Научная статья на тему 'Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением'

Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
123
45
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Букатый Владимир Иванович, Перфильев Владимир Олегович, Шараухов Николай Николаевич

В работе приведено описание автоматизированного цветового пирометра для измерения высоких температур нагретых твердых тел. Представлены результаты измерения температуры гранита и мрамора под действием излучения СО 2-лазера.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Букатый Владимир Иванович, Перфильев Владимир Олегович, Шараухов Николай Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research color pyrometer of dynamics of temperature of a marble and granite at influence by powerful laser radiation

In work is brought description automated color pyrometer for measurement of the high temperature warmed hard tel. The presented results of the measurement of the temperature of the granite and marble under action of the radiation CO 2-laser.

Текст научной работы на тему «Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением»

УДК 535.36

В.И. Букатый, В.О. Перфильев, Н.Н. Шараухов Исследование цветовым пирометром динамики температуры мрамора и гранита при воздействии мощным лазерным излучением

В настоящее время большой интерес вызывает воздействие мощного лазерного излучения (МЛИ) на горные породы, такие, как гранит и ирамор. Этот выбор сделан в силу нескольких причин. Во-первых, они широко используются в народном хозяйстве в качестве декоративных материалов, во-вторых, встречаются практически на всей территории Российской Федерации,

; в-третьих, перспективы применения лазерных источников для их обработки подталкивают к поиску новых технологий. Одним из наиболее важных параметров при лазерной обработке материалов является температура в зоне воздействия лазерного излучения. Целью данной работы является экспериментальное исследование динамики температуры гранита и мрамора при воздействии на них МЛИ. Для измерения температуры, если нет непосредственного контакта между средой и средством измерения, можно использовать тепловое излучение, так как известно, что различные свойства (параметры теплового излучения нагретых тел) зависят от их температуры [1, 2]. Для решения поставленной задачи необходим невозмущающий метод измерения температуры материала, способный регистрировать высокотемпературные и быстропротекающие процессы с высокой точностью при минимальном времени регистрации. Методом, удовлетворяющим данным условиям, является цветовой метод или метод спектрального отношения [3]. Данный метод предполагает измерение интенсивности световых потоков излучающего объекта на двух длинах волн. Данным условиям удовлетворяет созданный нами автоматизированный цветовой пирометр, работающий в ИК - области. В экспериментальной установке, описание которой приводится ниже, в качестве фотоприёмников использовались фотодиоды типа ФД-203 с интерференционными светофильтрами. Связь светового потока с температурой выражается законом Планка, который может быть заменён законом Вина для того, чтобы упростить расчеты и не нанести ущерб точности в указанном диапазоне температур. Согласно закону Вина, световой поток, попадающий в апертуру фотоприёмника от излучающего объекта, равен

ф = 7Г(Я)Р(Я)ехР(-^/т),ШД[

о Я5

где Ф - световой поток, Б - функция пропускания светофильтров, а - степень черноты излучающего тела, Я - длина волны, с — скорость света, Ь - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана, О - угловая апертура фотоприёмника, А - постоянный безразмерный коэффициент, Т - температура. Отклик фотодиода на поступающие на него световые сигналы при работе в линейном режиме может быть записан формулой

У = В(Л,и)Ф (2),

где ВЦ,и) -коэффициент пропорциональности между откликами фотодиода и падающим на него световым потоком, зависящий от типа фотодиода, его спектральной характеристики и напряжения питания и. Таким образом, формула (2) примет вид

г = (3)

о ^

Функция £>(Я) при применении интерференционных светофильтров отлична от нуля в небольшом интервале длин волн, поэтому в подынтегральном выражении можно вынести за знак интеграла функцию ехр(-йс/ кТЛ) ■ Я 5, в которой вместо аргумента Я следует подставить значение, соответствующее максимальному пропусканию светофильтра. Коэффициенты а(Х) и В(Х,и) можно считать практически постоянными в пределах полосы пропускания интерференционных светофильтров. С учетом сделанных замечаний, формула (3) может быть представлена в виде

где О (Я) = |П)(А)<1А . Измеряя два сигнала и взяв О

их отношение, получаем рабочую формулу для определения температуры:

V = В(А,и)ПАа(Л) О (Я)ехр(-Лс/кТЛ)Л 5, (4)

00

Принцип работы установки следующий. Световой поток от нагретого тела попадает на диафрагму 1, представленную в виде конуса с входным отверстием размером, равным диаметрам фотодиодов. Расходящийся световой пучок линзой 2 преобразуется в параллельный, и, проходя через стеклянный светофильтр 3 марки ФС-6, попадает на ограничивающую диафрагму 4, которая направляет поток на интерференционный светофильтр 5, расположенный под углом 35° к направлению падения светового пучка. На светофильтре поток излучения раздваивается на два, один из которых, проходя через него, попадает на линзу 13 и фокусируется на фотоприемнике 12. Второй поток, отражаясь от поверхности светофильтра, попадает на зеркало 14, затем на 15 и, отражаясь, вновь попадает на светофильтр, но уже под углом 90“ к поверхности. Поток, проходя через интерференционный светофильтр и отражаясь от зеркала б, фокусируется линзой 7 на фотоприемнике 8. Сигналы с фотодиодов подаются на предусилители, где усиленные в каждом канале, попадают на логарифмический усилитель и сумматор 9. Данные через блок сбора, ввода и вывода 10 поступают на компьютер 11, где записываются в файл и могут впоследствии обрабатываться с помощью программ GRAPHER, ORIGIN и др. Данный пирометр подключается к блоку сбора, ввода и вывода информации в ПЭВМ и представляет собой функционально законченную конструкцию. Основные технические характеристики: диапазон измеряемых температур - 1500-4000К; временное разрешение - 50 мкс; разрядность АЦП канала - 10; тип интерфейса - Centronics; режим синхронизации - ручной, внешний, от ПЭВМ. Описанная экспериментальная установка требует предварительной градуировки. Для проведения градуировки вместо исследуемого объекта (кусочка гранита или мрамора) устанавливается эталонная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, которая градуировалась с помощью промышленного яркостного пирометра типа «Проминь» [5]. Спектральная зависимость степени черноты вольфрама (селективно излучающего тела) [3] в видимой области спектра позволяет использовать его в качестве градуировочного

, С{ХЬТ)

тела, поскольку величина In-------мала, что и

' С(Л2,Т)

приводит к небольшой ошибке ДТ = 14К. [6]. Для перевода яркостной температуры вольфрама в цветовую использовались данные [7]. Источниками погрешности прибора являются линейная аппроксимация градуировочной прямой в область высоких температур и замена реальной

функции пропускания светофильтров на 8(ХМ, X), где Хм — длина волны в максимуме пропускания светофильтра. Согласно закону Вина, в связи с тем, что световой поток с увеличением длины волны растет по экспоненте, подобраны интерференционные светофильтры с быстро спадающим крылом пропускания. Измерительная головка комплекса после градуировки по отградуированной лампе с использованием пирометра «Проминь», имела относительную погрешность 2,5%. Погрешность блока сбора и обработки представляет собой совокупность погрешностей, вносимых всеми элементами схем, и составила порядка 1,5%. Погрешность, вызванную тепловым смещением нуля компонентов устройства, можно не учитывать, так как оно предназначено для использования в лабораторных условиях при средней температуре 20°С и интервале изменения температуры не более 8°С. Автоматизированная система входила в экспериментальный комплекс по исследованию динамики температуры гранита и мрамора в поле лазерного излучения. В ходе проведения экспериментов была получена серия зависимостей температуры от времени воздействия под действием непрерывного лазерного излучения СО,-лазера с длиной волны 10,6мкм и интенсивностью порядка 105 Вт/смг. Характер зависимости изменения температуры от времени был практически одинаков для всех проведенных экспериментов. Одна из характерных температурных зависимостей приведена на рисунке 2.

т,к

0 1 2 3 4 5

Рис. 2. Динамика температуры красного гранита в поле лазерного излучения

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.