия (10) Дает

Py f(Tm)-f(Tm)5Tm (12)

С225 V(T) k In U (Т) ) + ff,

(15)

где коэффициент передачи электронно- оптического тракта на длине волны Я; 30 S - площадь поверхности объекта, излучение которого регистрируется фотоприемным устройством;

спектральная степень черноты объекта;

35 Ci, C2 - первая и вторая постоянные излучения Планка;

k - коэффициент пропорциональности. Предположим, что площадь поверхности объекта S не зависит от температуры и 40 оптически однородна во времени.

Согласно формуле (12) для нахождения вероятностей ри и pv сигналов U)T) и V(T) необходимо определить их первые и вторые производные, а также отношение производных45

и (Т)иСГ)(|+);

(16)

0 иСО ЦТ)

Г л

Ј2s+± L Le Ч

+ (С2

Ят2 Ят2УЯт2 )

U(T /Са ч

l(Јj Д

(17)

55

U (TJ Ul4 Т

Ј ЈL е/

v cn-k j,,

(19)

Зависимость спектральной степени

2 С2,.,20N черноты температуры для большинст N5 Я Тва физических тел в пределах одного фазо„ |, вого. состояния в видимой и ближней

Јvji Ј/л 2 инфракрасной областях спектра - полагая,

v(fl 9 Јft I1 &ЗМпоэтому с минимальной погрешностью

-- -- + ---ч------ )можно принять допущение о постоянстве

N IT) тЈц сг величины Јдпри изменении температуры и,

5л лтгследовательно, положить е,е равными

где е , c L первая и вторая производные 10 нулю. Например, для вольфрама такое допустепени черноты Јлпо температуре,щение приводят к относительной погрешноВ случае объекта с изменяющейся пло- сти менее 1 % щадью поверхности излучения (например,

для флуктуирующего потока дисперсных ча- лс с Учетом вышеизложенного получим стиц), когда площадь S оптически неодно- 15 следующие формулы для вероятностей родна во времени, с целью исключить

влияние величины S на регистрируемые f/T г/ Са 2л0т т . мл сигналы U(T) и (V(T), выберем в качестве UCQ Pu UmJ LUli T 2 J сигнал, пропорциональный отношению потоков излучения объекта на двух длинах ° 2

волн AI и А2, а в качестве V(T)- сигнал, про- pv f(Tm) Г- --бТт1.(31) порциональный логарифму отношения этих L с J

потоков:

В случае объекта с изменяющейся плоk ч Ц т, 6 / с щадью поверхностью излучения Я Л

eiexfra; (гг)

I . k vs Cft c Решая систему уравнений (30 и (31) отv)kienr-V kifnir ) 23)носительно Тс, получим следующее выраже- . V Мг 6 MI ние для средней температуры объекта

30

гдеki,k2-коэффициенты пропорционально- тс(1 -Јар п +(1 +2 5ттс2/Аст у| р.(32) сти;

Я д 1 - приведенная длина волны.

И в данном случае определим значения 35 При симметричной функции плотности ве- первых и вторых производных и их отноше- Р° ™ости f(T), когда д Тт 0, формула (32) ний:. Упростится

т - 2 ( Р Л-1гоо

«Й;.и .4° т(1--)

u(Ti-uwf----г(---К-- +-( ---11-Существуют различные способы изме Јъ е.Ъ1 у.Ен А т и, т рения вероятности нахождения случайного

е, Ј«г /e jj, ЈWuЈa г е г сигнала между фиксированными уровнями.

. и(т) Јг i l f 4vЈ ЈvilA tT aЈ l. В заявляемых устройствах в качестве аналоичтГлт т+ l2 ii«-t-Ј2 га использован один из способов - измереЕ, Ат1ние времен пребывания сигнала на уровне

Ј, Е;Ь Са большем и меньшем заданного.

v , Ш лт1) (2 7. Известно, что относительное время преге;, е;г /е;Лг ,,г бывания сигнала у(Т) на уровне большем

-Ј A eir«rl r (2S среднего значения ус есть вероятность на- , „г , , , , хождения у(Т) в интервале значений (ус, )

Ј Лг /Ј ЈИг.у g

V(TI г Јi,e farЈiJlll e. (29)+

УМ-т ---е;, EW+ ----- -55 (y)ci/ Q5-Р;С g(y)d/,(3I)

ЕЧ АТ«ty +ty yc ym

где ty - время пребывания сигнала у (Т)на уровне большем ус;

ty- - время пребывания сигнала у(Т) на уровне меньшем ус;

ty ty + ty полное время измерения. Аналогично получим для относительного времени пребывания у(Т) на уровне меньшем среднего значения ус

- v

TV

(y)d/ Q5+Fg(y)cV,

Ут

(35)

а разность относительных времен пребывания ry сигнала у(Т) на уровне большем и меньшем среднего значения равна

ГУ Гу+-гу- -2 J g(y) dy -2Ру (36)

Отсюда получим формулу, связывающую вероятность нахождения сигнала у(Т) в интервале между ут и ус и времена пребывания у(Т) на уровне большем и меньшем ус

Ру 1

ty

(37)

Если подставить выражение (37) в формулу (33), то связь между средней температурой Тс и временами пребывания сигнала U(T) (tu+, tli) и сигнала V(T) (tv+, tv) на уровне большем и меньшем их средних значений, соот- ветственно, при одинаковом времени измерения сигналов выражается как

т - С /1 tu-tu -1

Тс )

TV TV

(38)

Относительная погрешность определения температуры объекта АТ/ТС связана с относительной погрешностью измерения времени пребывания At/tv+ выражением

AT At 2 ЯТс (2 (1 + pu/pv)2))1 °21

tv+

Поскольку выполняется условие 1 - tv/tv+ «1, точность измерения времени пребывания должна быть высокой. Например, при определении температуры объекта с точностью К (ДТ/Тс 10 ) необходимо использовать измерители интервалов времени, дающие результаты не менее чем с 5-6 значащими цифрами. На фиг.1 и 2 изображено устройство для определения температуры объекта.

Устройство содержит объектив 1, собирающий поток излучения объекта 7 на вход монохроматизирующего элемента 2, выделяющего поток излучения на заданной дли

не волны. На выходе монохроматизирующего элемента 2 расположено фотоприемное устройство 3, преобразующее входной световой поток в выходной электрический сиг5 нал. Выход фотоприемного устройства 3 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен

10 входным логарифмическим усилителем 5. Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.

15 Устройство работает следующим образом.

Поток излучения объекта 7 попадает в объектив 1, собирающий поток излучения на вход монохроматизирующего элемента 2,

20 настроенного на выбранную длину волны. На выходе монохроматизирующего элемента 2 выходной поток излучения попадает на вход фотоприемного устройства 3, преобразующего поток излучения на заданной дли25 не волны в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства 3 поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один

30 из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. В двухканаль- ном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значе35 ния и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения. Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта

40 7.

Устройство определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения представлено на фиг.2. Устройство содержит объективы 1 и 8, соби45 рающие поток излучения объекта 7 на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, выделяющих потоки излучения на заданных двух длинах волн. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 .расположены

50 фотоприемные устройства 3 и 10, преобразующие входные световые потоки в выходные электрические сигналы. Выходы фотоприемных устройств 3 и 10 соединены со входами блока измерения отношения

55 сигналов 11, выходной сигнал которого пропорционален отношению входных сигналов. Выход блока измерения отношения сигналов 11 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем

среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения объекта 7 попадает в объективы 1 и 8, собирающие потоки излу- чения на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, настроенных на заданные две длины волны. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 выходные потоки излучения попадают на входы фотоприем- ных устройств 3 и 10, преобразующих потоки излучения на заданных длинах волн в электрические сигналы. Выходные сигналы фотоприемных устройств 3 и 10 поступают на входы блока измерения отношения сиг- налов 11, в котором формируется выходной сигнал, пропорциональный отношению входных сигналов, который поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. В двухканальном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входного сигнала на уров- не большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения. Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта 7.,

Пример. Определение температуры объекта в соответствии с заявляемым способом проводилось при регистрации излуче- ния лампы накаливания СН-6, выбранной в качестве объекта, которая запитывалась постоянным током 20 мА. Флюктуации температуры объекта вызывались с помощью последовательно включенного в цепь нака- ла лампы СН-6 генератора звуковой частоты ГЗ-33, поскольку собственные флюктуации температуры лампы при запи- тывании ее постоянным током не регистрировались наличной аппаратурой. Амплитуда колебаний тока накала составляла величину порядка - 1 мА, что соответс ву- ет флюктуациям температуры нити ат-50 К при ее температуре Т 2000 К. Отношение ат/Тмало (стт/Т 0,025 1), и удовлет- воряется условие (10) применимости способа.

Поток излучения лампы СН-6 попадал на вход монохроматизирующего элемента (монохроматора МУМ-2), выделяющего монохроматический поток на заданной длине волны, который регистрировался фотоприемным устройством (ФЭУ-106), преобразующим световой поток в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства поступал на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем. В двухканальном измерителе измерялись времена пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения. Измеренные значения времен пребывания поступали в блок обработки сигнала (ЭВМ СМ-1), в котором в соответствии с формулами (32) и (37) определялась температура лам- пы. Значение 5Тт в формуле (32) рассчитывалось из уравнения баланса энергии лампы.

Использование заявляемых способов по сравнению с прототипом обеспечивает получение следующих преимуществ:

-повышение точности определения температуры;

- упрощение требований к применяемой аппаратуре за счет перехода от амплитудных измерений сигнала к измерению временных интервалов.

Формула изобретения

0

измерения для потоков с серым характером излучения, оно дополнительно снабжено оптически связанными объективом, моно- хроматизирующим элементом с другой длиной волны и фотоприемным устройством, а также блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан с входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне, большем и меньшем среднего значения.