автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Метод и спектральное устройство определения пространственного распределения термодинамической температуры

На правах рукописи УДК 536.521.082.52

Казаков Виктор Алексеевич

МЕТОД И СПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность 05.11.07 -"Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2014 3 НОЯ 2014

005554991

005554991

Диссертация выполнена на кафедре "Электронные приборы" факультета электронной техники "Национального исследовательского университета "МЭИ".

Научный руководитель: Бодров Владимир Николаевич

кандидат технических наук, профессор кафедры "Электронные приборы" "НИУ "МЭИ" Официальные оппоненты: Абрамова Елена Вячеславовна

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ФГАУ "НУЦ "Сварка и контроль" при МГТУ им. Н. Э. Баумана", г. Москва Мошаров Владимир Евгеньевич доктор технических наук, старший научный сотрудник, заместитель начальника отделения НИО-7 Государственного научного центра ФГУП " Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского", г. Жуковский Московской области

Ведущая организация: ФГБУН Межведомственный центр аналити-

ческих исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук, г. Москва

Защита диссертации состоится 25 декабря 2014 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 в "Национальном исследовательском университете "МЭИ" по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13 корпус "Е", ауд. Е-511, тел: (495) 362-7385.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан -31" октября 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Развитие новых методов экспериментальных исследований, разработка новых технологий и материалов требуют принципиально новых подходов и инструментов, позволяющих решать задачи в нетрадиционных условиях, например, проведение экспериментальных исследований в экстремальных условиях, когда свойства материалов изменяются за доли микросекунд и наносекунды.

Так, при импульсном лазерном нагреве не только изменяются физические и физико-химические свойства поверхности материалов, но возможно и изменение фазового состояния исследуемых объектов, что затрудняет интерпретацию, а в ряде случаев невозможно однозначно определить, в каком физическом (физико-химическом) состоянии находятся элементы поверхности исследуемых объектов, термодинамическую температуру которых необходимо измерить в тот или иной момент времени.

Применение традиционных методов пассивной пирометрии для точных измерений температуры объектов при быстропротекающих процессах оказывается малоэффективным, поскольку традиционные методы требуют точного знания излучательной способности пирометрируемой поверхности непосредственно в процессе эксперимента. Не располагая информацией об излучатель-ных свойствах поверхности, измерить термодинамическую температуру традиционными методами нельзя.

Методы активной пирометрии, т.е. методы определения температуры, при которых одновременно с измерениями собственного теплового излучения проводится зондирование оптических свойств пирометрируемого участка поверхности, находят ограниченное применение. Поскольку они, по сути, являются методами, при которых требуется одновременное точное измерение двух физических величин: интенсивности излучения и коэффициента отражения (излучения) поверхности. Кроме того, их реализация требует дополнительного оборудования и не всегда возможна.

В этой связи разработка новых подходов, методов и устройств, позволяющих бесконтактно определять термодинамическую температуру и пространственное температурное распределение при отсутствии информации об излучательной способности пассивными методами, является весьма актуальной.

Диссертационная работа посвящена проблемам бесконтактного одновременного определения пространственного распределения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности, а так же методике определения температуры поверхности перемещающихся в пространстве объектов в отсутствии информации об излучательной способности.

Дели и задачи:

Целью диссертационной работы является разработка и проведение исследований спектрального метода, позволяющего получать непосредственно в процессе эксперимента данные о мгновенной картине пространственного распределения термодинамической температуры и излучательной способности поверхности, а также построение на его основе измерителей термодинамических значений температуры поверхности независимо от их формы, пространственной ориентации и физико-химических свойств.

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

- проанализировать существующие методы дистанционного измерения температуры на предмет возможности их использования для определения пространственного распределения термодинамических значений температуры, а также возможности их использования для определения температуры движущихся объектов при отсутствии информации об излучательной способности;

- разработать метод определения мгновенных термодинамических значений температурного пространственного распределения по пирометрируемой поверхности при неизвестной спектральной зависимости излучательной способности;

- разработать метод дистанционного определения температуры перемещающихся квазиточечных объектов на основе уравнения Планка при неизвестной спектральной зависимости излучательной способности;

- разработать оптические схемы построения спектральных измерителей термодинамической температуры, выбрать компонентную базу и микропроцессорные средства, позволяющие регистрировать одновременно совокупность спектров собственного теплового излучения, исходящего от различных участков пирометрируемой поверхности и провести анализ полученной спектральной информации;

- провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность определения мгновенных термодинамических значений температурного пространственного распределения по пирометрируемой поверхности при неизвестной спектральной зависимости излучательной способности;

- разработать и создать экспериментальный макет спектрального измерителя температурного распределения;

- выработать рекомендации и предложения по применению разработанного спектрального метода измерения температурных пространственных распределений;

- выработать рекомендации и предложения по применению разработанного спектрального метода измерения термодинамической температуры движущихся объектов и наметить пути построения оптического звена оптико-электронных спектральных устройств с расширенными углами поля зрения при сохранении неизменным пространственного разрешения.

Методы исследования:

В основу проведенных в работе теоретических исследований и модели-

рования физических процессов, происходящих в измерителе температурных полей, положен анализ, базирующийся на фундаментальных соотношениях теоретической теплофизики, термодинамики, пирометрии, методов математической статистики и теории вероятностей с использованием пакетов прикладных программ современных разработчиков, таких как "Mathcad" фирмы "Parametric Technology Corporation" и "Matlab" фирмы "The MathWorks Inc".

Экспериментальные исследования температурных полей проводились с использованием новейших многоэлементных матричных фотоприемников видимого и дальнего ИК-диапазонов, а также с применением созданных в ходе работы экспериментальной установки и макетов на основе новейших аналоговых и цифровых микросхем и элементов оптоэлектроники, а также современных микропроцессорных и компьютерных технологий, с использованием пакетов прикладных программ "Autocad' фирмы "Autodesk" и "Matlab" фирмы "The MathWorks Inc".

Верификация экспериментальных результатов и отработка методики определения температуры, а также проверка достоверности полученных результатов по определению температурных полей осуществлялась путем сопоставления полученных экспериментально значений температур с температурой эталонных температурных ламп типа ТРУ 1100-2350 и высокоточной модели абсолютно черного тела (АЧТ) типа М-360 фирмы "Mikron Infrared".

Достоверность полученных результатов достигается:

- использованием эталонных температурных ламп первого разряда типа ТРУ 1100-2350, прецизионных моделей АЧТ типа М-360 фирмы "Mikron Infrared*, обеспечивающих стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющих проводить корректное сопоставление получаемых результатов с термодинамическими значениями температуры эталонов;

- использованием полученных в ходе работы точных аналитических выражений, базирующихся на уравнении Планка, для определения термодинамической температуры по методу спектральных отношений и уточненных математических соотношений, позволяющих определить методические и инструментальные погрешности метода спектральных отношений;

- использованием высокоточных измерительных приборов, таких как осциллограф Xi-A фирмы "LeCroy", логический анализатор 7L46404 фирмы "Tektronix" новейших матричных приемников излучения типа UL 04 32 2 фирмы "Ulis", ICX415AL фирмы "Sony", а так же специализированного оборудования ведущих мировых производителей, таких, как: "Mikron Infrared', "Texas Instruments", "Altera", "Xenics" и новейших программных средств "Matlab", "Mathcad"-a "Autocad"-,

- сопоставлением экспериментально полученных данных о термодинамической температуре с паспортными данными эталонных температурных ламп и высокоточных моделей АЧТ;

- компьютерным моделированием оптических схем, макетов, элементов и устройств спектральных измерителей температурного пространственного распределения с использованием программы проектирования и анализа опти-

ческих систем "Tracepro" фирмы "Lambda Research Corp."-,

- сопоставительным анализом результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы и хоздоговорной НИР шифр "Обзор-МЭИ", проведенной "НИУ "МЭИ" по заказу Министерства обороны РФ.

На защиту выносятся следующие положения:

1) методика одновременного пассивного измерения пространственного распределения значений термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности поверхности путем извлечения данных из спектра собственного теплового излучения, основанная на использовании метода спектральных отношений и статистической обработке температурных данных.

2) методика определения температуры движущихся квазиточечных объектов с неизвестной излучательной способностью поверхности, основанная на использовании спектра собственного теплового излучения, метода спектральных отношений и статистической обработки, не требующая применения следящих систем;

3) математические соотношения, базирующиеся на уравнении Планка и методе Ньютона, позволяющие повысить точность получаемых результатов при расчете температуры, методической и инструментальной погрешностей, получаемых при использовании метода спектрального отношения;

4) результаты исследований пространственного распределения термодинамических значений температуры протяженных объектов и термодинамической температуры движущихся квазиточечных объектов, показавшие возможность и правомерность использования спектра собственного теплового излучения, метода спектральных отношений и статистической обработки данных для одновременного измерения термодинамической температуры, мгновенных значений её пространственного распределения и получения информации о спектральной зависимости излучательной способности пирометрируе-мой поверхности.

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

1) разработан и экспериментально подтвержден метод одновременного пассивного определения пространственного распределения мгновенных значений термодинамической температуры и формы спектрального распределения излучательной способности поверхности, основанный на использовании спектра собственного теплового излучения, методе спектральных отношений и последующей статистической обработке температурных данных;

2) впервые получены математические соотношения, базирующиеся на уравнении Планка и методе Ньютона, позволяющие повысить точность определения значений температуры, методической и инструментальной погрешностей, получаемых при использовании метода спектрального отношения;

3) выявлены расхождения в значениях определяемой температуры, методической и инструментальной погрешностей метода спектральных отношений, при использующего приближение Вина, полученных на основе сравнительного анализа теоретических и экспериментальных данных, которые могут превышать 20%, что указывает на необходимость использования уравнения Планка для точных измерений температуры при значениях произведения ХТ, превышающих 3000 мкм-К, и расширяет границы применения метода спектральных отношений;

4) впервые обоснована и экспериментально подтверждена возможность пассивного определения термодинамической температуры и спектральной характеристики излучательной способности движущихся квазиточечных объектов с неизвестными оптическими свойствами поверхности без использования следящих систем.

Практическая значимость:

- разработанная методика, получившая экспериментальное подтверждение, может быть применена для построения нового поколения пассивных измерителей мгновенных значений пространственного распределения термодинамической температуры протяженных объектов с неизвестной излучательной способностью поверхности;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения пассивных измерителей термодинамической температуры подвижных квазиточечных объектов при неизвестной излучательной способности поверхности, не требующих использование следящих систем;

- был сделан вывод о необходимости перехода от использования уравнения Вина к уравнению Планка для повышения точности определения температуры спектрального отношения и корректного использования метода спектрального отношения в дальней ИК-области спектра оптического излучения;

- результаты работы использованы при реализации хоздоговорной НИР «Обзор-МЭИ», выполненной по заказу Министерства обороны РФ.

Личный вклад соискателя и апробация работы.

Концепция диссертационной работы была сформулирована руководителем профессором кафедры Электронные приборы «НИУ «МЭИ» Бодровым В. Н.

Диссертант является соавтором 10 опубликованных научно-технических работ по теме диссертации, в том числе двух статей в изданиях, рекомендованных ВАК [1, 2]. Статья [2] написана диссертантом самостоятельно.

Результаты диссертации докладывались автором на научно-технических конференциях [3-11] и опубликованы в сборниках научно-технических конференций:

1. Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,

2011 г., Москва. Т. 1.

2. Девятнадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011 г.

3. Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,

2012 г., Москва. Т.1.

4. Двадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2012 г.

5. Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,

2013 г., Москва. Т.1.

6. Двадцать первая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2013 г.

7. Двадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2014 г., Москва. Т. 1.

Структура и объем диссертации.

Текст диссертации содержит 170 страниц, 85 иллюстраций, 5 таблиц, 53 библиографических источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, описаны поставленные задачи, сформулирована научная новизна работы и положения, выносимые на защиту, рассмотрено практическое значение полученных результатов.

В первой главе рассмотрены некоторые аспекты истории пирометрии и дан анализ современного состояния методов яркостной, бихроматической, полихроматической и спектральной пирометрии. Основное внимание уделено методам спектральной пирометрии.

Вопросами пирометрии занимались такие ученые, как Свет Д. Я., Сноп-ко В. Н., Фелис Р., Магунов А. Н., Киренков И. И. и многие другие.

Среди наиболее значимых работ по спектральной пирометрии за последнее десятилетие отмечены работы Магунова А.Н. (Россия), Фелиса Р. (США). В них найдены отдельные частные решения проблемы пассивного определения температуры при отсутствии информации об излучательной способности, использующие данные о спектре собственного теплового излучения. Однако анализ этих работ показывает, что основная проблема пирометрии, а именно измерение температуры при неизвестной спектральной зависимости коэффициента излучения поверхности, остается нерешенной.

В цикле работ, проведенных в "НИУ "МЭИ", удалось найти решение указанной проблемы. Это работы Рассела М. М. и Лебедева С. В. для локаль-

ных точек и элементарных участков поверхности, в которых, однако, не затрагиваются актуальные проблемы, связанные с измерениями пространственного распределения термодинамической температуры и определением термодинамической температуры подвижных (перемещающихся) объектов при отсутствии информации об излучательной способности.

Проведенный в настоящей работе анализ показал, что используемый в (спектральной) пирометрии метод спектральных отношений, базирующийся на приближении Вина в тех случаях, когда значение произведения ХТ превышает 3000 мкм'К, может приводить к значительным ошибкам в измерении температуры, что особенно актуально при проведении измерений в дальнем ИК-диапазоне. Поэтому сделан вывод о необходимости получения расчетных соотношений, основанных на уравнении Планка, при использовании метода спектральных отношений.

Принимавшиеся ранее попытки получить расчетные соотношения, пригодные для определения температуры по методу спектрального отношения (цветовой температуры) с использованием уравнения Планка, например, в работах Киренкова И. И. во многих практически важных случаях позволили лишь частично снизить погрешности определения как температуры спектрального отношения, так и методической погрешности.

Таким образом, показано, что проблема создания измерителей термодинамической температуры для дальней ИК-области, использующих метод спектральных отношений при неизвестной излучательной способности, а также температурных полей и температуры подвижных объектов, оставалась до недавнего времени нерешенной.

Во второй главе рассматриваются подход и метод получения математических соотношений для расчета термодинамической температуры и погрешностей бихроматического метода спектрального отношения, базирующихся на уравнении Планка.

Температура спектрального отношения

Исходным является выражение для спектральной плотности мощности МР(\,Т), излучаемой при термодинамической температуре Г и длине волны X: МР(Х,Т) = С,/ [X5 (ехр(С2/ ХТ) - 1)], (1)

То Т Т2 Тз 5

/ /' / Г6

// //

/

/ .

Темпертаруа, К

Рис. 1. Иллюстрация итерационного процесса метода Ньютона.

которое позволяет записать выражение для отношения двух значений МР(ХиТ), Мр{Хг,Т) спектральной плотности мощности, излучаемой при длинах волн X] и соответственно:

М(Я1; Г) £(ЛЬ Т)МР(А1, Т) *** {ехр (щ) " О

М(Л2,Т) е(Л2,Т)МР(Л2,Т)

^У^Ш)-1

где: е(Хь Т), е(к2, 7) — значения спектральных коэффициентов теплового излучения при температуре Т; М(Х,Т) = е(Х, Т)МР(к,Т) - спектральная плотность мощности, излучаемая реальным телом; С\, С2 - первая и вторая пирометрические константы; Гц - значение цветовой (спектрального отношения) температуры.

Уравнение (2) является трансцендентным относительно переменной Гц, поэтому для его решения использовался численный метод Ньютона, обеспечивающий быструю сходимость. Для вычислений по этому методу, исходя из (2) была введена трансцендентная функция F(Гц,M1, Мг,Х1,Л2), которая позволяет проводить последовательные итерации:

Я25 (ехр - 1

Исходное значение температуры То, определялось по традиционной методике, использующей приближение Вина. Значения последующих итераций определялись по уравнению (3). Рис. 1 поясняет последовательность итераций.

Проведенные расчеты показали, что для дальнего ИК-диапазона уже при комнатных температурах и выше отличия в результатах для 7ц, получаемых по методу спектрального отношения при использовании уравнения Планка и приближения Вина, могут достигать 20%.

Методическая ошибка

Для перехода от температуры спектрального отношения к термодинамической температуре необходимо знать методическую погрешность. Абсолютную методическую погрешность 8 Гм условных температур в пирометрии традиционно принято характеризовать разностью обратных значений двух величин: измеренной условной (цветовой) температуры 7ц и термодинамической температуры Т пирометрируемой поверхности.

8ТМ =Г~1-Гц-1 =АТц(ТцТГг [1/К], (4)

где Д7ц=Гц-Г.

Соотношение (4) позволяет записать выражение для относительной методической ошибки.

ДГц/Тц = 8ТМ ■ Т. (5)

Для абсолютной и относительной методических погрешностей, с использованием уравнения Планка нетрудно получить соотношения, которые в неявном виде устанавливают связь между значениями абсолютной методической погрешности (6), относительной погрешности (7), коэффициентами излу-

ехр ГС2(1 + <5Тц7Ц^ 1 яггц ; ехр уяТГц) -1

е(Я2,Т) ехр /С2( 1 + 8ТцТц)\ { Я27Ц -1 ехр < с2 ^ и2Тц> -1

£(Я1(Т) ехр ( ^Тц \ -1 /

е(Я2,П ехр ( С2 \ -1 / ехр(ък)-г

уЯгГц

(7)

Для нахождения значения методической ошибки, как и в случае определения температуры спектрального отношения по Планку, необходимо переходить к численным методам. Методика проведения численных расчетов погрешности аналогична методике расчета температуры спектрального отношения.

Расчеты для дальнего ИК-диапазона и области температур, которые имеют большинство реальных объектов, показали, что отличия в значениях относительной методической погрешности при использовании уравнения Планка и приближения Вина могут достигать 20% (рис. 2).

Как отмечалось, использова

(500 7 00 Т.К

Рис. 2. Зависимости минимальных значений относительной методической погрешности от Т при использовании приближения Вина (пунктирные линии) и уравнения Планка (сплошные линии).

ние приближения Вина приводит к появлению систематической погрешности определения цветовой температуры. Общая систематическая и методическая погрешность в приближении Вина приводит к еще большим искажениям результатов определения термодинамической температуры. В работе проведено сравнение относительной методической погрешности по Планку и суммы систематической и методической погрешностей в приближении Вина. Показано, что расхождение между указанными погрешностями весьма значительно и в ряде случаев могут достигать 40%.

Расчетная инструментальная погрешность

В работе получено выражение для оценки относительной инструментальной погрешности метода спектрального отношения, основанного на уравнении Планка:

ДГ

У

АрТц

Сг

/ДМЛ /ДМ2\

(мг) Нмг) +

-1

5 -

где АР

ЛР =

¿1*2 [ ехр| г с2 \ UiV -l] [ехр( ЛГц)

Л-l ехр | < с2 \ UaV [ехр (Л.) Uiv 1-1 j - Л2 ехр (w [ехр (си UzV ч

(8)

(9)

Проведен расчет и сравнение инструментальной погрешности метода спектрального отношения.

Количественное сравнение величин инструментальных погрешностей, вычисленных с помощью уравнения Планка и уравнения Вина, проведенный расчет для рабочих длин волн 8 и 14 мкм (при которых возможна реализация минимальной методической погрешности), показали, что реализация заданной точности определения инструментальной погрешности не хуже 1%, в приближении Вина допустима в диапазоне длин волн 8+14 мкм - при температурах не превышающих 211 К, т. е. при минус 62 °С. Другими словами, приближение Вина в дальнем ИК-диапазоне недопустимо при измерении комнатных температур по методу спектральных отношений.

Сопоставительная оценка чувствительности метода спектрального отношения.

Проведена оценка относительной чувствительности метода к изменению температуры. Под относительной чувствительностью понимают реакцию измерителя на относительное изменение температуры. Расчет чувствительности в традиционной пирометрии спектрального отношения проводится по формуле:

AR (ЛЛ.Г) с2 АТ

(10)

ЛЦ.^.Т) AT Т >

где R(k\,~k.i,T) - отношение интенсивностей при длинах волн и Лй(?чМ,Т) - приращение отношения, обусловленное приращением температуры; Л - величина, равная эквивалентной длине волны в приближении Вина.

Соотношение (10) было использовано для оценки чувствительности путем замены Л на величину, определяемую соотношением (9). Показано, что при использовании уравнений Планка и Вина расхождение в значениях чувствительности может достигать 50%. Расчет показывает, что с увеличением температуры чувствительность падает.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям и в частности методикам измерения температурного пространственного распределения в видимом диапазоне.

Схема экспериментальной установки для регистрации спектров собственного теплового излучения видимого диапазона представлена на рис. 3. В ее состав входит телескопическая оптическая система, состоящая из двух объективов, поворотного зеркала, диафрагмы,

штриховая пропускающая дифракционная решетка и высокочувствительная телевизионная камера типа «Видеоскан-415». Видеосигналы оцифровывались и поступали в компьютер. В качестве эталонного источника использовалась модель АЧТ типа М-360 фирмы «.Micron Infrared» с диапазоном температур, изменяемым от 50 до 1100 °С. Для калибровки шкалы длин волн применялись интерференционные фильтры.

Собственное излучение исследуемого объекта проходило через телескопическую систему, формирующую параллельный поток. В плоскости промежуточного изображения устанавливалась полевая диафрагма. Дифракционная решетка формировала спектр. Излучение дифракционных максимумов нулевого и первого порядка проецировалось на матричные приемники и воспринималось ими как изображение. Телевизионная камера, воспринимавшая нулевой дифракционный максимум, использовалась для контроля за положением объекта.

В качестве рабочей использовалась область спектра 0,7-0,9 мкм, которая была выбрана с учетом спектральной характеристики квантовой эффективности используемого матричного приемника типа ICXA15AL фирмы "Sony" и спектральной зависимости плотности мощности АЧТ при температуре порядка 1500 К.

Перед началом экспериментов проводилась амплитудная калибровка оптического звена и привязка шкалы длин волн к тепловому спектру. Затем для проверки достоверности получаемых результатов при определении термодинамической температуры проводилось сопоставление получаемых значений температуры со значениями температуры, установленной на модели АЧТ.

Определение локальной термодинамической температуры (в точке).

Разрабатываемый подход базируется на методике определении термодинамической температуры по спектру собственного теплового излучения точечного объекта бихроматическим методом спектрального отношения,

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для видимой области спектра.

разработанной в НИУ МЭИ1. Эта методика так же использовалась в работе для контроля результатов калибровки.

Если обнаруживается монотонный характер спектральной зависимости излучательной способности, то проводится коррекция получаемых результатов с целью устранения систематической ошибки определения температуры .

Температурное пространственное распределение

Проводилось измерение пространственного распределения термодинамических значений температуры одномерного объекта (накаленной нити) в видимой области спектра. Для проведения измерений был изготовлен экспериментальный макет вакуумной лампы накаливания с протяженной вольфрамовой нитью диаметром 0,150 мм, длиной 150 мм и диаметром стеклянной оболочки - 20 мм. При напряжении 5,4 В, лампа потребляла мощность 10 Вт. Такой объект можно рассматривать как совокупность выстроенных в линию элементарных точечных источников теплового излучения. При этом изображение протяженного объекта должно быть ориентировано параллельно столбцам (или строкам) фоточувствительной матрицы камеры TBI и штрихам дифракционной решетки. Такое взаимное расположение элементов позволяет проецировать спектры от каждого элемента вольфрамовой проволоки на фоточувствительные поверхности матриц камер ТВ2 и ТВЗ и располагать спектры вдоль соответствующих строк (столбцов) матриц. Таким образом, на фоточувствительной поверхности каждой матрицы формируется совокупность спектров теплового излучения, полученных от совокупности элементов поверхности, линейно расположенных на пирометрируемой нити.

В соответствии с разработанной ранее методикой для спектра в каждой строке попарно перебирались значения длин волн Х, и находились соответствующие пары значений интенсивности, и для каждой пары определялось значение температуры Ту. Непрерывный спектр позволяет получить огромный массив значений температуры, который разделялся по группам с равным значением погрешности измерения температуры. Для каждой группы строились температурные гистограммы, из которых определялось наиболее вероятное значение (математическое ожидание) температуры. По совокупности полученных наиболее вероятных значений определялось среднее значение температуры, которое рассматривалось как промежуточный результат, позволяющий определить форму спектральной зависимости коэффициента излучения путем сопоставления экспериментальной спектральной зависимости и изотермы Планка, соответствующей найденной температуре.

В случае монотонного характера спектральной зависимости излучательной способности проводится коррекция получаемых результатов с целью устранения систематической ошибки определения температуры.

1 Рассел М.М. //Оптико-электронное устройство дистанционного определения температуры// Диссертационная работа на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07, Москва, 2012 г.

2 Лебедев С. В.// «Спектральное устройство определения температуры и излучательной способности пирометрируемой поверхности».// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Диссертационная работа на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 , Москва, 2013

Для каждого отдельно взятого спектра, проецируемого на соответствующую строку матрицы, проводились измерения температуры. Совокупность таких спектров формировала на фоточувствительной поверхности матриц картину, которая представлена на рис. 4, б. По совокупности таких спектров получено пространственное распределение температуры вдоль вольфрамовой нити, изображенное на рис. 4, в.

Для проведения расчетов была разработана программа в среде МайаЪ, которая позволяла производить автоматический расчет всего массива температур.

Как видно из рис. 4. в, на краях наблюдались характерные спады температуры. Однако в средней части был обнаружен, так же, небольшой спад температуры, который был вызван наличием на поверхности вольфрама графитового покрытия неравномерной толщины. Неравномерность покрытия легко наблюдалась под микроскопом. Вариации толщины покрытия повлияли на изменение (уменьшение) сопротивления различных участков нити, что и привело к снижению температуры в центральной части нити.

Рассмотренную выше методику измерения температуры протяженной вольфрамовой нити можно распространить на получение картины двумерного пространственного распределения термодинамических значений температуры по поверхности нагретого объекта. При работе в видимой области спектра в плоскость промежуточного изображения устанавливалась узкая щелевая диафрагма, ориентированная параллельно штрихам дифракционной решетки. Щель вырезает на пирометрируемой поверхности узкую протяженную область, которая играет роль протяженного источника излучения.

В качестве двумерного источника теплового излучения использовалась накаленная вольфрамовая лента эталонной температурной лампы типа ТРУ 1100-2350. Дифракционная щель позволяла выделять элемент поверхности ленты, спектр которого занимал на фоточувствительной поверхности матрицы полосу шириной примерно 140 строк. И для этого элемента определялось пространственное распределение термодинамической температуры. Затем с помощью поворотного зеркала оператором изображение перемещалось для получения спектра второго элемента и т. д.

Были проведены измерения на 5 протяженных фрагментах ленты (рис.

а) б) в)

Рис. 4. Результаты экспериментов с вольфрамовой нитью:

а) - изображение накалённой нити; б) - изображение суммарных спектров; в) - распределение Т вдоль нити.

Блок управления АЧТ

Рис. б. Схема экспериментальной установки для дальней ИК области спектра.

5). Таким образом, вся поверхность ленты была разбита на 5 элементов, по 140 строк шириной. В результате были получены значения температурного поля (рис. 5). Значения температуры можно оценить по яркостной шкале температур. Было проведено сравнение справочных и экспериментальных данных о форме спектральной зависимости коэффициентов излучения.

Достоверность полученных результатов измерения термодинамической температуры была подтверждена путем сравнения с результатами, измеренными пирометром с исчезающей нитью.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям в дальней ИК-области спектра.

Дано описание разработанной на базе модуля ХТМ-640 фирмы "Xenics" ИК-камеры, которая входила в состав измерителя температурных полей и использовалась при определении температуры движущихся объектов. Фоточувствительным приемником служила матрица типа UL 04 32 2 фирмы "Ulis". В состав камеры входит ИК-объектив с фокусным расстоянием/= 18 мм и относительным отверстием, равным 1, и разработанная специализированная плата видеозахвата, обеспечивающая вывод оцифрованных видеосигналов изображения.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 6. Здесь использована отражательная дифракционная решетка.

1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 Яркостыая шкала температур

Рис. 5. Результаты определения температурного поля вольфрамовой ленты накаливания по методу наименьших квадратов с приближением Вина нри токе накала 9 А,

Модуль

Объектом исследования в дальней ИК-области было температурное распределение по поверхности тела человека: вдоль человеческого пальца. На рис. 7 представлено: а) тепловое изображение пальца; б) фрагмент температурного поля, вырезаемый щелью; в) совокупность спектров, получаемых на фоточувствительной поверхности; г) температурное распределение.

80 70 60

40

30 10 20 30 9 10 11 12 13 15 20 25

Х'ьш X, мм Х'.^- Тьр/е

а) б) в) г)

Рис. 7. Иллюстрация этапов получения распределения термодинамической температуры вдоль человеческого пальца.

При помощи полученного предварительно рельефа искажающих функций были исправлены совокупности спектров (рис. 7, в). Далее при помощи методов, описанных выше, проведено определение распределения температуры (рис. 7, г). В контрольных точках (рис. 7, г) проводились измерения с помощью термопары. Видно, что температура края пальца, которая близка к комнатной температуре, ниже температуры основания пальца. На рис. 8 дана сравнительная картина формы экспериментальной и справочной спектральных зависимостей коэффициента излучения. Как и в случае с видимым диапазоном длин волн, методика, показанная выше, позволяет не только определить температурное поле, но и относительное распределение спектрального коэффициента излучения в каждой точке (рис. 8). Для примера были выбраны три точки на расстоянии 20, 40 и 60 мм от основания (рис. 7, а, б, в, г).

В главе 4 рассматривается также метод и результаты экспериментов измерения термодинамической температуры движущихся квазиточечных объектов с неизвестной излучательной способностью. Этот метод является модификацией описанных выше методов. Схема для проведения экспериментов указана на рис. 6. Суть метода состоит в следующем: если изображение квазиточечного объекта движется перпендикулярно строкам фоточувствительной матрицы (вдоль штрихов дифракционной решетки), то спектр объекта перемещается последовательно по строкам фоточувствительной матрицы. Т. е. вслед за передвижением объекта, будет перемещаться изображение спектра,

0.36

У

' 0.94

- литер. -X = 20 мм

— X = 40 мм -X =60 мм

11.5

12,6

Рис. 8. Нормированная к максимуму экспериментальная спектральная зависимость коэффициента излучения.

проецируемое на поверхность матричного приемника. В результате камера регистрирует изображения спектров, получаемых от квазиточечного объекта в различные моменты времени. Анализ полученных спектров позволяет получить значение термодинамической температуры в соответствующие моменты времени. Если температура рассматриваемого объекта меняется в процессе движения, то такой метод позволяет измерять значения температуры движущегося объекта в различные моменты времени.

Экспериментальная проверка работоспособности метода проводилась с использованием модели АЧТ, фрагмент (элемент) которого перемещался в пространстве с помощью поворотного зеркала от центра кадра к его нижнему краю, что позволяло имитировать движение нагретого объекта. Исследования проводились в диапазоне 8-14 мкм.

Обработка данных о спектре собственного теплового излучения объекта и определение температуры проводилось с использованием метода спектральных отношений с последующей статистической обработкой получаемых значений температуры. Так, например, при температуре АЧТ ГАЧТ = 403 К полученное значение наиболее вероятной температуры объекта в центре кадра составило Т = 402 К, а при приближении к нижнему краю матрицы (момент времени t2) 7"= 405 К.

Если необходимо измерить температуру квазиточечного объекта, перемещающегося по произвольной траектории, то теперь при каждом измерении температуры необходимо уточнять привязку шкалы длин волн к спектру. Для привязки шкалы длин волн к тепловому спектру использовался интерференционный полосно-пропускающий фильтр с точно заданными граничными значениями длин волн Xi = 8.2867 мкм и Х2 = 10.9191 мкм, которая согласуется с областью спектральной чувствительности приемника.

При температурных измерениях быстро перемещающихся объектов типа комет, метеоритов и т. д. обычно используют широкоугольные объективы и матрицы повышенного формата. Однако широкоугольные объективы вносят значительные искажения в получаемую картину, а использование широкоформатных матриц снижает быстродействие. В работе было создано устройство, состоящее из 4 тепловизионных камер (ТПВ-камер), обеспечивающее увеличение углового поля в 4 раза. В основу конструкции положена схема со сходящимися оптическими осями объективов, лежащими в одной плоскости (рис. 9). Для отображения информации на едином мониторе и передачи данных в компьютер были разработаны и изготовлены 3 платы видеозахвата, которые позволяли попарно объединять ТПВ-изображения и отображать их как единое целое на мониторе. Основу плат составляли: программируемые логические матрицы типа Cyclone III фирмы «Altera», микросхемы асинхронной статической восьмиразрядной памяти AS7C38Q96A фирмы «Alliance Memory» и микросхемы FT2232H.

Разработанное устройство обеспечивает увеличение углового поля зрения в 4 раза без потери разрешения.

а) б)

Рис. 9. Модель четырехкамерного ТПВ-устройства (а) для увеличения углового поля зрения измерителя температуры и его реализация (б).

Заключение и основные выводы по диссертационной работе.

Проведен анализ и экспериментальная проверка, позволившая повысить точность определения термодинамической температуры бихроматическим методом спектрального отношения при отсутствии информации об излучатель-ной способности пирометрируемой поверхности, основанным на использовании уравнения Планка и методе Ньютона;

Получены расчетные соотношения для оценки методической и инструментальной погрешностей измерений бихроматическим методом спектральных отношений, основанным на уравнении Планка;

Разработан метод и спектральное устройство для дистанционного измерения пространственного распределения термодинамической температуры и проведена экспериментальная проверка в видимой и дальней ИК-областях оптического спектра, позволяющие контролировать температурные поля при быстро протекающих процессах.

Разработана методика и проведены эксперименты по определению термодинамической температуры движущихся объектов, позволяющие определять термодинамическую температуру при отсутствии информации об излуча-тельной способности.

Разработано и создано устройство, позволяющее увеличивать угловое поле зрения при температурных измерениях объектов с высокой угловой скоростью перемещения путем использования нескольких ТВ и ТПВ камер.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бодров В. Н., Казаков В. А., Бесчастный М. А.//Определение температуры бихроматическим методом спектрального отношения с использованием уравнения Планка.// журнал "Вестник МЭИ", №6, 2013 г стр. 211216.

2. Казаков В. АЛ О возможности бесконтактного определения распределения температуры по поверхности накаленного объекта.// журнал "Российский научный журнал", №1, 2014 г стр. 294-301.

3. Казаков В.А., Лебедев C.B., Бодров В.Н. //О возможности измерения температурного распределения с помощью ТВ-спектропирометра// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 114-119.

4. Бодров В.Н., Казаков В.А. //Модуль управления режимами работы микроболометрической матрицы// Труды 20-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ

"Электрон", 2012, стр. 87-89.

5. Бодров В.Н., Казаков В.А. //Встраиваемый микроболометрический ИК-модуль// Труды 21-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2013, стр. 167-169.

6. Казаков В. А., Князева О. А. // Блок управления 4 ИК-модулями // Труды 22-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2014, стр. 167-169.

7. Бодров В.Н., Казаков В.А. // Измерение распределения температуры линейного объекта с использованием спектропирометра. // Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2011. Москва. Т.1., стр. 221-223.

8. Бодров В.Н., Казаков В.А. // Модуль управления микроболометрической матрицей. // Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2012. Москва. Т.1., стр. 217.

9. Бодров В.Н., Казаков В.А. // Блок управления микроболометрическими модулями ИК-диапазона. // Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2013. Москва. Т.1., стр.198.

10. Бодров В.Н., Казаков В.А. // Блок управления микроболометрическими модулями ИК-диапазона. // Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2013. Москва. Т.1., стр.198.

И.Казаков В.А., Князева О. А. И О возможности повышения пространственного разрешения тепловизионных устройств. // Двадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2014. Москва. Т.1., стр.185.

Подписано в печатьЙЛО^/Зак. M Тир JoO Пл. l&f Полиграфический центр ФБГОУ ВПО "НИУ "МЭИ" Красноказарменная улица, д. 13.