автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое и физическое моделирование задач оптической пирометрии для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ ОПТИЧЕСКОЙ ПИРОМЕТРИИ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ

05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

доктор технических наук Потатуркин Олег Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Курышев Георгий Леонидович

кандидат технических наук Резник Александр Львович

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений

Защита диссертации состоится « S » ^UUl/iH 2005 г. в 15~ час. на'заседании диссертационного совета К 003.005.01 в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, адрес: 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН.

Автореферат разослан « $ » Ш^Я 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н. ^Ухг Косых

г&ООЧТг 9

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Потребность в оперативной дистанционной диагностике высокотемпературных процессов в энергетике, металлургии, при выращивании кристаллов и т.п. в настоящее время непрерывно расширяется, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью автоматизации производства. Требуемый диапазон измеряемых температур, как правило, лежит в пределах от 700 до 2000 °С, поэтому наиболее целесообразно для бесконтактного определения температуры применять оптические пирометры. При этом возникает необходимость в разработке проблемно-ориентированных приборов, адаптированных к решению конкретных задач дистанционной диагностики.

Как известно, в традиционных методах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств излучающего тела. При измерении истинной температуры имеющаяся в литературе априорная информация используется в виде коэффициентов излучательной способности. Неполнота этих данных, несоответствие их значений в реальных условиях справочным, и самое главное - изменение свойств излучающей поверхности и промежуточной среды в процессе измерения создают методические погрешности, превышающие инструментальные в десятки и сотни раз. В связи с этим высокая точность любых, в том числе самых прецизионных пирометрических систем, реализующих традиционные методы на практике, часто оказывается иллюзорной. Проблема измерения действительных значений температуры в условиях неизвестной или изменяющейся излучательной способности для современной оптической пирометрии является основной.

Громадный разрыв между инструментальной и методической погрешностями в большинстве случаев может быть ликвидирован или сокращен до приемлемых пределов при рациональном сочетании априорных сведений об излучательных свойствах измеряемого объекта с использованием избыточной информации, содержащейся в спектре его собственного теплового излучения.

Современная элементная база дает возможность существенного повышения точности измерений. Применение многоразрядных АЦП и прецизионных аналоговых компонентов позволяет измерять интенсивность излучения объекта с очень малой инструментальной погрешностью. Для умень-

шения методических погрешностей в каждой конкретной задаче необходимо исследовать систему «объект - измеритель» с помощью математического и физического моделирования и выяснить влияние на точность определения температуры различных параметров пирометрической системы.

Цель работы: Моделирование и исследование методов двухспек-тральной оптической пирометрии для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов с учетом спектральных характеристик широкополосных совмещенных ФПУ и априорной информации об объектах измерений; разработка пирометров спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние ширины полосы спектральной чувствительности ФПУ на точность определения температуры при решении задач оптической пирометрии высокотемпературных процессов с изменяющейся излучательной способностью; определить требуемые характеристики, выбрать базовое ФПУ.

2. Путем моделирования оценить погрешности, возникающие при расчете температуры в пирометрах спектрального отношения на основе выбранного ФПУ; оценить динамический диапазон измерения интенсивности, требуемый для заданного диапазона измеряемых температур и требуемой точности измерений.

3. Разработать метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах.

4. Исследовать особенности оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).

5. Исследовать возможность применения пирометров спектрального отношения для дистанционной диагностики нестационарных быстро-протекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии).

6. Разработать пирометр спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ, предназначенный для научных исследований и практических применений.

Научная новизна

Предложен метод аппроксимации спектрально-зависимой излуча-тельной способности объекта измерения (на примере Fe), позволяющий уменьшить погрешность определения температуры с 250 К до 2,5 К в диапазоне 1000 - 2400 К. Показано, что широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью.

В результате моделирования показано, что регистрация интенсивности излучения в широком спектральном диапазоне обеспечивает снижение требуемого динамического диапазона в 10-40 раз по сравнению с применением узкополосных ФПУ.

Разработан метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах (0,4 - 1,1 мкм и 1,1 - 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностей, и позволяющий определять температуру с погрешностью не более 1°С в диапазоне 800-2000°С.

Экспериментально установлено, что спектральная излучательная способность кремния в интервале 0.4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры (0,62 - 0,6 в диапазоне 700 - 800°С). Показано, что при определении температуры кремния в диапазоне от 700°С до точки плавления погрешность не превышает 3°С на 100°С. Для температур выше точки плавления установлено, что изменение излучательной способности незначительно, и погрешность определения температуры не превышает 0.6°С на 200°С.

Разработан пирометр спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ для определения температуры полупроводников и металлов в твердой и жидкой фазах, а также высокочувствительный пирометр спектрального отношения с высоким (~100изм/сек) быстродействием, позволяющий наблюдать динамику и определять параметры процесса горения мелкодисперсного (~ 100 мкм) топлива.

Практическое значение диссертации

Создан пирометр спектрального отношения для измерения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, предназначенный для применения в промышленных условиях при выращивании монокристаллов методом Чохральского. Изготовлено свыше десяти экземпляров пирометров, которые применены для измерения температуры кремния в ростовых установках по выращиванию монокристаллов (ФГУП «Красмаш», г. Красноярск), а также для измерения температуры расплава алюминия на предприятии порошковой алюминиевой металлургии (ООО «СУАЛ-ПМ», г. Шелехов).

Создан пирометр спектрального отношения с быстродействием 100 изм/сек, который позволяет наблюдать динамику горения частиц мелкодисперсного угольного топлива (размером -100 мкм), определять продолжительность каждой фазы горения, и таким образом судить об эффективности сжигания. Изготовлено два экземпляра прибора, которые применяются для исследования эффективности сжигания водоугольных суспензий (ИТ СО РАН).

Внедрение полученных результатов

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании пирометра спектрального отношения, предназначенного для измерения температуры кремния в установке 221УМК090 по выращиванию монокристаллов кремния методом Чохральского, разработанной ФГУП «Красмаш».

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании пирометра спектрального отношения, входящего в состав экспериментальной установки ИТ СО РАН, предназначенной для исследования процессов горения мелкодисперсного угольного топлива. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и создании пирометра спектрального отношения, предназначенного для измерения температуры расплава алюминия на предприятии порошковой металлургии (ООО «СУАЛ-ПМ»).

Основные положения, выносимые на защиту

Широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью, а также обес-

печивает снижение требуемого динамического диапазона в 10-40 раз.

Аппроксимация спектрально-зависимой излучательной способности объектов измерения (металлов) позволяет существенно (на 2 порядка) уменьшить погрешность определения температуры. Метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах (0,4 -1,1 мкм и 1,1 - 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностей, позволяющий определять температуру с погрешностью не более 1°С в диапазоне 800 -2000°С.

Спектральная излучательная способность кремния в интервале 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры, при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 700°С до точки плавления не превышает 3°С на 100°С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 °С на 200 °С. Разработанные пирометры спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ успешно применены для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, а также для исследований динамики горения мелкодисперсного топлива. Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: XXXVII Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, НГУ, 1999; «SPIE International Symposium on Environmental Monitoring and Remediation Technologies II», USA, Boston, 1999; конкурсах научных трудов молодых ученых ИАиЭ СО РАН в 2000 - 2005 гг. Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе в 4 статьях. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 147 страницах, содержит 53 рисунка и 8 таблиц. Список литературы состоит из 75 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определены цель и задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, составленной на основе обзора литературы, изложены принципы оптической пирометрии и приведены сведения об основных пирометрических методах. Для перечисленных методов указаны их сравнительные преимущества и недостатки, приведены формулы для вычисления температуры и выражения для определения погрешностей. Рассмотрены основные методы учета ширины полосы фотоприемников, введено понятие эффективной длины волны для широкополосного фотоприемника. Показано, что эффективная длина волны зависит от температуры, и эта зависимость в большинстве случаев носит гиперболический характер. Рассмотрены основные методы учета излучательной способности объекта измерения, введено понятие действующей излучательной способности и на его основе приведены методические поправки для различных типов пирометров. На основе электромагнитной теории дана информация о взаимосвязи излучательной способности, коэффициентов поглощения и пропускания с электрическими и магнитными свойствами вещества. Определены основные источники погрешностей при бесконтактном измерении температуры, приведено сравнение величины методической и инструментальной погрешностей. На основе этого сформулирована цель и определены задачи исследований.

Вторая глава посвящена моделированию метода спектрального отношения с использованием априорной и экспериментально полученной информации об оптических свойствах объектов измерений и спектральной чувствительности ФПУ пирометра.

Процесс измерения температуры пирометром спектрального отношения можно представить в виде модели, схематично изображенной на рис. 1.

Рис I Модель, описывающая процесс измерения температуры пирометром спектрального отношения

Излучение, испускаемое объектом с температурой Т и излучательной способностью е(Х, Т), проходя через среду и оптику с функцией пропускания т(X), попадает на фоточувствительную площадку двухспектрального фотоприемного устройства, имеющего характеристики спектральной чувствительности 5|(Х) и 52(Х). Электрические сигналы Б^Х) и 82(Х) с выходов обоих каналов оцифровываются с помощью АЦП и поступают на вход вычислительного блока. Вычислительный блок вычисляет отношение сигналов Я(Т) и по полученной величине производит расчет температуры.

С учетом всех перечисленных параметров выражение для отношения

сигналов можно записать в виде:

\ к

Я(Т)= |^(Л,Г)£Й,Г)Г(/1)5,(ЯУЯ/ ]б(Я,7>(Я,7>(Я)52(Я)ба'

X, А,

где Х|, Х2 и Х3, Х4 - границы спектральной чувствительности 1-го и 2-го фотоприемников соответственно, Ь(Х, Т) - интенсивность излучения черного тела, имеющего температуру Т, на длине волны X.

В приближении Вина для случая монохроматических фотоприемников, при условии что е(Х|) = е(Х2), логарифм отношения сигналов линейно зависит от обратной температуры:

чу5 г х\ ехр

Л(Я„Яг,Г) =

¿»(Я,, Г) Ь(Лг,Т)

т

я,

2 У

(2)

Из выражения (2) следует, что в данном приближении логарифм отношения интенсивностей 1п(Я) линейно зависит от Т"1. Этим обусловлено традиционное использование таких координат в пирометрии спектрального отношения.

В качестве базового ФПУ для моделирования было выбрано двух-спектральное совмещенное ФПУ, конструкция которого схематично изображена на рис.2. ФПУ представляет собой два фотодиода, и ве, совме-

щенные в одном корпусе, так что Бьфотодиод одновременно служит спектральным фильтром для йе-фотодиода. Спектральные характеристики ФПУ определены экспериментально и представлены на рис. 3. Используя полученные зависимости спектральной чувствительности, при помощи выражения (1) моделировался процесс измерения температуры пирометром спектраль-

падающий свет

Рис 2 Устройство ФПУ

ного отношения на основе данного ФПУ

Первоначально вычислялась погрешность определения температуры пирометром спектрального отношения на основе широкополосного совмещенного ФПУ с использованием для вычисления температуры приближения Вина (линейного приближения в координатах 1п(Я), Т'1). На рис. 4 приведена температурная зависимость погрешности определения температуры для широкополосного и узкополосного приемников. Видно, что приближение Вина в случае широкополосного ФПУ дает существенную погрешность и может применяться для вычисления температуры только в сравнительно узком температурном диапазоне. Для измерения температуры во всем диапазоне такое приближение применять нельзя, так как из-за широкой полосы спектральной чувствительности фотоприемников оно дает большую погрешность.

Классическим методом учета ширины спектральной полосы чувствительности фотоприемников является применение эффективной длины волны. В этом методе излучение, регистрируемое фотоприемником, заменяется эквивалентным монохроматическим с некоторой длиной волны которая вычисляется по формуле:

\ь (Л,Г)£-(Л,Г)г(Л).8,(Л)Л1 (3)

Я* = ^-

\х-'Ь (Л,7>(Л,7>(Л)МЛ)</Л

о

Недостатком данного подхода является тот факт, что Хэф зависит от температуры. Для рассматриваемого широкополосного ФПУ зависимость для и бе каналов изображена на рис. 5 и 6, соответственно. Видно, что для 81-канала она близка к линейной, а для Се-канала имеет гиперболиче-

1 о

О 8 06

с 04 £ £ 02

04 06 08 10 12 14 16 16 Длина волны, мкм Рис 3 Спектральная чувствительность ФПУ

1600 2000 Температура К

Рис 4 Погрешность определения температуры

при использовании приближения Вина для широкополосного (I) и узкополосного (2) ФПУ

ский характер. Понятие эффективной длины волны, по определению, позволяет аппроксимировать интеграл по спектру чувствительности фотоприемника значением интенсивности в точке Погрешность такой аппроксимации для 51-канала изображена на рис.7. Видно, что данный подход, традиционно используемый для учета широкополосности, в нашем случае неэффективен и приводит к большой погрешности.

092 090 060 ОМ

0В4 0 82 ООО

1 54 1 52 1 50 1 48 14« 1 44 1 42 1 40 1 38

1 Эв

1Я 1000-к"

800 1000 1200 1400 1600 1600 2000 2200 2400 2600

Т.К

Рис 5 Зависимость эффективной длины Рис б Зависимость эффективной длины волны волны ФПУ от температуры, Бисанал ФПУ от обратной температуры, Ое-канап

Для вычисления температуры во всем диапазоне в работе на основе моделирования предложено применять полином третьего порядка. В этом случае погрешность определения температуры не превышает 0,5°С во всем диапазоне (см. рис. 8). Коэффициенты полинома в реальном пирометре определяются на этапе калибровки по излучению черного тела.

Проведенные расчеты выполнялись для излучения абсолютно черного тела. Как уже было сказано, излучение реальных тел отличается некоторым коэффициентом излучательной способности. Пирометр спектрального отношения обладает таким свойством, что его показания не меняются при одинаковом изменении излучательной способности объекта по каналам. Однако, если имеется отношение излучательных способностей, то его пока-

I -01

I"

-03

ВОО 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Температура К

Рис 7 Погрешность применения эффективной длины волны для широкополосного ФПУ, Бьканал

«00 1000 120О 1400 1600 1800 2ООО 2200 2400 2600 Температура к

Рис 8 Погрешность определения температуры при использовании полинома третьей степени

зания будут иметь погрешность. В работе приведена погрешность определения температуры при различной по каналам излучательной способности для пирометра спектрального отношения на основе широкополосных ФПУ. Показано, что в этом случае зависимость погрешности определения температуры близка к линейной как по температуре, так и по величине коэффициента £]/е2. Это позволяет корректировать показания пирометра, определяя величину £)/е2 по эталонному значению температуры в одной точке.

Для оценки применимости данного подхода к определению температуры реальных объектов в качестве типичной была взята спектральная зависимость излучательной способности железа, изображенная на рис. 9. Отметим, что такое плавное поведение излучательной способности характерно для многих металлов.

Погрешность определения температуры без учета излучательной способности и с аппроксимированной излучательной способностью изображены на рис. 10 и 11 соответственно. Видно, что предложенный метод позволяет улучшить точность измерений примерно на 2 порядка.

Другим важным параметром пирометрической системы является ее динамический диапазон. Результаты расчетов требуемого динамического диапазона измерения интенсивности для и Се каналов широкополосного ФПУ и для узкополосного ФПУ приведены в табл. 1. Видно, что применение широкополосных ФПУ снижает требуемый динамический диапазон в 10-40 раз. Это означает, что применение широкополосных ФПУ позволяет измерять температуру с заданной точностью в более широком диапазоне.

-50

.100' ^ 150

с -200

250.

аоо 1000 1 200 1*00 1вОО ' воа 2000 2200 2400 2000 воо ЮОО 1200 1400 1000 1ЙОО 2000 2300 7*00 2в00

Температура. К Температур» к

Рис 10 Погрешность определения температуры Рис 11 Погрешность определения железа без учета спектральной зависимости температуры железа с аппроксимированной излучательной способности излучательной способностью

Длима ВОЛНЫ, МКМ

Рис 9 Спектральная зависимость излучательной способности железа

Таблица 1.

Диапазон температур Широкополосн. ФПУ Узкополосный ФП(ДХ= 0,01 мкм)

Биканал Се-канал Х=0,6мкм Х=0,8мкм Х=1,5мкм

700-1500°С 1,Н05 9,3-103 2,6-10б 2,2-105 8,3-103

700-1800°С 4,5-105 2,2-104 1,9107 9,5105 1,8-104

800-1500°С 2,9-104 4,4-103 3,2-1О5 4,8104 4,0-103

800-1800°С 1,2-105 1,0-10" 2,3-Ю6 2,МО5 8,9-103

800-2000°С 2,5-105 1,6104 6,з-ю6 4,4-105 1,4-Ю4

800-2200°С 4,8105 2,4-104 1,5-107 8,4105 1,9104

800-2500°С 1,1-Ю6 3,8-104 2,2-107 1,8 106 3,0-104

900-2500°С 3,6105 2,1-Ю4 7,6-106 5,3-Ю5 1,6104

1000-3000°С 4,0-Ю5 2,3-104 6,7106 5,1 -Ю5 1,8104

5

Третья глава посвящена моделированию особенностей оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).

Для определения трансформации излучательной способности кремния при изменении температуры экспериментально определена спектральная зависимость пропускания кремниевой пластинки толщиной 350 микрон для температур от 20 до 400°С (рис. 12). Видно, что при увеличении температуры наблюдается сдвиг края поглощения, одновременно снижается пропускание за краем.

Связь между излучательной способностью тела и его оптическими свойствами описывается выражением:

е(Х)=1-т(Х)-р(Х), (4) где т(Х) - коефф. пропускания, р(Х) - коэфф. отражения.

Полученные данные позволяют определить толщину, свыше которой пропусканием кремния на высоких температурах можно пренебречь и определять излучательную способность только по отражению. Это толщина составляет -4.3 мм. В дальнейшем для измерений был взят образец толщиной

0 7-1 0605 04 03 02 0 1 ■ 00

10 12 14 16 18 20 Длина волны, мкм Рис 12 Спектральная зависимость пропускания кремния при различных температурах

5 мм, на котором измерялось только отражение. Таким образом, была получена зависимость излучательной способности, изображенная на рис. 13.

Видно, что она представляет собой плавную кривую, слабо меняющуюся от температуры и длины волны. Это хорошо согласуется с имеющимися литературными данными, полученными методом эллипсометрии для длины волны Х=633 нм. На основании этих данных можно сделать вывод, что излучательная способность кремния ведет себя таким образом вплоть до точки плавления. В точке плавления кремний переходит в металлическое состояние, его излучательная способность резко меняется. Далее имеется незначительный рост излучательной способности, характерный для металлов.

Моделирование пирометра спектрального отношения с учетом полученных зависимостей излучательной способности показало, что погрешность определения температуры твердого кремния составляет 3°С на Ю0°С. Излучательная способность расплавленного кремния меняется от температуры незначительно, и связанная с ней погрешность определения температуры составляет 0,6°С на 200°С, что ниже инструментальной погрешности пирометра.

Четвертая глава посвящена исследованию возможности применения пирометров спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для дистанционной диагностики нестационарных быстропротекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии).

На основе анализа происходящих при горении физико-химических реакций, установлено, что процесс горения угля состоит из нескольких этапов: прогрев частицы, выделение летучих, горение летучих, воспламенение коксового остатка, горение коксового остатка, остывание шлака. Применение традиционных термопар позволяет определять усредненную температуру процесса, но не позволяет наблюдать динамику происходящих процессов из-за большой инерционности. Поэтому для наблюдения динамики горения предложено применять пирометр спектрального отношения.

¡•02

51

1 -700"С

2 - 600*0

04 05 01 10 12 14 16 18 20

Длина волны мш Рис 13 Спектральная зависимость излучательной способности кремния

Поскольку горение представляет собой процесс, происходящий в условиях отсутствия термодинамического равновесия, спектральная интенсивность излучения пламени не может быть описана формулой Планка и измерять температуру пламени с помощью пирометра невозможно. Пирометр может применяться только для измерения температуры нагретой частицы топлива. Также пирометр позволяет получить дополнительную информацию об интенсивности излучения пламени во время горения, которая может быть использована для регистрации динамики происходящих процессов, с целью их дальнейшего изучения. Термопара, в силу ее инерционности, может быть использована только как эталонный измеритель температуры в тот момент, когда неравновесные процессы уже прекратились.

При наблюдении динамики горящего пламени полученная информация о спектральной интенсивности излучения может быть использована для получения информации о газах, которые горят. Исходя из литературных данных, уголь принято представлять состоящим из летучих, золы и связанного углерода. Установлено, что в процессе горения угля летучие выходят в газовую фазу в виде СН4 и Н2. При горении данных газов следует ожидать излучения радикалов СН и С2 в сине-зеленой области спектра. Таким образом, при помощи пирометра, по спектральному составу излучения пламени можно сделать выводы о химическом составе летучих. Зная состав летучих, можно более количественно определить энергетику процесса горения и дать рекомендации по наиболее эффективному сжиганию углей различных месторождений.

Показано, что основными требованиями, предъявляемыми к пирометру для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива, являются повышенное быстродействие и высокая разрешающая способность оптической системы.

Пятая глава посвящена разработке пирометра спектрального отношения на основе совмещенных широкополосных ФПУ для научных исследований и промышленных применений.

При разработке приборов, ориентированных на промышленное применение, необходимо учитывать дополнительные требования, предьявляе-мые промышленными условиями эксплуатации:

- возможность непрерывной работы в течение неограниченного времени;

- высокая стабильность и повторяемость показаний;

- промышленное исполнение (пыле- и влагозащищенность, устойчивость к вибрациям и помехам питающей сети). Структурная схема разработанного пирометра изображена на рис. 14. Основой пирометра является двухканальное совмещенное широкополосное ФПУ. Как уже было сказано, конструктивно ФПУ представляет собой два фотодиода, 51 и ве, совмещенных в одном корпусе, так что Бидиод является для ве-диода спектральным фильтром. Благодаря применению такого ФПУ, оптическая часть прибора имеет максимально простую конструкцию, состоящую из кварцевой линзы и диафрагмы, позволяющей перестраивать прибор для работы в различных температурных диапазонах. Электронный блок пирометра состоит из двух преобразователей ток/напряжение, двух параллельно работающих АЦП и микропроцессора для вычисления температуры. Разрядность АЦП выбиралась по результатам расчетов динамического диапазона.

□Н

I/U ДОС CPU

дот А07М4 ДТМЯШ

WJ ДОС Supply Unit

Рис 14 Структурная схема пирометра

Для вычисления температуры используется метод, описанный в главе 2. Электрические сигналы с выходов ФПУ, после аналого-цифрового преобразования, поступают на вход микропроцессора. Микропроцессор вычисляет отношение сигналов Я(Т). Для определения температуры по величине отношения используется зависимость Т(Я), определенная на этапе калибровки прибора и сохраненная в энергонезависимой памяти пирометра в виде коэффициентов полинома. Вычисленное значение температуры передается по последовательному каналу 115-485 в управляющую систему или на персональный компьютер. Кроме этого, предусмотрен токовый выход для подключения самописца или других устройств с токовым входом.

Испытания разработанного пирометра проводились на модели черного тела. Получено, что погрешность прибора составляет чуть более ±1°С, а флуктуации показаний не превышают 1°С.

Основные характеристики пирометра:

- Диапазон измеряемых температур, °С

- Спектральные диапазоны, мкм

- Погрешность определения температуры, %

- Воспроизводимость, %

800-2000 0.4-1.!; 1.1 - 1.7 ±0.3 ±0.2

- Частота обновления результата, Гц 1

Разработанный пирометр применяется для определения температуры

кремния на установке 221УМК090 по выращиванию монокристаллов кремния методом Чохральского, разработанной ФГУП «Красмаш». Для привязки показаний пирометра к истинной температуре использовалась точка плавления кремния. В результате испытаний получено, что погрешность определения температуры кремния и воспроизводимость показаний соответствуют требуемым.

Разработан модифицированный пирометр для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива. Для этого увеличено быстродействие в 100 раз и обеспечен сбор света с объекта размером ~ 1 мм.

Основные характеристики пирометра:

- Диапазон измеряемых температур, °С 800 - 1800

- Спектральные диапазоны, мкм 0.4 - 1.1; 1.1 - 1.7

- Погрешность определения температуры, % 0,5.

- Частота обновления результата, Гц 100

Пирометр применяется в теплофизических экспериментах в составе экспериментальной установки, разработанной в ИТ СО РАН и предназначенной для исследования процессов горения мелкодисперсного угольного топлива.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Экспериментально определена спектральная чувствительность совмещенного Si/Ge ФПУ. Путем моделирования показано, что традиционно используемый для учета широкополосности метод эквивалентной длины волны неэффективен из-за существенной зависимости X^ от температуры (0,8 - 0,92 мкм и 1,38 - 1,52 мкм соответственно для Si и Ge каналов в диапазоне температур 1000 - 2400 К) и приводит к погрешности в пределах ± 40%.

2. Предложен метод аппроксимации спектрально-зависимой излучательной способности объекта измерения (на примере Fe), позволяющий уменьшить погрешность определения температуры с 250 К до 2,5 К в диапазоне 1000 - 2400 К. Показано, что широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температу-

ру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью.

3. В результате моделирования показано, что регистрация интенсивности излучения в широком спектральном диапазоне обеспечивает снижение • требуемого динамического диапазона в 10-40 раз.

4. Разработан метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах (0,4 - 1,1 мкм и 1,1 - 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностей, позволяющий определять температуру с погрешностью не более 1°С в диапазоне 800 - 2000°С

5. Установлено, что спектральная излучательная способность кремния в интервале 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры (0,62 - 0,6 в диапазоне 700 - 800°С), при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 700°С до точки плавления не превышает 3°С на 100°С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 °С на 200 °С.

6. В результате исследования процесса горения водоугольных суспензий с характерным размером 1 мм показано, что широкополосная регистрация интенсивности излучения позволяет изучать динамику процессов с высоким временным разрешением (10 мс).

7. Разработан и создан пирометр спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, который может быть применен также для измерения температуры других полупроводниковых материалов. '

8. Разработан и создан высокочувствительный пирометр спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ, предназначенный для определения температуры частиц мелкодисперсного угольного топлива размером ~ 100 мкм и быстродействием ~ 100 изм/сек.

9. Созданные пирометры спектрального отношения применены для измерения температуры кремния в ростовых установках по выращиванию монокристаллов (ФГУП «Красмаш», г. Красноярск), для измерения тем- * пературы расплава алюминия на предприятии порошковой металлургии

(ООО «СУАЛ-ПМ», г. Шелехов), а также для исследования эффективности сжигания мелкодисперсного угольного топлива (ИТ СО РАН)

Список публикаций по теме диссертации:

1. Яковлев А. В. Бихроматический пирометр на основе широкополосного приемника излучения // Материалы XXXVII Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика, 4.1. НГУ. Новосибирск. 1999.

2. Потатуркин О.И., Чубаков П.А., Яковлев A.B. Применение совмещенных фотоприемников для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов //Автометрия. 2000. №6. С. 88 -93.

3. Gofman М.А., Potaturkin O.I., Chubakov P.A., Kolechkin M.V., Jakovlev A.V. Burning parameter diagnostics by means of bichro-matic pyrometer, oxygen, and hydrogen sensors // Proceedings SPIE, 2000, v. 3853. P. 221 -226.

4. Анцыгин В.Д., Борзов C.M., Васьков C.T., Козик В.И., Потатуркин О.И., Шушков H.H., Яковлев A.B. Дистанционная диагностика процессов горения органического топлива // Энергетика Тюменского региона. 2002. № 3. С. 43 - 45.

5. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Васьков С.Т., Козик В.И., Потатуркин О.И., Шушков H.H., Яковлев A.B. Дистанционная диагностика процессов горения органического топлива // Наука -Производству. 2003. № 2. С. 25 - 27.

6. Яковлев А. В. Особенности применения широкополосных приемников излучения в пирометрах спектрального отношения // Автометрия. 2004. №4. С. 44 - 49.

Подписано к печати «3/ » &/>/??Я— 2005 г.

Формат бумаги 60x84 1/16.

Объем 1,25 печ. л., тир. 100. Заказ № ¿09

Отпечатано в Институте автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 1

#22 316

РНБ Русский фонд

2006-4 20292

г

/

<

!

Введение

1. Основы оптической пирометрии

1.1. Физические принципы

1.2. Основные методы оптической пирометрии

1.3. Учет немонохроматичности приемников излучения

1.4. Учет влияния излучательной способности

1.5. Связь излучательной способности с оптическими свойствами

1.6. Основные источники погрешностей при бесконтактном 30 измерении температуры

1.7. Выводы

2. Особенности применения широкополосных приемников излучения в пирометрах спектрального отношения

2.1. Введение

2.2. Оценка погрешности применения приближения Вина

2.3. Влияние широкополосности фотоприемника на погрешность 40 применения приближения Вина

2.4. Оценка погрешности применения приближения Вина для 47 двухспектрального широкополосного совмещенного ФПУ

2.5. Учет влияния излучательной способности измеряемых объектов 57 на точность определения температуры пирометрами на основе широкополосного ФПУ

2.6. Определение динамического диапазона ФПУ, требуемого для 68 заданной разрешающей способности пирометра

2.7. Выводы

3. Бесконтактное измерение температуры объектов с изменяющейся излучательной способностью

3.1. Введение

3.2. Трансформация оптических свойств монокристаллического 75 кремния при изменении температуры

3.3. Оптические свойства расплава кремния

3.4 Влияние изменения излучательной способности на точность 94 определения температуры

3.5 Выводы

4. Применение широкополосных пирометров отношения для исследований динамики процесса сжигания водоугольной суспензии

4.1. Введение

4.2. Исследования горения водоугольной суспензии в лабораторных 104 условиях

4.3. Выводы.

5. Разработка пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для измерения температуры высокотемпературных процессов

5.1. Введение

5.2. Структура прибора

5.3. Описание принципиальной схемы прибора

5.4. Описание алгоритма работы встроенного микропроцессора

5.5. Калибровка прибора

5.6. Результаты испытаний

5.7. Применение пирометра спектрального отношения на основе 127 широкополосного ФПУ для измерения температуры кремния

5.8. Применение пирометра спектрального отношения на основе 131 широкополосного ФПУ для диагностики различных параметров горения мелкодисперсного угольного топлива

5.9. Выводы 137 Заключение 139 Список литературы

Потребность в оперативной дистанционной диагностике высокотемпературных процессов в энергетике, металлургии, при выращивании кристаллов и т.п. в настоящее время непрерывно расширяется, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью автоматизации производства. Требуемый диапазон измеряемых температур, как правило, лежит в пределах от 700 до 2000 °С, применение в этих условиях термопар неэффективно из-за их недолговечности. Таким образом, наиболее целесообразно для решения таких задач применять оптические пирометры. Отсюда возникает необходимость в разработке проблемно-ориентированных приборов, адаптированных к решению конкретных задач дистанционной диагностики.

Как известно, в традиционных методах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств излучающего тела. Имеющаяся в литературе априорная информация при измерении истинной температуры используется в виде коэффициентов излучательной способности. Неполнота этих данных, несоответствие их значений в реальных условиях справочным и, самое главное, изменение свойств излучающей поверхности и промежуточной среды в процессе измерения создают методические погрешности, превышающие инструментальные в десятки и сотни раз. В связи с этим высокая точность любых, в том числе самых прецизионных пирометрических систем, реализующих традиционные методы на практике, часто оказывается иллюзорной. Проблема измерения действительных значений температуры в условиях неизвестной или изменяющейся излучательной способности для современной оптической пирометрии является основной.

Громадный разрыв между инструментальной и методической погрешностями в большинстве случаев может быть ликвидирован или сокращен до приемлемых пределов при рациональном сочетании априорных сведений об излучательных свойствах измеряемого объекта с использованием избыточной информации, содержащейся в спектре его собственного теплового излучения.

Современная элементная база дает возможность существенного повышения точности измерений. Применение многоразрядных АЦП и прецизионных аналоговых компонентов позволяет измерять интенсивность излучения измеряемого объекта с очень малой инструментальной погрешностью. Для уменьшения методических погрешностей в каждой конкретной задаче необходимо исследовать систему «объект - измеритель» с помощью математического и физического моделирования и выяснить влияние на точность определения температуры различных параметров пирометрической системы.

Одним из важных вопросов при разработке проблемно-ориентированной пирометрической системы является оптимальный выбор фотоприемного устройства (ФПУ). От характеристик используемого ФПУ напрямую зависит инструментальная погрешность разрабатываемого прибора.

Кроме того, поскольку излучательная способность объекта измерения может существенно различаться на разных участках спектра, методическая погрешность при определении температуры существенно зависит от оптимального выбора спектрального интервала регистрации интенсивности. Спектральные характеристики ФПУ должны по возможности подбираться таким образом, чтобы минимизировать влияние излучательной способности измеряемого объекта на точность определения температуры.

При выборе спектрального интервала ФПУ следует также учитывать диапазон температур, который предполагается регистрировать. Для достижения максимальной разрешающей способности в заданном интервале измеряемых температур необходимо выбрать такой спектральный интервал, в котором интенсивность теплового излучения измеряемого объекта имеет максимальный температурный контраст.

Традиционно в пирометрии используются узкополосные (монохроматические) ФПУ. Их основным преимуществом является возможность применения упрощенных алгоритмов вычисления температуры, основанных на приближении Вина. Также важно, что в этом случае излучательная способность измеряемого объекта предполагается постоянной на всем спектральном интервале и учитывается в виде коэффициента, не зависящего от длины волны.

Недостатком данного подхода является тот факт, что большинство ФПУ, широко применяемых в пирометрии, изначально имеют широкую полосу спектральной чувствительности и требуют применения различных узкополосных фильтров. Применение узкополосных фильтров существенно усложняет конструкцию оптической части прибора, снижая тем самым его эксплуатационные характеристики.

В тоже время, регистрация интенсивности излучения измеряемого объекта в широком диапазоне позволяет наиболее оптимально использовать характеристики фотоприемника и достичь более высоких показателей отношения сигнал/шум, что особенно важно при измерении объектов с малой интенсивностью излучения. В некоторых случаях, когда излучательная способность измеряемого объекта меняется в процессе измерения, применение широкополосных ФПУ предпочтительнее, так как позволяет минимизировать возникающую методическую погрешность за счет интегрирования.

Применение широкополосных ФПУ в пирометрах, ориентированных на промышленное применение, позволяет получить высокие эксплуатационные характеристики таких приборов за счет существенного упрощения конструкции оптической части прибора.

Цель работы: моделирование и исследование методов двухспектральной оптической пирометрии для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов с учетом спектральных характеристик широкополосных совмещенных ФПУ и априорной информации об объектах измерений; разработка пирометров спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние ширины спектральной полосы чувствительности ФПУ на точность определения температуры при решении задач оптической пирометрии высокотемпературных процессов с изменяющейся излучательной способностью; определить требуемые характеристики, выбрать базовое ФПУ.

2. Путем моделирования оценить погрешности, возникающие при расчете температуры в пирометрах спектрального отношения на основе выбранного ФПУ; оценить динамический диапазон измерения интенсивности, требуемый для заданного диапазона измеряемых температур и требуемой точности измерений.

3. Разработать метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах.

4. Исследовать особенности оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).

5. Исследовать возможность применения пирометров спектрального отношения для дистанционной диагностики нестационарных быстропротекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии).

6. Разработать пирометр спектрального отношения на основе широкополосных совмещенных ФПУ, предназначенный для научных исследований и практических применений.

Работа состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы.

В первой главе, составленной на основе обзора литературы, изложены принципы оптической пирометрии и приведены сведения об основных пирометрических методах. Для перечисленных методов указаны их сравнительные преимущества и недостатки, приведены формулы для вычисления температуры и выражения для определения погрешностей. Рассмотрены основные методы учета ширины полосы фотоприемников, введено понятие эффективной длины волны для широкополосного фотоприемника. Показано, что эффективная длина волны зависит от температуры, и эта зависимость, в большинстве случаев, носит гиперболический характер. Рассмотрены основные методы учета излучательной способности объекта измерения, введено понятие действующей излучательной способности и на его основе приведены методические поправки для различных типов пирометров. На основе электромагнитной теории дана информация о взаимосвязи излучательной способности, коэффициентов поглощения и пропускания с электрическими и магнитными свойствами вещества. Определены основные источники погрешностей при бесконтактном измерении температуры, приведено сравнение величин методической и инструментальной погрешностей. На основе этого сформулирована цель и определены задачи исследований.

Вторая глава посвящена моделированию метода спектрального отношения с использованием априорной и экспериментально полученной информации об оптических свойствах объектов измерений и спектральной чувствительности ФПУ пирометра.

В качестве базового ФПУ для решения поставленных задач было выбрано совмещенное двухспектральное широкополосное ФПУ. ФПУ представляет собой кремниевый (81) и германиевый (Ое) фотодиоды, причем 8ьфотодиод помещен перед Ое-фотодиодом и служит для него спектральным фильтром. Для выбранного приемника экспериментально определены кривые спектральной чувствительности каждого из двух каналов.

Используя полученные зависимости спектральной чувствительности, рассчитывались погрешности различных приближенных методов вычисления температуры. Показано, что общепринятый подход представления широкополосного фотоприемника как узкополосного с некоторой эффективной длиной волны не обеспечивает требуемой точности определения температуры. Показано, что использование при вычислении температуры упрощенного алгоритма, основанного на приближении Вина, допустимо только для сравнительно узкого диапазона измеряемых температур. Предложено для вычисления температуры в широком диапазоне применять полином 3-й степени.

Кроме того, проводилась оценка погрешности измерения температуры при различных характеристиках излучательной способности объекта. Предложен метод аппроксимации излучательной способности объекта, позволяющий повысить точность определения температуры.

Для различных диапазонов измеряемых температур определен требуемый динамический диапазон измерения интенсивности излучения. Показано, что для заданного диапазона измеряемых температур и точности измерений в случае использования широкополосного ФПУ по сравнению с узкополосным требуется меньший динамический диапазон.

Третья глава посвящена моделированию особенностей оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния).

Получены собственные данные об излучательной способности кремния в спектральном диапазоне 0,4 - 1,8 мкм для температур 700 и 800 °С, которые использованы при моделировании задач пирометрии твердого кремния. Выше точки плавления использованы данные из литературы, полученные методом эллипсометрии и отражения.

Установлено, излучательная способность кремния представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся с температурой. Моделированием пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ показано, что изменение излучательной способности от температуры слабо влияет на точность измерений.

Четвертая глава посвящена исследованию возможности применения пирометров спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ для дистанционной диагностики нестационарных быстропротекающих процессов (на примере горения водоугольной суспензии)

Показано, что основными требованиями, предъявляемыми к пирометру, предназначенному для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива, является повышенное быстродействие и высокая разрешающая способность оптической системы.

Пятая глава посвящена разработке пирометра спектрального отношения на основе совмещенных широкополосных ФПУ для научных исследований и промышленных применений.

Разработанный пирометр спектрального отношения обеспечивает следующие параметры:

- Диапазон измеряемых температур, °С 800 - 2000

- Спектральные диапазоны, мкм 0.4 - 1.1; 1.1 - 1.7

- Погрешность определения температуры, % ±0.3

- Воспроизводимость, % ± 0.2

- Частота обновления результата, Гц 1

- Время отклика канала связи, не более, мс 10

- Скорость передачи данных, кбит/сек 38.4 Разработан модифицированный пирометр для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива. Для этого увеличено быстродействие в 100 раз и обеспечен сбор света с объекта размером ~ 1 мм.

Основные характеристики пирометра:

- Диапазон измеряемых температур, °С 800 - 1800

- Спектральные диапазоны, мкм 0.4 - 1.1; 1.1 - 1.7

- Погрешность определения температуры, % 0,5

- Частота обновления результата, Гц 100

- Скорость передачи данных, кбит/сек 115,2 Разработанные и созданные пирометры спектрального отношения на основе широкополосных ФПУ нашли практическое применение при автоматизированном контроле процесса выращивания монокристаллов кремния (ФГУП «Красмаш») и при исследовании эффективности сжигания водоугольных суспензий (ИТ СО РАН).

На защиту выносятся следующие положения:

- Широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью, а также обеспечивает снижение требуемого динамического диапазона в 10-40 раз.

- Аппроксимация спектрально-зависимой излучательной способности объектов измерения (металлов) позволяет существенно (на 2 порядка) уменьшить погрешность определения температуры.

- Метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах

0,4 -1,1 мкм и 1,1 - 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностей, позволяет определять температуру с погрешностью не более 1°С в диапазоне 800-2000°С.

Спектральная излучательная способность кремния в интервале 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры, при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 700°С до точки плавления не превышает 3°С на 100°С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 °С на 200 °С. Разработанные пирометры спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ успешно применены для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, а также исследования динамики горения мелкодисперсного топлива.

5.9. Выводы

1. На основе проведенных исследований разработан и создан пирометр спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ, который может применяться для лабораторных исследований и промышленных измерений.

2. Разработан и создан пирометр спектрального отношения для измерения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, который может быть использован также для диагностики других полупроводниковых материалов.

3. Разработан и создан быстродействующий пирометр спектрального отношения, позволяющий получать информацию о быстропротекающих процессах горения мелкодисперсного угольного топлива и определять эффективность его сжигания. Созданные пирометры нашли практическое применение при автоматизированном контроле процесса выращивания монокристаллов кремния (ФГУП «Красмаш») и при исследовании эффективности сжигания мелкодисперсного угольного топлива (ИТ СО РАН).

Заключение

Таким образом, в данной работе:

1. Экспериментально определена спектральная чувствительность совмещенного Si/Ge ФПУ. Путем моделирования показано, что традиционно используемый для учета широкополосности метод эквивалентной длины волны неэффективен из-за существенной зависимости АЭф от температуры (0,8 - 0,92 мкм и 1,38 - 1,52 мкм соответственно для Si и Ge каналов в диапазоне температур 1000 -2400 К) и приводит к погрешности в пределах ± 40%.

2. Предложен метод аппроксимации спектрально-зависимой излучательной способности объекта измерения (на примере Fe), позволяющий уменьшить погрешность определения температуры с 250 К до 2,5 К в диапазоне 1000 - 2400 К. Показано, что широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью.

3. В результате моделирования показано, что регистрация интенсивности излучения в широком спектральном диапазоне обеспечивает снижение требуемого динамического диапазона в 10-40 раз.

4. Разработан метод определения температуры, основанный на регистрации интенсивности излучения в двух широких спектральных диапазонах (0,4 -1,1 мкм и 1,1 - 1,8 мкм) с последующим вычислением полинома 3-й степени по отношению этих интенсивностей, позволяющий определять температуру с погрешностью не более 1 °С в диапазоне 800-2000°С.

5. Установлено, что спектральная излучательная способность кремния в интервале 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры

0,62 - 0,6 в диапазоне 700 - 800°С), при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 700°С до точки плавления не превышает 3°С на 100°С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 °С на 200 °С.

6. В результате исследования процесса горения водоугольных суспензий с характерным размером 1 мм показано, что широкополосная регистрация интенсивности излучения позволяет изучать динамику процессов с высоким временным разрешением (10 мс).

7. Разработан и создан пирометр спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, который может быть применен также для измерения температуры других полупроводниковых материалов.

8. Разработан и создан высокочувствительный пирометр спектрального отношения на основе совмещенного Si/Ge ФПУ, предназначенный для определения температуры частиц мелкодисперсного угольного топлива размером -100 мкм и быстродействием -100 изм/сек.

9. Созданные пирометры спектрального отношения применены для измерения температуры кремния в ростовых установках по выращиванию монокристаллов (ФГУП «Красмаш», г. Красноярск), для измерения температуры расплава алюминия на предприятии порошковой металлургии (ООО «СУАЛ-ПМ», г. Шелехов), а также для исследования эффективности сжигания мелкодисперсного угольного топлива (ИТ СО РАН).

1. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука. 1982.

2. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. М.: Наука. 1968.

3. Свет Д.Я. ДАН СССР, 1962, т. 142, № 2, с. 333.

4. В levin W. R. //Metrología. 1972. №8. P. 146.

5. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. / Под ред. Б.А. Хрусталева. М.: Мир. 1975.

6. Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж и др. Датчики измерительных систем. / Перевод с франц. под ред. A.C. Обухова. М.: Мир. 1992.

7. Hyde, Cady, Forsythe. // Astrophys. J. 1915. vol. 42. P. 294.

8. Саяпина В.И., Ежова Т.Н., Свет Д.Я. Зависимость поправок на излучательную способность от температуры. // В кн.: Объективные методы пирометрии излучения металлов. М.: Наука. 1976. с. 26.

9. Herne LH. // Brit. J. Appl. Phys. 1953. 4. December. P. 374 377.

10. Hecht G.I. // Temperature. Its Measurement and Control in Science and Industry, v. 3. pt 2. N.Y. Reinhold Publ. Corp. 1962. P. 407-417.

11. Ежова Т.Н. Температурная зависимость эффективных и эквивалентных длин волн в пирометрии излучения. // В кн.: Объективные методы пирометрии излучения металлов. М.: Наука. 1976. С. 20 25.

12. Свет Д.Я., Саяпина В.И., Жуков А.Г., Кальфа A.A., Горюнов А.Н. Некоторые вопросы измерения температуры в тепловидении. // В кн.: Объективные методы пирометрии излучения металлов. М.: Наука. 1976. С. 51.

13. Beavans I.T., Gier J.T., Dunkle R.V. Trans. ASME, 1958. Jan. 10. Pap. 57-A-29.P. 1-10.

14. Чеховской Ю.Я., Шестаков E.H., Латыев J1.H. // В кн.: Теплофизические свойства веществ при высоких температурах. М.: ИВТАН АН СССР. 1978. С. 204.

15. Стреттон Дж. А. Теория электромагнетизма. М.: Гостехиздат. 1978.

16. Рибо Г. Оптическая пирометрия. М.: Гостехиздат. 1934. с. 455.

17. Поскачей A.A., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергоатомиздат. 1988.

18. Соколов A.B. Оптические свойства металлов. М.: Физматгиз. 1961.

19. Старк Б.В., Шашков Ю.М. Влияние шероховатости поверхности и пленки твердых и жидких металлов на точность измерения оптическими способами. // Известия АН СССР. 1952. №3. С. 395-404.

20. Невский A.C., Ильчукова J1.B. О влиянии микрошероховатости на характер излучения поверхности. // Теплофизика высоких температур. 1968. T. IV. №6. С. 1035-1039.

21. Хассен С.А., Денк A.M., Бюлов Ф.Х. Исследование излучательных характеристик композиций окисел-металл. // Ракетная техника и космонавтика. 1968. т. 6. С. 166-171.

22. Бреннон P.P., Голдстейн Р.Ж. Степень черноты окисных пленок на металлической подложке. // Теплопередача. 1970. №2. С. 49-57.

23. Киселева М.С., Непоренко Б.С., Федорова Е.О. Поглощение инфракрасной радиации при неразрешенной структуре спектра для наклонных путей в атмосфере (действие Н20 и СО) // Физ. атмосферы и океана. 1967. Т. 3. №6. С. 640-653.

24. Howard J.N., Burch D.E., Williams B.K. Infrared transmission of syntetic atmospheres. Absorption by carbon dioxide. Absorption by water vapour // J. of the Optical Sc. of America. 1956. V.46. P.273-244.

25. Киренков И.И. Метрологические основы оптической пирометрии. M.: Изд-во стандартов. 1976.

26. Поскачей А.А., Свенчанский А.Д. Измерение температуры пирометрии с учетом стороннего излучения // Электротермия. Науч.-техн. Сб. М.: Информэлектро. 1978. №3 (187). С. 3-4.

27. В.И. Букатый, В.О. Перфильев Автоматицированный цветовой пирометр для измерения высоких температур при лазерном нагреве. //ПТЭ. 2001. №1. С.160.

28. Снопко В.Н. Измерение яркостной температуры широкополосным пирометром. // ИФЖ. 1993. №1. С. 67-72.

29. Пат. 2046303 РФ. Оптический пирометр / Ю.Н. Долганин. Регистрация 20.10.95. Приоритет 3.03.93.

30. Долганин Ю.Н., Завьялов В.М., Козлов Ю.К. и др. Пирометр спектрального отношения для измерения истинной температуры углеродистых сталей // Измерительная техника. 1997. №2. С.23.

31. Потатуркин О.И., Чубаков П.А., Яковлев А.В. Применение совмещенных фотоприемников для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов //Автометрия. 2000. №6. С.88.

32. ГОСТ 9411-75.Стекло оптическое цветное.

33. Гроссорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. М.: Мир. 1988.

34. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М. Наука. 1965.

35. Швец В.А., Чикичев С.И., Прокофьев В.Ю., Рыхлицкий C.B., Спесивцев Е.В. Эллипсометрический комплекс для исследования быстропротекающих высокотемпературных процессов. // Автометрия. 2004. Т. 40. №6. С.61-69.

36. SpesivtsevE.V., Rykhlitsky S.V.,Shvets V.A. et. Al. Time resolved microellipsometry for rapid thermal processes monitoring // Thin Solid Films. 2004. 455-456. P. 700.

37. Wakagi M., Fujiwara H, Collins R.W. Real time spectroscopic ellipsometry for characterization of the crystallization of amorphous silicom by thermal annealing // Thin Solid Films. 1998. 313-314. P. 464.

38. Аверьянова М.Ю., Карпов С.Ю. Оптическое исследование кинетики плавления кристаллического германия под действием наносекундных лазерных импульсов. // ФТТ. 1990. Т. 32. №2. С.548-558.

39. Jellison G.E., Jr., Lowndes D.H., Mashburn D.N., and Wood R.F.Time-resolved feflectivity measurements on silicon and germanium using a pulsed eximer KrF laser heating beam. // Physical Review. 1986. vol. 34. №4. P. 2407-2415.

40. Гусаков Г.М., Комарницкий А.А. Аномальное поведение оптических параметров кремния при импульсном лазерном нагреве. // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. вып. 3. С. 166-170.

41. Питер Ю., Кардона М. Основы физики полупроводников. Пер. с англ. 3-е изд. М.: Физматлит. 2002.

42. Azzam R. М. A., Bashara N. М. Ellipsometry and Polarized Light. North-Holland. Amsterdam. 1977.

43. Lampert M.O., Koebel J.M., Siffert P. Temperature dependence of the reflectance of solid and liquid silicon // J. Appl. Phys. August 1981. 52(8). P. 4975-4976.

44. Zhou Guosheng, Fauchet P.M., Siegman A.E., Growth of spontaneous periodic surface structures on solids during laser illumination. // Physical Review. 1982.Vol. 26. № 10. P. 5366-5381.

45. Murakami K., Takita K., Masuda K., // Jpn. J. Appl. Phys. 1981. 20. L867.

46. Jelisson G.E., Jr., Modine F.A. // Appl. Phys. Lett. 1982. 41. 180.

47. Шварев K.M., Баум Б.А., Гельд П.В. Оптические свойства жидкого кремния // ФТТ. 1974. т. 16. № 11. С. 3246-3248.

48. Ивлев Г.Д., Гацкевич Е.И. Температурное изменение оптических свойств жидкой фазы при наносекундном лазерном плавлении кремния и германия. // ФТП. т. 30. вып. 11. 1996.

49. Van der Meulen Y.J., Hien N.C. Design and operation of. an automated, high-temperature ellipsometer. // J. Opt. Soc. Am. 1974.vol. 64. №6. P. 804 -811

50. American Institute of Physics. Handbook. N.Y. Mc Craw Hill. 1972.

51. Магомедов Я.Б., Биланов A.P. Теплопроводность и соотношение Видемана-Франца в расплавах антимонидов индия и галлия. // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35. вып. 5. С. 521 523.

52. Joffe A.F., Regel A.R.// Progr. Semicond. London. 1960. 4. 237.

53. Глазов B.M., Чижевская C.H., Глаголева H.H. Жидкие полупроводники. М. Наука, 1967.

54. Дж. Займан. Электроны и фотоны. М. ИЛ. 1962.

55. Данилов. В.И., Неймарк В.Е. О наличии зародышей кристаллизации выше точки плавления и строение жидкостей. // ЖЭТФ. 1937. Т.7. С. 1168-1176.

56. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. М.: ГИТТЛ, 1955.

57. Регель А.Р. О связи строения жидкостей с их электрическими свойствами // Строение и физичиеские свойства вещества в жидком состоянии. Киев. Изд-во КГУ им. Т.Г. Шевченко. 1954. С. 117-131.

58. Регель А.Р. Исследование электронной проводимости металлов, сплавов и интерметаллических соединений в жидком состоянии // Структура и свойства жидких металлов. М.: Изд-во ин-та металлургии им. A.A. Байкова АН СССР. 1959. С. 3-48.

59. Глазов В.М., Петров Д.А. Исследование температурной зависимости вязкости германия // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук. 1958. №2. С. 15-19.

60. Петров Д.А., Глазов В.М. Об изменениях в структуре ближнего порядка в предкристаллизационный период у полупроводниковых химических соединений с решеткой типа ZnS // Докл. АН СССР. 1958. Е. 120. С. 293-295.

61. Глазов. В.М. Об особенностях изменения структуры и характера химической связи полупроводников при плавлении // Изв. АН СССР. Отделение техн. наук. 1960. №6. С. 11-116.

62. Глазов В.М. Современное развитие исследований эффекта послеплавления в расплавах полупроводников. // Неорганические Материалы. 1996. Т. 32. №11. С. 1287-1305.

63. Бабкин Д.Г., Баласанов A.B. Расчет состава газов при скоростном пиролизе угля в оксидном расплаве // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2004. №1.

64. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Васьков С.Т., и др. Селективная диагностика пламени газообразных углеводородов // Оптический журнал. 1996. №10.

65. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Потатуркин О.И., Шушков H.H. Трансформация спектральных свойств углеводородного пламени при изменении режима горения // Автометрия, 1997,№6,С. 90.

66. Борзов С.М., Васьков С.Т., Козик В.И. и др. Дистанционная диагностика процессов горения органического топлива // Энергетика Тюменского региона. 2002. №3. С. 43-45.

67. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Васьков С.Т., и др. Дистанционная диагностика процессов горения органического топлива // Наука-производству. 2003. №2(58). С.25-27.

68. Бурдуков А.П., Карпенко Е.И., Попов В.И. и др. Экспериментальное исследование динамики горения капель водоугольных суспензий //°Физика горения и взрыва. 1996. Т.32. №4. С.62-66.

69. Бурдуков А.П., Попов В.И., Федосенко В.Д. Исследование динамики горения частиц малолетучих топлив на основе измерения термометрической и цветовой температуры // Физика горения и взрыва. 1999. Т.35. №5. С.27-30.

70. Burdukov А.Р., Popov V.l., Tomilov V.G., Fedosenko V.D. The rheodynamics and combustion of coal-water mixtures // Fuel. 2002. P.927-933.

71. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. / под ред. Шейдлина, А.Е. М. Энергия. 1974.

72. Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива М.: Наука. 1994.

73. Техническая энциклопедия. М. ОГИЗ РСФСР. 1934. т.23. С.695-699.

74. Анцыгин В.Д., Борзов С.М., Васьков С.М. и др. Оптимизация процессов горения на основе анализа параметров пламени //Автометрия. 1999. №5. С. 3-11.

75. Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning. Analog Devices. 1998.