Дистанционное зондирование температуры поверхности тел Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.327

А. В. Письменов, Д. И. Ряшенцева, М. Д. Скубилин

Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге

| Дистанционное зондирование температуры поверхности тел

Описан способ бесконтактного измерения истинной температуры (пирометрии), включающий прием теплового излучения от объекта и его спектральную селекцию. Способ обеспечивает измерение температуры нагретого тела по отношению интен-сивностей излучений на фиксированных длинах волн к разности длин этих волн.

Пирометр, длина волны, интенсивность излучений, селективный прием излучений, измерение температуры, относительная интенсивность излучения

Нагретые тела излучают электромагнитные колебания в широком интервале длин волн X

(от 0.02 до 500 мкм при температуре Т до 15 000 К), причем этот диапазон простирается в обе

стороны от его видимой части. Излучательная способность нагретых тел колеблется в интер-

6 / 2 6 / 2 вале от 5-10" Вт/ см -мкм (при Т «70 К) до 10 Вт/ см -мкм (при Т «15 000 К),

причем с ростом температуры интенсивность излучения растет по нелинейному закону.

Лучеиспускательная способность тела при заданной температуре Т по закону Кирхгофа определяется зависимостью 1у/т - А~/Те~/Т, где А-/т - поглощательная способность тела;

- температурный коэффициент, постоянный для всех тел при заданной температуре Т. Для абсолютно черного тела при всех длинах волн А~Кт = 1, тогда /у/ т - 8^т.

Мощность излучения абсолютно черного тела на всех длинах волн по закону Стефа-на-Больцмана определяется как 8 = аГ4, где а = 5.67-Ю-12 Вт/ см2-К4 - постоянная Стефана-Больцмана. Наибольшая излучательная способность по закону смещения Вина приходится длину волны X тах, обратно пропорциональную абсолютной температуре Т

Лт;|х - а/Т, где а = 0.2898 см-К - постоянная [1]. Тогда излучательная способность абсолютно черного тела определяется по закону Планка (рис. 1):

8^т = 2л;с2й/а5 ехр Ьс/ кХТ -1 , (1)

где с - скорость света в вакууме; Ь - постоянная Планка; X - длина волны; к - постоянная Больцмана.

На рис. 1 графически представлена зависимость интенсивность излучения I, прямо пропорциональной испускательной способности 8^т, от длины волны для различных значений Т. Из него следует, что можно синтезировать систему, определяющую истинные значения Т тел по зависимости

Т = М/АХ, (2)

где Д/ = |/ -I Х2 | (^ь ~~ опорные длины волн, на которых производятся измерения); АХ = |/.| -X^| - При определении температуры реального объекта в соответствии с (2)

необходимо учитывать уменьшение мощности излучения 8 реальных тел по сравнению с из© Письменов А. В., Ряшенцева Д. И., Скубилин М. Д., 2012 43

I, Вт/

I, Вт/ см2 • мкм

10

10"

10"

10"

-1

II I I Д I III III II

/ / / / "X / / / / / / /

/ / / I Д / \,т = ю/ооок/ , , , ,

/ / / / // \ ' \ ' ¡ ' ' ' '

4 —I------1—/- / Л-•/— /\—/------¡ —/ —/-----1—¡-

/ / / / / /

/' / / / / / X \ \ \ ' ' ' ' '

- /------/----у---Д-/ V- / Д---/----1----/------1-----

/ / / / / / \ \/ \ ' ' ' ' /

¡21 / / I <\ \ \ I I М /_//

0 01 ' \ ' /' ' / 7 / \ /\ \7 7 7 7

[_._. ±____X - Л_______(___/-Лд-Л.-Л____^__________'____'-•

10

-5

10

-6

10

"7

10

-8

10

-9

/ / \/ III II

I I V ' / / / / / /' / / / /

/ \ / / / / // / 12___/\\/\/ / / I 1

I

I I I

. _/______/ /_ /_

I ¡ 7 /

' ' / ' / / / /

/ / / /

./ / / ¡

/ \ / / / / \ / /

I I

■ч

1 1' ' , I ^ I 1/1

\Т /"

5__

/ / / / / I -----/----1-1-1---------1 -/- -I

/ ' / ' / ' К '/ '

" ' / ' / ' /'/ ¡11

Ч I I I I \ / / /

---//----¿7---А -/- 4 -/-/----/-Хс-'----1-----¡- ■

I II

I I

■ ''

¡ ¡- -

А/

' / ' / ' ' ' у__ 'Л _/ /-/- X____уГ _ х _ л

¡1 I / / / / / / / // / / ^^ /

/ / I II II / // / /

/ А ¡ ¡11 ' / / ' ¡ 1__ Л

ю

10

-ю

-11

0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 Л, мкм

Рис. 1

лучательной способностью абсолютно черного тела (1) и затухание интенсивности излучения I при распространении от нагретого тела до приемника.

Этот принцип частично нашел применение в цветовых пирометрах, для которых истинная температура определяется по формуле

1/Г = УТцв + [1п - 1п ]/[с2 1/Л-! - 1Д2 ] , (3)

где 7цВ - цветовая температура; , - коэффициент поглощения телом излучений

на длинах волн А,^ и Я,2 соответственно; —0.014388 - постоянный коэффициент. 44

2

3

4

Радиационные пирометры значение истинной температуры определяют по формуле

Т = (4)

где Гр - радиационная температура тела; - полный коэффициент поглощения тела.

Из законов теплового излучения Кирхгофа и Планка истинная температура тела определится как

Т = тяс2/ с2+^э+ тя 1п > (5)

где Тя - яркостная температура тела; Лэ - эффективная длина волны пирометра.

Из рис. 1 следует, что при фиксированных значениях и %2 значения истинной температуры Т однозначно соответствуют углу наклона прямой, проведенной через точки пересечения ординат в точках и А2 с зависимостями интенсивности излучения / от длины волны X при температуре Т. В качестве примеров на рис. 1 прямая 1 соответствует А}=2мкм, А2=100мкм Ддя ^ = 500 К; прямая 2 - ^=0.2мкм, А2=100мкм Ддя Г = 5000 К; прямая 3- Л,^=0.2мкм, А2=Ю0мкм Ддя 7" = Ю000К. На рис. 1 показан принцип формирования прямой 2 посредством нанесения точек А^, / А^ , Х2, I ~'-2 и определения АЯ, -^21 Д/ = |/ -I к2 |. Из графиков на рис. 1, в частности, следует, что диапазон измеряемых пирометром температур зависит от выбора значений А^ и %2-

Полученные по (2)-(4) значения температуры существенно зависят от материала тела, степени шероховатости его поверхности, угла визирования и затухания излучений в канале оптической связи (КОС), что отражается на значениях температуры Т, получаемых по (5). С другой стороны, отношение интенсивностей излучений / А^ // 'к2 свободно от

указанных искажений. В этих условиях целесообразно определять температуру на основании измерения интенсивностей излучения тела на двух длинах волн А^ и А2 и формирова-

ние. 2

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 4======================================

ния отношения данных интенсивностей. Схема пирометра, функционирующего по этому принципу, приведена на рис. 2.

Изучение объекта О через КОС поступает на два пирометрических датчика Д1 и Д2, очувствленных на длинах волн Х\ и л2 соответственно. Аналого-цифровые преобразователи АЦП1 и АЦП2 преобразуют аналоговые сигналы с выходов Д1 и Д2 в цифровые эквиваленты: IX1 —ТУ , I Х2 —> N Х2 . Отношение энергий излучения вычисляется в арифметическом блоке АБ1. Поскольку в зависимости от температуры тела и длин волн измерений возможно произвольное соотношение между энергиями излучений / А^ > / Я2 >

I Х\ <1X2 , в схему пирометра введены узлы, обеспечивающие корректное вычисление в АБ1 при любом соотношении. К таким узлам относятся элемент сравнения ЭС и четыре ключа И1-И4. При N XI > N Х2 ЭС формирует сигналы, открывающие ключи И1 и И4, что обеспечивает вычисление в АБ1 отношения ДГАБ1 =И Х\ /И Х2 . При обратном соотношении энергий ЭС открывает ключи И2 и И3, а АБ1 формирует отношение Л^АБ1 =Ы Х2 /Ы А1 . Элементы ИЛИ1 и ИЛИ2 с помощью ключей И5 и И6 предотвращают формирование решения при нулевых значениях цифровых эквивалентов N X1 и N Х2 соответственно, поскольку в этом случае возможна ошибка в связи с выходом за пределы разрядной сетки устройства. Правильно сформированный цифровой код с выхода АБ1 поступает на арифметический блок АБ2, где масштабируется с коэффициентом, выдаваемым задатчиком ЗД в зависимости от используемой температурной шкалы (предусмотрены коэффициенты для шкал Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и Кельвина). Выход АБ2 является информационным выходом пирометра ИВ, а выход И6 - сигнальным выходом СВ, свидетельствующим о получении корректного измерения. Получение ненулевого результата на ИВ фиксируется схемой ИЛИ3, запускающей формирователь Ф, импульс с выхода которого повторно запускает АЦП1 и АЦП2 для продолжения мониторинга температуры объекта [2], [3].

Описанный пирометр в отличие от известных (цветовых и радиационных) пирометров обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет снижения ограничений, связанных с зависимостью показаний от угла визирования, от расстояния до объекта визирования (мониторинга) и от прозрачности КОС, а также исключает участие оператора в процессе измерения. Он обеспечивает повышение точности измерений с одновременным расширением температурного диапазона (300... 15 000 К) за счет учета относительных значений исходных данных вне зависимости от диапазона измеряемых температур и затухания в КОС и может применяться в дискретной (цифровой) автоматике управления технологическими процессами [4].

Площадь зондирования равномерно нагретых объектов мониторинга нелимитирова-на, поскольку фиксация значений IX1 и I Х2 осуществляется датчиками Д1 и Д2, а температура объекта оценивается отношением указанных величин. Однако для оценки температуры локальных участков при неравномерном нагреве необходима локализация участков визирования (зондирования).

Список литературы

1. Джавадов Н. Г., Письменов А. В., Скубилин М. Д. Информационное и инструментальное обеспечение в технологических системах. Баку: МВМ, 2007. 420 с.

3. Пат. RU 2225600 C2. МПК7 G01J 5/58. Пирометр / М. Д. Скубилин, А. В. Письменов, И. М. Скубилин, Д. А. Письменов. Опубл. 10.03.2004. Бюл. 7.

4. Пат. UA 55788. G01J 5/58, H01L 21/66 / М. Д. Скубшн, А. В. Шсьменов, А. В. Авраменко. Споаб пiрометрiчного вимiрювання. Опубл. 15.04.2003. Бюл. 4.

5. Скубилин М. Д., Финаев В. И., Бойченко М. М. Инструментальные и программные средства систем автоматического управления / ТТИ ЮФУ. Таганрог, 2011. 298 с.

A. V. Pismenov, D. I. Rjashenceva, M. D. Skubilin

Institute of technology of the Southern federal university in Taganrog

Remote sensing of bodies surface temperature

The method for contactless measurement of the true temperature (pyrometry), which includes the reception of thermal radiation from the object and its spectral selection, is shown. The method provides the temperature measurement of a heated body from the intensity of radiation at fixed wavelengths to the difference between the lengths of these waves.

Pyrometer, wavelength, radiation intensity, selective radiation recieving, temperature measurement, relative radiation intensity

Статья поступила в редакцию 28 февраля 2012 г.

УДК 621.391.244

И. А. Ермоленко

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота

I Реализация корреляционного измерителя чистоты спектра радиосигналов

Рассмотрены возможности реализации двухканального корреляционного измерителя чистоты спектра радиосигналов, содержащего в каждом канале идентичные преобразователи частоты, фильтры и измерительные усилители. Вычислительный блок с коррелятором реализован на персональном компьютере со звуковыми картами, содержащими два независимых АЦП для каждого канала измерителя.

Чистота спектра радиосигналов, флуктуации амплитуды и фазы квазигармонических колебаний, двуканальный корреляционный измеритель спектров флуктуаций

Чистота спектра радиосигналов определяется суммарным уровнем флуктуаций амплитуды и фазы (частоты) квазигармонических колебаний, генерируемых различными электронными и полупроводниковыми приборами. Флуктуации порождаются шумами в этих приборах и принципиально неустранимы. Уровень флуктуаций ограничивает реальную чувствительность радиоприемных устройств, уровень внеполосных излучений радиопередающих устройств, разрешающую способность и точность различных измерительных систем, точность определения координат радионавигационными системами, электромагнитную совместимость различных радиоэлектронных средств (например, на морских судах) [1].

В связи с неуклонным повышением требований к качеству ВЧ- и СВЧ-радиосигна-лов в различных радиосистемах существует необходимость совершенствования способов