автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследования и разработка метода и оптико-электронного устройства дистанционного измерения температуры

На правах рукописи

РАССЕЛ МОСТАФА МАХМУД

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

1 5 удр

Москва-2012

005013662

Диссертация выполнена на кафедре Электронные приборы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Бодров Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Григорьев Андрей Андреевич

кандидат технических наук Сильвестров Алексей Львович.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Московское орденов Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени конструкторское бюро «Электрон» (ФГУП МКБ «Электрон»)

Защита диссертации состоится « 12 » апреля 2012 г. в _14.00_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корпус Е, ауд. Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан » и-гс^ЬТОс 2012 г.

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

оГ^

Т.В. Ремизевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Новые технологии и, в частности, нанотехнологии, разработка новых материалов, методов их получения и изучение их свойств требуют новых бесконтактных методов определения температуры, поскольку процесс измерения температуры не должен влиять на параметры технологического режима. При этом часто необходимо обеспечить высокое быстродействие и возможность контроля значений температуры не только в отдельные моменты времени, по и регистрировать эволюцию температуры во времени.

В основе большинства полихроматических методов измерения температуры, применяемых в настоящие время, лежат попытки использовать различные методы аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности [2, 3]. Авторы этих методов полагают, что при рациональном сочетании априорных сведений о коэффициенте излучения поверхности объекта, содержащихся в спектре его собственного теплового излучения, а также используя методы и средства современной спектрометрии, можно снизить до приемлемого уровня методическую погрешность измерения температуры по спектральным составляющим собственного теплового излучения.

Однако значения коэффициентов излучения нагретых тел зависят от многих факторов, которые могут заметным образом влиять на результаты измерений [4]. Отсюда возникает необходимость в разработке метода определения температуры, который не требует предварительной информации об излучательной способности пирометрируемого объекта. Таким методом является предлагаемый в данной работе полихроматический статистический метод определения значения температуры.

Прогресс в технологии многоэлементных матричных приемников оптического излучения открывает возможность создания оптико-электронных приборов, позволяющих регистрировать спектры теплового излучения при дистанционном определении температуры. Спектральные измерения применительно к тепловым источникам могли быть выполнены ещё в 50-е годы с использованием телевизионных приемников. Однако аналоговые методы и средства обработки сигналов того времени не позволяли решить эту задачу. С появлением современных цифровых устройств (АЦП, памяти, процессорных средств и т.д.) и цифровых методов обработки сигналов и изображений стало возможным использование больших массивов данных о спектре теплового излучения.

Таким образом, сочетание современных цифровых средств, компьютерных технологий и матричных фотоприемных устройств позволило перейти на качественно новый уровень при решении проблемы дистанционного определения температуры.

Нелью диссертационной работы является исследование возможности

дистанционного измерения температуры тел при неизвестной излучательной способности поверхности, а также разработка метода и принципа построения устройства измерения температуры по спектру теплового излучения.

Разрабатываемый метод должен отличаться от существующих методов тем, что при определении температуры не предполагается использование априорной информации об излучательной способности поверхности пирометри-руемого объекта, а также дополнительных внешних источников излучения, обычно применяемых в методах активной пирометрии.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ существующих методов дистанционного измерения температуры и сформулировать критерии выбора из числа существующих полихроматические методы, позволяющие снизить зависимость получаемых результатов от излучательных свойств пирометрируемой поверхности.

2. Разработать методологию построения полихроматических измерителей температуры на базе многоэлементных (матричных) фотоприемников.

3. Создать экспериментальную установку для проведения измерений, подтверждающих возможность получения и регистрации спектра теплового излучения объектов, используя диспергирующие элементы и многоэлементные матричные фотоприемники.

4. Провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность создания дистанционного измерителя температуры на основе многоэлементных фотоприемников в сочетании с методами статистической обработки результатов измерений спектров теплового излучения.

5. Экспериментально продемонстрировать возможность измерения температуры реальных тел по их спектру теплового излучения.

6. Дать рекомендации и предложения по совершенствованию разрабатываемого спектрального метода измерения температуры, областям его применения и перспективам его использования.

Методы исследования:

1. В работе использованы фундаментальные положения теоретической физики и термодинамики, математические методы статистического анализа и теории вероятностей, элементы теории аналоговой и цифровой электронной техники, новейшие методы оптоэлектроники и современных компьютерных технологий.

2. Для дистанционного измерения температуры использовано сочетание полихроматических методов пирометрии с ранее не применявшимися в пирометрии статистическими методами анализа и обработки данных и пакеты прикладных программ MATLAB фирмы The Math Works, Inc. и LabVIEW фирмы National Instruments.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Высоким уровнем теоретической и экспериментальной базы исследования, использованием фундаментальных теоретических положений и ме-

тодов теоретической физики и термодинамики (законы излучения Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Гюйгенса - Френеля и т.д.), а также современных достижений видных ученых - пирометристов, таких как Д.Я. Свет и др.

2. Использованием оборудования и приборов ведущих мировых производителей: Sony, Hamamatsu, Mikron Infrared, Texas Instruments и т.д. и применением методических и программных средств MATLAB и LabVIEW известных фирм-производителей. Результатами экспериментальных исследований, проведенных в рамках НИР «Сабельник», выполненной в ГОУ ВПО МЭИ(Ту) по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при президиуме РАН.

3. Детальной экспериментальной проверкой всех заимствованных элементов, а для вновь введенных элементов - доказательством адекватности их моделей по выполняемым ими функциям.

4. Анализом известных полихроматических методов определения температуры, а также путем сопоставления экспериментально полученных результатов с данными, получаемыми при использовании высокоточного источника оптического излучения - модели абсолютно черного тела типа М360 фирмы «Mikron Infrared».

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

1. В практике отечественной пирометрии использован статистический подход к обработке данных о спектре излучения пирометрируемой поверхности.

2. Реализован принцип построения многоканальной измерительной системы, содержащей: входное оптическое звено, пропускающую дифракционную решетку, ТВ камеры и интерфейсное цифровое устройство, обеспечивающие одновременный сбор и передачу информации о спектре теплового излучения по различным информационным каналам.

3. Разработана методика и экспериментально продемонстрирована возможность измерения температуры по спектру теплового излучения при неизвестной излучательной способности с использованием статистических методов.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы и методика расчета температуры с использованием экспериментально полученной спектральной информации.

5. Предложена схема построения оптического звена измерительного устройства, обеспечивающего независимость получаемых результатов от расстояния до пирометрируемого объекта.

6. Экспериментально подтверждена возможность определения температуры полихроматическими статистическими методами в условиях отсутствия информации об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности.

7. Предложены алгоритмы для вычисления температуры и определения спектральной функции поправочных коэффициентов, необходимой для учета искажающих воздействий на спектр теплового сигнала в оптическом и электронном трактах.

Практическая значимость:

1. Открыты перспективы для построения нового поколения спектральных многоканальных измерителей температуры.

2. Результаты проведенной работы использованы при выполнении хоздоговорной НИР, проводимой в МЭИ (ТУ) по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также при проведении НИИР и в учебном процессе МЭИ(ТУ).

3. Практическая применимость и эффективность методики и созданной измерительной установки продемонстрирована на примере измерения температуры абсолютно черного тела (АЧТ) и имитаторов реальных тел, а также в совместной работе с Объединенным институтом высоких температур (ОИВТ) РАН.

4. Разработанный метод дополняет существующие полихроматические методы в части повышения достоверности результатов температурных измерений, расширяет их потенциальные возможности и области практического применения.

Личный вклад соискателя и апробация работы.

Из 12 работ, опубликованных по теме диссертации, 9 выполнены с соавторами и 3 лично соискателем. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, была непосредственно выполнена соискателем в рамках НИР «Сабельник» по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при президиуме РАН.

Цели и задачи настоящей диссертационной работы были сформулированы и поставлены руководителем диссертационной работы (В.Н. Бодров). Выполнение диссертационной работы осуществлялось соискателем.

Статьи и доклады [2, 8, 9] из списка публикаций по основным результатам диссертации, подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно. Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве [3-7,1,10, 11], состоит в решении проблем, связанных с планированием и разработкой экспериментальных методов измерений и методов анализа полученных результатов. В проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов, формулировке выводов, а также участие в подготовке и представлении докладов на конференциях.

Соискатель подготовил автореферат, диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад соискателя в диссертационную работу и полученные научные результаты, выносимые на защиту, является определяющим.

На разработанный метод дистанционного определения температуры подана заявка на получение патентов на изобретение и на полезную модель.

Результаты диссертации докладывались неоднократно на научном семинаре кафедры Электронные приборы МЭИ(ТУ) (руководитель - зав. кафедрой Бодров В.Н.) а также на научных конференциях:

1. 11 -ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2005.

2. 13-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2005.

3. 12-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006.

4. 14-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2006.

5. Третья Всероссийская конференция по проблемам термометрии «Температура-2007», Обнинск, 2007.

6. «Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов», Томск, 2007.

7. 13-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007.

8. «XIV Всероссийская школа - коллоквиума по стохастическим методам и осенняя сессия VIII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике». Сочи - Адлер, 2007.

9. Семинар «Современные технологии цифровой регистрации и обработки, температурных полей, низкоуровневых изображений, изображений быстропротекающих процессов» - к юбилею факультета Электронной Техники Института Радиотехники и Электроники МЭИ, Москва, 2007.

10. 13-ая Международная научно-техническая конференция молодых светотехников России, Москва, 2007.

11. 15-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2007.

12. 16-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2008.

13.18th European Conference on Thermophysical Properties, Pau, France, 2008( 18-я Европейская конференция по теплофизическим свойствам, По, Фр.)

14. 4th International Conference on Thermal Engineering: Theory and Applications, Abu Dhabi, UAE, 2009.(4-я Международная конференция по тепловому инжеренингу: теория и приложения, Абу Даби).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика измерения температуры по спектру излучения нагретого тела в отсутствии информации о спектральной зависимости коэффициента излучения поверхности, при условии разбиения спектра на достаточно большое число интервалов и нахождения отношений интенсивностей на границе каждого интервала (методом спектральных отношений) с последующей статистической обработкой совокупности полученных значений температуры.

2. Структура и принципы построения полихроматического оптикоэлек-тронного устройства, позволяющего измерять температуру при отсутствии информации о характеристиках излучательной способности поверхности пи-рометрируемых объектов.

3. Экспериментальное подтверждение возможности дистанционного определения температуры поверхности тел с неизвестными излучательными свойствами.

4. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 197 страниц, 75 рисунков, 8 таблиц. Список цитируемой литературы вюпочает 80 наименований.

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

В первой главе приводятся некоторые соотношения и величины, используемые в пирометрии, и определяется основная терминология диссертации. Кроме того, рассматривается коэффициент теплового излучения

ф,т) . Коэффициент излучения реального тела зависит от многих факторов и поэтому использование данных, приведенных в литературе для точного определения температуры, во многих случаях представляется проблематичным. Основным из таких факторов является то, что ех{Х,Т) для многих материалов является функцией температуры. Поэтому, строго говоря, нельзя выбрать правильное значение степени черноты, не зная температуры. С другой стороны, нельзя точно определить температуру, не зная значения степени черноты, соответствующего измеряемой температуре. Таким образом, во многих случаях образуется своеобразный замкнутый круг (рис. 1).

Также в этой главе указываются основные источники погрешности температурного измерения, а именно, неполнота данных о спектральной характеристики ея(л,7') 5 несоответствие значений в реальных условиях справочным данным и возможное изменение свойств излучающей поверхности в процессе измерения. Поэтому наиболее практикуемым подходом в пирометрии является использование различного рода аппроксимаций априорных данных о спектральной зависимости излучательной способности для получения значений, максимально приближающихся к истинной температуре.

Погрешности методов оптического измерения температуры обусловлены главным образом теми математическими преобразованиями, которые трансформируют неточность результатов измерений интенсивности и длины волны в

погрешность определения конечного результата, т.е. температуры. Для оценки инструментальной погрешности нужно знать значения: температуры, рабочих длин волн и точность измерения интенсивности излучения. Для оценки методической погрешности необходимы данные о коэффициенте теплового излучения и погрешностях, с которыми они представлены.

В зависимости от количества используемых спектральных участков излучения различной ширины АХ пирометры делятся на одноканальные и многоканальные.

Многоканальная пирометрия базируется на измерениях в двух и более спектральных областях. Методы, использующие регистрацию излучения в двух монохроматических спектральных каналах (при двух длинах волн), относят к бихроматической пирометрии. Методы, использующие более двух спектральных интенсивностей, принято называть методами полихроматической пирометрии.

В настоящее время существует свыше тридцати методов полихроматической пирометрии. В данной работе развивается подход к определению температуры по непрерывному спектру теплового излучения, который базируется в значительной мере на использовании уже существующих методов, однако обладает рядом особенностей. Поэтому в диссертации рассматриваются лишь те методы измерений, которые в сочетании с разрабатываемым методом позволяют получить наибольший объем информации об исследуемом пирометри-руемом теле. В первой главе поэтому более подробно рассмотрены только те методы, которые потенциально могут быть использованы в сочетании с разрабатываемым в данной работе методом.

Рассмотрение наиболее существенных методов полихроматической пирометрии показывает, что при отсутствии априорной информации об излуча-тельной способности однозначное определение температуры проблематично, в силу того, что при ограниченном числе спектральных интенсивностей информации, содержащейся в воспринимаемом потоке излучения, недостаточно для определения величины истинной температуры. При традиционном подходе попытки увеличить число измеряемых интенсивностей наталкивается на барьер, связанный с ростом инструментальной погрешности.

Вторая глава посвящена аппаратной части современных спектральных оптикоэлектронных систем определения температуры. В них используются несколько оптических спектральных каналов для получения информации о спектральном распределении энергетической яркости излучающего объекта.

Большинство существующих пирометров этого типа используют два спектральных канала, т.е. являются бихроматическими пирометрами. Среди бихроматических пирометров преобладают пирометры спектрального отношения, обеспечивающие выделение из потока излучения двух узких спектральных областей. Выделенные потоки излучения формируют на выходе пирометра сигнал, пропорциональный отношению (или логарифму отношения) энергетических яркостей излучения. Температура, измеряемая пирометром, пропорциональна указанному отношению.

Анализ существующих полихроматических измерителей температуры показывает, что наряду с традиционными методами пирометрии обозначена тенденция к повышению спектральной информации об излучаемом объекте за счет расширения спектральной рабочей области и увеличения числа рабочих длин волн. Однако фактические методы обработки получаемых данных остаются традиционными, характерными для детерминированных методов измерений, в которых отсутствуют попытки использовать статистические закономерности обработки данных (аппарат математической статистки), что не позволяет авторам этих методов воспользоваться возможностями, связанными с получением весьма значительных массивов значений спектральных интенсивностей и температуры.

В третьей главе приведен принцип построения разрабатываемого оп-тикоэлектронного измерителя температуры. Для реализации основной цели диссертационной работы, а именно исследования возможности дистанционного определения температуры поверхности твердого тела с неизвестной излу-чателыюй способностью была создана экспериментальная установка с расширенными возможностями.

В процессе работы была использована пропускающая дифракционная решетка с 5000 штрихами на мм. Было обнаружено, что наличие недифраги-ровавшего максимума позволяет проводить слежение и наблюдение за исследуемым объектом - целью. Другими словами при помощи ТВ - камеры, настроенной на спектр нулевого порядка, можно визуально наблюдать изображение самого объекта и определять его пространственные координаты.

В полихроматической пирометрии, когда используются изолированные друг от друга монохроматические спектральные каналы, фотоэлектрический сигнал каждого канала не зависит от соседних каналов. Поэтому использование многоэлементных приемников излучения открывает качественно новый этап развития в пирометрии.

Анализ существующих матричных приемников показал, что современные ПЗС (приборы с зарядовой связью) матричные приемники излучения по всем основным параметрам подходят для этих целей. Использование многоэлементной ПЗС матрицы позволяет регистрировать огромный массив спектральной информации об объекте измерения, значительно снизить время считывания спектра и его преобразование в цифровой сигнал и уменьшает габаритные размеры устройства. В разрабатываемом измерителе температуры использована ПЗС матрица производства фирмы SONY.

Экспериментальная установка для регистрации спектра излучения с использованием матричных приемников. Цель спектральных измерений состоит в нахождении истинного, не искаженного прибором распределения энергии в спектре исследуемого источника излучения.

При разработке установки был проведен анализ и сделан выбор оптических элементов, источника излучения, телескопической системы, диспергирующих элементов, а также отрабатывалась схема взаимного расположения оптических элементов. Для создания установки по получению спектра были

использованы следующие элементы: эталонный источник теплового излучения (АЧТ типа М-360), два объектива с фокусным расстоянием f = 50 мм; дифракционная решетка с плотностью 500 штрихов на 1 мм и видеокамеры типа CAMPRO (на базе ПЗС матрицы SONY ICX249AL).

Методика обработки экспериментальных данных. Экспериментально полученный с помощью видеокамеры спектр теплового источника переносился в компьютер. Оцифрованный спектр сохраняли в виде видеоролика формата AVI длительностью 1 сек. Обработка спектра проводилась при помощи пакета прикладных программ MatLab 7.0, позволяющий работать с видео изображениями.

Процедуру обработки данных можно представить в виде следующих этапов:

• разложение видеоизображения на отдельные кадры;

• математическая обработка полученных результатов.

В результате обработки получали вектор-строку распределения яркости в зависимости от номера пикселя. Эта информация позволяет построить график зависимости распределения яркости от номера пикселя.

Для увеличения точности результатов можно улучшить исходное распределение уровня сигнала, применив один из методов цифровой обработки изображений, например, подавление шумов путём накопления с усреднением.

Эталонные источники излучения. Основная идея нахождения спектральной аппаратной функции поправочных коэффициентов измерительного комплекса состоит в использовании источника эталонного излучения, т.е. источника с заданным спектральным составом излучения. В качестве источника эталонного излучения в работе использовалась модель абсолютно черного тела (АЧТ) типа М 360.

Применяемое для калибровки экспериментальной установки дистанционного определения температуры - черное тело фирмы «Микрон» (модель М360) характеризуется широким диапазоном рабочих температур от 50° до 1100°С, высоким коэффициентом излучения (0,99 ± 0,005) и температурным разрешением 0.1 градуса. Температурная стабильность 0,5°С за период в 8 часов. Встроенная система механической апертуры позволяет проводить точную регулировку диаметра апертуры в соответствии с необходимыми требованиями или осуществлять проверку зоны обзора измерителей температуры.

Дифракционная решетка. В экспериментальной работе по определению температуры использовалась пропускающая одномерная фазовая дифракционная решетка с профилем штрихов, близким к синусоидальному, с плотностью 500 штрихов на 1 мм. Использовались нулевой порядок решетки для определения пространственных координат источника излучения и два канала, соответствующие +1 и -1 порядку решетки для получения спектров.

Приёмник излучения. В качестве приёмника спектра теплового излучения использовались ФПЗС приёмники. Дифрагировавший на решетке поток (спектр) излучения фокусировался объективом телевизионной камеры на фоточувствительной поверхности ПЗС матрицы типа ICX1A9AL фирмы «Sony».

Сигналы изображения спектра с ПЗС матрицы через интерфейсную плату направлялись в оперативную память компьютера.

Градуировка сигнала по длинам волн. С помощью интерференционных фильтров осуществлялась градуировка шкалы длин волн, т.е. устанавливалось соответствие между номером каждого пикселя строки фоточувствительной матрицы и соответствующими значениями длин волн.

Спектральная аппаратная функция поправочных коэффициентов.

Главная задача разрабатываемого экспериментального метода состоит в получении неискаженной относительной кривой спектрального распределения плотности потока излучения теплового источника. При этом абсолютные значения кривой спектрального распределение играют второстепенную роль. Поэтому такие параметры и факторы, как значения спектральных коэффициентов излучения нагретого тела, ориентация его поверхности, степень шероховатости, окисные пленки и различного рода загрязнения поверхности становятся второстепенными факторами. Мы рассматриваем их влияние как некоторую помеху, как некий спектральный «шум», который накладывается на неискаженную кривую собственного теплового излучения объекта.

Основной проблемой при отработке методики было определение и учет, так называемых, хроматических факторов, искажающих спектр теплового излучения элементами измерительной установкой. Важно иметь в виду, что практически каждый оптический элемент, включая ТВ камеру и атмосферу, вносит свой вклад в искажение кривой спектрального распределения источника теплового излучения.

Исходя из этого, мы пошли по пути экспериментального определения интегральных поправочных (искажающих) спектральных коэффициентов, которые позволили бы проводить корректировку, т.е. исправление получаемых относительных значений каждой спектральной составляющей регистрируемого излучения. Совокупность значений поправочных коэффициентов при различных длинах волн всего измерительного устройства мы назвали спектральной аппаратной функцией поправочных коэффициентов измерителя температуры или просто аппаратной функцией (А.Ф.).

Автономный макет полихроматического измерителя температуры для видимого участка спектра. Следующий этап разработки полихроматического измерителя температуры - переход от стендового макета устройства к разработке автономного прибора. При этом автономный макет изготовлен как пробный и предназначен для испытания прибора в лабораторных условиях. Прибор взаимодействует с ПК через USB порт и выполняет все функции экспериментального стенда, т.е. обеспечивает получение изображения спектра нагретого тела на фотоприемной ПЗС матрице. При этом он обладает габаритами, позволяющими осуществить перестановку и удобное расположение прибора в любых условиях съемки.

При проектировании автономного макета в качестве приемников изображения были выбраны бескорпусные мегапиксельные ТВ камеры производ-

ства фирмы ЭВС. Эти камеры наиболее компактны и предназначены специально для установки в миниатюрных и автономных приборах.

В четвертой главе экспериментально продемонстрирована возможность измерения температуры путем сбора максимально возможной информации о спектре излучения и «размена» избыточной информации о спектре

'га КАМЕРА-1

УБРАГДЕНН2 АЧГ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Рис. 2. Схема установки при двухканальном полихроматическом методе изме-

ПЙНМЯ ТШПРПЯТУПМ.

излучения на точность определения температуры. Вместе с тем демонстрируется возможность определения температуры черных, серых и окрашенных тел.

Использован многоканальный принцип построения измерителя температуры, что позволило с расширением области рабочих длин волн увеличить общий объем (массив) информации о спектре и воспользоваться статистическими методами обработки [6, 7]. На примере наиболее простого - двухка-нального измерителя температуры продемонстрированы основные экспериментальные результаты, позволяющие оценить возможности нового метода.

Схема одного из вариантов построения двухканального измерителя температуры представлена на рис. 2.

Канал 1 Канал 2

7 /. ..;• '< V 'V. Г > -

■V - ' ■ у'-. : .-'V ,

... 'МШШ -

100 200 300 400 500 60' Номер пикселя

0,6' О,« 0.7 0,75

Длани волны (мкм)

100 200 300 400 500 600 700 Номер пикселя 0,8 0,85 0.9 0,95 1

Длнна умны ;ЧЮ1!

Рис. 3. Изображение спектра.

Пример изображения фрагментов спектра теплового излучения, зарегистрированного с использованием экспериментальной установки, приведены на рис. 3. Рабочий диапазон длин волн первого и второго канала был выбран соответственно 0,6 - 0,8 мкм и 0,8 - 1 мкм.

Далее проводили амплитудную калибровку спектра с учетом спектральной поправочной функции. В результате получили неискаженную кривую спектрального распределения плотности потока излучения теплового источника.

Этот массив данных в дальнейшем использовался для расчета температуры объекта.

Рабочие спектральные диапазоны каждого канала для детального анализа разбивались на под диапазоны. На рис. 4 представлены два фрагмента зависимости спектральной плотности фотонов пирометрируемого объекта от длины волны после коррекции.

Длина волны (М)

9 9.5

Длина волны (М)

Рис. 4. Восстановленная форма кривой спектральной плотности фотонов пирометрируемого объекта с учетом функций поправочных коэффициентов.

На следующем этане проводился расчет температуры пирометрируемого объекта. В качестве исходного метода при расчете использовали метод спектральных отношений, который нечувствителен к абсолютным значениям интенсивности и дает наилучшие результаты при работе с телами, спектральные характеристики излучения которых близки к серым телам [2, 8]. При расчете температуры использовалось следующие соотношение

С' (2)

Лсо(1п 12 -1п /,)'

рометрическая константа; Кс

' К.м - пи-эквивалентная длина волны для ме-

Здесь ТСо - температура спектрального отношения; С2 = 1,4388.10"

Я2 ~~ Л]

тода спектрального отношения; //_ 12 - нормированные интенсивности спектральной плотности потока фотонов; с - скорость света: Я; - конкретное значение длины волны, при которой определялась интенсивность излучения; г -текущий индекс (номер) длины волны.

Перебирая попарно весь массив полученных значений нормированных интенсивностей при различных интервалах АА. между А.1 и Х2 и комбинируя

различные сочетания двух значений спектральной плотности, был получен массив значений температуры спектрального отношения пирометрируемого объекта.

Затем массив полученных значений температуры подвергался статистической обработке. Для каждого значения интервала ДА, строилась гистограмма распределения частоты появления того или иного значения температуры спектрального отношения. На рис. 5 в качестве примера представлены гистограммы распределения полученных значений температуры спектрального отношения, построенные для значений интервалов ДА,.

Л-12&«. Л1-Щ&М ai-aia™

Рис. 5. Гистограммы значений температуры спектрального отношении при разных

интервалах ДА.

На гистограммах изображены гауссовы кривые, аппроксимирующие распределения значений плотности вероятности появления того или иного значения температуры. Значения полученных температур, соответствующие максимуму гауссовой кривой распределения, рассматривали как наиболее вероятное значение температуры спектрального отношения Тсо вер для выбранного интервала АЛ.

Измерения температуры АЧТ. Для проверки работоспособности разрабатываемого метода в качестве пирометрируемого объекта использовали модель АЧТ типа М360. Задачей эксперимента было определение температуры АЧТ, как если бы это был неизвестный пирометрируемый объект. Возможность устанавливать точные значения температуры в АЧТ позволил сопоставлять степень соответствия получаемых при эксперименте значений температуры с известными значениями температуры АЧТ.

Эксперименты проводились при следующих значениях температуры:

Значения температур (К) 1200 1220 1240 1260 1280 1300

Проводя выше описанную методику определения температуры, были построены 40 гистограмм для каждого экспериментального значения темпера-

туры. Таким образом, для каждого из них было получено соответственно 40 наиболее вероятных значений температуры спектрального отношения.

Было отмечено, что характер зависимости Тсо.вер = f (ДА,) в первом и втором каналах несколько отличаются, это может быть связано с неполной идентичностью каналов или возможной систематической ошибкой.

Ш>|-.-1--

| Л13Ю----1 — г—!

I о. '

| й 1Эоо1----1---1----1

II \: : !

» | 1250 - - -!

II ,

I 2 1230'----1---1----1

х ■ !

12701-1-'-1-

0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 60 60 70

ДМ"") 41 (ни)

Рис. 6. Зависимость наиболее вероятных значений температуры спектрального отношения Тсо.вер от величины интервала длин волн АХ для канала 1 и 2.

Наиболее вероятное значение температуры в канале 1, составляло 1289К, а в канале 2, соответственно 1278К. Отметим, что истинное значение температуры АЧТ, при котором производился эксперимент, составляло 1280К; таким образом, относительная ошибка измерения для первого и второго канала составляла 0,81% и -0,0015% соответственно.

По аналогичной методике были выполнены измерения других значений температуры АЧТ. Отметим, что со снижением температуры увеличивается погрешность измерения. Это связано с уменьшением уровня сигнала. Экспериментально полученные значения статической температуры достаточно близки к соответствующим значениям термодинамической температуры. Это обстоятельство можно рассматривать как подтверждение возможности применения разрабатываемого метода для определения температуры АЧТ.

Измерения температуры имитаторов окрашенных тел. В четвертой главе далее рассматривались результаты определения температуры разрабатываемым методом излучающих тел, свойства которых близки к реальным излучающим телам. Точные измерения температуры реальных тел в общем случае достаточно сложные, трудоемкие в техническом отношении задачи, требующие детального анализа всех возможных погрешностей измерения. В связи с этим представляет интерес рассмотрение имитаторов реальных тел.

Имитаторы нагретого тела, представляют собой сочетание модели АЧТ типа М360 с установленными на его выходе оптическими фильтрами. Для имитаторов использовались оптические стекла типа НС 7 (толщина 2мм) и интерференционные фильтры типов ПФ550-850 и ПФ800-1100.

Методика определения температуры имитаторов реальных тел такая же, что и при АЧТ. В случае существенного ослабления сигнала ограничивали рабочую область длин волн, т.е. анализ полученного спектра излучения пиро-метрируемого объекта является неотъемлемой составной частью процесса оп-

I I 1340

& г «го

0) о

11 1300

КАНАЛ-2.;----

ределения температуры по разрабатываемой методике. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 7.

1350 —

ИМИТАТОР N»2 и 3 (АЧТ+ ПФ550-850} 1АЧТй- ПФ 800-1100)

1150-

Имитатор №2 Имитатор №3 —Тачт

1280

1300

1220 1240 1260 Температура АЧТ (К)

Рис. 7. Сопоставление измеренных значений температур и имитаторов № 2 и 3 с истинными значениями температуры

Экспериментально полученные результаты позволяют сделать вывод о пригодности разрабатываемого метода для температурных измерений окрашенных тел.

Форма спектральной кривой излучательной способности. Информации, полученной о тепловом спектре, вполне достаточно для одновременного определения, как температуры, так и формы спектральной кривой излучательной способности пирометрируемой поверхности. Это обстоятельство и было использовано в данной работе для уточнения значений статистической температуры. Сопоставление экспериментально определенной спектральной кривой собственного излучения с кривой Планка для рабочего значения температуры позволяло определить форму функциональной зависимости е(Х) пирометри-руемого элемента поверхности.

700 750

Длина волны (нм)

700 750

Длина волны (нм)

Рис. 8 Сравнение исходных и экспериментально полученных кривых спектральной зависимости коэффициента излучения имитаторов

Располагая спектральной кривой коэффициента излучения пирометрируемой поверхности, можно уточнить полученные результаты и найти второе, а при необходимости и третье приближение. Это позволяет получить одновременно информацию о температуре и о спектральной зависимости коэффи-

циента излучения пирометрируемой поверхности.

На рис. 8 для различных имитаторов проводится сравнение исходных и экспериментально полученных кривых спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности.

Таким образом, в четвертой главе на примере двухканального телевизионного измерителя температуры экспериментально продемонстрирована возможность получения сведений о температуре серых и окрашенных тел с неизвестными спектральными характеристиками коэффициента излучения пирометрируемой поверхности. Анализ восстановленного спектра излучения и статистическая обработка массива данных о температуре, поступающих по нескольким спектральным каналам, позволил получить информацию о спектре теплового излучения и определить с достаточно высокой степенью достоверности значение температуры, которые можно рассматривать как первое приближение к истинному значению. Для получения более точных значений (последующие приближение) температуры можно применить известные полихроматические методы аппроксимации, используя форму экспериментально полученной в процессе измерения температуры кривой спектральной зависимости коэффициента излучения (пропускания).

Основные выводы из диссертационной работы могут быть сведены к следующему.

1. Проведен анализ полихроматических дистанционных методов определения и алгоритмов расчета температуры поверхности объектов с позиции их пригодности для решения задач измерения температуры при ограниченной информации об излучательной способности. Показано, что все попытки получить достоверные данные о температуре, опираясь лишь на априорную информацию о степени черноты, а также попытки использовать различные виды аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности хотя и приводят в ряде случаев к повышению точности получаемых результатов, однако не позволяют выйти за пределы «замкнутого круга», обусловленного зависимостью степени черноты от температуры.

2. Показано, что переход к методам измерения температуры, использующим понятие источника излучения с эталонным спектром, позволяет решить проблему определения истинной температуры объектов с неизвестными характеристиками излучательной способности. Основополагающим моментом в работе является введение понятия интегральной аппаратной функции поправочных коэффициентов измерительного комплекса.

3. Создан автономный макет полихроматического измерителя температуры для видимого участка спектра. Проведены испытания макета, построенного по схеме двухканального измерителя температуры, и определена его спектральная аппаратная функция поправочных коэффициентов.

4. Проведена обработка экспериментальных данных о спектре излучения пирометрируемой поверхности с неизвестной излучательной способностью и температурой (реальные тела). По разработанной методике выполнены измерения температуры АЧТ, а также измерения температуры трех имитато-

ров реальных тел.

5. Показано, что идентичность спектральных каналов устройства определения температуры позволяет использовать их как независимо друг от друга, так и дополняя друг друга для расширения диапазона используемых длин волн. Взаимное дополнение спектральных каналов открывает перспективы построения широкополосных многоканальных измерителей температуры.

6. В ходе выполнения работы было обращено внимание на возможность извлечения информации не только о температуре, но и о функциональной зависимости £>. =ЛХ), которая содержится в экспериментальных данных о спектре излучения объекта и которая органически вытекает из самой сути разрабатываемого метода. Это позволяет одновременно определить температуру неизвестного объекта и определить его специфическую спектральную функцию из-лучательной способности.

7. Показано, что сочетание новых потенциальных возможностей разрабатываемого метода и многоканального устройства может служить основой для построения новых компактных многоканальных оптико-электронных средств, определения температуры объектов и материалов с неизвестными спектральными характеристиками излучательной способности, а также подвижных, быстро перемещающихся и неизвестных объектов.

8. Разработано программное обеспечение специализированного вычислителя для работы в составе устройства быстрого дистанционного определения температуры.

9. Проанализированы возможности использования методов полихроматической пирометрии в разработанном методе определения температуры. Показана статистическая устойчивость получаемых значений температуры и проведена их статистическая обработка. Важным моментом явилась возможность получения информации о форме спектральной кривой коэффициента излучения поверхности пирометрируемого объекта непосредственно в процессе измерения температуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Русин СЛ., Рассел М.М. Идентификации модели чёрного тела по данным расчёта и спектрального эксперимента. - Обозрение прикладной и промышленной математики, 2007, т.14, в.З, с.560-561.

2. Рассел М.М. Полихроматический метод измерения температуры. - В сб.: Тезисы докладов 11-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2005, т.1, с.226-221.

3. Бодров В.Н., Рассел М.М. Фоточувствительные ПЗС матрицы с внутренним электронным умножением. - В сб.: Труды 13-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, 2005, с.78-83.

4. Рассел М.М. Фёдоров Д.С. Применение пространственной синусоидальной фазовой решетки при полихроматическом методе измерения темпе-

ратуры. - В сб.: Тезисы докладов 12-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006, т. 1, с.250-251.

5. Бодров В.Н., Рассел М.М., Обидин Г.И. Результаты экспериментальных исследований телевизионного метода быстрого определения температуры. - В сб.: Труды 14-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, 2006, с.55-58.

6. Бодров В.Н., Рассел М.М. Многоканальная полихроматическая пирометрия. - В сб.: Тезисы докладов Третьей Всероссийской конференции по проблемам термометрии «Температура-2007», Обнинск, 2007, с.35-36.

7. Бодров В.Н., Рассел М.М., Обидин Г.И. Многоканальный телевизионный метод определения температуры. - В сб.: Труды 15-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, 2007, с.71-76.

8. Рассел М.М. Проблемы современных методов полихроматической пирометрии. - В сб.: Тезисы докладов 13-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2007, т.1, с.211-212.

9. Рассел М.М. Спектральные характеристики излучения модели черного тела. - В сб.: Тезисы докладов 13-ой Международной научно-технической конференции молодых светотехников России, Москва, 2007, т.1, с.77-79.

10. Бодров В.Н., Рассел М.М., Обидин Г.И. Телевизионный метод определения коэффициента излучения неизвестного объекта. - В сб.: Труды 16-ой Всероссийской научно-техничебкой конференции «Современное телевидение», Москва, 2008, с.77-84.

11. Vladimir Bodrov, Mostafa Russel. Non contact temperature measurement of a surface with insufficient emissivity information. - 18ft European Conférence on Thermophysical Properties, Pau, France, 2008, (Бесконтактные измерения температуры поверхности при недостаточной информации об излучательной способности - 18-я Европейская конференция по теплофизическим свойствам, По, Франция).

http://ectp 18.conforganizer.net/program/abstract/31 IL

12. Mostafa Russel, Vladimir Bodrov. Non-contact temperature measurement of surfaces with unknown emissivity information - 4th International Conférence on Thermal Engineering: Theory and Applications, Abu Dhabi, UAE, 2009, (Бесконтактные измерения температуры поверхности с неизвестной излучательной способностью, 4-я Международная конференция по тепловому инженерингу: теория и приложения, Абу Даби).

Подписано в печать^ ОЬ'ШГ. Зак. Тир. fOD Пл. ш

Полиграфический центр ФБГОУ ВПО НИУ «МЭИ» Красноказарменная улица, д. 13.

61 12-5/2152

Федерального Государственного Бюджетного Образовательного Учреждения Высшего Профессионального Образования «Национальный Исследовательский Университет «Московский Энергетический Институт»

На правах рукописи

РАССЕЛ МОСТАФА МАХМУД

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Специальность - 05.11.07 Оптические и оптико-электронные

приборы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Бодров В.Н.

Москва 2012

Содержание

Введение.......................................................................................................................5

1 Современное состояние методов полихроматической пирометрии................17

1.1 Некоторые соотношение и величины, используемые в пирометрии......17

1.2 Коэффициент теплового излучения............................................................22

1.3 Условные температуры и погрешности.....................................................26

1.4 Основные методы пирометрии....................................................................30

1.5 МонохроматическийМеТОД....33

1.6 Бихроматические методы.............................................................................34

1.6.1 Метод спектрального отношения..........................................34

1.6.2 Метод взаимно корреляционной температуры.........................37

1.6.3 Комбинационные методы.................................................. .38

1.7 Полихроматические методы........................................................................40

1.7.1 Методы двойного спектрального отношения (ДСО)..................42

а) Метод ДСО при трех равноотстоящих длинах волн...............42

б) Метод ДСО при трех произвольно расположенных длинах волн..............................................................................43

1.7.2 Методы, использующие нелинейную аппроксимацию спектральной зависимости излучательной способности........................................44

а) Метод двух длин волн....................................................44

б) "Универсальный" метод двойного спектрального отношения...45

в) Выбор параметра а для аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности (i) в двух волновой и (И) в трех волновой пирометрии.................................................48

1.7.3 Определения температуры по отношению возведенных в степень значений потока излучения (i) при бихроматическом методе и (ii) при методе двойного спектрального отношения....................................49

1.7.4 Метод извлечения информации об излучательной способности из интенсивности теплового излучения.............................................52

1.7.5 "Оптимальные" методы одной или двух длин волн....................54

1.7.6 Метод детерминированной пирометрии с полиномной аппроксимацией при числе уравнений, согласованном со степенью полинома...............................................................................56

1.7.7 "Оптимальные" методы полихроматической пирометрии............63

а) Метод оптимальной полихроматической яркостной температуры.....................................................................65

б) Оптимальная полихроматическая температура спектрального отношения.......................................................................67

в) Оптимальная линейная температура....................................68

г) Оптимальная экспоненциально-степенная температура............69

Выводы по главе........................................................................................................72

2 Современное состояние полихроматических измерителей температур.........73

2.1 Спектральные оптико-электронные системы измерения температуры.. 73

2.1.1 Пирометры спектрального отношения....................................74

2.1.2 Полихроматические пирометры............................................79

2.2 Новейшие полихроматические измерители температур и принцип их работы.....................................................................................................................80

Выводы по главе...... .............. ..................................................................................86

3 Принцип построения разрабатываемого оптикоэлектронного измерителя температуры...............................................................................................................87

3.1 Эталонные источники излучения................................................................89

3.1.1 Источник типа "А"............................................................90

3.1.2 Модель абсолютно черного тела типа М360.............................90

3.2 Выбор диспергирующей системы...............................................................92

3.2.1 Дифракционная решетка....................................................93

3.3 Выбор приемников излучения.....................................................................94

3.3.1 Матричный ПЗС-приемник.................................................95

3.4 Экспериментальная установка....................................................................98

3.4.1 Для регистрации спектра излучения с использованием матричных приемников...........................................................................98

3.4.2 Для определения температуры............................................101

3.5 Методика обработки экспериментальной спектральной информации. 103

3.5.1 Градуировка сигнала по длинам волн...................................106

3.5.2 Определения спектральных аппаратных функций поправочных коэффициентов.....................................................................108

3.5.3 Алгоритмы расчета температуры........................................110

3.6 Автономный макет полихроматического измерителя температуры для видимого участка спектра..................................................................................111

3.6.1 Выбор оптической схемы макета.........................................112

3.6.2 Конструктивные элементы.................................................116

3.6.3 Элементы оптической схемы.............................................119

Выводы по главе......................................................................................................122

4 Результаты экспериментальных исследований...............................................123

4.1 Экспериментальная проверка вероятностного метода определения температуры на базе двухканального измерителя температуры...................123

4.2 Определения температуры АЧТ, как неизвестного объекта..................131

4.3 Измерения температуры имитаторов окрашенных тел..........................147

4.3.1 Измерения температуры имитатора № 1................................149

4.3.2 Измерения температуры имитатора № 2................................161

4.3.3 Измерения температуры имитатора № 3................................168

4.4 Форма спектральной кривой излучательной способности.....................181

Выводы по главе......................................................................................................187

Заключение..............................................................................................................188

Список использованных источников....................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Методы пирометрии поверхности твердых тел, обеспечивающие измерение истинного значения температуры при неизвестной излучательной способности, всегда представлялись актуальными, однако долгое время оставались нереализованными. Известно утверждение, что «...информация, содержащаяся в тепловом излучении тела, недостаточна для определения его действительной температуры и что решение проблемы может быть найдено только с привлечением независимых измерений излучательной способности тела» [1]. Однако в последнее время наметились пути решения этой важной проблемы.

Работы по дистанционной полихроматической пирометрии ведутся уже не одно десятилетие, но, несмотря на некоторый прогресс и определенные успехи в этом направлении, многие задачи, при решении которых используется ограниченный объём информации об излучательной способности, остаются до настоящего времени нерешенными. Активные работы в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. В зарубежных исследованиях следует отметить работы, проводимые Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA Glenn Research Center, USA) [2], FAR Associates (USA) [3], Massachusetts Institute of Technology (USA) [4], True temperature Technologies (Israel) [5], Laboratoire Electronique, Informatique et Image, Universite de Bourgogne (France) [6] и другие. В России - это работы Института общей физики РАН [7], Объединенного института высоких температур РАН [8, 9], Московского энергетического института [10], где на кафедре Электронные приборы был получены патенты, и ведутся интенсивные исследования уже более 10 лет. Ведутся работы и в некоторых других университетах РФ [11 - 14]. Указанные работы отражают основные тенденции современной пирометрии.

Основная проблема, возникающая, при дистанционном определении

истинной температуры связана, главным образом, с недостаточной информацией о коэффициенте излучения поверхности пирометрируемого объекта.

Анализ существующих полихроматических методов, их особенностей и потенциальных возможностей позволяет констатировать, что в основе большинства этих методов лежит использование различных методов аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности, с помощью которых при определенных условиях удается повысить точность и достоверность получаемых результатов [4]. Имеются публикации, посвященные сопоставительному анализу различных подходов к определению температуры тел полихроматическими методами [15,16]. Однако до настоящего времени практически ни один из описанных в литературе полихроматических методов не позволяет определить истинную температуру тела без привлечения дополнительной или априорной информации о спектральной зависимости коэффициента излучения.

В большинстве практически важных случаях надежды на существенное повышение достоверности и точности получаемых результатов за счет совершенствования традиционных подходов и, в частности, методов аппроксимации, представляются недостаточно обоснованными. Дело в том, что коэффициенты излучения нагретых тел зависят от многих факторов, таких как геометрическая форма и пространственная ориентация излучающей поверхности, её химический состав, физическое состояние (степень шероховатости), наличие на поверхности окисных пленок, загрязнений и т.д. При этом важно знать физическое и химическое состояние пирометрируемой поверхности непосредственно в условиях, при которых проводятся измерения, поскольку состояние и свойства поверхности изменяются с изменением температуры, что, как правило, сопровождается изменением её излучательной способности. Другими словами, излучательная способность поверхности является функцией температуры. Именно это обстоятельство снижает

эффективность использования априорной информации о коэффициенте излучения.

В результате поисковых исследований средств дистанционного измерения температуры по патентным фондам найдены отечественные и иностранные патентные документы, позволившие составить полное представление о состоянии и развитии в этой области. Установлено, что изобретения последних лет не предлагают принципиально новых решений, а являются, по существу, усовершенствованиями наработок прошлых десятилетий. На основе результатов патентного поиска сделан вывод о необходимости разработки нового метода измерения температур на основе использования и анализа информации о спектре потока излучения в целом, а не отдельных его составляющих.

Поэтому при традиционных подходах и методах измерений зачастую трудно определить истинное значение температуры, не имея данных о коэффициенте излучения. И, наоборот, не зная температуру тела, трудно определить правильное значение коэффициента излучения. Перечисленные факторы становятся особенно актуальными, когда время измерений ограничено, либо нет возможности провести дополнительные уточняющие эксперименты.

В то же время расширение спектрального диапазона длин волн, в котором собирается информация о спектре излучения нагретого тела, и его детальный анализ повышают степень достоверности получаемых значений температуры [3, 7, 8, 17]. Это позволяет, во многих случаях решить проблему определения истинного значения температуры путем использования избыточной информации о спектре излучения. В предельном случае при определении температуры желательно располагать исчерпывающей информацией обо всем спектре теплового излучения пирометрируемого объекта [18].

Основной задачей данной работы является разработка метода дистанционного определения истинной температуры поверхности с неизвестной излучательной способностью и проведение экспериментальных исследований,

подтверждающих возможность дистанционного измерения температуры по спектру теплового излучения с привлечением методов статистической обработки.

Актуальность темы: Новые технологии и, в частности, нанотехнологии, разработка новых материалов, методов их получения и изучение их свойств, требует новых бесконтактных методов определения температуры, поскольку процесс измерения температуры не должен влиять на параметры технологического режима. При этом часто необходимо обеспечить высокое быстродействие и возможность контроля значении температуры не только в отдельные моменты времени, но и регистрировать эволюцию температуры во времени.

В основе большинства полихроматических методов измерения температуры, применяемых в настоящие время, лежат попытки использовать различные методы аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности [15, 16]. Авторы этих методов полагают, что при рациональном сочетании априорных сведений о коэффициенте излучения поверхности объекта, содержащихся в спектре его собственного теплового излучения, а также используя методы и систем высокоточной полихроматической спектрометрии можно снизить до приемлемого уровня методическую погрешность измерения температуры по собственному излучению [19].

Однако значения коэффициентов излучения нагретых тел зависят от многих факторов, которые могут заметным образом влиять на результаты измерений [8]. Отсюда возникает необходимость в разработке метода определения температуры, который не требует предварительной информации об излучательной способности пирометрируемого объекта. Таким методом является предлагаемый в данной работе полихроматический статистический метод определения значения температуры.

Прогресс в технологии многоэлементных матричных приемников оптического излучения открывает возможность создания оптико-электронных

приборов, позволяющих регистрировать спектры теплового излучения при дистанционном определении температуры. Спектральные измерения применительно к тепловым источникам могли быть выполнены ещё в 50-е годы с использованием телевизионных приемников. Однако аналоговые методы и средства обработки сигналов того времени не позволяли решить эту задачу. Появление современных цифровых устройств (АЦП, памяти, процессорных средств и т.д.) и цифровых методов обработки сигналов и изображений сделало возможным использование больших массивов данных о спектре теплового излучения.

Таким образом, сочетание современных цифровых средств, компьютерных технологий и матричных фотоприемных устройств позволило перейти на качественно новый уровень при решении проблемы дистанционного определения температуры.

Целью диссертационной работы является исследование возможности дистанционного измерения температуры тел при неизвестной излучательной способности поверхности, а также разработка метода и принципа построения устройства измерения температуры по спектру теплового излучения.

Разрабатываемый метод должен отличаться от существующих методов тем, что при определении температуры не предполагается использование априорной информации об излучательной способности поверхности пирометрируемого объекта, а также дополнительных внешних источников излучения, обычно применяемых в методах активной пирометрии.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ существующих методов дистанционного измерения температуры и сформулировать критерии выбора из числа существующих полихроматические методы, позволяющие снизить зависимость получаемых результатов от излучательных свойств пирометрируемой поверхности.

2. Разработать методологию построения полихроматических измерителей температуры на базе многоэлементных (матричных) фотоприемников.

3. Создать экспериментальную установку для проведения измерений, подтверждающих возможность получения и регистрации спектра теплового излучения объектов, используя диспергирующие элементы и многоэлементные матричные фотоприемники.

4. 11ро вести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность создания дистанционного измерителя температуры на основе многоэлементных фотоприемников в сочетании с методами статистической обработки результатов измерений спектров теплового излучения.

5. Экспериментально продемонстрировать возможность измерения температуры реальных тел по их спектру теплового излучения.

6. Дать рекомендации и предложения по совершенствованию разрабатываемого спектрального метода измерения температуры, областям его применения и перспективам его использования.

Методы исследования:

1. В работе использованы фундаментальные положения теоретической физики и термодинамики, математические методы статистического анализа и теории вероятностей, элементы теории аналоговой и цифровой электронной техники, новейшие методы оптоэлектроники и современных компьютерных технологий.

2. Для дистанционного измерения температуры использовано сочетание полихроматических методо�