Использование оптического трехспектрального пирометра при воздействии теплового излучения фона Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 536.521.2

В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ТРЕХСПЕКТРАЛЬНОГО ПИРОМЕТРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФОНА

Предлагается методика измерения температуры поверхности объектов оптическим трехспектральным пирометром при воздействии теплового излучения фона. Приведены конструкция макета пирометра и результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова: бесконтактные методы измерения температуры, пирометр, коэффициент излучения, инфракрасное излучение.

Введение. Постановка задачи. В классической оптической пирометрии широко известны методы измерения радиационной (энергетической) Т£, яркостной Тя и цветовой Тц

температуры при дистанционном измерении термодинамической (истинной) температуры Т излучающих поверхностей объектов [1—3]. При этом, как указывается в работах [4, 5], необходимо учитывать процесс отражения сторонних источников излучения поверхностью объектов при измерении температуры оптическими пирометрами. В этих же работах рассматривается методика оценивания влияния теплового излучения фона на результат измерения температуры тел, находящихся в нагревательной печи, классическими радиационным, яркост-ным и цветовым пирометрами. В работе [6], в частности, отмечается, что влияние сторонних источников излучения на результаты измерения температуры поверхности объекта может быть учтено путем введения эквивалентного коэффициента излучении. Тем не менее, по мнению авторов, необходимы дальнейшие исследования по изучению влияния как температуры фонового излучения, так и коэффициента излучения фона на результат измерения температуры объектов не только классическими, но и современными устройствами оптической пирометрии, в том числе оптическим трехспектральным пирометром [7, 8].

В этой связи в настоящей статье предлагается методика измерения температуры поверхности объектов оптическим трехспектральным пирометром при воздействии теплового излучения фона в отсутствие достоверной информации о коэффициенте излучения объекта.

Рассмотрим соотношения, функционально связывающие измеряемые классическими пирометрами температуры с термодинамической температурой поверхности объекта Т и температурой фона Тфон [4, 5]:

Те= Т 4 е + (1 -в) ТфоН/ Т

Тя-1 = Т-1 - А 1п |в(Х) + [1 - в (X)-] ехр Г -1(( - Т)

Гц"1 = Т +

XIX

1Л2

(2 "^1 )

1п

в( эф1) + 1 "в( эф1) ехр - ^ (-Т -)]"

в(эф2 ) + 1 "в(эф2 ) ехр х ( -Т-1)

где в — интегральный коэффициент излучения поверхности объекта; в(эф1) и в(эф2 ) —

спектральный коэффициент излучения поверхности объекта на эффективных длинах волн ^ и X2 цветового (двухцветного) пирометра; в(^) — спектральный коэффициент излучения поверхности объекта на рабочей длине волны яркостного пирометра; с2 — постоянная в формуле Планка.

Излучение фона рассматривалось как излучение черного тела.

Методика измерения термодинамической температуры объектов. Предлагаемая методика разработана для пирометра, описанного в работах [7, 8]. При наличии фонового и внутреннего излучения оптических элементов работу пирометра можно описать следующей системой уравнений [9]:

ие(Хэф1, Т)

и£ (эф2, Т)

и£ (эф3, Т)

К

1в( эф1 )(( х5эф1)

ехр ( /хэф1Т)"1

+ п

К 2 в

(эф2 )(/

ехР ( / Хэф2Т)" 1

Кз (( Хэфз)

+п

1 "в(эф1 ) ифон (эф1 ) + ио (эф1 ); 1 "в(эф2 ) ифон (эф2 ) + ио (эф2 );

(эфЗ ) + п 1 "в(эфЗ ) ифон (эфЗ ) + ио (эфЗ )

(1)

ехР ( / (эф3Т))" 1

где и£ (Xэфу, Т), ифон (Xэфу) и ио (Xэфг) — сигналы на выходе приемника излучения пирометра на 1-й эффективной длине волны Xэфг, г=1, 2, 3, соответственно при визировании исследуемого объекта, участков фона и при закрытом входном зрачке объектива прибора; п — коэффициент, зависящий от фонового освещения, условий наблюдения поверхности объекта и индикатрисы отражения; с — постоянная в формуле Планка; в^ эфг) — коэффициент излучения поверхности объекта на эффективных длинах волн;

Кг = А®зр£^эфг Iхо ^эфг )та эфг )Тф (Xэфг ), г = 1, 2 3,

где А и шзр — площадь входного зрачка и угол поля зрения объектива пирометра; то(Xэфг), та (X эфг), Тф (X эфг) — коэффициенты пропускания соответственно оптической системы пирометра, слоя атмосферы между объектом и пирометром и спектральных фильтров на эффективной длине волны Xэфг; £(Xэфг) — спектральная чувствительность приемника излучения

на эффективной длине волны Xэфг.

Следует отметить, что эффективные длины волн спектральных диапазонов вычисляются по формуле [1]

| в(Г)0 (X,Т)тф (X)(X)dX

X эфг =

(V

Г в(Т)Ьо (X,Т)тф (X)1 £(X)dX '' X

г=1, 2, 3

1 1

где Ь0 (Я, Т) — спектральная яркость абсолютно черного тела при температуре Т; ЛЯ1, ЛЯ2, ЛЯз — эффективная полоса пропускания соответственно первого, второго и третьего спектральных фильтров.

Анализ системы уравнений (1) показывает, что, в общем случае, в ней содержится четыре неизвестные величины, а именно: в(Яэф1), в(Яэф2), в(Яэфз) и Т. Для решения этой системы воспользуемся соотношением [9, 10]

в(Яэф3 ) = а1в(Яэф1 ) + а2в(Яэф2 ), (2)

где

ЛЯ-, ЛЯ 2 а1 =—-, а 2 =——. ЛЯ3 ЛЯ3

Анализ достоверности соотношения (2) будет рассмотрен далее.

В соответствии с выражением (2) система уравнений (1) становится системой с тремя неизвестными величинами: в(Яэф1), в(Яэф2) и Т, решение которой может быть получено в виде трансцендентного уравнения для определения температуры Т поверхности объекта:

ехР ((/ Я эф1Т )- " пвфон (Я эф1)ехР ( В -С2 /Яэф1Тфон )

ехР (/ Я эф2Т )- - пвфон (Яэф2)ехР( С (2/Яэф2Тфон )

, (3)

ехр (/ Я эфзТ ) - пвфон (Яэф3 )ехР (/ Я эф3Тфон )'

где вфон (Я эфу) — коэффициенты излучения фона на эффективного длинах волн, а коэффициенты А, В и С определяются по следующим формулам:

1-5 кз

А = па1Яэф1 -^ГгР£(я эф1 )-Пи фон (я эф1)-ио (я эф1)]; С1К1

В = па2Я"эф2 -^-[и£(яэф2)-фон(яэф2)-^о(яэф2)], СлКо

С =-— [[Е (Я эфЗ )- Л и фон (я эфз )- ио (я Эфз )].

С1

Анализ работы пирометра. Критерием работы оптического трехспектрального пирометра является достоверность соотношения (2). На основе обработки многочисленных экспериментальных данных для анализа спектральных коэффициентов излучения металлов, сплавов, природных образований и сред была проведена количественная проверка соотношения (2), содержавшая следующие действия [9]:

1) на основе анализа спектральных коэффициентов излучения в(Я) различных материалов в области длин волн от 8 до 14 мкм определялись рассчитываемые (моделируемые) значения коэффициента вм (Я эфз) с учетом данных о коэффициентах в(Я эф1) и в(Я эф2) и о ширине спектральных интервалов: ЛЯ1 = 10 - 8 = 2 мкм, ЛЯ 2 = 14 - 10 = 4 мкм, ЛЯ3 = 14 - 8 = 6 мкм;

2) по графикам коэффициентов в(Х) для каждого материала выбирались реальные значения коэффициента излучения в р (X эфз );

3) в соответствии с пп. 1, 2 осуществлялось построение графиков корреляции моделируемых вм (Xэфз) и реальных Вр (Xэфз ) значений коэффициентов излучения.

Расчет моделируемого коэффициента вм (Xэфз) производился в среде автоматизации МаШСаё.

График корреляции коэффициентов вм (X эфз ) и в р (X эфз ) для некоторых металлов, сплавов, природных образований и сред представлен на рис. 1.

8м(Лэфз)

- — строгая теория;

— алюминий; ^ —дюраль (гладкий, Т= 100 °С);

-}— — сталь (при длительном

прокаливании, Т= 100...300 °С);

| || — дюраль (матовый, Т = 110 °С);

^^ — графит;

— гравий; Ф — трава сухая;

— трава зеленая;

— глина; |~~| — асфальт чистый;

А — вода

0,2

0,4

0,6

^(^фз!)

Рис. 1

Анализ соотношения (2) и приведенного графика позволяет отметить следующее:

— наличие корреляции значений моделируемых вм (X эфз ) и реальных в р (X эфз ) коэффициентов излучения свидетельствует о достоверности соотношения (2), по крайней мере, для спектральных коэффициентов излучения исследованных материалов и сред;

— математически достоверность соотношения (2) обосновывается выражением

Jв(x)dx = Jв(x)dx + Jв(x)dx,

(АЯз) (АЯ1) (ДЯ2)

где длина волны левой границы интервала ДX2 совпадает с длиной волны правой границы интервала АXl, а интервал ДX з = АXl + АX2 .

Методика и результаты измерений. Для подтверждения достоверности исследований была разработана и собрана экспериментальная установка (рис. 2) для измерений температуры поверхности объектов с использованием макета оптического трехспектрального пирометра.

В состав установки входят: 1 — тепловой излучатель с блоком управления 2; 3 — объектив; 4 — турель с тремя спектральными фильтрами; 5 — механический модулятор; 6 — пироэлектрический приемник МГ-з2 со схемой питания 7; 8 — цифровой вольтметр В 7-27А/1; 9 — осциллограф (следует отметить, что элементы 3—8 составляют макет пирометра). Тепловой излучатель 1 был взят из комплекта градуировочной аппаратуры к отечественному тепловизору „Радуга-ЭВМ" производства ФГУП „Азовский оптико-механический

0

завод"; зеркальный объектив 3 входит в комплект тепловизора „Радуга-2", основные параметры объектива: световой диаметр d = 40 мм, заднее фокусное расстояние f' = 64 мм.

3 4 5 6

Рис. 2

Методика измерений температуры поверхности объектов заключается в следующем.

1. С помощью блока управления 2 устанавливается начальная температура T3 поверхности излучателя с известным коэффициентом излучения.

2. Включается двигатель механического модулятора и устанавливается частота модуляции излучения, равная ^ = 250 Гц, которая регистрируется осциллографом 9.

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

4. Цифровым вольтметром 8 регистрируются значения выходных сигналов U2(Xэф1),

US(X эф2 ) и US(X эф3 ).

5. Измеряются сигналы Ut3 (Xэф1), Ut3 (Xэф2 ) и UC) (Xэфз) при закрытом входном зрачке объектива 3.

6. Измеряются сигналы Uфон (X эф1), Uфон (X эф2 ) и Uфон (X эфз ), эквивалентные тепловому излучению фона.

7. Предварительно в компьютер вводятся значения параметров XэфЬ Xэф2, Xэфз, а1, а2, K1, K2, K3, п, Tфон и вфон, которые определяются фоновой обстановкой, индикатрисой отражения и свойствами макета пирометра.

8. Полученные в пп. 4—6 значения сигналов подставляются в формулу (3), с использованием которой по разработанному алгоритму определяется температура Т поверхности излучателя 1.

9. Аналогично с помощью блока управления устанавливаются другие температуры T3 излучателя, и процедура измерения повторяется согласно пп. 3—8.

Проводились также измерения температуры плоского излучателя, поверхность которого выполнена из дюралюминия, являющегося высокоотражающим материалом. Измерения проводились в лабораторных условиях при температуре фона Tфон = 293 K; значение интегрального коэффициента излучения покрытия стен было выбрано равным 8фон = 0,91. Результаты

экспериментальных исследований, проведенных с помощью различных приборов, представлены в виде графиков корреляции измеренной (Т) и устанавливаемой (T3) температуры поверхности излучателя: см. рис. 3, а, б, где приняты следующие обозначения: - — „идеальный" пирометр; о — макет трехспектрального пирометра; ^ — радиационный пирометр

ThermoPoint TRT 8 ProPlus (фирмы "FLIR Systems", США — Швеция); х — термопара ТПХК-(Ь)-К11.Н.0,5-2000-2 ТУ 4211-011-42187449-2002.

а)

Т, К 320

300

280

260

б)

•0 о

I У

О >

с ОС/ о/

/ с / ь

/ о

/

/

280

300

320 Т„ К

Т, К

320

300

280

260

280

300

320 Тз, К

Рис. 3

Анализ результатов измерения температуры поверхности излучателей с использованием лабораторного макета трехспектрального пирометра показал, что в диапазоне температур объекта 293—333 К средняя квадратическая погрешность измерения составляет А « 1,9 %; ее оценка осуществлялась по статистике Гаусса при числе измерений N = 30 для каждого значения устанавливаемой температуры излучателя. При измерении радиационным пирометром температуры поверхности с высоким коэффициентом отражения наблюдается отклонение измеряемой температуры Т от действительной: АT = 33 К при Тз = 333 К и Tфон = 293 К. Такое увеличение погрешности АТ/Тз « 10 % при измерениях радиационным пирометром в

практике тепловизионных исследований классифицируется как проявление температуры „отражения".

Заключение. Предложенная методика работы оптического трехспектрального пирометра позволяет дистанционно достаточно точно измерить в условиях воздействия теплового излучения фона термодинамическую температуру объектов как с низким, так и с высоким коэффициентом излучения их поверхностей; при этом абсолютные значения коэффициентов излучения могут быть неизвестными величинами.

Влияние теплового излучения фона на суммарное излучение объекта рассматривалось с учетом формул Кирхгофа и Вина, оценки геометрии „освещение—наблюдение" и вида индикатрисы отражения поверхности объекта.

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук, проф. И. С. Гибину, д-ру техн. наук, проф. Е. С. Нежевенко и д-ру техн. наук, проф. А. Н. Серьёзнову за участие в обсуждении материалов статьи.

список литературы

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

2. Гордое А. Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971. 445 с.

3. Снопко В. Н. Спектральные методы оптической пирометрии нагретой поверхности. Минск: Наука и техника, 1988. 152 с.

4. Киренков И. И. Метрологические основы оптической пирометрии. М.: Изд-во стандартов, 1976. 140 с.

5. Поскачей А. А., Свенчанский А. Д. Пирометры излучения в установках нагрева. М.: Энергия, 1978. 96 с.

Перестраиваемый акустооптический фильтр

73

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

7. Тымкул В. М., Шелковой Д. С. Оптический трехспектральный пирометр // Сб. материалов. V Междунар. науч. конгресса „ГЕО — Сибирь — 2009", 20—24 апр. 2009 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5, ч. 1. С. 53—57.

8. Пат. 2219504 РФ, МКИ в 01 I 5/00. Пирометр истинной температуры / В. М. Тымкул, Н. С. Лебедев, Д. С. Шелковой, С. А. Воронин. // Опубл. 20.12.2003. Бюл. № 35.

9. Шелковой Д. С. Разработка и исследование принципов построения и схемы оптического трехспектрального пирометра. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 2010.

10. Пат. 2410654 РФ, МПК G01J 5/52. Способ измерения температуры Ю. А. Фесько, Д. С. Шелковой. // Опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3.

/ В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул,

Василий Михайлович Тымкул

Денис Сергеевич Шелковой

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов СГГА

Сведения об авторах канд. техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра наносистем и оптотехники, Новосибирск; E-mail: kaf.oep@ssga.ru

канд. техн. наук; ПО „Уральский оптико-механический завод" „Урал-СибНИИОС ", Новосибирск; инженер; E-mail: shelden@ngs.ru

Поступила в редакцию 13.02.12 г.

УДК 53.082.5

А. И. Колесников, И. А. Каплунов, В. Я. Молчанов, С. Е. Ильяшенко, Р. М. Гречишкин

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ ПАРАТЕЛЛУРИТА

Исследованы особенности конструирования и рабочие характеристики акусто-оптических фильтров на основе кристаллов парателлурита Те02. Приведено описание изготовленных широкоапертурных одиночных и двойных фильтров, представляющих собой насадки на стандартные оптические микроскопы.

Ключевые слова: мультиспектральная микроскопия, акустооптический фильтр, обработка изображений, парателлурит.

Введение. Оптическая фильтрация широко используется для обнаружения и идентификации микрообъектов и для визуализации их структуры. Фильтр настраивается на выделение того участка спектра излучения, который определяется характерными свойствами исследуемого объекта или его элементов, что позволяет получать изображения, контрастно отображающие именно эти свойства. Такой подход был детально разработан для спектрозональной съемки поверхности Земли, корреляционной спектроскопии газов в земной атмосфере и др. Несмотря на большую разницу в размерах изучаемых объектов, алгоритмы, разработанные для земных исследований, могут быть успешно использованы при микроскопических исследованиях [1].

К оптическим фильтрам, обеспечивающим плавное изменение выделяемого участка спектра, относятся перестраиваемые жидкокристаллические [2, 3] и акустооптические фильтры [4—6].

Исследованию закономерностей спектральной обработки изображений акустооптиче-скими методами посвящено множество работ. Однако существует ряд задач, полностью не решенных до настоящего времени. Прежде всего, это создание акустооптических фильтров,