автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Спектральное устройство определения температуры и излучательной способности пирометрируемой поверхности

На правах рукописи УДК 533.9.082.5

Лебедев Сергей Владимирович

СПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПИРОМЕТРИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.11.07 -"Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы"

005058841

1 6 МАЙ 2073

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва -2013

005058841

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

Кандидат технических наук, профессор Бодров Владимир Николаевич.

Доктор технических наук, профессор, ведущий инженер "ФГУП ПО "Маяк" Кононов Александр Николаевич

Кандидат технических наук, доцент кафедры Физика-2 ФБГОУ ВПО "НИУ "МЭИ" Малахов Юрий Ильич,

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское орденов Октябрьской революции и Трудового Красного знамени конструкторское бюро "Электрон"

(ФГУП МКБ "Электрон")

Защита диссертации состоится "6" июня 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 в Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13 корпус "Е", ауд. Е-511. тел: (495) 362-7385.

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

Автореферат разослан 5 мая 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12

к.т.н., доцент .^-рц^^Т.В. Ремизевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Разработка новых материалов, методов их получения, изучение их свойств, а также технологические процессы, связанные с контролем температуры в условиях вакуума, агрессивных сред и сверхвысоких температур требуют разработки новых бесконтактных методов определения температуры. При этом важно иметь достоверную информацию не только о температуре нагретых тел, но и об их излуча-тельной способности непосредственно в процессе эксперимента в условиях изменяющихся физико-химических и оптических характеристик пирометрируемой поверхности. Одновременно, как правило, требуется обеспечить достаточно высокое быстродействие измерителя температуры.

Развитие пирометрии как науки привело к появлению большого количества методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности с использованием ее собственного теплового излучения. Однако основная проблема пирометрии остается по-прежнему нерешенной. Отсутствие достоверной информации о величине и характере спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности непосредственно в момент определения температуры препятствует получению точных значений термодинамической температуры, что обусловлено, главным образом, появлением неконтролируемых методических систематических ошибок.

Прогресс в разработке новых типов многоэлементных высокочувствительных матричных фотоприемников, способных работать как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра оптического излучения, открывает новые перспективы для дальнейшего развития методов полихроматической пирометрии. Сочетание нового поколения матричных приемников оптического излучения и современных эффективных диспергирующих элементов делает возможным создание нового поколения спектральных устройств для определения температуры, которые обладали бы одновременно высокой чувствительностью, близкой к теоретическому пределу и высоким быстродействием - порядка 500 - 1000 отсчетов в секунду.

Появление новейших микропроцессорных устройства, средств обработки сигналов реального времени, а также новых комбинированных аналого-цифровых преобразователей в сочетании с новым поколением программных средств привели к появлению приборов и устройств, способных анализировать большие объемы информации. Такие устройства могут быть использованы при обработке информации о спектре собственного теплового излучения нагретого объекта и получать информацию о термодинамической температуре, излуча-тельной способности пирометрируемой поверхности и их динамике в

реальном масштабе времени.

Появление первых работ, в которых были предприняты попытки извлечь информацию о температуре непосредственно из спектра собственного теплового излучения пирометрируемой поверхности, относится к середине 90-х годов. Одной из последних отечественных работ, в которой наиболее полно рассматриваются эти вопросы, является монография Магунова А. М. "Спектральная пирометрия". Известны зарубежные работы по спектральной пирометрии, которые ведутся на протяжении последних лет. Это указывает на актуальность направления работ, развиваемых в рамках диссертации.

Однако большинство работ по спектральной пирометрии концентрируют свое внимание на проблеме определения термодинамической температуры в предположении близости спектра собственного теплового излучения к спектру так называемых «серых» тел. Это обстоятельство существенно сужает область применения результатов таких работ и, практически, исключает возможность определения температуры пирометрируемой поверхности «окрашенных» тел. В этих работах не затрагиваются вопросы одновременного определения спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является исследование методов и путей построения спектральных измерителей температуры, обеспечивающих одновременное получение информации о термодинамической температуре и спектральной зависимости излучательной способности не только в случае серых тел, но и для тел, которые в пирометрии известны, как "окрашенные" тела.

Основной особенностью разрабатываемого подхода состоит в том, что на первых этапах не используется априорная информация об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности, а значение температуры и вид спектральной зависимости излучательной способности поверхности определяются непосредственно в процессе эксперимента путем извлечения необходимой информации из спектра собственного излучения пирометрируемого объекта.

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

- проанализировать существующие полихроматические методы измерения температуры на предмет минимизации значений методических и инструментальных погрешностей определения температуры;

- определить место спектрального метода, разрабатываемого в "НИУ "МЭИ", среди существующих полихроматических методов;

- найти пути, позволяющие минимизировать инструментальные и методические ошибки разрабатываемого спектрального метода из-

мерения температуры пирометрируемой поверхности серых и окрашенных тел;

-провести выбор оптической схемы построения измерителя, компонентной базы и микропроцессорных средств, позволяющих решать задачи получения и анализа спектральной информации;

-разработать и создать экспериментальный макет спектрального измерителя температуры;

-провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность измерения температуры поверхности спектральным методом при произвольном характере спектральной зависимости излу-чательной способности пирометрируемой поверхности;

-выработать рекомендации и предложения по применению спектрального измерителя температуры;

Методы исследования:

В основу теоретических исследований положен анализ и использование фундаментальных соотношений теоретической теплофизики, термодинамики, пирометрии, методов математической статистики и теории вероятностей.

Экспериментальные макеты и установки были созданы с использованием новейших многоэлементных матричных фотоприемников, с применением элементов аналоговой и цифровой схемотехники, элементов и методов оптоэлектроники, а также новейших микропроцессорных и компьютерных технологий, с широким использованием, пакетов прикладных программ ведущих мировых производителей, таких как "Mathcad", "TracePro", а также "MATLAB" фирмы "The MathWorks Inc".

Верификация экспериментальных результатов и отработка методики определения температуры, а также при проверка достоверности полученных результатов по определению температуры осуществлялась методом имитации теплового излучения окрашенных тел с использованием модели АЧТ и оптических фильтров с известными спектральными характеристиками.

При одновременном определении температуры и спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности использовался нетрадиционный подход, в основу которого были положены ранее не применявшиеся в пирометрии методы статистического анализа и обработки экспериментальных данных о полученных значениях температуры.

Достоверность полученных результатов достигается:

- использованием в качестве окрашенных тел имитаторов, в состав которых входит прецизионная модель АЧТ, обеспечивающая стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющая проводить сопоставление получаемых результатов с тер-

модинамическими значениями температуры и спектральными характеристиками используемых в имитаторах эталонных светофильтров;

- сопоставлением спектральной зависимости коэффициента излучения имитаторов, получаемой в ходе экспериментов по определению температуры, со спектральными характеристиками оптических фильтров, используемых в составе имитаторов окрашенных тел;

- компьютерным моделированием расчетных методик, оптических схем спектрального измерителя температуры, его элементов и устройств используемых в работе;

- использованием оборудования и измерительных приборов ведущих мировых производителей, таких, как: "Hamamatsu", "Sony", "Mikron Infrared', "Texas Instruments", "Altera", а также применением новейших методических и программных средств "Matlab", "TracePro".

- Результатами теоретического анализа и экспериментальных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и хоздоговорных НИР шифр "Сабельник", выполненных по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при Президиуме РАН, а также в ходе выполнения НИР шифр "Обзор", проводимой совместно с ФГБУН "Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН".

На защиту выносятся следующие положения:

- принцип построения пассивных спектральных оптико-электронных устройств для одновременного определения температуры и спектральной характеристики коэффициента излучения нагретой поверхности, обеспечивающих получение достоверных данных о термодинамической температуре при отсутствии априорной информации об излучательной способности поверхности и в отсутствии прямого оптического доступа к пирометрируемой поверхности;

- методика одновременного определения по спектру собственного теплового излучения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности при неизвестных оптических свойствах пирометрируемой поверхности;

- методика минимизации инструментальной и методической погрешностей результатов определения температуры и спектральной зависимости излучательной способности путем статистической обработки температурных данных, включающей оптимальную группировку полученных спектральных составляющих собственного теплового излучения;

- методика минимизации систематических ошибок результатов измерения температуры, обусловленных монотонным характером спектральной зависимости излучательной способности путем определения параметров функции, аппроксимирующей спектральную зависимость коэффициента излучения пирометрируемой поверхности;

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

Впервые разработана методика одновременного определения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности по спектру собственного теплового излучения в отсутствии данных об излучательной способности, подтвержденная экспериментально.

Разработан метод минимизации систематических ошибок, обусловленных монотонным характером спектральной излучательной способности пирометрируемой поверхности, обеспечивающий существенно повысить точность определения температуры.

Предложена методика минимизации методической погрешности определения температуры, основанная на анализе характера спектральной зависимости излучательной способности.

Практическая значимость:

- Предложен принцип построения нового типа спектральных оптико-электронных устройств, позволяющих одновременно определять термодинамическую температуру и спектральную зависимость излучательной способности пирометрируемой поверхности.

- Разработана методика и указаны пути определения термодинамической температуры и излучательной способности поверхности в условиях изменяющихся оптических параметров и характеристик поверхности пирометрируемого объекта.

- Результаты проведенной работы использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр "Сабельник", выполненной кафедрой Электронные приборы "МЭИ (ТУ)" по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также в рамках хоздоговорной НИР шифр "Обзор", выполненной кафедрой Электронные приборы "НИУ "МЭИ", по заказу ФБГУН "Межведомственного центра аналитических исследований в области физики, химии и биологи при Президиуме РАН".

- Результаты работы положены в основу опытно конструкторской работы по теме "Разработка и создание спектрозонального комплекса для измерения температуры теплоносителя реакторной установки", проводимой в настоящее время на кафедре Электронные приборы "НИУ "МЭИ" по заказу ОАО "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля".

Личный вклад соискателя и апробация работы.

Цели и задачи настоящей диссертационной работы были поставлены руководителем диссертационной работы В.Н. Бодровым. Работа выполнялась под руководством профессора кафедры Электронные приборы Бодрова В.Н.

По результатам диссертационной работы было опубликовано 13 научно-технических работ, в том числе статья в издании, рекомендованном ВАК [1], сделаны доклады на научно технических конференциях [2-13]. Результаты диссертации докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2008.

2. Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009 г.

3. Семнадцатая международная конференция «Современное телевидение», 2009 г.

4. Восемнадцатая международная конференция «Современное телевидение», 2010 г.

5. Девятнадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», 2011 г.

6. Четвертая всероссийская и стран-участниц КООМЕТ конференция по проблемам термометрии «Температура-2011», 2011.

7. Двадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», 2012 г.

Структура и объем диссертации.

Рукопись диссертации содержит 166 страниц, 78 иллюстраций, 8 таблиц, 48 библиографических источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе приведены некоторые факты из истории пирометрии.

Проводится анализ современного состояния методов яркостной, активной пирометрии, полихроматической пирометрии, основное внимание уделено методам спектральной пирометрии.

Анализируются наиболее значимые результаты, полученные в спектральной пирометрии за последнее десятилетие. Особое внимание уделяется работам Магунова А.Н.(Россия), Р. Фелиса (США), работам, проводимым в Принстонском университете и в НАСА, США. Проведенный анализ показывает, что основная проблема пирометрии, а именно, измерение температуры без знания спектральной зависимости коэффициента излучения остается нерешенной.

Во второй главе представлено описание спектральной установки для дистанционного измерения температуры. Дано описание модели АЧТ, обоснование выбора оптической системы, диспергирующего элемента, матричного фотоприемника и ТВ-камеры на его основе. На рис.1 представлена схема спектральной установки для дистанционного измерения температуры.

Матричный фотоприемник

Телескопическая Входная щель система

К

\

\

<Г

Камерный объектив

Блок управления АЧТ

дифракционная решетка

1—1

о

в / N

Компьютер

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для дистанционного измерения температуры по спектру собственного теплового излучения нагретого объекта.

Оптическое звено спектральной установки представляет собой телескопическую систему, состоящую из двух объективов, и камерный объектив, формирующий изображение спектра на ПЗС-матрице.

Приводится обоснование выбора типа оптической системы, матричного фотоприемника, а также обоснование выбора рабочего спектрального диапазона.

Выходной сигнал ТВ-камеры, регистрирующей изображение спектра, пропорционален произведению двух функций: кривой Планка и спектральной зависимости квантового выхода ПЗС-приемника.

На рис. 2 показана кривая Планка при температуре 1000К, а также кривая квантового выхода ПЗС-матрицы, используемой на установке по измерению температуры. Из рисунка видно,

и

065 0.7 0,75 0.8 0.85 0.9

Длина волны, мкм

и

Рис. 2. К обоснованию выбора рабочего

что величина произведения максимальна в спектральном диапазоне 0,7-1 мкм. Рабочий спектральный диапазон, таким образом, выбран 0,7-0,9 мкм.

Далее приводится расчет инструментальной погрешности измерения спектральной плотности потока фотонов при использовании матричного ПЗС-приемника фирмы Sony, используемого в составе установки.

Вычисляется отношение сигнал-шум, получаемое в условиях работы установки. Формула для расчета отношения сигнал-шум имеет вид:

S/N=Qe-P/(GR4aT4ao2)m=Qe-P/(aR2+D-t+ock2+Qe-P)m,

(1)

где Qe - квантовая эффективность ПЗС-приемника; Р - количество фотонов, попадающих в пиксель ПЗС-матрицы за время экспозиции; ад2 - дисперсия сигнала, обусловленная шумом считывания; Dt -дисперсия, обусловленная шумом термогенерации приемника; acic — дисперсия наведенного заряда; Qe P - дисперсия фотонного шума.

На основе рассчитанного отношения сигнал-шум делается вывод об относительной среднеквадратичной погрешности измерения плотности потока фотонов. Также проводится оценка погрешности определения рабочей длины волны, амплитудной градуировки, проводится оценка общей погрешности измерения.

Рассматриваются также вопросы влияния аппаратного контура спектральной установки на результат определения температуры. Делается оценка ширины полуширины аппаратного контура на длине волны излучения гелий-неонового лазера, проводится процедура исключения влияния аппаратной функции на форму измеряемого спектра теплового излучения. На основе результатов расчета можно сделать вывод о незначительном влиянии аппаратного контура на форму спектра излучения в лабораторных условиях.

В третьей главе дано описание методики обработки спектральных данных, поступающих с матричного фотоприемника, методики определения значений температуры, построения гистограмм и их анализа. Проводится анализ инструментальной погрешности статистического метода спектральных отношений (СО). В основе метода СО лежит бихроматический метод, согласно которому значение температуры вычисляется по формуле:

T]k = cf (}пФ]-\пФк), (3)

п^(ЛТ)

где Ф (Я, Т) = л '_4 - нормированные значения плотности потока 2псА

фотонов, испускаемых поверхностью исследуемого объекта; Т- значение температуры, вычисляемое по двум спектральным составляющим при длинах волн ^ и

Хк; с^ - вторая пирометри-

Ьс

ческая константа, равная —

м/К;

Л

1.4388.10

Перебирая попарно возможные значения длин волн А.Л \К, по формуле (3), получаем массив значений температуры 7д. Количество возможных сочетаний длин волн по 2 при исполь-

1250 1300 Температура, К

зовании мегапиксельного матричного приемника составляет, оценочно, 500000. „ „ ^

Рис. 3. Гистограмма распределения плотно-Полученная совокуп- к ~

с- сти вероятности значении температуры 1

ность значении разбивается и ^ ^ ^

на равные интервалы температур, вычисляется значение плотности вероятности в каждом интервале и строится температурная гистограмма. На рис. 3 представлен типичный вид температурной гистограммы, полученной по методу СО. По вертикальной оси отложены значения плотности вероятности, по горизонтальной оси - значения температуры. Также на рисунке показаны математическое ожидание массива значений температуры 7д, а также дисперсия массива.

Гистограммы, получаемые методом спектральных отношений, подвергаются проверке на соответствие закона распределения температурных данных нормальному закону распределения. Проверка производится на основе критерия согласия Пирсона при уровне значимости а= 0,05. Анализ совокупностей температурных данных показывает, что в отсутствии систематической погрешности гистограммы имеют нормальный закон распределения.

В четвертой главе диссертации оценивается влияние случайной погрешности измерения на результат определения температуры. В соответствии с формулой для косвенных измерений, случайная погрешность одного значения температуры бихроматическим методом может быть оценена по формуле:

ЯуЯк Т Afc-Яу С2

/ДФ\2 + /ДФ-V Ф J j V Ф ,

Лк-Л-)

Ш)2Ат)

где

: (^р) - относительная инструментальная погрешность измере-ДА

К

(4)

ния температуры; — - относительная инструментальная погрешность

измерения волновой координаты А^; —— - относительная погрешность

ф

л

измерения одного значения интенсивности излучения; А — х -Х~

эффективная длина волны.

При использовании метода спектральных отношений значение эффективной длины волны может быть велико и меняться в рабочей спектральной области в пределах от МО"3 до 3-10"6м. Вследствие этого, значения коэффициентов передачи инструментальной погрешности в рабочей области спектра оказывается значительно больше единицы (может достигать 100 и более). Это приводит к тому, что в отсутствии статистической обработки точность измерения температуры, которая может быть оценена по значению среднеквадратиче-ской погрешности или величине доверительного интервала, оказывается достаточно низкой.

В главе предлагается методика минимизации влияния случайной погрешности на точность получаемого значения температуры. Методика основана на использовании значений температуры, полученных при минимальном значении эквивалентной длины волны.

Полученные температурные значения сортируются и объединяются в группы с близкими значениями эквивалентной длины волны. Для каждой группы вычисляется значение математического ожидания и дисперсии. Затем вычисляется математическое ожидание массива значений групповых математических ожиданий. На рис. 4 представлены гистограммы до и после статистической обработки температурных значений.

Тачт-ПбОК

Тшм 1257.52К ст. кв. погр = 40 К As 41,09959 Ex-0.1765

Тачт=1260К Тгоы =1260.39К

g о

life 1200 1J20 J 240 12« 130 ЮТ 1320 IW0 15» 12Я 12f2 12М 125« пр V 1У4 12« 12Й 1ГЛ

Температура, К ТЯЩИИЦХ

Рис. 4. Иллюстрация влияния оптимальной группировки дан-

ных при статистической обработке; а) без использования оптимальной группировки б) с использованием оптимальной группировки.

Из рисунка видно, что значение дисперсии и соответствующие оценки точности определения наиболее вероятного значения температуры значительно повышаются после статистической обработки.

В пятой главе рассматриваются вопросы методической погрешности спектрального метода определения температуры.

Методическая погрешность измерения согласно определению обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели.

Методическую погрешность определения термодинамической температуры при использовании различных условных температур удобно характеризовать разностью обратной условной Ту и термодинамической Г температур:

здесь

Ту - измеренная условная температура,

Ту - термодинамическая температура исследуемого объекта.

5у - значение методической погрешности

Формула для методической погрешности метода спектральных отношений имеет вид:

¿»со = ^(1пек - 1пе;) (6)

При использовании метода спектральных отношений было обнаружено, что в ряде случаев получаемое значение температуры достаточно сильно отличается от термодинамического (отличие составляло порядка 20%).

Различие между измеренным и термодинамическим значениями температуры возникает в случае монотонной спектральной зависимости коэффициента излучения. Такой характер спектральной зависимости коэффициента излучения является наиболее сложным с точки зрения спектрального измерения температуры. При расчете температуры по методу спектральных отношений каждое из значений температуры 7д, вычисленных по формуле (3), имеет погрешность одинакового знака, который зависит от наклона кривой спектрально зависимости коэффициента излучения. При этом температурная гистограмма сдвигается по температурной оси, и значение математического ожидания вычисляется неверно.

Аналитическое решение проблемы минимизации методической погрешности измерения получить удается лишь в случае использо-

вания ряда предположений, которые не всегда выполняются.

В главе предложен способ минимизации методической погрешности, основанный на поиске оптимальных параметров функции, аппроксимирующей экспериментальное спектральное распределение плотности потока фотонов с использованием метода наименьших квадратов. Применяются два типа аппроксимации спектральной зависимости коэффициента излучения: линейная и экспоненциальная.

Рассмотрим пример решения задачи минимизации методической погрешности в случае линейного характера спектральной зависимости коэффициента излучения. В качестве критерия оптимального подбора параметров использовалось значение суммы квадратов отклонений искомой функции в узлах от экспериментальных значений.

Таким образом, при использовании метода наименьших квадратов функционал, подлежащий минимизации имеет вид:

Пл(а,Ь,Т) = 2?=1(ЯэкспСЛ) - К0(7ДО)2, (7)

здесь Я0 = о / =---7~ст~\- ■ ФУНКЦИЯ. описы-

п^к,Т) 271сЯк4ехр^](а+ЬХк)

вающая распределение спектральных отношений Я(Т, X) и являющаяся решением рассматриваемой задачи, зависящая от параметров а, Ъ, Г; /?ЭКСП(ГД) - экспериментальные значения функции распределения спектральных отношений

Наиболее простым методом поиска глобального экстремума (оптимизации) функции Пл является метод перебора. Подбор компенсирующей функции осуществлялся путем варьирования параметров а, Ь линейной функции и Т. Когда сочетание параметров а и Ъ обеспечивало наименьшее отклонение й.л(а,Ь,Т), полагали, что подобраны значения параметров, при которых компенсирующая функция достаточно близка к реальной спектральной зависимости е(Х), а полученное при этом значение температуры Г считали найденным решением задачи.

Варьирование параметров а и Ъ линейной функции при заданной параметре Т определяло трехмерный рельеф с минимумом, представленный на рис. 5. Координаты а и Ь, соответствующие минимуму рельефа являются оптимальными параметрами функции аппроксимации при заданном значении Т.

ноо ш иоо ш> га Значение параметра Т, К

Рис. 5. Трехмерный рельеф значений функции Пл(а,Ь,Т), возникающий при варьировании параметров а и Ь, значение

Рис. 6. Характер изменения

минимальных значений £1п(а,Ь,Т,) при варьировании паиаметоа Т.

Затем варьировалось первоначальное значение температуры Т и находили температуру Т при которой реализовывалось минимальное значение функции С1л(а,Ь,Т). Полученные результаты представлены на рис.6. Результаты определения температуры имитатора АЧТ+НС7 при других температурах представлены на рис. 7, для сравнения на диаграмме показаны результаты расчета температуры данного имитатора методом СО.

метод СО после коррекции спектра

Л.....!

Термодинамические значения.

Видно, что значение систематической погрешности определения температуры удается существенно снизить. Аналогичные результаты достигаются и при использовании экспоненциальной аппроксимации спектральной зависимости коэффициента излучения.

Интерес также представляет рассмотрение случаев, когда спектральная зависимость коэффициента излучения представляет сложную кривую, которая плохо аппроксимируется линейной, либо экспоненциальной зависимостью. В

1180

1200 1220 1240 1260 1280 Термодинамическая температура, К

1300

Рис. 7. Сопоставление результатов измерения температуры имитатора окрашенного излучения АЧТ+НС7.

таких случаях при необходимости точность получаемых значений температуры может быть повышена с помощью разбиения всего рабочего спектрального диапазона на участки, на которых производится вычисление температуры с использованием линейной или экспоненциально аппроксимации.

В шестой

главе диссертации рассматриваются пути/способы построения/ создания оптико-электронного устройства, способного решать задачи одновременного определения температуры и излучательной спектропиро-Выдвига-

Вх. щель

Оптическое волокно

Входной в/о объектив

/ матричный фотоприемник.

Рис. ^та^вршмотжршдар^те -

метра. Роуланда"

ются требования к устройству в части спектрального разрешения, рабочего спектрального диапазона, количества элементов матричного приемника излучения. В качестве основных конструктивного требования к прибору выдвигаются: небольшие габариты, а также наличие оптоволоконного зонда для работы в труднодоступных условиях.

В настоящее время большое распространение получили т.н. "миниспектрометры" - достаточно малогабаритные спектрометры, комплектуемые оптоволоконными зондами для проведения измерения в труднодоступных местах (или в жестких условиях эксплуатации).

Ход лучей в спектрометре, построенном с использованием решетки Роуланда, показан на рис 8.

В отличие от спектрометров ведущих западных фирм, в оптических схемах которых используется либо плоская решётка с коллима-торным и фокусирующим зеркалами, либо вогнутая решётка с искривлёнными неравноотстоящими штрихами, в настоящем приборе без потери качества спектрального изображения удалось ограничиться единственным простым в изготовлении оптическим элементом - вогнутой классической решёткой. Достоинством такой схемы является отсутствие меридиональной комы и составляющих аберраций 2-го порядка по высоте щели, что позволяет получить достаточно высокие характеристики в этом классе приборов при невысокой стоимости оптической системы прибора.

В качестве фотоприемника используется ПЗС-линейка фирмы

Samsung, имеющая 3096 элементов.

Модуль обработки данных и управления обеспечивает оцифровку сигнала ПЗС-линейки, запись его во внутреннюю память микроконтроллера для последующей передачи на ПК посредством протокола USB.

Структурная схема блока представлена на рис. 9.

К вычислителю температурьц<"\^

Цифровой сигнал

12 бит Напряжение 3.3

w

Дифракционный блок

управления Atmel Atmega 256+

ровочны й

светодиодный блок

I

-управляю щих сигнала

Блок приема и выдачи импульсов синхронизации

Рис. 9 Блок-схема приема и предварительно обработки спектральных данных измерителя температуры.

В конце каждой главы приведены основные выводы по соответствующей главе.

Заключение представляет собой основные выводы по диссертационной работе.

Основные выводы из диссертационной работы.

Результаты проделанной работы могут быть сведены к следующему:

• Проведен анализ принципов и схем построения полихроматических и спектральных измерителей температуры, пригодных для построения устройств нового поколения. Приведены перспективные схемы построения, а также макеты спектрального измерителя температуры, построенные на базе пропускающих и отражательных дифракционных решеток.

• Указаны пути построения малогабаритных устройств, позволяющих измерять температуру в условиях затрудненного доступа к пирометрируемой поверхности, в агрессивных средах, а также при наличии интенсивного радиационного облучения.

Проведен анализ современного состояния и методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности и, в частности, спектральных методов. Показано, что на сегодняшний день не существует методик, позволяющих дистанционно (пассивно) измерять термодинамическую температуру нагретой поверхности без априорной информации об излучательной способности пирометрируемой поверхности.

Рассмотрены вопросы оценки погрешностей амплитудной градуировки измерителя температуры, погрешности измерения спектральной плотности потока фотонов и градуировки шкалы длин волн спектрального измерителя температуры. Разработанная методика получения температурных данных методом статистической обработки показала, что при отсутствии систематической методической погрешности температурные данные подчиняются нормальному закону распределения. Указаны способы определения погрешности при измерении температуры с использованием методов математической статистики. Проведен анализ инструментальной погрешности бихроматиче-ского метода, который показал, что собственная инструментальная погрешность бихроматического метода может достигать значительных величин. Именно это обстоятельство и препятствовало получению достоверных данных при традиционном использовании бихроматического метода.

Разработана методика получения и статистической обработки температурных данных, позволяющая минимизировать инструментальную погрешность определения температуры разрабатываемым спектральным методом. Показано, что получаемая при этом вероятностная оценка значений температуры становится более устойчивой к наличию в генеральной выборке случайных выбросов, влияющих на величину математического ожидания. Проведен анализ методической погрешности спектрального метода измерения температуры. Показано, что методическая погрешность в случаях, монотонного характера спектральной зависимости коэффициента излучения, может достигать значительных величин и трудно минимизируется методами математической статистики.

Проведено моделирование и анализ наименее благоприятных случаев, когда во всем рабочем диапазоне спектральная зависимость коэффициента излучения носит монотонный характер. Показано, что включение процедуры поиска параметров функций аппроксимирующих монотонную спектральную зависимость коэффициента излучения позволяет радикально снизить систематическую ошибку, возникающую при определении температуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бодров В.Н., Лебедев C.B. //Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучатель-ной способности// журнал "Приборы", №11, 2011 г стр. 51-55.

2. Бодров В.Н., Лебедев C.B. //Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучательной способности// Сборник тезисов 4-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «Температура-2011», 2011.

3. Лебедев С. В. // Исследование первой и второй производной при дистанционном определении температуры. // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2008. Москва. Т.1., стр.194-195.

4. Лебедев С. В. // Спектральный метод определения температуры черных и серых тел. // Тезисы докладов пятнадцатой международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2009. Москва. Т.1., стр.183.

5. Лебедев С. В., Бодров В.Н. //Бихроматические методы определения температуры телевизионным спектропирометром. // Труды семнадцатой международной научно-технической конференции «Современное телевидение», 2009, Москва, стр. 82.

6. Бодров В.Н., Лебедев C.B., Бесчастный М.А. //К вопросу о возможности определения температуры телевизионным спектропирометром при линейном характере спектральной зависимости коэффициента излучения//.

7. Бодров В.Н, Князев A.M., Лебедев C.B. //Функциональные возможности фоточувствительных ПЗС-матриц с внутренним электронным умножением// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 98-103.

8. Лебедев C.B., Князев А.М, Рыков А.Н. //Некоторые проблемы отладки видеокамеры на базе матрицы с внутренним электронным умножением// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 130-106.

9. Лебедев C.B., Бодров В.Н., Курносова Н.В. //Определение температуры движущихся объектов с использованием ТВ-матриц цветного изображения// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 106-111.

Ю.Казаков В.А., Лебедев C.B., Бодров В.Н. //О возможности изме-

рения температурного распределения с помощью ТВ-спектропирометра// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 114-119.

П.Бодров В.Н. Лебедев C.B. //О возможности применения спектрального метода ля измерения температуры в условиях повышенной радиации// Тезисы докладов восемнадцатой международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2012., Издательский дом МЭИ, Москва. Т.1., стр.221.

12. Бодров В.Н., Бесчастный М.А., Лебедев C.B. // О возможности использования телевизионного метода определения температуры для построения измерителе сверхвысоких температур// Труды 20-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2012, стр. 83-87.

13. Лебедев C.B., Бодров В.Н. // О возможности применения телевизионного метода определения температуры по спектру при высоких уровнях радиации// Труды 20-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2012, стр. 100-103.

Подписано в печать^^^гЗак. в $ Тир. 40® Пл. Полиграфический центр ФБГОУ ВПО "НИУ "МЭИ" Красноказарменная улица, д. 13.

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский

университет "МЭИ"

На правах рукописи

04201357074

ЛЕБЕДЕВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПИРОМЕТРИРУЕМОЙ

ПОВЕРХНОСТИ

Специальность - 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Кандидат технических наук, профессор Бодров В.Н.

Москва - 2013

Содержание

Стр.

Содержание.......................................................................................2

Введение............................................................................................6

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ПИРОМЕТРИИ.......14

1.1 Некоторые факты из истории пирометрии...............................................15

1.2 Яр костная пирометрия.................................................................17

1.3 Методы активной пирометрии...................................................19

1.4 Бихроматическая пирометрия.........................................................21

1.5 Полихроматическая пирометрия..................................................26

1.6 Спектральная пирометрия........................................................29

1.7 Выводы................................................................................37

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.......................40

2.1 Описание экспериментальной установки для измерения температуры по спектру собственного теплового излучения............................................................41

2.1.1 Источник эталонного излучения..........................................................42

2.1.2 Оптическое звено...................................................................................44

2.1.3 Дифракционная решетка.......................................................45

2.1.4 Влияние аппаратного контура спектральной установки на результат определения температуры...................................................................47

2.1.5 Приемник оптического излучения..........................................50

2.1.6 Выбор рабочего спектрального диапазона..................................52

2.1.7 Выводы...........................................................................53

2.2. Проверка линейности приемного тракта измерителя (этап 1)............54

2.3 Определение спектральной зависимости ослабления, вносимого оптическим звеном измерителя температуры (этап 2)......................57

2.4 Погрешности, возникающие при определении спектральной функции ослабления оптического звена........................................................59

2.5 Градуировка шкалы длин волн...................................................62

2.6 Погрешности градуировки шкалы длин волн................................65

2.7 Результирующая погрешность измерения спектральной плотности потока фотонов, излучаемых исследуемым объектом...................................66

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГИСТОГРАММЫ.................................................67

3.1 Метод спектральных отношений, общие сведения........................68

3.2 Температурные гистограммы...................................................72

3.3 Моменты высших порядков в статистическом распределении температурных данных......................................................................74

3.4 О характере распределения плотности вероятности получаемых температурных данных.....................................................................76

3.5 Оценка погрешности измерения по температурной гистограмме......82

3.6 Выводы..............................................................................83

ГЛАВА 4 ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ СПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ..........................................84

4.1 Общие сведения об инструментальной погрешности метода спектральных отношений...................................................................85

4.2 Пути минимизации инструментальной погрешности спектрального метода..........................................................................................88

4.2.1 Методика группировки и анализа температурных данных............92

4.3 Выводы.................................................................................96

ГЛАВА5 МЕТОДИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО СПЕКТРУ СОБСТВЕННОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....................................................................................................98

5.1 Общие замечания...................................................................99

5.2 Линейная аппроксимация спектральной зависимости коэффициента излучения......................................................................................106

5.3 Экспоненциальная аппроксимация спектральной зависимости коэффициента излучения...................................................................111

5.4 Пути повышения точности получаемых результатов......................120

5.5 Спектральная зависимость коэффициента излучения............................123

5.6 Выводы.............................................................................130

ГЛАВА 6 СПЕКТРАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ..................131

6.1 Принципы построения спектральных измерителей температуры.........................................................................................................136

6.1.1 Обзор современного состояния оптоволоконной спектрометрии... 136

6.2 Схема построения спектрального измерителя температуры........................138

6.2.1 Требования к спектральному прибору для измерения температуры. 138

6.2.2 Построение спектрального измерителя температуры.........................139

6.3 О возможности применения спектрального метода определения температуры по спектру при высоких уровнях радиации...........................156

6.4 Выводы....................................................................................158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................159

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................161

ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................................................166

Введение.

Разработка новых материалов, методов их получения, изучение их свойств, а также технологические процессы, связанные с контролем температуры в условиях вакуума, агрессивных сред и сверхвысоких температур требуют разработки новых бесконтактных методов определения температуры. При этом важно иметь достоверную информацию не только о температуре нагретых тел, но и об их излучательной способности непосредственно в процессе эксперимента в условиях изменяющихся физико-химических и оптических характеристик пирометрируемой поверхности. Одновременно, как правило, требуется обеспечить достаточно высокое быстродействие измерителя температуры.

Развитие пирометрии как науки привело к появлению большого количества методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности с использованием ее собственного теплового излучения. Однако основная проблема пирометрии остается по-прежнему нерешенной. Отсутствие достоверной информации о величине и характере спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности непосредственно в момент определения температуры препятствует получению точных значений термодинамической температуры, что обусловлено, главным образом, появлением неконтролируемых методических систематических ошибок.

Прогресс в разработке новых типов многоэлсментных высокочувствительных матричных фотоприемников, способных работать как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра оптического излучения, открывает новые перспективы для дальнейшего развития методов полихроматической пирометрии. Сочетание нового поколения матричных приемников оптического излучения и современных эффективных

диспергирующих элементов делает возможным создание нового поколения спектральных устройств для определения температуры, которые обладали бы одновременно высокой чувствительностью, близкой к теоретическому пределу и высоким быстродействием - порядка 500 - 1000 отсчетов в секунду.

Появление новейших микропроцессорных устройства, средств обработки сигналов реального времени, а также новых комбинированных аналого-цифровых преобразователей в сочетании с новым поколением программных средств привели к появлению приборов и устройств, способных анализировать большие объемы информации. Такие устройства могут быть использованы при обработке информации о спектре собственного теплового излучения нагретого объекта и получать информацию о термодинамической температуре, излучательной способности пирометрируемой поверхности и их динамике в реальном масштабе времени.

Появление первых работ, в которых были предприняты попытки извлечь информацию о температуре непосредственно из спектра собственного теплового излучения пирометрируемой поверхности, относится к середине 90-х годов. Одной из последних отечественных работ, в которой наиболее полно рассматриваются эти вопросы, является монография Магунова А. М. "Спектральная пирометрия". Известны зарубежные работы по спектральной пирометрии, которые ведутся на протяжении последних лет. Это указывает на актуальность направления работ, развиваемых в рамках диссертации.

Однако большинство работ по спектральной пирометрии концентрируют свое внимание на проблеме определения термодинамической температуры в предположении близости спектра собственного теплового излучения к спектру так называемых «серых» тел. Это обстоятельство существенно сужает область применения результатов таких работ и, практически, исключает возможность определения температуры пирометрируемой поверхности «окрашенных» тел. В

этих работах не затрагиваются вопросы одновременного определения спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является исследование методов и путей построения спектральных измерителей температуры, обеспечивающих одновременное получение информации о термодинамической температуре и спектральной зависимости излучательной способности не только в случае серых тел, но и для тел, которые в пирометрии известны, как "окрашенные" тела.

Основной особенностью разрабатываемого подхода состоит в том, что на первых этапах не используется априорная информация об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности, а значение температуры и вид спектральной зависимости излучательной способности поверхности определяются непосредственно в процессе эксперимента путем извлечения необходимой информации из спектра собственного излучения пирометрируемого объекта.

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

- проанализировать существующие полихроматические методы измерения температуры на предмет минимизации значений методических и инструментальных погрешностей определения температуры;

- определить место спектрального метода, разрабатываемого в "НИУ "МЭИ", среди существующих полихроматических методов;

- найти пути, позволяющие минимизировать инструментальные и методические ошибки разрабатываемого спектрального метода измерения температуры пирометрируемой поверхности серых и окрашенных тел;

-провести выбор оптической схемы построения измерителя, компонентной базы и микропроцессорных средств, позволяющих решать задачи получения и анализа спектральной информации;

-разработать и создать экспериментальный макет спектрального измерителя температуры;

-провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность измерения температуры поверхности спектральным методом при произвольном характере спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности;

-выработать рекомендации и предложения по применению спектрального измерителя температуры;

Методы исследования:

В основу теоретических исследований положен анализ и использование фундаментальных соотношений теоретической теплофизики, термодинамики, пирометрии, методов математической статистики и теории вероятностей.

Экспериментальные макеты и установки были созданы с использованием новейших многоэлементных матричных фотоприемников, с применением элементов аналоговой и цифровой схемотехники, элементов и методов оптоэлектроники, а также новейших микропроцессорных и компьютерных технологий, с широким использованием, пакетов прикладных программ ведущих мировых производителей, таких как "МаЖсас!", "ТгасеРго", а также "МЛТ1ЛВ" фирмы "ТЬеМа'ШогЫпс".

Верификация экспериментальных результатов и отработка методики определения температуры, а также при проверке достоверности полученных результатов по определению температуры осуществлялась методом имитации теплового излучения окрашенных тел с использованием модели АЧТ и оптических фильтров с известными спектральными характеристиками.

При одновременном определении температуры и спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности использовался нетрадиционный подход, в основу которого были положены ранее не применявшиеся в пирометрии методы статистического анализа и обработки экспериментальных данных о полученных значениях температуры.

Достоверность полученных результатов достигается:

- использованием в качестве окрашенных тел имитаторов, в состав которых входит прецизионная модель АЧТ, обеспечивающая стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющая проводить сопоставление получаемых результатов с термодинамическими значениями температуры и спектральными характеристиками используемых в имитаторах эталонных светофильтров;

- сопоставлением спектральной зависимости коэффициента излучения имитаторов, получаемой в ходе экспериментов по определению температуры, со спектральными характеристиками оптических фильтров, используемых в составе имитаторов окрашенных тел;

- компьютерным моделированием расчетных методик, оптических схем спектрального измерителя температуры, его элементов и устройств используемых в работе;

- использованием оборудования и измерительных приборов ведущих мировых производителей, таких, как: "Hamamatsu", "Sony", "Mikron Infrared", "Texas Instruments'", "Altera", а также применением новейших методических и программных средств "Matlab", "TracePro".

Результатами теоретического анализа и экспериментальных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и хоздоговорных НИР шифр "Сабельник", выполненных по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при Президиуме РАН, а также в ходе выполнения НИР шифр "Обзор",

проводимой совместно с ФГБУН "Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН".

На защиту выносятся следующие положения:

- принцип построения пассивных спектральных оптико-электронных устройств для одновременного определения температуры и спектральной характеристики коэффициента излучения нагретой поверхности, обеспечивающих получение достоверных данных о термодинамической температуре при отсутствии априорной информации об излучательной способности поверхности и в отсутствии прямого оптического доступа к пирометрируемой поверхности;

- методика одновременного определения по спектру собственного теплового излучения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности при неизвестных оптических свойствах пирометрируемой поверхности;

методика минимизации инструментальной и методической погрешностей результатов определения температуры и спектральной зависимости излучательной способности путем статистической обработки температурных данных, включающей оптимальную группировку полученных спектральных составляющих собственного теплового излучения;

- методика минимизации систематических ошибок результатов измерения температуры, обусловленных монотонным характером спектральной зависимости излучательнои способности путем определения параметров функции, аппроксимирующей спектральную зависимость коэффициента излучения пирометрируемой поверхности;

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

Впервые разработана методика одновременного определения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной

способности пирометрируемой поверхности по спектру собственного теплового излучения в отсутствии данных об излучательной способности, подтвержденная экспериментально.

Разработан метод минимизации систематических ошибок, обусловленных монотонным характером спектральной излучательной способности пирометрируемой поверхности, обеспечивающий существенно повысить точность определения температуры.

Предложена методика минимизации методической погрешности определения температуры, основанная на анализе характера спектральной зависимости излучательной способности.

Практическая значимость:

- Предложен принцип построения нового типа спектральных оптико-электронных устройств, позволяющих одновременно определять термодинамическую температуру и спектральную зависимость излучательной способности пирометрируемой поверхности.

- Разработана методика и указаны пути определения термодинамической температуры и излучательной способности поверхности в условиях изменяющихся оптических параметров и характеристик поверхности пирометрируемого объекта.

- Результаты проведенной работы использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр "Сабельник", выполненной кафедрой Электронные приборы "МЭИ (ТУ)" по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также в рамках хо�