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

□□3488243

Шелковой Денис Сергеевич _

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

1 О ДЕК 2т

Новосибирск - 2009

003488243

Работа выполнена в ГОУ ВПО «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 26 декабря 2009 г.-в 11.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 23.11.2009. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100. Печать цифровая. Заказ /2. О,

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

Отпечатано в картопечатной 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), яркостной и цветовой температур, которые лежат в основе дистанционных исследований истинной (термодинамической) температуры.

Согласно определению, под радиационной температурой понимается температура эквивалентного абсолютно черного тела (далее в тексте - АЧТ), суммарная излучаемая энергия которого равна суммарной энергии излучения Е реального тела с температурой Т. В свою очередь, под яркостной температурой Тя понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральная яркость ¿о (л, Тя ) которого на заданной длине волны X равна спектральной яркости Ь(к,Т) реального тела с температурой Т. Под цветовой температурой понимается температура эквивалентного АЧТ, спектральное распределение яркости 1о(^7цв) 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. При этом температура Т поверхности реального объекта связана с измеряемыми эквивалентными температурами Тя или Гцн определенными соотношениями, в которых используется информация о коэффициенте излучения поверхности исследуемого объекта.

Поэтому в традиционных методах пирометрии результат измерений зависит не только от температуры, но и от оптических свойств поверхности исследуемого объекта. Априорная информация об оптических свойствах поверхности объектов при измерении температуры поверхности используется в виде коэффициентов излучения, табулированных в справочной литературе. Отсутствие или неполнота данных по этим коэффициентам излучения, несоответствие их значений в реальных условиях табулированным, изменение свойств излучающей поверхности в процессе измерения создают методические погрешности, превышающие инструментальные. При этом высокая точность любых, в том числе самых прецизионных пирометрических систем, реализующих традиционные методы на практике, может оказаться труднодостижимой.

В этой связи тема настоящей диссертационной работы, посвященной разработке методики и принципов построения схемы оптического трехспектрального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов без априорной информации об их коэффициентах излучения, представляется актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование методики и принципов построения пирометра, определяющего температуру поверхности объектов без априорной информации об их коэффициентах излучения.

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 с неизвестными коэффициентами излучения;

- разработать и исследовать теорию работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех;

- 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 дистанционных измерений температуры поверхности излучающих объектов. Его предмет составляют насущные вопросы теории, методов и принципов построения новых схем пирометров, дистанционно определяющих температуру поверхности объектов без априорной информации об их коэффициентах излучения.

Теоретическая и методологическая база исследования. Теоретической и методологической основой настоящей работы являются законы теплового излучения реальных тел, теория и методы радиационной, яркостной и цветовой температур, которые лежат в основе дистанционного определения температуры поверхности объектов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложена методика бесконтактного определения температуры излучающей поверхности объектов, основанная на функциональной связи их коэффициентов излучения в спектральных диапазонах измерения теплового излучения;

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

- разработана и исследована теория работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних 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 определения температуры излучающей поверхности объектов, основанная на функциональной связи их коэффициентов излучения в спектральных диапазонах измерения теплового излучения;

- оптико-электронная схема оптического трехспектрального пирометра;

- теория и математическая модель работы оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних 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 без априорной информации о значении их коэффициента излучения 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 без учета как значений их коэффициента излучения, так и их спектральной зависимости; на устройство данного пирометра получен патент РФ на изобретение № 2219504;

- разработанные теория работы и схема оптического трехспектрального пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех могут быть использованы в теории и практике тепловизионных систем и спектрозональных 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.

Основные результаты исследования (реализация). Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

- разработана и исследована методика бесконтактного измерения температуры излучающих поверхностей объектов, основанная на функциональной связи их коэффициентов излучения в спектральных диапазонах измерения теплового излучения;

- 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. Результаты моделирования показали, что методическая ошибка дистанционного определения температуры поверхности объектов в диапазоне температур от 233 до 333 К составляет значения от 1,7 до 2,4 %;

- разработаны функциональная, оптическая и структурные электрические схемы, обоснован выбор основных блоков и узлов оптического трехспектрального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов без апри-

орной информации об их коэффициентах излучения. Схема пирометра защищена патентом РФ № 2219504;

- на лабораторном макете трехспектрааьного оптического пирометра проведены экспериментальные измерения температуры излучающей поверхности в диапазоне от 293 до 333 К, которые подтвердили достоверность методических и теоретических положений работы;

- 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;

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

Апробация работы. Основные положения и практические результаты работы были представлены на научно-технических семинарах кафедры ОЭП 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, декабрь, 2001 г.) и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-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.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 57 наименований, и приложений. Общий объем работы составляет 156 страниц (объем основного текста - 135 страниц). Работа содержит три таблицы, 35 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, яркостная или цветовая). Для определения температуры излучаемой поверхности необходимо производить ее вычисления с привлечением дополнительной информации о коэффициентах излучения исследуемых объектов и сред. Рассмотренные методы и устройства для определения температуры поверхности объекта оптической пирометрии имеют

ряд недостатков: сложность конструкции действующих оптико-электронных систем измерения истинной температуры, громоздкий математический аппарат, представление ряда допущений, некоторые методы не подтверждаются экспериментами по различным причинам. Привлечение дополнительной информации о коэффициентах излучения поверхности исследуемых объектов и сред содержит следующие предположения, условия или приближения:

- условные постоянства коэффициента излучения объектов и сред или то, что он слабо зависит от температуры;

- использование избыточной информации в значениях температуры объекта;

- использование аппроксимации спектрального коэффициента излучения исследуемых объектов и сред.

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 трехспектрального оптического пирометра. Теоретические основы разработанного пирометра заключаются в приеме теплового излучения поверхности объекта в N спектральных диапазонах, причем левая граница 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.

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

и(Х,Т)= АаЪ^(Х)10 (К Т)т0 (>.)га(Л.)хф (х)е(х, т), (1)

где 1/(Х,Т) - напряжение, снимаемое с выхода приемника излучения; А - площадь входного зрачка объектива; со3р — телесный угол поля зрения оптической системы;

6'(х) - спектральная чувствительность приемника излучения; ¿о (Х,Т) - спектральная яркость АЧТ при температуре Т; т0(х)(, та (Х.), Тф (X.) - спектральные коэффициенты пропускания оптической системы, слоя атмосферы и спектрального фильтра соответственно;

е(Л,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

\2 /Х2

\0Х5{Х)С1Х \0Х5{Х)Х-1(1Х, (2)

X, /

где — эффективная длина волны излучения;

А.,, л2 - длины волн, соответствующие границам спектральной чувствительности приемника излучения пирометра;

С-к - относительное спектральное распределение излучения АЧТ.

В этой связи в уравнении (1) под длинами волн X будем понимать эффективные длины волн каждого из спектральных диапазонов. Как видно, выражение (1) для реальных объектов представляет собой уравнение с двумя неизвестными (температура Г и коэффициент излучения е(Х,Г)), которое формально решить проблематично.

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 Л,г= 3. Применительно к нашей задаче эффективные длины волн в трех спектральных диапазонах определяются по формулам

А 2

^эФ1= / (3)

X, / ^

Ч Лз

*эф2 = / (4)

¡4

х3 Аз

^эФз= |Ох5(Я.)сфз(х>л/ /Г'о^^фз^, (5)

! ч

где Тф] (>.), Тф2 (X), Тф3 (1) - спектральные коэффициенты пропускания

фильтров, обеспечивающих выделение заданных диапазонов.

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

х3 х2

Х[ %2

= (ДХ, / Дх3>(хэф1)+ / А^зН^эфг) (6)

где е(Хэф1}Е(ХЭф2)е(Я.Эфз) - спектральные коэффициенты излучения поверхности объекта на соответствующих эффективных длинах волн;

АХ,, ДХ2, ДХ3 - ширина полосы длин волн выбранных спектральных диапазонов;

Х|,а2Д3 ~ крайние длины волн соответственных спектральных диапазонов.

Полосы АХ, и ДА2 должны удовлетворять условию:

ДХ,(/= 1,2)5 1/2Уи,

(7)

где - предельная частота в спектре коэффициента излучения е(х), которая рассчитывается с использованием теоремы Котельникова.

Введя замены для удобства дальнейших записей, из формулы (6) получим:

дх.3'

Также введем обозначение

К, = ^созр5(?1г)т0(?,,)ха(Х,)тф.(?./), / = 1,2,3,

(В)

Д>.,

Гдеа1=1х7'а2 д^з

(9)

где Кх, К2, Къ - постоянные пирометра для первого, второго и третьего спектрального диапазонов соответственно.

Тогда на основании законов Планка и Кирхгофа и с учетом формул (8) и (9), выражение (1) для выходных сигналов пирометра, работающего в трех спектральных диапазонах на эффективных длинах волн А,эф,, будет представлено в виде системы уравнений с тремя неизвестными е(Я.эф!), е(А.Эф2) и Т:

/ ч ^е^эфьГ)

* ехр(с2/ХЭф2Г;-1

т\ (а 1£(^эф Ь а эф2»

-ехрЫ,эфзг))-1-"

(10)

На основании системы уравнений (10) получено уравнение относительно переменной А1 как обратной температуры (X = 1/7"), которое решается численными методами вычислений

Р1(ехр(п,Г)-1) , Р2(«р(Г2^)-0_ ь схр(у3А')-1 ехр(у3Х)-1

(П)

В уравнении (11) приняты обозначения: ' -КМЦфз) ' 1 Цф1 2 ^эф2 3 ^эфЗ

Далее приведено обобщение теории работы пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех. Под внешними помехами подразумевается воздействие излучения фона, а под внутренними - оптических элементов пирометра. Тогда значение суммарного выходного сигнала на заданной длине волны, формируемого на выходе приемника излучения пирометра, можно записать в следующем виде:

= О2)

где и {к) - выходной сигнал, формируемый собственным излучением поверхности исследуемого объекта;

О'фон(/Ь) - выходной сигнал, формируемый отраженным излучением

фона от поверхности объекта;

[/0(>.) - выходной сигнал, формируемый излучением оптических элементов пирометра.

Тогда система уравнений (10) при работе пирометра в условиях наличия внешних и внутренних помех примет следующий вид:

г, А -тЛ ^(^эфЛо^эф^а^эф^ф^эф^^эфД^Аэф!5)

ехР(с2/Хэф1г)-1 —+

+ ^фон эф 1)+ ^о эф 1)

т, А -г) К(^эф2К(^эф2Кэф2К1)эф2 )Ф-эф2)(с1 Дэф25)

+ (13)

+ ^фон^эфгК ^о(^эф2)

А тЛ А'(^фЗ К (^зфЗ К (^эфЗ К (^эфЗ ^-эфЗ5 )

X (а^^эф!, г)+ а2е(^эф2, г))+ ^/ф0Н(^эфЗ)+ ио (^эфЗ }

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 трехспектрального оптического 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 £/(Яэф,) 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 £/(Я.Эф/) каждого спектрального диапазона поступают на электронный коммутатор, с помощью которого они поочередно вводятся в блок кодирования и управления, где сигналы 6'(лЭф,) 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 олтопары. В этом случае светоди-од 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 светодиода на соответствующий фотодиод. Принцип работы устройства синхронизации следующий: при включении (ввод в поле зрения приемника излучения) первого спектрального фильтра, через отверстие проходит излучение от светодиода 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.

Оптическая схема трехспектрального пирометра приведена на рисунке 2, где приняты следующие обозначения: 1 - сферический защитный колпак, выполненный из германия (Се); 2 - сферическое зеркало со слепым пятном; 3 -контррефлектор; 4 - полевая диафрагма; 5 - окуляр телескопической системы; 6 - турель с тремя спектральными фильтрами; 7 - конденсор; 8 - пироэлектрический приемник излучения МГ-32.

/ 3 2 ' 4 5 6 7 8

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 3 показаны спектральные характеристики приемника излучения и спектральных фильтров. Обозначения, принятые на рисунке 3: 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 приводятся разработанные электрические схемы - структурная электрическая схема пирометра, состоящая из приемно-усилительного блока и блока обработки и управления, а также электрическая принципиальная схема приемно-усилительного блока, которая была использована для изготовления лабораторного макета пирометра в экспериментальной установке для из-

мерений температуры. В качестве приемника оптического излучения используется пироэлектрический приемник МГ-32. Блок обработки и управления включает в себя логические элементы, коммутатор, АЦП, дешифратор и шинный формирователь для подключения к компьютеру.

В разделе проведен анализ критерия работы оптического трех-спектрального пирометра, а именно анализ уравнения (8).

В этой связи, на основании обработки многочисленных экспериментальных данных для спектральных коэффициентов излучения металлов, сплавов, природных Рисунок 3 - Спектральные характеристики образований и сред, в этом разде- приемника излучения и спектральных ле рассматривается количествен- фильтров

ная 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 (8) определялись рассчитываемые значения коэффициента излучения б\Хэфз) по

данным о коэффициентах излучения и Е(^эф2]11 ширине спектральных

интервалов А Л;, Ало и А^з измерительных каналов пирометра.

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

волны Аэфз.

В конечном счете, строился график корреляции рассчитываемых коэффициентов излучения £м1^эфз) и реальных экспериментальных значений

вэ(хэфз). Исходные данные для расчета «моделируемого» коэффициента излучения в третьем спектральном диапазоне ем(Хэфз) следующие:

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

-эффективные длины волн Хэф1=9,3мкм, ХЭф2 = 11,9 мкм,

А.Эфз = 10,6 мкм;

- эффективная спектральная ширина пропускания соответственно первого, второго и третьего измерительных каналов пирометра Д^эф1 = 10-8 2 мкм,

Д^эф2 = 14-10 = 4 мкм и АХ-эфз = 14-8=6 мкм, соответственно.

В среде «МаМкас!» произведен расчет «моделируемого» коэффициента излучения £м(А.эфз) и построен график корреляции значений «моделируемого»

коэффициента излучения гм(?-эфз) и «реального» £э(^эфз)> приведенный на

»

рисунке 4.

/

• А

/

/

/ ✓

/

/

. >

/ * еР -

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 (в направлении нормали к поверхности)

Рисунок 4 - График корреляции «моделируемых» коэффициентов излучения £м(^эфз)и «реальных» Еэ(лэфЗ)

После анализа параметров оптической и электрической схем пирометра, а также параметров приемника излучения и исследуемого объекта было проведено математическое моделирование работы прибора. Результаты моделирования будут приведены на рисунке 7.

Анализ результатов моделирования работы оптического трехспекгрального пирометра показал, что в диапазоне температур объектов от 240 до 330 К методическая ошибка измерения температуры составляет значения от 1,7 до 2,4 %.

В целом, для обработки сигналов на выходе реального оптического трехспекгрального пирометра и для управления работой прибора была разработана

схема алгоритма обработки сигналов и управления работой пирометра, которая приведена на рисунке 5.

С

Начало

3

Ввод исходных данных

г

Расчет эффективной полосы фильтров

Расчет эффективных длин волн каналов

г

Регистрация трех сигналов от поверхности объекта при введении трех фильтров

1

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

1 Г

Регистрация трех сигналов излучения от фона

< г

X - длина волны, мкм; и абсолютная и отно-

сительная спектральная чувствительность приемника излучения; 5 - интегральная чувствительность приемника излучения; Тф,-(Х,), -спектрхиные коэффициенты пропускания спектральных фильтров и оптической системы; - температура АЧТ, К.

Хт

иг

эф/ :

с

^1^-эфз)

Вычисление

истинной температуры

С

^о^эфг)' ^о^эфг); ^о^эфз)

^фон1^эф]); ^фон(^эф2,Ь ^фон^эфз)

Вычисление температуры поверхности исследуемого объекта

Конец

3

Рисунок 5 - 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 трехспектрального пирометра, которая приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - 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 «Радуга-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 40 мм, заднее фокусное расстояние /'= 64 мм.

Методика измерений температуры поверхности объектов на данной функциональной схеме базировалась на аналитическом решении уравнения (10), в результате чего выражение для определения температуры представляется в виде:

Т = -

а1У31

+ а2Уз2

иЫ

«1У31

УЫ

и(х3\

-а2У32

1

«1У31

-«2У32

1/Ы' ^з)

-2

«1У31

ЧЫ и{\3\

+ а2У32

иЫ

«1

МЫ УЫ

-г а-;

(14)

Коэффициенты уз ] и Уз2 определяются по формулам:

УЗ 1 --> У32=-Г-Т-• (15)

/4Л3 Л2Л 3

В этом выражении величины и(^.2) и ¿/(>.3) представляют собой

электрические сигналы, которые формируются приемником излучения при введении в оптическую схему экспериментальной установки соответственно первого, второго и третьего спектральных фильтров. Эти сигналы эквивалентны тепловому излучению поверхности излучателя 1.

Непосредственное измерение температуры поверхности излучателя 1 с помощью макета трехспектрапьного пирометра проводилось следующим образом:

1. С помощью блока управления 2 устанавливалась начальная температура Т3 поверхности излучателя.

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

3. Поворотом турели 4 со спектральными фильтрами в схему вводились поочередно первый, второй и третий фильтры.

4. При этом цифровым вольтметром 8 регистрировались значения соответственно выходных сигналов ¿У'(Д.|), £/'(Х2) и {/'(Х3).

5. Аналогично измерялись три сигнала Ь'ш(>.2) и С/Ш(Х3), эквивалентных шуму при закрытом входном зрачке объектива 3.

6. Вычислялись сигналы и(Х\), С/(Х2) и £/(/.3), эквивалентные тепловому излучению излучателя по формулам: {7(я.]) = С/'(А.1)-{/ш(Х,1), и{\2)=и\\2)-иш{12) и 1/(*з) = С/'(Хз)-Уш(Ьз).

7. Предварительно в компьютер вводились значения параметров а], а2, У31 и уз2, которые определялись по параметрам спектральных фильтров макета пирометра.

8. Полученные в п. 6 значения сигналов (/(^1), и и{к3) подставлялись в формулу (14), с использованием которой определялось измеренное макетом пирометра значение температуры Т поверхности излучателя 1.

9. Аналогично с помощью блока управления 2 устанавливались другие температуры 7"3 излучателя 1 и процедура измерения с помощью макета пирометра температуры его поверхности повторялась согласно пп. 3-8.

Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графика корреляции измеренной температуры Г и устанавливаемой 7з поверхности излучателя (рисунок 7).

4

4 /У ■ Уо

У / / / '¿У t /

< // // / / / / //

9

т„ к

Рисунок 7 - Результаты экспериментального измерения температуры поверхности калиброванного излучателя лабораторным макетом трехспектрального оптического пирометра и данные математического моделирования пирометра

На рисунке 7 приняты обозначения: — - результаты моделирования «идеального» пирометра; о - результаты эксперимента с помощью макета трехспектрального пирометра; - результаты эксперимента с радиационным пирометром ThermoPoint TRT 8 ProPIus (фирма «FLIR Systems», США -Швеция), -- - результаты математического моделирования работы оптического трехспектрального пирометра. Анализ результатов экспериментов измерения температуры лабораторным макетом трехспектрального пирометра показал, что в диапазоне температур объекта от 293 до 333 К среднеквадратическая погрешность измерения температуры Д составляет значение 1,92%.

На основании результатов, представленных во втором разделе, можно сделать следующие выводы:

- предложены теория и принципы построения трехспектрального оптического пирометра, определяющего температуру поверхности исследуемого объекта с заведомо неизвестным коэффициентом теплового излучения;

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

- разработаны функциональная, оптическая и структурная электрическая схемы, обоснован выбор основных блоков и узлов пирометра;

- проведен расчет эффективной полосы рабочих каналов трехспектрального оптического пирометра;

- на основании пакета прикладных программ «SYNOPSYS» выполнен аберрационный расчет оптической схемы пирометра;

- оптнко-электронная схема трехспектрального оптического пирометра защищена патентом РФ № 2219504;

- собрана и настроена схема приемно-усилительного блока пирометра и проведены экспериментальные измерения температуры излучающей поверхности, результаты которых подтвердили достоверность теоретических и методических положений работы.

Третий раздел посвящен разработке теории, математической модели, методики и алгоритму расчета пороговой температурной чувствительности трехспектрального оптического 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:

^^пор

А&0*сг

>•2 [

Х.1

(16)

_1

Х2

' ^фон

Тфон М

где X,, X2 — длины волн, соответствующие границам спектральной чувствительности приемника излучения пирометра;

А/е (}.,Т), Мс (/.,Гф0И) - светимость АЧТ, соответственно, с температурой т и ^фон"'

£) * - удельная обнаружительная способность приемника излучения пирометра.

Проведены расчеты пороговой температурной чувствительности разработанного пирометра. Расчеты проведены с использованием программы «МаШсас!». Диапазон исследуемых температур поверхности объекта Г, фона Гфон и оптических элементов Т0 следующий: Т е [243 К (5 К) 313 К];

ГфШ1е[243К(5К)313К];Г0=Гфон.

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

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, ДГПОр

уменьшается, а увеличение значений температур Гфон и Т0 в диапазоне от 273

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.

Рисунок 8 - Зависимость пороговой температурной чувствительности ЛГП0;

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

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 (16) под С/фои следует понимать среднеквадратичное значение сигнала помехи ЛО'фои, а Гфон и Ме (?-,7фон) будут иметь смысл математического ожидания соответственно поля температур фона ГфОН и функции Планка для свепшости АЧТ с температурой 7фон.

В конечном итоге, по аналогии с формулой (16), выражение для пороговой температурной чувствительности трехспектрального пирометра при наличии неоднородности поля температур излучения фона получено в виде:

+и0/ип, 3,4- )Щг

А Г(н) = ■

"■•пор

А(ой*с-

_± Т2

хг

+

м

В этой формуле среднеквадратичное значение сигнала помехи равно:

АУфон = ^фон(:Гфон)+5(7фон> (18)

где Уф0Н(Гф0н) и 5£/фон - соответственно постоянная и переменная составляющие сигнала помехи, численно равные:

1().)ха(>.)гф(х)р(х)л/е(х,7ф01,}а, (19)

ОС/,

фон :

ипэАюО*

К^к^аЫ^

с2 А7фон ■'фон

На рисунке 9 приведены результаты расчета функции /"(лТфон'^фон) =

= А^пор /А7ПОр в зависимости от параметра Д7фон , который изменялся в диапазоне от 0 до 20 К.

о"

я *

153 К

Гф0,=273К Гф,я-2ЯК

О 2 •) 6

10 12 14 1(

Д74«Н'К

Рисунок 9 - График зависимости функции ^(д7фон, 7фон) от Д7фон при различных значениях средней температуры фона

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 составляли значения от 253 до 293 К.

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.

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 теории, принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов без априорной информации об их коэффициентах излучения.

2. Разработаны, исследованы и обоснованы методика и принципы построения трехспектрального оптического пирометра, определяющего температуру поверхности исследуемого объекта с заведомо неизвестным его коэффициентом теплового излучения.

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. Результаты моделирования показали, что методическая ошибка дистанционного определения температуры поверхности объектов в диапазоне температур от 233 до 333 К составляет значения от 1,7 до 2,4 %.

4. Разработаны функциональная, оптическая и структурные электрические схемы, обоснован выбор основных блоков и узлов оптического трехспек-трального пирометра, определяющего температуру поверхности объектов без априорной информации об их коэффициентах излучения. Схема пирометра защищена патентом РФ № 2219504.

5. На лабораторном макете трехспектрального оптического пирометра проведены экспериментальные измерения температуры излучающей поверхности в диапазоне от 293 до 333 К, которые подтвердили достоверность методических и теоретических положений работы.

6. 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.

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

8. Результаты исследований докладывались и прошли апробацию на научно-технических семинарах кафедры оптико-электронных приборов СГГА, Ы-ЫИ 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».

9. 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 И-У Международных научных конгрессов «ГЕО-Сибирь-2006», «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008» и «ГЕО-Сибирь-2009». Получен патент РФ на изобретение № 2219504.

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 // Известия вузов. Приборостроение. - 2006. -Т. 49, № 12. - С. 48-52.

2 Тымкул, В. M. 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-S2.

3 Пат. 2219504 Российская Федерация, МПК7 G 01 J 5/00. Пирометр истинной температуры [Текст] / Тымкул В. М., Лебедев Н. С., Шелковой Д. С., Воронин С. А.; заявитель и патентообладатель СГТА. - № 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. LIII междунар. научно-техн. конф., 11-21 марта 2003 г. Ч. И: сб. материалов. - 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 II Современные проблемы геодезии и оптики. LUI междунар. научно-техн. конф., 11-21 марта 2003 г. Ч. II: сб. материалов. - Новосибирск: СГГА, 2003. - С. 154155.

6 Тымкул, В. М. Пирометр истинной температуры [Текст] /

B. М. Тымкул, Н. С. Лебедев, Д. С. Шелковой // Вестник Сибирской 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-2006», 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 111 Междунар. науч. конгр. «ГЕО-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 II 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: СГГА, 2008. - С. 109112.

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. -

C. 53-57.