Спектральное устройство определения температуры и излучательной способности пирометрируемой поверхности

Разработка новых материалов, методов их получения, изучение их свойств, а также технологические процессы, связанные с контролем температуры в условиях вакуума, агрессивных сред и сверхвысоких температур требуют разработки новых бесконтактных методов определения температуры. При этом важно иметь достоверную информацию не только о температуре нагретых тел, но и об их излучательной способности непосредственно в процессе эксперимента в условиях изменяющихся физико-химических и оптических характеристик пирометрируемой поверхности. Одновременно, как правило, требуется обеспечить достаточно высокое быстродействие измерителя температуры.

Развитие пирометрии как науки привело к появлению большого количества методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности с использованием ее собственного теплового излучения. Однако основная проблема пирометрии остается по-прежнему нерешенной. Отсутствие достоверной информации о величине и характере спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности непосредственно в момент определения температуры препятствует получению точных значений термодинамической температуры, что обусловлено, главным образом, появлением неконтролируемых методических систематических ошибок.

Прогресс в разработке новых типов многоэлсментных высокочувствительных матричных фотоприемников, способных работать как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра оптического излучения, открывает новые перспективы для дальнейшего развития методов полихроматической пирометрии. Сочетание нового поколения матричных приемников оптического излучения и современных эффективных диспергирующих элементов делает возможным создание нового поколения спектральных устройств для определения температуры, которые обладали бы одновременно высокой чувствительностью, близкой к теоретическому пределу и высоким быстродействием — порядка 500 — 1000 отсчетов в секунду.

Появление новейших микропроцессорных устройства, средств обработки сигналов реального времени, а также новых комбинированных аналого-цифровых преобразователей в сочетании с новым поколением программных средств привели к появлению приборов и устройств, способных анализировать большие объемы информации. Такие устройства могут быть использованы при обработке информации о спектре собственного теплового излучения нагретого объекта и получать информацию о термодинамической температуре, излучательной способности пирометрируемой поверхности и их динамике в реальном масштабе времени.

Появление первых работ, в которых были предприняты попытки извлечь информацию о температуре непосредственно из спектра собственного теплового излучения пирометрируемой поверхности, относится к середине 90-х годов. Одной из последних отечественных работ, в которой наиболее полно рассматриваются эти вопросы, является монография Магунова А. М. «Спектральная пирометрия». Известны зарубежные работы по спектральной пирометрии, которые ведутся на протяжении последних лет. Это указывает на актуальность направления работ, развиваемых в рамках диссертации.

Однако большинство работ по спектральной пирометрии концентрируют свое внимание на проблеме определения термодинамической температуры в предположении близости спектра собственного теплового излучения к спектру так называемых «серых» тел. Это обстоятельство существенно сужает область применения результатов таких работ и, практически, исключает возможность определения температуры пирометрируемой поверхности «окрашенных» тел. В этих работах не затрагиваются вопросы одновременного определения спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является исследование методов и путей построения спектральных измерителей температуры, обеспечивающих одновременное получение информации о термодинамической температуре и спектральной зависимости излучательной способности не только в случае серых тел, но и для тел, которые в пирометрии известны, как «окрашенные» тела.

Основной особенностью разрабатываемого подхода состоит в том, что на первых этапах не используется априорная информация об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности, а значение температуры и вид спектральной зависимости излучательной способности поверхности определяются непосредственно в процессе эксперимента путем извлечения необходимой информации из спектра собственного излучения пирометрируемого объекта.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:

— проанализировать существующие полихроматические методы измерения температуры на предмет минимизации значений методических и инструментальных погрешностей определения температуры;

— определить место спектрального метода, разрабатываемого в «НИУ «МЭИ», среди существующих полихроматических методов;

— найти пути, позволяющие минимизировать инструментальные и методические ошибки разрабатываемого спектрального метода измерения температуры пирометрируемой поверхности серых и окрашенных тел;

— провести выбор оптической схемы построения измерителя, компонентной базы и микропроцессорных средств, позволяющих решать задачи получения и анализа спектральной информации;

— разработать и создать экспериментальный макет спектрального измерителя температуры;

— провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность измерения температуры поверхности спектральным методом при произвольном характере спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности;

— выработать рекомендации и предложения по применению спектрального измерителя температуры;

Методы исследования:

В основу теоретических исследований положен анализ и использование фундаментальных соотношений теоретической теплофизики, термодинамики, пирометрии, методов математической статистики и теории вероятностей.

Экспериментальные макеты и установки были созданы с использованием новейших многоэлементных матричных фотоприемников, с применением элементов аналоговой и цифровой схемотехники, элементов и методов оптоэлектроники, а также новейших микропроцессорных и компьютерных технологий, с широким использованием, пакетов прикладных программ ведущих мировых производителей, таких как «МаЖсас!», «ТгасеРго», а также «МЛТ1ЛВ» фирмы «ТЬеМа'ШогЫпс» .

Верификация экспериментальных результатов и отработка методики определения температуры, а также при проверке достоверности полученных результатов по определению температуры осуществлялась методом имитации теплового излучения окрашенных тел с использованием модели АЧТ и оптических фильтров с известными спектральными характеристиками.

При одновременном определении температуры и спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности использовался нетрадиционный подход, в основу которого были положены ранее не применявшиеся в пирометрии методы статистического анализа и обработки экспериментальных данных о полученных значениях температуры.

Достоверность полученных результатов достигается:

— использованием в качестве окрашенных тел имитаторов, в состав которых входит прецизионная модель АЧТ, обеспечивающая стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющая проводить сопоставление получаемых результатов с термодинамическими значениями температуры и спектральными характеристиками используемых в имитаторах эталонных светофильтров;

— сопоставлением спектральной зависимости коэффициента излучения имитаторов, получаемой в ходе экспериментов по определению температуры, со спектральными характеристиками оптических фильтров, используемых в составе имитаторов окрашенных тел;

— компьютерным моделированием расчетных методик, оптических схем спектрального измерителя температуры, его элементов и устройств используемых в работе;

— использованием оборудования и измерительных приборов ведущих мировых производителей, таких, как: «Hamamatsu», «Sony», «Mikron Infrared», «Texas Instruments'», «Altera», а также применением новейших методических и программных средств «Matlab», «TracePro» .

Результатами теоретического анализа и экспериментальных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и хоздоговорных НИР шифр «Сабельник», выполненных по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при Президиуме РАН, а также в ходе выполнения НИР шифр «Обзор», проводимой совместно с ФГБУН «Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН» .

На защиту выносятся следующие положения:

— принцип построения пассивных спектральных оптико-электронных устройств для одновременного определения температуры и спектральной характеристики коэффициента излучения нагретой поверхности, обеспечивающих получение достоверных данных о термодинамической температуре при отсутствии априорной информации об излучательной способности поверхности и в отсутствии прямого оптического доступа к пирометрируемой поверхности;

— методика одновременного определения по спектру собственного теплового излучения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности при неизвестных оптических свойствах пирометрируемой поверхностиметодика минимизации инструментальной и методической погрешностей результатов определения температуры и спектральной зависимости излучательной способности путем статистической обработки температурных данных, включающей оптимальную группировку полученных спектральных составляющих собственного теплового излучения;

— методика минимизации систематических ошибок результатов измерения температуры, обусловленных монотонным характером спектральной зависимости излучательнои способности путем определения параметров функции, аппроксимирующей спектральную зависимость коэффициента излучения пирометрируемой поверхности;

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

Впервые разработана методика одновременного определения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности по спектру собственного теплового излучения в отсутствии данных об излучательной способности, подтвержденная экспериментально.

Разработан метод минимизации систематических ошибок, обусловленных монотонным характером спектральной излучательной способности пирометрируемой поверхности, обеспечивающий существенно повысить точность определения температуры.

Предложена методика минимизации методической погрешности определения температуры, основанная на анализе характера спектральной зависимости излучательной способности.

Практическая значимость:

— Предложен принцип построения нового типа спектральных оптико-электронных устройств, позволяющих одновременно определять термодинамическую температуру и спектральную зависимость излучательной способности пирометрируемой поверхности.

— Разработана методика и указаны пути определения термодинамической температуры и излучательной способности поверхности в условиях изменяющихся оптических параметров и характеристик поверхности пирометрируемого объекта.

— Результаты проведенной работы использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр «Сабельник», выполненной кафедрой Электронные приборы «МЭИ (ТУ)» по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также в рамках хоздоговорной НИР шифр «Обзор», выполненной кафедрой Электронные приборы «НИУ «МЭИ», по заказу ФБГУН «Межведомственного центра аналитических исследований в области физики, химии и биологи при Президиуме РАН» .

— Результаты работы положены в основу опытно конструкторской работы по теме «Разработка и создание спектрозонального комплекса для измерения температуры теплоносителя реакторной установки», проводимой в настоящее время на кафедре Электронные приборы «НИУ «МЭИ» по заказу ОАО «Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля» .

6.4 Выводы.

Включение оптоволоконного зонда в состав измерителя температуры не просто упрощает конструкцию измерителя, но и открывает принципиально новые возможности. Использование зонда позволяет решать проблемы пирометрирования в труднодоступных местах и в условиях агрессивных сред и повышенной радиации.

Дополнительной проблемой при таких измерениях становится изменение характеристик оптоволоконной линии передачи в процессе эксплуатации прибора. Воздействие радиационного облучения на кварцевые световоды проанализировано в работах [50, 51,54]. Такое изменение оптических свойств передающего тракта может привести к ошибке измерения температуры традиционными пирометрами. В сочетании же с описанным спектральным методом определения температуры появляется возможность нейтрализовать погрешности, связанные с внешними факторами воздействия на оптическое волокно.

Заключение

.

Результаты проделанной работы могут быть сведены к следующему:

• Проведен анализ принципов и схем построения полихроматических и спектральных измерителей температуры, пригодных для построения устройств нового поколения. Приведены перспективные схемы построения, а также макеты спектрального измерителя температуры, построенные на базе пропускающих и отражательных дифракционных решеток.

• Указаны пути построения малогабаритных устройств, позволяющих измерять температуру в условиях затрудненного доступа к пирометрируемой поверхности, в агрессивных средах, а также при наличии интенсивного радиационного облучения.

• Проведен анализ современного состояния и методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности и, в частности, спектральных методов. Показано, что на сегодняшний день не существует методик, позволяющих дистанционно (пассивно) измерять термодинамическую температуру нагретой поверхности без априорной информации об излучательной способности пирометрируемой поверхности.

• Рассмотрены вопросы оценки погрешностей амплитудной градуировки измерителя температуры, погрешности измерения спектральной плотности потока фотонов и градуировки шкалы длин волн спектрального измерителя температуры. в Разработанная методика получения температурных данных методом статистической обработки показала, что при отсутствии систематической методической погрешности температурные данные подчиняются нормальному закону распределения. Указаны способы определения погрешности при измерении температуры с использованием методов математической статистики.

Проведен анализ инструментальной погрешности бихроматического метода, который показал, что собственная инструментальная погрешность бихроматического метода может достигать значительных величин. Именно это обстоятельство и препятствовало получению достоверных данных при традиционном использовании бихроматического метода.

Разработана методика получения и статистической обработки температурных данных, позволяющая минимизировать инструментальную погрешность определения температуры разрабатываемым спектральным методом. Показано, что получаемая при этом вероятностная оценка значений температуры становится более устойчивой к наличию в генеральной выборке случайных выбросов, влияющих на величину математического ожидания. Проведен анализ методической погрешности спектрального метода измерения температуры. Показано, что методическая погрешность в случаях, монотонного характера спектральной зависимости коэффициента излучения, может достигать значительных величин и трудно минимизируется методами математической статистики.

Проведено моделирование и анализ наименее благоприятных случаев, когда во всем рабочем диапазоне спектральная зависимость коэффициента излучения носит монотонный характер. Показано, что включение процедуры поиска параметров функций аппроксимирующих монотонную спектральную зависимость коэффициента излучения позволяет радикально снизить систематическую ошибку, возникающую при определении, температуры.