CC BY
45
УДК 681.2.088:536.521
Н. С. ЧЕРНЫШЕВА Б. П. ИОНОВ А. Б. ИОНОВ
Омский государственный технический университет
ДИАГНОСТИКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИТУАЦИИ ПРИ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ ТЕМПЕРАТУРЫ В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Проанализирована измерительная ситуация, возникающая при бесконтактном измерении температуры. Выделены основные дестабилизирующие факторы, вы1зывающие погрешность пирометров. Рассмотрены ключевые принципы построения интеллектуальных измерительных систем промышленного н азначения. Проведенное исследование демонстрирует возможность качественно оценивать сложившуюся измерительную ситуацию путем расчета показателей достоверности результатов интеллектуальным пирометром.
Ключевые слова: температура, интеллектуальные измерительные системы, информационная избыточность, достоверность информации.
Одной из областей измерительной техники, где в последнее десятилетие произошел качественный скачок, связанный с появлением и удешевлением новой элементной базы, является область бесконтактных температурных измерений. Показателем этого является широкое распространение тепловизи-онных систем, а также наполнение рынка средствами бесконтактного измерения температуры (пирометрами) [1]. Основными преимуществами данного метода измерения являются быстродействие, продолжительный срок службы, измерение температуры в недоступных контактным методам местах, повышение безопасности обслуживающего персонала за счет удаленности от опасных объектов контроля, и т. д. [2]. Однако первоначальные ожидания широкого применения новых систем и приборов бесконтактного измерения температуры с целью замены существующих контактных систем сменились некоторым разочарованием, а точнее, более корректным выбором области их использования.
Основным недостатком систем для бесконтактного измерения температуры является неопределенность (погрешность), обусловленная наличием факторов, связанных не с техническими характеристиками измерительного прибора, а с особенностями измерительной ситуации (процесса передачи информации о температуре) от объекта контроля к измерительному прибору в данный конкретный момент времени.
Процесс бесконтактного измерения температуры является косвенным и происходит поэтапно. Поток излучения, испускаемый нагретым телом, определяется его абсолютной температурой (эта зависимость описывается законом Планка) и состоянием поверхности (которое учитывается спектральным коэффициентом излучения в соответствии с законом Кирхгофа, определяющим долю энергии, излучаемой в окружающее пространство). Кроме того, прежде чем достигнуть приемника излучения
пирометра, происходит снижение интенсивности, вызванное поглощением и рассеянием на атмосферных неоднородностях в пространстве между объектом контроля и прибором [3]. Этот процесс описывается радиометрической цепочкой (рис. 1), в которую входят источник излучения, среда распространения и приемник излучения.
Если для одиночных измерений либо для измерений в априори известных условиях влияние внешних мешающих факторов может быть учтено оператором путем установки соответствующего коэффициента коррекции, то при непрерывном мониторинге технологических процессов в промышленности сделать это затруднительно. В результате изменяющиеся в процессе измерения внешние факторы существенно снижают достоверность полученных результатов, причем погрешность связана не с деградацией характеристик собственно прибора, а с изменением измерительной ситуации.
Любое средство измерения характеризуется погрешностью, которая, согласно ГОСТ Р 8.563-2009 [4], формируется с учетом всех ее составляющих: инструментальной, методической и субъективной.
Инструментальная погрешность, составляющими которой являются основная и дополнительная погрешность, обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Основная погрешность указывается в технической документации на средство измерения и определяется в нормальных условиях эксплуатации. Дополнительная погрешность возникает при отклонении от нормальных условий эксплуатации средств измерения, за счет влияния внешних факторов. В пирометрии к причинам дополнительной погрешности, как правило, относят влажность и температуру окружающей среды, атмосферное давление, электромагнитные поля.
Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Методическую
Рис. 1. Радиометрическая цепочка
Рис. 2. Спектральное распределение сигнала на выходе приемника излучения при слабом (нормальные условия) и сильном (промышленные условия) влиянии внешних факторов
погрешность образуют неучтенные в приборе параметры радиометрической цепочки: неизвестный коэффициент излучения объекта контроля и фона; поглощение ИК-излучения атмосферными газами; рассеяние излучения на микрочастицах (пыль, дым, туман, дождь); неравномерность температур в поле зрения прибора; отраженное объектом излучение близкорасположенных нагретых тел, и т. д. В производственных условиях данные факторы имеют изменчивый и индивидуальный характер для каждой измерительной ситуации, вследствие чего учесть их в процессе калибровки прибора невозможно. Наиболее наглядно влияние внешних факторов на радиометрическую цепочку можно представить при сравнении спектрального распределения (в рабочей области ИК-диапазона) сигнала на выходе приемника излучения в нормальных условиях (лабораторных условиях, при слабом влиянии атмосферного поглощения) и для случая сильной запыленности, загазованности (рис. 2) [5].
Для снижения влияния указанных выше составляющих методической погрешности на конечный результат можно предложить пути, связанные с диагностикой измерительной ситуации. С одной стороны, необходимо диагностировать измеритель-
ную ситуацию по статусу: допустимо, требует принятия мер, недопустимо. С другой стороны, необходимо предложить методику, которая позволит измерительному прибору (системе) в процессе работы самостоятельно учитывать как можно большее число внешних мешающих факторов и, по возможности, компенсировать их влияние.
В настоящее время при бесконтактном тепловом контроле преобладает классический подход (свыше 90 % всех измерений), предусматривающий применение одноканальных пирометров или тепловизоров. Методика измерения в таких системах предполагает компенсацию дополнительной погрешности путем введения оператором (или производителем) корректирующего коэффициента е, что описывается выражением:
Т * = ¥ (е-5 (а (1,Т ))),
где Т — оценка температуры объекта; ¥(5) — калибровочная характеристика пирометра; 8(С(Х,Т — реакция на принятое ИК-излучение со спектральной интенсивностью С(1,Т).
Оценка возникающей при действии внешних дестабилизирующих факторов систематической по-
Рис. 3. Погрешность пирометра частичного излучения в зависимости от: а) коэффициента излучения объекта; б) концентрации паров воды; в) концентрации пыли. Т — температура объекта; епр — коэффициент коррекции прибора; и — концентрации Н20; Ь — расстояние от объекта до пирометра
250 300 350 400 450
Температура объекта контроля, °С
а
160
140
120
О
о
¿Г 100
О)
80
60
40
20
Тф=140°С £ф=0.7 0=0,8
/ ......................... ........... .........................................V ...........----------- -1 ...... т
200
250
300
350
400
450
500
Температура объекта контроля, °С б
Рис. 4. Погрешность пирометра частичного излучения в зависимости от влияния фонового излучения: еок — коэффициент излучения объекта; еф — коэффициент излучения фона; D — соотношение площади объекта, попадающего в поле зрения прибора, к общей площади поля зрения прибора
грешности измерений была проведена методом имитационного моделирования для наиболее распространенного класса пирометров частичного излучения (рис. 3 — 4). В целом пирометры данного типа позволяют получить хорошие результаты либо
в условиях приближенных к калибровочным, когда влияние внешних факторов незначительно, либо при подборе оптимального коэффициента коррекции, если оператор (или производитель) сможет качественно определить факторы, определяющие допол-
Рис. 5. Обобщенная функциональная схема интеллектуального пирометра
нительную погрешность. Таким образом, достоверность пирометрических измерений напрямую зависит от точности вносимой оператором информации об измерительной ситуации, что приводит к возможному появлению существенной субъективной погрешности.
Система, которая при диагностике измерительной ситуации способна корректировать показания температуры по оценке полученной информации в данный момент, должна обладать информационной избыточностью. В то время как одноканальные системы не способны решить данную задачу из-за своей ограниченности, применение концепции многоканальной спектральной пирометрии позволяет обозначить пути решения.
Существующие многоканальные системы (полихроматические, цветовые) чаще всего ориентированы на конкретное применение и учет влияния конкретного внешнего фактора. Технической особенностью построения данных пирометров является использование нескольких (более одного) участков спектра в ИК диапазоне. Классическим примером служит двухканальный пирометр спектрального отношения, позволяющий компенсировать интегральный коэффициент излучения объекта. Приборы данного типа применяют для измерения высоких температур (свыше 1000 °С), в частности, в металлургии [6].
Предлагаемая концепция построения многоканальной системы заключается в возможности использования дополнительных спектральных каналов измерения, показания которых слабо коррелируют между собой с точки зрения реакции на внешние мешающие факторы. Оценка температуры (результат измерений) формируется путем последующей статистической обработки канальных данных с учетом накопленной информации о текущем состоянии измерительной ситуации. Другими словами, применение данного алгоритма обеспечивает интеллектуализацию прибора.
Под интеллектуальным пирометрическим датчиком следует понимать средство измерений, которое:
1) адаптируется к текущим условиям измерения, снижая величину общей погрешности;
2) помимо выдачи оператору результата измерений параллельно осуществляет функцию метрологического самоконтроля.
На рис. 5 представлена обобщенная функциональная схема интеллектуального пирометра, реализующего принцип информационной избыточности. Количество измерительных каналов N должно пре-
вышать количество вычисляемых параметров М радиометрической цепочки. Данное техническое решение позволяет параллельно определять N альтернативных оценок температур. Принцип работы интеллектуального пирометра основан на подборе заранее заданных параметров измерительной модели (т.е. каждый прибор настраивается индивидуально под специфику измерительной ситуации в месте предполагаемой установки), при которых реальные выходные сигналы всех каналов будут соответствовать своим расчетным величинам с заданным уровнем допуска. Итоговые значения параметров выбираются из условия минимума среднего отклонения между реальными и расчетными сигналами. Сама величина отклонения является параметром, свидетельствующим о степени достоверности оценки [7 — 8]. Показатель достоверности — это критерий оценки измерительной ситуации, который имеет три статуса качества результата измерений:
1) ДОПУСТИМЫЙ (нормальные условия эксплуатации).
2) ПОГРАНИЧНЫЙ (требует внимания или принятия мер).
3) НЕДОПУСТИМЫЙ (показаниям прибора доверять нельзя).
Граница статуса ДОПУСТИМЫЙ определяется, например, значением основной погрешности (1 на рис. 3, 4, 6), где ст= ±2% — основная погрешность пирометра, в соответствии ГОСТ 28243-96 [9]. Предел статуса ПОГРАНИЧНЫЙ определяется с учетом дополнительной погрешности (2 на рис. 3, 4, 6), где ±2а — предел дополнительной погрешности. Соответственно, статус НЕДОПУСТИМЫЙ говорит о том, что показания прибора некорректны, а погрешность выше заявленной.
Проверка эффективности предложенного метода проводилась с использованием пятиканальной опытной установки. На первом этапе экспериментально определена реакция пяти приемников излучения в ближнем ИК-диапазоне (1...5 мкм) (среди которых: четыре узкополосных с интерференционными фильтрами и один широкополосный датчик) на излучение от модели абсолютного черного тела в диапазоне температур 200..500 °С. Далее, на основе полученных данных, проведено имитационное моделирование ситуации, возникающей в случае влияния фонового излучения (объект заполняет поле зрения прибора частично). Данный фактор влияния является наихудшим из рассмотренных выше, поскольку погрешность измерения пирометром частичного излучения в заданных при моделировании условиях всегда соответствует статусу НЕДОПУСТИМЫЙ (рис. 3 — 4).
Рис. 6. Погрешность пятиканального пирометра в зависимости от влияния фонового излучения
Для случая многоканального интеллектуального пирометра ситуация кардинально меняется. На рис. 6 приведены результаты имитационного моделирования при определении температуры объекта данным прибором в условиях влияния фонового излучения (набор внешних факторов рис. 4а соответствует набору факторов рис. 6а, аналогичное соответствие рис. 4б и рис. 6б). Предложенная многоканальная система позволяет снизить погрешность в соответствии с ГОСТ 28243-96 (±2%). С точки зрения достоверности результатов измерений, произошел сдвиг границы статуса качества измерений по сравнению с одноканальным пирометром. Причем если многоканальный пирометр индицирует текущий статус результата, то для одноканальной системы статус неизвестен, т. е. если при измерении температуры сложится ситуация, когда в поле зрения прибора попадет не только объект контроля, но и другие объекты (экранирование, фон), то пирометр частичного излучения выдаст некорректный результат, причем никакой информации о возникновении подобной ситуации оператор не получает.
Проведенное исследование подтверждает значимость и целесообразность проведения диагностики измерительной ситуации при бесконтактных температурных измерениях, которую эффективно выполняет метод многоканальной интеллектуальной пирометрии. Главное достоинство предложенного метода заключается в автоматическом самоконтроле качества результата проводимых измерений с представлением полной информации пользователю о текущем состоянии измерительной ситуации, что снижает риски и вероятность принятия ошибочных решений.
Библиографический список
1. Вавилов, В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль : моногр. / В. П. Вавилов. — М. : ИД Спектр, 2009. — 544 с.
2. Minkina, W. Infrared Thermography. Errors and Uncertainties / W. Minkina, S. Dudzik. - N. Y. : John Wiley & Sons,
2009. - 212 p.
3. Госсорг, Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение / Ж. Госсорг. — М. : Мир, 1988. — 416 с.
4. ГОСТ Р 8.563 — 2009. Методика (методы) измерений. — Введ. 2009—15—12. М. : Стандартинформ, 2011. — 16 с.
5. Ionov, A. B. Metrological Problems of Pyrometry: an Analysis and the Prospects for Solving Them. Measurement Techniques, 2013, Vol. 56, № 6, P. 658 — 663.
6. Магунов, А. Н. Спектральная пирометрия / А. Н. Ма-гунов. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2012. — 248 с.
7. Ионов, А. Б. Интеллектуализация прибора как способ минимизации влияния человеческого фактора при бесконтактных температурных измерениях / А. Б. Ионов, Н. С. Чернышева, Б. П. Ионов, Е. В. Плоткин // Приборы. — 2014. — № 6. — C. 1 — 10.
8. Ионов, Б. П. Использование температурно-спектрального представления данных для спектрально-статистической многоканальной пирометрии / Б. П. Ионов, А. Б. Ионов, Н. С. Чернышева, А. В. Ольшанский // Приборы. — 2015. — № 11. — С. 5—11.
9. ГОСТ 28243 — 96. Пирометры. — Введ. 2004 — 01—01. — М. : Изд-во стандартов, 2003. — 8 с.
ЧЕРНЫШЕВА Надежда Сергеевна, аспирантка кафедры радиотехнических устройств и систем диагностики.
Адрес для переписки: nadejda13.90@mail.ru
ИОНОВ Борис Петрович, кандидат технических
наук, доцент кафедры радиотехнических устройств
и систем диагностики.
Адрес для переписки: bion_rtu@mail.ru
ИОНОВ Антон Борисович, кандидат технических
наук, доцент кафедры радиотехнических устройств
и систем диагностики.
Адрес для переписки: antionov@mail.ru
Статья поступила в редакцию 12.10.2016 г. © Н. С. Чернышева, Б. П. Ионов, А. Б. Ионов
