автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра

УДК 536.521.2

На правах рукописи

Шелковой Денис Сергеевич ¿¿{¡г-о*^^-*—-

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И СХЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО ТРЕХСПЕКТРАЛЬНОГО ПИРОМЕТРА

05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2010

003493357

Работа выполнена в ГОУВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Тымкул Василий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Серьёзное Алексей Николаевич;

кандидат технических наук Федоринин Виктор Николаевич.

Ведущая организация - Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится 8 апреля 2010 г. в 12.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, СГТА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 03 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Симонова Г. В.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 02.03.2010. Формат 60x84 1/16. Усл. псч. л. 1,34. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100. Печать цифровая. Заказ í¿ .

Редакционно-издательский отдел СГТА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатиой лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В основу классических теории, методов построения и оптико-электронных схем современных оптических пирометров заложены труды и монографии таких ученых, как Свет Д. Я., Гордое А. Н., Снопко В. Н., Поскачей А. А. и Чубаров Е. П. Уровень состояния теории и практики этого класса оптико-электронных приборов и систем, на наш взгляд, отражен и обобщен в монографиях этих ученых.

В теории и практике оптической пирометрии и оптико-электронных систем измерения температур объектов известны методы радиационной (энергетической) Тг, яркостной Тя и цветовой Тт температур, которые лежат в основе бесконтактных исследований истинной (термодинамической) температуры.

При этом температура Т поверхности реального объекта связана с измеряемыми эквивалентными температурами Тя или Гщ определенными соотношениями, в которых используется информация о коэффициенте излучения поверхности исследуемого объекта.

П<}этому, как в классических, так и в современных методах и устройствах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств и состояния поверхности исследуемого объекта. Априорная информация об оптических свойствах поверхности объектов при измерении температуры поверхности используется в виде коэффициентов излучения, табулированных в справочной литературе. Очень часто используемая информация о коэффициентах излучения поверхности объекта является недостаточной для использования в процедуре измерения температуры классическими или известными современными методами оптической пирометрии.

Кроме того, при создании низкотемпературных пирометров, определяющих температуру поверхности окружающих объектов, например, при оценке качества теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и производственных зданий необходимо учитывать влияние соизмеримого излучения окружающего фона, отражающегося от исследуемой поверхности, и наличие излучения оптических элементов прибора.

В этой связи тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию принципов построения и схемы оптического трехспек-трального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения окружающего фона, отражающегося исследуемой поверхностью, и излучения оптических элементов прибора представляется актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование принципов построения пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить обзор и провести анализ современных методов и устройств бесконтактного измерения температуры поверхности объектов;

- разработать методику и принципы построения пирометра для реализации бесконтактного измерения температуры поверхности объектов в условиях влияния отраженного от их поверхности излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора;

- разработать оптико-электронную схему пирометра, провести математическое моделирование ее работы, а также экспериментальные исследования на лабораторном макете;

- разработать методику расчета и провести исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения фона и оптических, элементов пирометра.

Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования являются оптические и оптико-электронные пирометры, предназначенные для измерений температуры поверхности излучающих объектов. Его предмет составляют насущные вопросы теории, методов и принципов построения новых схем пирометров, определяющих температуру поверхности объектов в условиях учета отраженного от их поверхности теплового излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора.

Теоретическая и методологическая база исследования. Теоретической и методологической основой настоящей работы являются законы теплового излучения реальных тел, теория и методы радиационной, яркостной и цветовой термометрии, а также эффекты отражения оптического излучения протяженными излучающими поверхностями.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложена методика бесконтактного измерения температуры поверхности непрозрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их поверхностей, основанная на измерении потока теплового излучения объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;

- разработаны и исследованы математическая модель, алгоритм работы и оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра;

- разработана и исследована теория работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;

- разработана методика расчета и проведены исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.

На защиту выносятся

- методика бесконтактного измерения температуры поверхности непрозрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их поверхностей, основанная на измерении потока теплового излучения объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;

- оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра;

- теория и математическая модель работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;

- методика расчета и результаты исследований пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:

- предложенная методика бесконтактного определения температуры поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения фона, отраженного от исследуемой поверхности, может быть использована как в оптической пирометрии, так и в теории и практике новых систем тепловидения и радиометрии;

- разработана оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра, позволяющая определять температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра; на устройство данного пирометра получен патент РФ на изобретение К» 2219504;

- разработанные теория работы и схема оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех могут быть использованы в теории и практике тепловизионных систем и спектрозо-нальных радиометров, что позволяет повысить их эффективность и расширить информативные возможности получаемых данных;

- разработанная методика расчета пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра может быть использована для расчета чувствительности оптико-электронных систем измерения температур;

- материалы диссертационной работы внедрены в ФГУП «ЦКБ Точпри-бор», ФГУП «ПО «НПЗ», ФГУП «НПП «Восток», а также в учебный процесс на кафедре оптико-электронных приборов СГГА.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты работы были представлены и обсуждены на научно-технических семинарах кафедры оптико-электронных приборов СГТА, LI - LUI научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2001-2003 гг.), научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодезического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001 г.) и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «Г'ЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009».

Публикации (по теме диссертации). По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них две статьи опубликованы в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобрнауки РФ, получен патент РФ на изобретение. В работах, выполненных в соавторстве, анализ методик расчетов и экспериментов, проведение расчетов и экспериментальных исследований, интерпретация результатов выполнены лично диссертантом.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, вклю-

чающего 60 наименований, и приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц (объем основного текста - 134 страницы). Работа содержит четыре таблицы, 36 рисунков, восемь приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, методы исследования, новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен обзор и анализ классических методов и средств оптической пирометрии, при помощи которых определяется некоторая условная температура (радиационная, яркостиая или цветовая). Для определения действительной температуры излучаемой поверхности необходимо производить ее вычисления с привлечением дополнительной информации о коэффициентах излучения исследуемых объектов и сред. В этом же разделе анализируются современные методы и устройства для определения действительной температуры поверхности объекта с привлечением дополнительной информации о коэффициентах излучения поверхности исследуемых объектов и сред.

Также в разделе отмечается необходимость учета явления отражения теплового излучения протяженного фона от поверхности объекта, что очень существенно при проектировании низкотемпературных пирометров. Указывается, что практически только применительно к классическим методам радиационной, яркостной и цветовой температур рассмотрено влияние теплового излучения фона на значение измеряемых температур излучающих поверхностей в оптической пирометрии.

Выводы, сформулированные в данном разделе, определяют цели и задачи работы и подтверждают ее актуальность.

Во втором разделе изложены разработанные методика работы, принципы построения, оптическая и электрическая схема оптического трехспектраль-ного пирометра. Физические основы разработанного пирометра заключаются в приеме и измерении потока теплового излучения поверхности объекта в трех спектральных диапазонах и учете отраженного от поверхности объекта теплового излучения фона с абсолютной температурой 7ф и собственного излучения

оптических элементов схемы пирометра с температурой Т0.

Выходной сигнал приемника излучения пирометра, который формируется собственным излучением поверхности объекта, равен

U(Xj)=A<a3pS(X)l^{Xj)i0{X)ta{X)x^kXKT), (1)

где U(X,T) - напряжение на выходе приемника излучения;

А - площадь входного зрачка объектива;

созр -телесный угол поля зрения оптической системы;

S(X) - спектральная чувствительность приемника излучения;

¿0 - спектральная яркость АЧТ при температуре Т; т0(А.), та(А,), Тф(Я.) - спектральные коэффициенты пропускания оптической системы, слоя атмосферы и спектрального фильтра соответственно;

е(Х,Г) - спектральный коэффициент излучения поверхности объекта.

Для дальнейшего анализа сигналов на выходе приемника излучения воспользуемся понятием эффективной длины волны спектрального диапазона, которая в общем случае определяется, исходя из выражения

\ г{Х,Т)1?{к,Т)хф{Х)8(\)<1к А-эф = -, (2)

где ХЭф - эффективная длина волны излучения;

X,, А.2 - длины волн, соответствующие границам спектральной чувствительности приемника излучения пирометра.

В этой связи в уравнении (1) под длинами волн X будем понимать эффективные длины волн каждого из спектральных диапазонов.

Для решения уравнения (1) выбираем во всем спектральном интервале чувствительности приемника излучения N спектральных диапазонов, причем левая длина волны начала каждого последующего спектрального диапазона, начиная со второго, совпадает с правой длиной волны конца предыдущего, а спектральный диапазон одного из них охватывает спектральные диапазоны всех остальных. Для простоты примем Ы= 3.

Представим связь коэффициента излучения на эффективной длине волны третьего диапазона с коэффициентами излучения в первом и втором спектральных диапазонах, в виде:

А-з Х2 А-3

е(ьэфз)=(1 / ДХ3) | е(Л)Л=(1 / ДХ3) { е(Л)Л+(1 / Ак3)} г(Х)сй. =

Л] X) , >-2

= / АХ3 >(хэф,)+ {А\2 / Д^з )е(А.эф2 } (3)

где е(ХЭф!), е(^.5ф2), ) - спектральные коэффициенты излучения поверхности объекта на соответствующих эффективных длинах волн;

ДА,], ДХз.А^з ~ ширина полосы длин волн выбранных спектральных диапазонов;

А.1, %2 Аз ~ крайние длины волн соответственных спектральных диапазонов.

Введя замены для удобства дальнейших записей, из формулы (3) полу-

чим:

где

е^зфз)=а,е(Я,^,)+ о^е^),

_ ДХ] _ ДХ2 А^з' ДАз

Также введем обозначение

Ц = Аазр^М^Ы^Ц& = Ь 2,3,

(4)

(5)

(6)

где КиК2, К3 - постоянные пирометра для первого, второго и третьего спектрального диапазонов соответственно.

Тогда на основании законов Планка и Кирхгофа и с учетом формул (4) и (6), выражение (1) для выходных сигналов пирометра, работающего в трех спектральных диапазонах на эффективных длинах волн , будет представлено в виде системы уравнений с тремя неизвестными Е^Х^,), е(Хэф2) и Т:

т тЬ т\ М^эфЬ т)+ «2в(^эф2.

-ехр(с2/(.эфзГ))-1-•

где С2 - вторая постоянная в формуле Планка.

Следует отметить, что априори известен спектр относительного коэффициента излучения е0(Я) исследуемой поверхности, который используется для расчета А.эф, поэтому, в общем случае, абсолютные коэффициенты излучения е(Я,эф1) и е^^) в формуле (7) считаются неизвестными величинами. Это говорит о наличии неполной информации о спектральном коэффициенте излучения, поверхности объекта.

На основании системы уравнений (7) получено уравнение относительно переменной Л'как обратной температуры (Х = 1/Т), которое решается численными методами вычислений

Мехр^-ГН) | Р2(ехр(72^)-1)_1

ехр(уз^)-1 ехр(у3^)-1

(В)

В уравнении (8) приняты обозначения:

= = а2АГзС/(Хэф2) =_£2_ =_£2_ __£2_

^эф2 ^эфЗ

Основной задачей оптического пирометра является бесконтактное измерение температуры излучающей поверхности исследуемого объекта. При этом поверхность объекта не только излучает, но и отражает оптическое излучение окружающего фона. Поэтому при формировании суммарного выходного сигнала немаловажная роль отводится и свойствам теплового излучения окружающего непрозрачный объект фона и собственного излучения оптических элементов пирометра.

В этой связи, основные положения работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех следующие. Под внешними помехами подразумевается воздействие излучения фона, а под внутренними - оптических элементов пирометра. Поэтому, при работе пирометра в условиях наличия внешнего фонового и внутреннего оптического излучения оптических элементов можно записать следующую систему уравнений:

+- е(^эфЗ 1ЬфонКфз]+ и0 (*эфЗ )

В этой системе уравнений, помимо ранее указанных, приняты следующие обозначения:

), (/фон(А,эф, ) и и0 (А,эф;) - значения сигналов на выходе приемника излучения пирометра на »-й длине волны, соответственно, при визировании исследуемого объекта, участков фона и при закрытом входном зрачке прибора;

т) - коэффициент, зависящий от геометрии освещения фоном поверхности объекта и индикатрисы отражения его поверхности.

На основании данной системы уравнений в приближении Вина получено следующее выражение относительно X = 1/Т, в котором учитывается влияние излучения фона и оптических элементов прибора как внешней и внутренней помех:

в

-сг/ -сг/ _с2/

/КллТ и \ /^эфг^фон

-СЧ

ЛЕфон^эфЗ

[(л-эфз)6

-с2.

^■эфЗ^фон

где

А = ™Ч*эф1 ^ Е7! (^эф1)' Л ^фон (*-эф1)" ^о (*эф1 )]>

(11) (12)

-5

С ~ "с^>3 [^Х(^зфЗ)~ Л^фон(^зфЗио(^эфз)].

(13)

где С1 - первая постоянная в формуле Планка.

В данном разделе также приведены схема алгоритмов моделирования и управления работой пирометра и схема алгоритма процедуры расчета температуры поверхности исследуемого объекта.

Разработанная функциональная схема оптического трехспектрального пирометра приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Функциональная схема оптического трехспектрального пирометра

Принцип работы пирометра заключается в следующем: тепловое излучение от поверхности исследуемого объекта собирается зеркально-линзовым объективом 1, проходит диск обтюратора 2, прерывающий поток излучения с определенной частотой. Затем поток излучения проходит через турель 3 с размещенными на ней спектральными фильтрами. При вращении турели происходит последовательный ввод спектральных фильтров, и поток излучения поочередно разделяется на три спектральных диапазона, причем спектральные фильтры подобраны таким образом, что левая длина волны начала второго спектрального фильтра совпадает с правой длиной волны конца первого, а спектральный диапазон третьего охватывает спектральные диапазоны первого и второго фильтров. Затем излучение также поочередно попадает на приемник излучения, где происходит преобразование оптического излучения в каждом спектральном диапазоне в электрический сигнал С/(А,3ф,) соответственно, после чего эти сигналы попадают на блок усиления. В блоке усиления применены три канала, имеющие разные коэффициенты усиления, что обеспечивает полное использование динамического диапазона каждого канала усиления, так как величина потока излучения в каждом спектральном диапазоне разная. Усиленные сигналы С/(А.эф, ) каждого спектрального диапазона поступают на электронный коммутатор, с помощью которого они поочередно вводятся в блок кодирования и управления, где сигналы £/(Я.эф, ) преобразуются

в двоичный код, после чего эти двоичные сигналы поочередно поступают в компьютер. В компьютере происходит вычисление температуры поверхности объекта по заранее введенному алгоритму.

Для обеспечения работы электронного коммутатора по включению соответствующего канала усиления в зависимости от установленного в текущий момент времени определенного спектрального фильтра применено устройство синхронизации, в состав которого входят три оптопары. В этом случае светодиод и фотодиод каждой оптопары расположены с разных сторон турели, на одной оси, друг напротив друга, ближе к краю турели и перпендикулярно плоскости вращения. В турели имеются отверстия, обеспечивающие прохождения излучения све-тодиода на соответствующий фотодиод. Принцип работы устройства синхронизации следующий: при включении (ввод в поле зрения приемника излучения) первого спектрального фильтра, через отверстие проходит излучение от свето-диода на фотодиод, и сигнал с оптопары поступает в блок кодирования и управления, который, в свою очередь, подает сигнал на электронный коммутатор, и он подключает выход первого канала усиления к блоку кодирования и управления, остальные каналы включаются аналогично.

Также в данном разделе дан анализ выбора поля зрения, фокусного расстояния, диаметра входного зрачка объектива пирометра и рассмотрен расчет габаритных и конструктивных параметров объектива. Приведены чертеж принципиальной оптической схемы пирометра и аберрационный расчет.

На рисунке 2 показаны спектральные характеристики приемника излучения и спектральных фильтров. Обозначения, принятые на рисунке 2: кривая 1 -спектральная характеристика приемника излучения МГ-32; кривые 2, 3 и 4 -спектральные характеристики соответственно 1,2 и 3-го фильтров.

В этом же разделе приводят-. ся разработанные электрические схемы - структурная электрическая схема пирометра, состоящая из приемно-усилительного блока и блока обработки и управления, а также электрическая принципиальная сх,ема приемно-усилительного блока, которая была использована для изготовления лабораторного макета пирометра в экспериментальной установке для измерений температуры. В качестве приемника излучения используется пироэлектрический приемник МГ-32. Блок обработки и управления вклю-Рисунок2-Спектральныехарактеристики чает в себя логические элементы, приемника излучения коммутатор, аналого-цифровой пре-

и спектральных фильтров образователь, дешифратор и шин-

ный формирователь для подключения к компьютеру.

В разделе проведен анализ критерия работы оптического трехспектрально-го пирометра, а именно анализ уравнения (4). В этой связи, на основании обработки многочисленных экспериментальных данных для спектральных коэффициентов излучения металлов, сплавов, природных образований и сред, в этом разделе рассматривается количественная проверка этого уравнения. Для этого, в качестве примера приводились спектры коэффициентов излучения е(Х) различных материалов в области длин волн от 8 до 14 мкм. На основе данных спектров согласно формуле (4) определялись рассчитываемые значения коэффициента излучения е(Хэфз) по данным о коэффициентах излучения е^эф)) и

е(^-эф2) и ширине спектральных интервалов ДА[, АХ2 и АХ3 измерительных

каналов пирометра.

С другой стороны, из графиков спектров коэффициентов излучения е(Х) различных материалов выбирались для каждого материала реальные экспериментальные значения коэффициента излучения £э1^эфз) на эффективной длине

волны Л.эфз. В конечном счете, строился график корреляции рассчитываемых коэффициентов излучения ем(А,эфз) и реальных экспериментальных значений еэ(Хэфз). Исходные данные для расчета «моделируемого» коэффициента излучения в третьем спектральном диапазоне ем(А.эфз) следующие:

- значения коэффициентов излучения, согласно графикам спектров коэффициентов излучения е(Я) различных материалов на соответствующих эффективных длинах волн;

- спектральная ширина пропускания соответственно 1, 2 и 3-го измерительных каналов пирометра ЛЛ| =10-8 = 2 мкм, ДЯ.2 = 14-10 = 4 мкм и ДХз = 14-8 = 6 мкм, соответственно.

В среде «Ма&сас!» произведен расчет «моделируемого» коэффициента излучения ем(^эфз) и построен график корреляции значений «моделируемого»

коэффициента излучения ем(Аэфз) и «реального» £э(^эфз)> приведенный на рисунке 3.

Бм^Эфз] /

/

V

/

/

-V /

/ еэ(^эфз) -1-

1 - строгая теория; 2 - алюминий; 3 - дюраль (гладкий, Т = 100 °С); 4 - сталь (при длительном прокаливании, Т = 100-300 °С); 5 - дюраль (матовый, Т = 110 "С); 6 - графит, 7 - гравий; 8 - трава сухая; 9 - трава зеленая; 10 - глина; 11 - асфальт чистый; 12 - вода

Рисунок 3 - График корреляции «моделируемых» коэффициентов излучения ем(А.эфз) и «реальных» еэ(^эфЗ)

После анализа параметров оптической и электрической схем пирометра, а также параметров приемника излучения и исследуемого объекта было проведено математическое моделирование работы прибора. Анализ результатов моделирования работы оптического трехспектрального пирометра показал, что в диапазоне температур объектов от 240 до 330 К методическая ошибка измерения температуры - от 1,7 до 2,4 %. В целом, для обработки сигналов на выходе оптического трехспектрального пирометра и для управления работой прибора была разработана схема алгоритма обработки сигналов и управления работой пирометра, которая приведена на рисунке 4.

с

Начало

3

Ввод 7 исходных ' _данных /

Расчет эффективной полосы фильтров

1

Расчет эффективных длин волн каналов

Регистрация трех сигналов от поверхности объекта при введении трех фильтров

>

Регистрация трех сигналов от излучения оптики (при «закрытом» входном зрачке)

Регистрация трех сигналов излучения от фона

X - длина волны, мкм; и абс. й отн. спек-

тральная чувствительность приемника излучения; 5 -интегральная чувствительность приемника излучения;

Т0 (Я,) спектральные коэф. пропускания спектральных фильтров и оптической системы; Е0 (X) -спектр относительного коэф. излучения пов-ти объекта; 7} и - границы диапазона температур пов-ти объекта

, _

лэф| -

/Вычисление /____

температуры Г

^ К ^(^эф!); ^г^эфг); ^л^эфз)

^о^эфг); ^о^эфз]

уФон(^эф1); ^фон^эфг); ^фон^эфз)

Вычисление температуры поверхности исследуемого объекта

С

Конец

Рисунок 4 - Схема алгоритма обработки сигналов и управления работой пирометра

Для подтверждения достоверности теоретических и методических положений работы была разработана и собрана экспериментальная установка для измерений температуры макетом оптического трехспектрального пирометра, которая приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Функциональная схема экспериментальной установки для измерений температуры макетом пирометра

Данная схема содержит: 1 - тепловой излучатель с блоком управления 2; 3 - объектив; 4 - турель с тремя спектральными фильтрами; 5 - механический модулятор; 6 - пироэлектрический приемник МГ-32 со схемой питания 7; 8 - цифровой вольтметр В7-27А/1; 9 - осциллограф. Следует отметить, что элементы 3-8 составляют макет пирометра. Тепловой излучатель был взят из комплекта градуировочной аппаратуры к отечественному тепловизору «Радугат-ЭВМ» производства ФГУП «Азовский оптико-механический завод» (г. Азов Ростовской области). Зеркальный объектив 3 входит в комплект тепловизора «Радуга-2», основные параметры объектива: световой диаметр с/ = 40 мм, заднее фокусное расстояние /'=64 мм.

Методика измерений температуры поверхности объектов на данной функциональной схеме заключалась в следующем:

1. С помощью блока управления 2 устанавливалась начальная температура Т3 поверхности излучателя с коэффициентом излучения е(Х, ) = 0,96.

2. Включался двигатель механического модулятора и устанавливалась частота модуляции излучения, равная /м=250 Гц, которая регистрировалась осциллографом 9.

3. Поворотом турели 4 со спектральными фильтрами в схему вводились поочередно 1,2 и 3-й фильтры.

4. При этом цифровым вольтметром 8 регистрировались значения соответственно выходных сигналов ); и ^Х^-эфз)-

5. Аналогично измерялись три сигнала С/0(^эф1,Ь и ^о(^эфз) при закрытом входном зрачке объектива 3.

6. Измерялись сигналы г/ф0Н(Хэф2) и £/фон^эфз)> эквивалентные тепловому излучению окружающего фона.

7. Предварительно в компьютер вводились значения параметров Хэф|,

^Эф2> ^эфЗ» «1. а2> к2> КЪ> Л» Тфон и £фон. которые определялись по параметрам составных звеньев макета пирометра, фоновой обстановки и индикатрисы отражения покрытия поверхности объекта.

8. Полученные в пп. 4-6 значения сигналов подставлялись в формулу (10), с использованием которой определялось измеренное макетом пирометра значение температуры Г поверхности излучателя 1,

9. Аналогично с помощью блока управления 2 устанавливались другие температуры излучателя 1 и процедура измерения с помощью макета пирометра температуры его поверхности повторялась согласно пп. 3-8.

Проводились также измерения температуры плоского излучателя, поверхность которого выполнена из дюралюминия, являющегося высокоотра-жающим материалом. Измерения проводились в лабораторных условиях при температуре фона 7фОН = 293 К. Значение интегрального коэффициента излучения покрытия стен лаборатории равнялось £фон = 0,91. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графика корреляции измеренной температуры поверхности Т и устанавливаемой Г3 поверхности излучателя (рисунки 6 и 7).

зв ----

Г, К

330

зя

310 УХ

ж ж это

^ХО 270 ~ ЗВО 390 300 310 320 ~ 330 3«

Т3, К

Рисунок 6 - Результаты измерения температуры поверхности излучателя лабораторным макетом трехспектрального пирометра и радиационным пирометром ТЪегтоРот! ТЛТ 8 Ргойив

« о г®

(

о >

с оу

оо / (. / о

о

/

■г, к

' п

/ -4х X

эб* (

о я о

и о о о

/

/

/

л» лу деи «V ш ли ми ли _

' Рисунок 7 - Результаты измерения температуры поверхности излучателя из дюралюминия лабораторным макетом трехспектрального пирометра и радиационным пирометром ТЪептюРот! ТЯТ 8 РгоРЫб

На рисунках 6 и 7 приняты обозначения: — - результаты моделирования «идеального» пирометра; о - результаты эксперимента с помощью макета

трехспектрального пирометра;

О _

результаты эксперимента с радиационным

пирометром ThermoPoint TRT 8 ProPlus (фирма «FLIR Systems», США-Швеция); х - результаты эксперимента с термопарой ТПХК-(Ь)-К11.Н.0,5-2000-2 ТУ 4211-011-42187449-2002.

Анализ результатов измерения температуры поверхности излучателей лабораторным макетом трехспектрального пирометра показал, что в диапазоне температур объекта от 293 до 333 К средняя квадратическая погрешность измерения температуры А -1,9%.

При измерении радиационным пирометром температуры поверхности с высоким коэффициентом отражения наблюдается отклонение измеряемой температуры Т от действительной, которое при температуре 333 К и температуре более холодного фона = 293 К достигает значения AT = 33 К. Это

увеличение погрешности ДТ/Т3~ 10% при измерениях радиационным пирометром объясняется влиянием более холодного фона за счет его отражения от исследуемой поверхности высокоотражающего объекта. В практике тепловизи-онных исследований это классифицируется как проявление температуры «отражения».

На основании этих результатов можно сделать следующие выводы:

- предложены методика работы и принципы построения оптического трехспектрального пирометра, бесконтактно определяющего температуру поверхности исследуемого непрозрачного объекта в условиях влияния теплового излучения фона, отраженного от его поверхности;

- разработаны теория, математическая модель и алгоритм работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех;

- разработаны функциональная, оптическая и структурная электрическая схемы, обоснован выбор основных блоков и узлов пирометра; на основании пакета прикладных программ «ЗУЫОРБУЗ» выполнен аберрационный расчет оптической схемы пирометра;

- собрана и настроена схема приемно-усилительного блока пирометра и проведены экспериментальные измерения температуры излучающих поверхностей с различными значениями коэффициента излучениями, результаты которых подтвердили достоверность теоретических и методических положений работы.

Третий раздел посвящен разработке теории, математической модели, методики и алгоритму расчета пороговой температурной чувствительности оптического трехспектрального пирометра при наличии внутренних и внешних помех, приведены результаты расчетов.

Пороговая температурная чувствительность пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного фона и оптических элементов пирометра получена в виде выражения:

АГППП =

КЦКА + и0/ип. з. + Е/фон/^.э.ЬЩГ

пор

ЛюГ>*с2

1 ---- (14)

+ -

Ц-) 8{х)г0(х)1а(Щ(х)р{х)1-1ме {х, гфон)а

•^фон М

где X,, Хг - длины волн, соответствующие границам спектральной чувствительности приемника излучения пирометра;

Ме (Х,Т), Ме (А.,7фон) ~ светимость АЧТ, соответственно, с температурой т и Тфон;

И* - удельная обнаружительная способность приемника излучения пирометра.

Проведены расчеты пороговой температурной чувствительности разработанного пирометра. Расчеты проведены с использованием программы «МаШсасЬ. Диапазон исследуемых температур поверхности объекта Т, фо-

на 7ф0„ и оптических элементов Т0 следующий: Те [243 К (5 К)313 К]; Гфо„б [243К(5К)313К]; Т0=Т^Н.

На рисунке 8 представлены результаты расчетов АГпор пирометра в зависимости от температуры поверхности объекта Т при отсутствии излучения фона и оптических элементов.

Рисунок 8 - Зависимость пороговой температурной чувствительности ЛГП0

пирометра от температуры поверхности исследуемого объекта Т при отсутствии влияния излучения фона и оптических элементов прибора

Согласно рисунку 8 расчетные значения пороговой температурной чувствительности пирометра по излучению АЧТ в диапазоне окружающих температур лежат в диапазоне от 0,07 до 0,03 К.

В целом, анализ зависимостей пороговой температурной чувствительности пирометра показывает, что с ростом температуры объекта Т, А7'пор

уменьшается, а увеличение значений температур 7фОН и Т0 в диапазоне от273

до 293 К приводит, как и следовало ожидать, к ухудшению пороговой температурной чувствительности пирометра за счет «подсветки» приемника отраженным излучением фона и собственным излучением оптических элементов.

Методика расчета пороговой чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона. В том случае, когда поле температур по поверхности фона неоднородно и подчиняется статистике Гаусса, в формуле (14) под {/фон следует понимать среднее квадратическое значение сигнала помехи

ДС/ф0Н, а 7фоН и Л/е(х,7фон) будут иметь смысл математического ожидания

соответственно поля температур фона 7^,, и функции Планка для светимости АЧТ с температурой 7^,,.

В конечном итоге, по аналогии с формулой (14), выражение для пороговой температурной чувствительности трехспектрального пирометра при наличии неоднородности поля температур излучения фона получено в виде:

А Т(н) =-'-"пор

А<аЛ*с2

^ 1б^МЛ^М^К(Кт)ак+

Г2 X,

х2

»^фон)^

'фон

(15)

В этой формуле среднеквадратическое значение сигнала помехи равно:

Д^фон = 2Уфо„, (16)

где ^фон(^фон) и §^фон ~ соответственно постоянная и переменная составляющие сигнала помехи, численно равные:

X

——_ЦаэАоЮ*

с2А7фон

у ^фОН

I ^(ХК^ф^да-Ч^Тфон)^.- (18)

На рисунке 9 приведены результаты расчета функции ^(дТ^^.Тфон)=

= ДГпор ¡Мпор в зависимости от параметра Д7фоН, который изменялся в диапазоне от 0 до 20 К.

На основании анализа предлагаемых методики и результатов расчетов пороговой температурной чувствительности пирометра при наличии неоднородного фона можно отметить следующее: по результатам оценочных исследований пороговая температурная чувствительность пирометра при воздействии неоднородного поля теплового излучения фона уменьшается в 1,4 раза при росте значений Д7фон до 20 К. Средние значения температуры фона 7фон при этом находились в диапазоне от 253 до 293 К.

г §,»* **

гфов " 253 К

— 2ф^ = 293К

14 16 _18

А7ф0Я,К

Рисунок 9 - График зависимости функции р(д7фон, 7ф0н) от Д7ф0ц при различных значениях средней температуры фона

Выводы по разделу 3

1. Разработана и исследована методика расчета пороговой температурной чувствительности пирометра, работающего по собственному излучению объектов с учетом отраженного их поверхностью излучения окружающего однородного и неоднородного фона и излучения оптических элементов схемы.

2. Применительно к схеме оптического трехспектрального пирометра разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета, подготовлены исходные данные и проведены расчетные исследования его пороговой температурной чувствительности в зависимости от температуры объекта, окружающего фона и оптических элементов схемы.

3. В случае воздействия неоднородного поля теплового излучения фона как помехи на работу пирометра, его пороговая температурная чувствительность ухудшается. Получено, что при вариации температуры фона в диапазоне ДГфон = 20 К и ее средних значениях ГфоН от 253 до 293 К, пороговая температурная чувствительность пирометра уменьшается в 1,4 раза.

4. Физически природа снижения чувствительности пирометра при воздействии неоднородного поля фона объясняется двумя факторами. Первый фактор заключается в «засветке» приемника излучения пирометра постоянной составляющей фонового излучения, что приводит к ухудшению чувствительности приемника излучения. Второй фактор связан с ростом сигнала внешней помехи пирометра за счет переменной составляющей излучения фона.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Проведен аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по теории, способам и устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности объектов. Сформулированы актуальность, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость предложенной научно-исследовательской разработки по исследованию принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения окружающего фона и оптических элементов прибора.

2. Разработаны, исследованы и обоснованы методика работы и принципы построения пирометра для реализации бесконтактного измерения температуры поверхности объектов в условиях влияния отраженного от их поверхности излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора.

3. На основе предложенной методики разработаны математическая модель, алгоритм и компьютерная программа моделирования и управления работой оптического трехспектрального пирометра. Подготовлены исходные данные и проведено математическое моделирование работы пирометра в условиях воздействия внешней фоновой и внутренней оптических помех. Схема пирометра защищена патентом РФ № 2219504.

4. На лабораторном макете оптического трехспектрального пирометра проведены измерения температуры излучающих поверхностей с различными значениями коэффициента излучения в диапазоне от 293 до 333 К, которые подтвердили достоверность методических и теоретических положений работы. Средняя квадратическая погрешность измерения температуры не превышает 2 %.

5. Разработаны методика, математическая модель, алгоритм и программа расчета пороговой температурной чувствительности пирометра, работающего по собственному излучению объектов с учетом помех отраженного от их поверхности излучения окружающего однородного и неоднородного фона и излучения оптических элементов схемы.

6. Материалы диссертационной работы внедрены в ФГУП «ЦКБ Точпри-бор», ФГУП «ПО «НПЗ», ФГУП «НПП «Восток», а также в учебный процесс на кафедре оптико-электронных приборов СГГА.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Тымкул, В. М. К расчету температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта [Текст] / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой, Н. С. Лебедев // Изв. вузов. Приборостроение. - 2006. - Т. 49, № 12. - С. 48-52.

2 Тымкул, В. М. Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона [Текст] / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52, № 1. - С. 78-82.

3 Пат. 2219504 Российская Федерация, МПК7 G 01 J 5/00. Пирометр истинной температуры [Текст] / Тымкул В. М., Лебедев Н. С., Шелковой Д. С., Воронине. А.; заявитель и патентообладатель СГГА. - №2002104325/28; за-явл. 18.02.02; опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. - 7 с.

4 Шелковой, Д. С. К обзору методов пирометрии для определения истинной температуры поверхности объекта [Текст] // Современные проблемы геодезии и оптики: сб. материалов. LIII междунар. научно-техн. конф., 11-21 марта 2003 г. Ч. II. - Новосибирск: СГГА, 2003. - С. 142-144.

5 Тымкул, В. М. Теория работы и функциональная схема пирометра истинной температуры [Текст] / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой, О. В. Зубова // Современные проблемы геодезии и оптики: сб. материалов. LUI междунар. научно-техн. конф., 11-21 марта 2003 г. Ч. II.-Новосибирск СГГА, 2003.-С. 154-155.

6 Тымкул, В. М. Пирометр истинной температуры [Текст] / В. М. Тымкул, Н. С. Лебедев, Д. С. Шелковой // Вестник Сибирсхой государственной геодезической академии. - Новосибирск, 2003. - Вып. 8. - С. 181-187.

7 Математическая модель температурной чувствительности пирометра истинной температуры [Текст] / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул, Д. С. Шелковой, Н. С. Лебедев // ГЕО-Сибирь-2006. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: сб. материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-200б», 24-28 апр. 2006 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2006.-С. 148-151.

8 Тымкул, В. М. Математическая модель чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой, Д. С. Слюсарев // ГЕО-Сибирь-2007. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Ч. 2: сб. материалов III Междунар. науч. конгр. «ГЕ(Э-Сибирь-2007», 25-27 апр. 2007 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 6-9.

9 Тымкул, В. М. Теория и математическая модель трехспектрального оптического пирометра [Текст] / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Ч. 1: сб. материалов IV Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апр. 2008 г., Новосибирск.-Новосибирск: С1ТА,2008.-С. 109-112.

10 Тымкул, В. М. Оптический трехспектральный пирометр. Методика и результаты исследований [Текст] / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Ч. 1: сб. материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009», 20-24 апр. 2009 г., Новосибирск. -Новосибирск СГГА, 2009. - С. 53-57.

Введение.

1 Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по теории, способам и устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности объектов.

1.1 Пирометрия при постоянном и известном коэффициенте излучения поверхности объекта.

1.1.1 Пирометрия суммарного излучения.

1.1.2 Пирометрия частичного излучения.

1.1.3 Метод пирометрии спектрального отношения.

1.1.4 Пирометрия двойного спектрального отношения.

1.1.5 Методы повышения точности измерения «условных» температур.

1.2 Методы пирометрии для определения истинной температуры поверхности объекта.

1.2.1 Метод исключения влияния коэффициента излучения за счет использования избыточной информации в значениях температуры.

1.2.2 Устройство пирометра, одновременно определяющего истинную температуру и коэффициент излучения при условии, что коэффициент излучения постоянный или слабо зависит от температуры.

1.2.3 Устройство цветового пирометра истинной температуры.

1.2.4 Метод пирометрии, использующий аппроксимацию спектрального коэффициента излучения исследуемого объекта в конденсированной фазе.

1.2.5 Метод наименьших квадратов в определении истинной температуры поверхности некоторых материалов.

1.2.6 Метод определения температуры поверхности пирометром с адиабатической насадкой.

1.2.7 Метод бихроматической пирометрии истинных температур.

1.2.8 Многоволновой метод измерений температуры в пирометрии.

1.3 Основные методы расчета температурной чувствительности оптико-электронных систем измерения температур.

1.4 Влияние постороннего излучения на результаты измерения температуры тел.

1.5 Выводы к разделу 1.

2 Теория, принципы построения, оптическая и электрическая схема оптического трехспектрального пирометра.

2.1 Теория работы пирометра в отсутствии воздействия излучения помех.

2.2 Обобщение теории работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех.

2.3 Алгоритм и программа моделирования и управления работой пирометра.

2.4 Функциональная схема трехспектрального оптического пирометра и принцип его работы.

2.5 Оптическая схема пирометра.

2.5.1 Состав схемы.

2.5.2 Выбор поля зрения, фокусного расстояния и диаметра входного зрачка объектива пирометра.

2.5.3 Методика и результаты расчета габаритных и конструктивных параметров объектива.

2.5.4 Выбор спектральных фильтров пирометра.

2.5.5 Аберрационный расчет оптической схемы пирометра.

2.6 Структурная электрическая схема оптического трехспектрального пирометра.

2.6.1 Состав пирометра.

2.6.2 Приемно-усилительный блок.

2.6.3 Блок обработки и управления.

2.7 Выбор исходных данных для моделирования работы пирометра. Результаты моделирования.

2.8 Анализ критерия работы оптического трехспектрального пирометра.

2.9 Экспериментальная установка для измерений температуры макетом трехспектрального пирометра. Методика и результаты измерений.

2.10 Выводы к разделу 2.

3 Теория, математическая модель и результаты расчетов пороговой температурной чувствительности оптического трехспектрального пирометра при наличии внутренних и внешних помех.

3.1 Пороговая температурная чувствительность пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения фона и оптических элементов пирометра.

3.1.1 Теория пороговой температурной чувствительности пирометра при наличии помех однородного фона и излучения оптических элементов схемы.

3.1.2 Исходные данные для проведения расчетов пороговой температурной чувствительности.

3.1.3 Анализ результатов расчетов пороговой температурной чувствительности пирометра.

3.2 Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона.

3.2.1 Теория чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона.

3.2.2 Анализ результатов расчетов чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона.

3.3 Выводы к разделу 3.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В основу классических теории, методов построения и оптико-электронных схем современных оптических пирометров заложены труды и монографии таких ученых как Свет Д. Я., Гордов А. Н., Снопко В. Н., Поска-чей А. А. и Чубаров Е. П.

Уровень состояния теории и практики этого класса оптико-электронных приборов и систем на наш взгляд отражен и обобщен в монографиях этих ученых [1-4].

В теории и практике оптической пирометрии и оптико-электронных систем измерения температур объектов известны методы радиационной (энергетической), яркостной и цветовой температур, которые лежат в основе дистанционных исследований истинной температуры [1-4].

Согласно определению, под радиационной температурой понимается температура эквивалентного абсолютно черного тела (далее в тексте — АЧТ), суммарная излучаемая энергия Е^, которого равна суммарной энергии излучения Е реального тела с температурой Т. В свою очередь, под яркостной температурой Тя понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральная яркость Ь$(Х,ТЯ), которого на заданной длине волны X, равна спектральной яркости Ь(к,Т) реального тела с температурой Г. Под цветовой температурой Гцв понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральное распределение яркости ¿о (А,, Гцв ) излучения которого тождественно спектральному распределению яркости Ь{к, Т) излучения реального тела с температурой Т. Иногда под цветовой температурой понимается температура эквивалентного АЧТ, координаты цветности излучения которого равны координатам цветности реального тела с температурой Т [5].

При этом истинная температура Т поверхности реального объекта связана с измеряемыми эквивалентными температурами Гя или Гцв определенными соотношениями, в которых используется информация о коэффициенте излучения поверхности исследуемого объекта [1,2].

Поэтому, как в классических, так и в современных методах и устройствах оптической пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств и состояния поверхности исследуемого объекта. Априорная информация об оптических свойствах поверхности объектов при измерении температуры поверхности используется в виде коэффициентов излучения, табулированных в справочной литературе. Очень часто используемая информация о коэффициентах излучения поверхности объекта является недостаточной для использования в процедуре измерения температуры классическими или известными современными методами оптической пирометрии.

Кроме того, при создании низкотемпературных пирометров, определяющих температуру поверхности окружающих объектов, например, при оценке качества теплоизоляции ограждающих конструкций жилых и производственных зданий необходимо учитывать влияние соизмеримого излучения окружающего фона, отражающегося от исследуемой поверхности, и наличие излучения оптических элементов прибора.

В этой связи тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию принципов построения и схемы оптического трехспек-трального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения окружающего фона, отражающегося исследуемой поверхностью и излучения оптических элементов прибора представляется актуальной.

В соответствии с изложенным, объектом настоящего исследования являются оптические и оптико-электронные пирометры, предназначенные для измерений температуры поверхности излучающих объектов. Его предмет составляют насущные вопросы теории, методов и принципов построения новых схем пирометров, определяющих температуру поверхности объектов в условиях учета отраженного от их поверхности теплового излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является разработка и исследование принципов построения пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить обзор и провести анализ современных методов и устройств бесконтактного измерения температуры поверхности объектов; разработать методику и принципы построения пирометра для реализации бесконтактного измерения температуры поверхности объектов в условиях влияния отраженного от их поверхности излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора; разработать оптико-электронную схему пирометра, провести математическое моделирование ее работы, а также экспериментальные исследования на лабораторном макете; разработать методику расчета и провести исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения фона и оптических элементов пирометра.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методы исследований основаны на физико-математическом представлении теории и принципов построения оптических пирометров, использующих законы и свойства теплового излучения реальных тел.

Проведены вычислительные эксперименты методом компьютерного моделирования и экспериментальные исследования на лабораторном макете.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена достоверностью и непротиворечивостью исходных положений теории и законов теплового излучения реальных тел, логическим обоснованием и корректностью использованных математических моделей и приемов, критическим и сопоставительным анализом результатов исследований и сходимостью с экспериментальными данными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

- предложена методика бесконтактного измерения температуры поверхности непрозрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их поверхностей, основанная на измерении потока теплового излучения объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;

- разработаны и исследованы математическая модель, алгоритм работы и оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра:

- разработана и исследована теория работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;

- разработана методика расчета и проведены исследования пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

- методика бесконтактного измерения температуры поверхности непрозрачных объектов в условиях влияния излучения фона, отраженного от их поверхностей, основанная на измерении потока теплового излучения' объекта и фона и связи коэффициентов излучения объекта в спектральных диапазонах измерения потока теплового излучения;

- оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра;

- теория и математическая модель работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех;

- методика расчета и результаты исследований пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

- предложенная методика бесконтактного определения температуры поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения фона, отраженного от исследуемой поверхности, может быть использована как в оптической пирометрии, так и в теории и практике новых систем тепловидения и радиометрии;

- разработана оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра позволяющая определять температуру поверхности объектов с учетом соизмеримого излучения окружающего объект фона и оптических элементов схемы пирометра; на устройство данного пирометра получен патент РФ на изобретение № 2219504;

- разработанные теория работы и схема оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних оптических помех могут быть использованы в теории и практике тепловизионных систем и спектрозо-нальных радиометров, что позволяет повысить их эффективность и расширить информативные возможности получаемых данных;

- разработанная методика расчета пороговой температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта и влияния излучения однородного и неоднородного фона и оптических элементов пирометра может быть использована для расчета чувствительности оптико-электронных систем измерения температур;

- материалы диссертационной работы внедрены в ФГУП «ЦКБ Точприбор», ФГУП «ПО «НПЗ», ФГУП «НЛП «Восток» и в учебный процесс на кафедре оптико-электронных приборов Сибирской государственной геодезической академии, что подтверждено соответствующими актами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры ОЭП СГГА, LI - LUI Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2001 - 2003 гг.), Научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодезического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001 г.) и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009».

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертационной работы опубликованы 10 научных трудов, из них две статьи опубликованы в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобрнауки РФ. Четыре статьи опубликованы в «Сборниках материалов II—V Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009». Кроме того получен патент РФ № 2219504 на изобретение. В работах, выполненных в соавторстве, анализ методик расчетов и экспериментов, проведение расчетов и экспериментальных исследований, интерпретация результатов выполнены лично диссертантом.

3.3 Выводы к разделу 3

1. Разработана и исследована методика расчета пороговой температурной чувствительности пирометра, работающего по собственному излучению объектов с учетом отраженного их поверхностью излучения окружающего однородного и неоднородного фона и излучения оптических элементов схемы.

2. Применительно к схеме трехспектрального оптического пирометра разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета, подготовлены исходные данные и проведены расчетные исследования его пороговой температурной чувствительности в зависимости от температуры объекта, окружающего фона и оптических элементов схемы.

3. В случае воздействия неоднородного поля теплового излучения фона как помехи на работу пирометра, его пороговая температурная чувствительность ухудшается. Получено, что при вариации температуры фона в диапазоне

Д7фон = 20 К и ее средних значениях 7фон от 253 до 293 К, пороговая температурная чувствительность пирометра уменьшается в 1,4 раза.

4. Физически природа снижения чувствительности пирометра при воздействии неоднородного поля фона объясняется двумя факторами. Первый фактор заключается в «засветке» приемника излучения пирометра постоянной составляющей фонового излучения, что приводит к ухудшению чувствительности приемника излучения. Второй фактор связан с ростом сигнала внешней помехи пирометра за счет переменной составляющей излучения фона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по теории, способам и устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности объектов. Сформулированы актуальность, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость предложенной научно-исследовательской разработки по исследованию принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов с учетом влияния теплового излучения окружающего фона и оптических элементов прибора.

2. Разработаны, исследованы и обоснованы методика работы и принципы построения пирометра для реализации бесконтактного измерения температуры поверхности объектов в условиях влияния отраженного от их поверхности излучения окружающего фона и наличия собственного излучения оптических элементов схемы прибора.

3. На основе предложенной методики разработаны математическая модель, алгоритм и компьютерная программа моделирования и управления работой трехспектрального оптического пирометра. Подготовлены исходные данные и проведено математическое моделирование работы пирометра в условиях воздействия внешней фоновой и внутренней оптических помех. Схема пирометра защищена патентом РФ № 2219504.

4. На лабораторном макете трехспектрального оптического пирометра проведены экспериментальные измерения температуры излучающих поверхностей с различными значениями коэффициента излучения в диапазоне от 293 до 333 К, которые подтвердили достоверность методических и теоретических положений работы. Средняя квадратическая погрешность измерения температуры не превышает 2 %.

5. Разработаны методика, математическая модель, алгоритм и программа расчета пороговой температурной чувствительности пирометра, работающего по собственному излучению объектов с учетом помех отраженного от их поверхности излучения окружающего однородного и неоднородного фона и излучения оптических элементов схемы.

6. Материалы диссертационной работы внедрены в ФГУП «ЦКБ Точпри-бор», ФГУП «ПО «НПЗ», ФГУП «НЛП «Восток», а также в учебный процесс на кафедре оптико-электронных приборов СГТА.

7. Результаты исследований докладывались и прошли апробацию на научно-технических семинарах кафедры оптико-электронных приборов СГГА, LI-LIII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 2001-2003 гг.), научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодезического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, декабрь, 2001 г.) и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009».

8. По материалам диссертационной работы опубликованы 10 научных трудов, из них две статьи опубликованы в журнале «Известия вузов. Приборостроение», одна статья - в сборнике «Вестник СГГА» и четыре статьи — в сборниках материалов II—V Международных научных конгрессов «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009». Получен патент РФ на изобретение № 2219504.

9. В заключении считаю целесообразным выразить искреннюю благодарность кандидату технических наук, профессору Тымкулу Василию Михайловичу за научное руководство диссертационной работой, умелую постановку актуальной темы диссертации и его человеческие качества. Также выражаю благодарность доценту кафедры оптико-электронных приборов СГГА Лебедеву Николаю Сергеевичу и заведующей лабораториями кафедры оптико-электронных приборов СГГА Тороповой Валентине Александровне.

1. Свет, Д. Я. Оптические методы измерения истинных температур Текст. / Д. Я. Свет. М.: Наука, 1982. - 296 с.

2. Снопко, В. Н. Спектральные методы оптической пирометрии нагретой поверхности Текст. / В. Н. Снопко. Минск: Наука и техника, 1988. -152 с.

3. Поскачей, А. А. Оптико-электронные системы измерения температуры Текст. / А. А. Поскачей, Е. П. Чубаров. М.: Энергоатомиздат, 1988. -248 с.

4. Гордов, А. Н. Основы пирометрии Текст. / А. Н. Гордов. М.: Металлургия, 1971.-445 с.

5. Волф, У. Справочник по инфракрасной технике. В 4-х тт. Т. 1. Физика ИК излучения: пер. с англ. Текст. / У. Волф, Г. Цисис. М.: Мир, 1999. — 606 с.

6. Поскачей, А. А. Пирометрия объектов с изменяющейся излучатель-ной способностью Текст. / А. А. Поскачей, Л. А. Чарихов. — М.: Металлургия, 1978.-200 с.

7. Ранцевич, В. Б. Пирометрия при посторонних источниках излучения Текст. / В. Б. Ранцевич; под ред. А. Г. Шашкова. Минск: Наука и техника, 1989.-104 с.

8. Снопко, В. Н. Измерение температуры оптическим пирометром с широкополосными спектральными каналами Текст. // Журнал прикладной спектроскопии. 1993. - Т. 59, № 1-2. - С. 169-174.

9. Пат. 215182 Российская Федерация, МКИ О 01 I 5/60. Способ пирометрических измерений Текст. / Свет Д. Я. № 98113008/28; заявл. 17.07.98; опубл. 20.06.00, Бюл. № 17. - 6 с.

10. Свет, Д. Я. Некоторые новые возможности термометрии излучения Текст. // ДАН. 1999. - Т. 366, № 6. - С. 759-761.

11. А. с. 1345776 СССР, МКИ G Ol J 5/00. Устройство для пирометрических измерений Текст. / И. И. Новиков, Е. Д. Глазман, JI. И. Дубсон (СССР). -№ 3870020/31-25; заявл. 20.03.85; опубл. 30.12.90, Бюл. № 48. -4 с.

12. А. с. 476464 СССР, МКИ G Olk 11/06. Цветовой пирометр истинной температуры Текст. / Д.Я.Свет (СССР). №461694/40-23; заявл. 16.04.55; опубл. 05.07.75, Бюл. № 25. - 4 с.

13. Khan, M. A. Noncontact temperature measurement Текст. / M. A. Khan, Ch. Allemand, T. W. Eagar // Rev. Sei. Instrum. 1991. - V. 62. - № 2. - P. 392409.

14. Пикашов, В. С. Определение степени черноты и истинной температуры поверхности пирометром с насадкой Текст. / В. С. Пикашов, А. Е. Еринов, В. Н. Руслов // Инженерно-физический журнал. 1969. - Т. 16, № 4. - С. 723730.

15. Свет, Д. Я. Бихроматический метод пирометрии истинных температур Текст. / Д. Я. Свет // Измерительная техника. 2005. - № 7. - С. 40-43.

16. Михляев, С. В. Обработка спектральной информации в многоволновой пирометрии Текст. / С. В. Михляев, Ю. Д. Мухин, Е. С. Нежевенко // Автометрия. 1998. -№ 1.-С. 39-46.

17. Мирошников, M. М. Влияние побочных потоков излучения на работу ИК-радиометра Текст. / M. М. Мирошников, Г. М. Овчаренко // Оптико-механическая промышленность. — 1970. — № 10. — С. 3-6.

18. Соболева, Н. Ф. К расчету энергетической чувствительности ИК-сканирующей аппаратуры Текст. / Н. Ф. Соболева // Оптико-механическая промышленность. — 1970. — № 10. — С. 9—11.

19. Соболева, Н. Ф. Расчет погрешности при измерении температуры нечерных тел с помощью ИК-радиометра Текст. / Н. Ф. Соболева // Оптико-механическая промышленность. 1971. — № 6. — С. 13—15.

20. Тарасов, В. В. Инфракрасные системы «смотрящего» типа Текст. / В. В. Тарасов, Ю. Г. Якушенков. М.: Логос, 2004. - 444 с.

21. Тымкул, В. М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета Текст.: учеб. пособие / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул. Новосибирск: СГГА, 2005. - 215 с.

22. Ллойд, Дж. Системы тепловидения Текст. / Дж. Ллойд / пер. с англ. М. В. Васильченко; под ред. А. И. Горячева. -М.: Мир, 1978. 414 с.

23. Голубь, Б. И. Собственное (тепловое) излучение элементов оптических систем оптико-электронных приборов Текст. / Б. И. Голубь, И. И. Пахомов, А. М. Хорохоров. -М.: Машиностроение, 1978. 144 с.

24. Соболева, Н. Ф. Расчет истинной температуры объекта при ИК-измерениях Текст. / Н. Ф. Соболева // Оптико-механическая промышленность. 1976.-№ 10.-С. 8-9.

25. Киренков, И. И. Метрологические основы оптической пирометрии Текст. / И. И. Киренков. М.: Издательство стандартов, 1976. - 140 с.

26. Поскачей, А. А. Пирометры излучения в установках нагрева Текст. /

27. A. А. Поскачей, А. Д. Свенчанский. -М.: Энергия, 1978. 96 с.

28. Тымкул, В. М. Пирометр истинной температуры Текст. /

29. B. М. Тымкул, Н. С. Лебедев, Д. С. Шелковой // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. Новосибирск, 2003. - Вып. 8. - С. 181-187.

30. Тымкул, В. М. К расчету температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта Текст. / В. М. Тымкул,

31. Д. С. Шелковой, Н. С. Лебедев // Изв. вузов. Приборостроение. — 2006. — Т. 49, № 12.-С. 48-52.

32. Холопов, Г. К. О нормировании чувствительности радиометров Текст. / Г. К. Холопов, Ю. А. Шуба // Оптико-механическая промышленность. 1977. -№ 10.-С. 6-8.

33. Мирошников, M. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов Текст. / M. М. Мирошников. Л.: Машиностроение, 1983. - 696 с.

34. Жагулло, О. М. Основные термины в области температурных измерений: словарь-справочник Текст. / О. М. Жагулло; под ред. А. Н. Гордова. М.: Изд-во стандартов, 1992. - 94 с.

35. ТУ 3.974.035-02. Приемник оптического излучения пироэлектрический МГ-32. Текст. Технические условия. Новосибирск. 48 с.

36. Приемник оптического излучения пироэлектрический МГ—32. ФГУП «НПП «Восток» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vostok.nsk.su/files/pdf/MG32.pdf.

37. Криксунов, Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники Текст. / Л. 3. Криксунов. М.: Сов. радио, 1978. - 400 с.

38. Волф, У. Справочник по инфракрасной технике. Текст. В 4-х тт. Т. 2. Проектирование оптических систем / У. Волф, Г. Цисис; пер. с англ. М.: Мир, 1998.-347 с.

39. Криксунов, JI. 3. Тепловизоры: справочник Текст. / JI. 3. Криксунов, Г. А. Падалко. Киев.: Техника, 1987. - 166 с.

40. ThermoPoint TRT 8 ProPlus. Инструкция по эксплуатации. Бесконтактный термометр. FLIR Systems. - М., 2001. - 9 с.

41. Бегунов, Б. Н. Теория оптических систем Текст. / Б. Н. Бегунов, Н. П. Заказнов. -М.: Машиностроение, 1972. 488 с.

42. Тымкул, О. В. Методика определения объемной формы объектов на основе поляризационной комбинированной термограммы Текст. / О. В. Тымкул, В. М. Тымкул, О.К.Ушаков // Оптический журнал. 1999. -Т. 66.-№2.-С. 54-59.

43. Ефремов, В. С. Справочник обучающей программы SYNOPSYS Текст.: учеб. пособие / В. С. Ефремов, Н. С. Лебедев. Новосибирск: СГГА, 2002. - 163 с.

44. Источники и приемники излучения Текст.: учеб. Пособие для студентов оптических специальностей вузов / Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, Г. В. Полыциков. СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.

45. Аксененко, М. Д. Приемники оптического излучения Текст.: справочник / М.Д.Аксененко, М. Л. Бараночников. М.: Радио и связь, 1987. -292 с.

46. Операционный усилитель К544УДЗ, КР544УДЗ АДБК.431130.331ТУ. ФГУП «НПП «Восток» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vostok.nsk.su/files/pdf/K544UD3.pdf.

47. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника Текст. : Справочное руководство / У. Титце, К. Шенк. М.: Мир, 1983. - 512 с.

48. РД 11 0856.1—2004. Отраслевой руководящий документ. Резисторы. Сборник справочных листов Текст. СПб.: Электронстандарт, 2003. - С. 25.

49. РД 11 0856.2—2004. Отраслевой руководящий документ. Резисторы. Сборник справочных листов Текст. СПб.: Электронстандарт, 2004. - С. 144.

50. РД 11 0285.1-2002. Отраслевой руководящий документ. Конденсаторы. Сборник справочных листов Текст. СПб.: Электронстандарт, 2003. -С. 62.

51. РД 11 0285.2—2003. Отраслевой руководящий документ. Конденсаторы. Сборник справочных листов Текст. — СПб.: Электронстандарт, 2003. — С. 325.

52. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги Текст.: справочник. Т. 2. / под ред. А. В. Нефедова. М.: ИП РадиоСофт, 1999. - 640 с.

53. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры Текст.: справочник / И. В. Новаченко и др. -М.: Кубк-а, 1995. 384 с.

54. Авдеев, С. П. Анализ и синтез оптико-электронных приборов Текст. / С. П. Авдеев. СПб., 2000. - 680 с.

55. Якушенков, Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов Текст. / Ю. Г. Якушенков. М.: Логос, 1999. - 480 с.

56. Волф, У. Справочник по инфракрасной технике. Текст. В 4-х тт. Т. 3. Приборная база ИК-систем / У. Волф, Г. Цисис; пер. с англ. М.: Мир, 1999. -472 с.

57. Изнар, А. Н. Оптико-электронные приборы космических аппаратов Текст. / А. Н. Изнар, А. В. Павлов, В. Ф. Федоров. М.: Машиностроение, 1972.-368 с.

58. Тымкул, В. М. Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона Текст. / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 1. - С. 78-82.