Метрологические вопросы измерения темперетуры поверхностей бесконтактным методом инфракрасной пирометрии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Информационные технологии и безопасность

195

3. Машиностроение : энциклопедический справочник. Т. 13, разд. 4

«Конструирование машин». - М. : Гос. научно-техн. изд-во машиностр. лит., 1949. -732 с.

4. Паровозы. Устройство, работа, ремонт / Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин. - М. : Транспорт, 1986. - 468 с.

5. Патент на полезную модель 68063 (Россия). Автосифон / А. Б. Буянов, И. Г. Киселев, А. А. Тимофеев, А. С. Краснов. - Опубл. в Б.И., 2007. - № 31.

6. Паровоз, его устройство, содержание и ремонт / Г. П. Васильев. - М. : Трансжелдориздат, 1937. - 816 с.

7. Паровоз. Теория, эксплуатация, экономика, сравнение с тепловозами / Р. Джонсон / пер. с англ.; ред. А. А. Чирков. - М. : Гос. научно-тех. изд-во машиност. лит., 1947. - 502 с.

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 535.317.2

Е. К. Галанов, М. К. Филатов

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРЕТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ ПИРОМЕТРИИ

Исследовано влияние ряда методических и метрологических факторов на точность измерения температуры поверхностей методами инфракрасной пирометрии. Показано, что при измерении температуры металлических шероховатых поверхностей коэффициент излучательной способности образцов следует считать эффективным, так как он зависит от температуры окружающей среды и апертуры пирометра. Рассмотрено влияние на точность измерений поглощения атмосферой инфракрасного излучения.

бесконтактный метод измерения температуры, инфракрасная пирометрия, коэффициент излучательной способности.

Введение

Инфракрасные пирометрические методы находят широкое применение при измерении температуры поверхностей зданий, сооружений, электротехнических, электромеханических и механических узлов и деталей [1], [2]. Эти бесконтактные методы эффективны при контроле температур от минус 30° до +600 °С. Они могут быть применены

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

для контроля труднодоступных поверхностей; элементов и деталей, находящихся под высоким напряжением; при исследовании быстропротекающих процессов и движущихся объектов.

Расширение сферы применения инфракрасных (ИК) пирометров связано с решением некоторых методических и метрологических вопросов. Точность измерения температуры поверхности объекта зависит от: 1) алгоритма, заложенного в основе обработки результатов измерений (инфракрасного потока излучения исследуемого объекта); 2) вводимых констант, основной из которых является излучательная способность объекта; 3) в случае измерения на больших расстояниях (1 > 2м) от контроля поглощения ИК-излучения атмосферой. Рассмотрим некоторые из перечисленных факторов, влияющих на точность измерений.

1 Влияние спектральных характеристик ИК-излучения

ИК-область спектра, в которой измеряется поток излучения, ограничена оптикой прибора и спектральной чувствительностью фотоприёмника. Для ИК-пирометров типа ST 25, ST 60, ПРЦ-М рабочая область спектра прибора ограничена диапазоном 8-14 мкм, 3-14 мкм, следовательно, для определения температуры поверхности тела необходимо произвести интегрирование потока излучения (регистрируемого пирометром) в соответствующей области спектра

1-u2,T

2 - п - h - и3

1

hu

du,

expкт -1

(1)

где Sv - излучательная способность исследуемого объекта; Kv и Sv — спектральное пропускание прибора и чувствительность фотоприёмника; h - постоянная Планка; к - постоянная Больцмана.

Нахождение температуры исследуемого объекта на основании (1) более затруднительно в сравнении с подобным соотношением для пределов интегрирования v= 0--<х> (при Kv =1, Sv =1, S = 1):

Ro-¥T =S-T \ (2)

здесь о - постоянная Стефана-Больцмана.

Портативные ИК-пирометры, получившие наиболее широкое применение, имеют автономное питание и ограниченный ресурс в части математической обработки результатов измерений.

Рассмотрим расхождение показаний измерений в случае, когда в алгоритм обработки результатов измерений Rv1-v2, тположены соотношения (1) и (2) (считаем S = 1, Kv =1, Sv = 1). При сопоставлении результатов

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

197

вычислений по формулам (1) - R1 и (2) - R2 важно изменение отношения величин (R/R1) в широком температурном диапазоне. На рис. 1 представлены эти величины. Как видно из рис. 1, в диапазоне температур 243-473 К отношение величин (R2 / R1) изменяется на 100%, когда в R2 учитывается область спектра X = 3.. .14 мкм, и на 30% при X = 8.. .14 мкм.

Для наиболее точного определения поверхностной температуры объекта методом ИК-пирометрии необходимо проводить расчёты исходя из соотношения (1) с учётом спектрального пропускания прибора и спектральной чувствительности фотоприёмника пирометра.

Рис. 1. Отношение потоков излучения абсолютно черного тела: в области 2 v1 - v2;

в области 1 v от 0 до да;

1 - область 2 ограничена интервалом X = 8.14 микрон;

2 - область 2 ограничена интервалом X = 3.14 микрон

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

2 Влияние шероховатости поверхности объекта на точность пирометрических измерений

Шероховатость исследуемой поверхности может стать вторым источником погрешности измерений. Для многих материалов (металлов, полупроводников и диэлектриков) коэффициенты излучательной способности заданы в литературе [1]. Наибольшие трудности возникают при задании излучательной способности металлов. Если у большинства диэлектриков коэффициент излучательной способности (как спектральный, так и интег-ральный) близок к единице (0,8-0,95) и практически не зависит от качества обработки излучающей поверхности, то у металлов влияние этого фактора велико. Для поверхности любого металла коэффициент излучательной способности 8 изменяется в пределах 0,04...0,4 [1], [2]. Наименьшее значение 8 имеют полированные

поверхности, величина 8 увеличивается с увеличением шероховатости поверхности.

Истинная излучающая способность материалов (в том числе металлов) определяется их оптическими постоянными

_ A_ 1 - . (3)

Пропускание ИК-излучения образцом считаем равным нулю.

A _ Фпогл . R _ (n - 1)2 - k‘

Ф

(n +1)2 + k2’

(4)

здесь n и k - показатели преломления и поглощения исследуемого образца

[3].

Из выражений (3) и (4) следует

(n -1)2 + k2 (n +1)2 + k2'

(5)

Так как у металлов коэффициент отражения в ИК-области спектра (X = = 3.14 мкм) находится в пределах 0,85-0,95, то коэффициент излучательной способности должен быть равен 0,15-0,05. Отличие 8 от расчётных значений по (5) является приборно-методическим фактором, связанным с отражением шероховатой поверхностью образца излучения окружающих объектов, котое после отражения от металлического образца попадает в объектив ИК-пирометра.

Для того чтобы оценить влияние этих отражённых лучей, которые не характеризуют излучательную способность поверхности металлического образца, но влияют на поток излучения, попадающего на фотоприёмник

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

199

пирометра, были проведены измерения по схеме, представленной на рис. 2. Исследуемый образец 1 (изготовленный из нержавеющей стали) имел шероховатую поверхность (микронеровности ~100 мкм). Металлический экран 4 охлаждался. ИК-пирометр имел температуру окружающей среды.

В таблице представлены результаты измерений коэффициента излучательной способности стальной пластины, определённые с помощью ИК-пирометра ST 60. Образец находился в термостате 2 (погрешность термостатирования 0,5 °С), и его температура контролировалась

термопарой 3. Охлаждение экрана 4 осуществлялось с помощью сухого льда (твёрдый СО2) и жидкого азота (экран устанавливался в схему на 5-6 с в процессе измерения).

Рис. 2. Установка для измерения коэффициента излучательной способности образца:

1 - цилиндрический образец; 2 - термостат; 3 - термопара; 4 - экран; 5 - ИК-пирометр

ТАБЛИЦА. Коэффициент излучательной способности S образца из нержавеющей стали

с шероховатой поверхностью (см. рис. 2)

Температура образца, К Температура экрана, К S

353 293 0,34

353 195 0,11

353 77 0,06

373 293 0,34

373 195 0,10

373 77 0,05

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

При измерениях в ИК-пирометре ST 60 выставлялся коэффициент излучательной способности образца таким, чтобы показания прибора соответствовали истинной температуре образца. Как видно из таблицы, при охлаждении экрана 4 коэффициент излучательной способности шероховатого образца (его можно назвать эффективным коэффициентом 8эф) из стали приближается к коэффициенту излучательной способности полированного образца 8 ~ 0,04 [2]. Необходимо отметить, что при задании 8 с погрешностью 0,01 (при измерении температуры объекта с помощью ИК-пирометра в пределах от минус 30 до +600 °С) погрешность измерений может достигать 1 °С.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

201

Таким образом, исследования показывают, что на результаты пирометрических измерений температуры металлических поверхностей влияет качество обработки поверхности образца и апертура ИК-пирометра. Коэффициент излучательной способности образцов, определённый по такой схеме, следует считать эффективным (вэф), отличным от истинного коэффициента излучательной способности.

3 Влияние атмосферы на пирометрические измерения

На пирометрические измерения при расстояниях до исследуемого образца l > 2 м оказывает влияние поглощение излучения в рабочей области спектра атмосферной водой (это влияние особенно существенно при большой разности температур исследуемого образца и атмосферы).

В ИК-области спектра 3-14 мкм наиболее сильной атмосферной полосой является колебательно-вращательная полоса воды в области деформационных колебаний Н2О (X = 5,2...1,3 мкм) [4].

Интегральный коэффициент поглощения атмосферной водой (при влажности 60%) в области спектра X = 5,2.1,3 мкм а = 0,4 м-1. Поток излучения абсолютно чёрного тела, прошедший расстояние l (атмосфера имеет влажность 60%),

^2

Ru1-u2,T _ J

2 - p - h - и3 1

2

+2

2 - p-h - и3 1

hu

expkT -1

hu

expkT -1 -d u .

du +J exp a l

2 -p-h -u3 1

hu

expkT -1

du +

(6)

Область спектра v1'-vl" соответствует полосе атмосферной воды (X = 5,2...1,3 мкм).

На рис. 3 представлены данные расчёта интегрального пропускания атмосферой (влажность 60%) ИК-излучения абсолютно чёрного тела (Т = 313 К) в области спектра 3.14 мкм. Как видно из рис. 3, уже при расстояниях l = 2 м интегральное поглощение составляет 15%, что может приводить к ошибке определения температуры поверхности объекта в 10 К.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

Рис. 3. Интегральное пропускание атмосферой при влажности 60% ИК-излучения абсолютно черного тела (Т = 373 К) в области спектра X = 3.. .14 микрон

Заключение

Показано, что для достижения точности измерения температуры поверхности объектов в 1 К методами инфракрасной пирометрии необходимо в алгоритме обработки результатов измерений ИК-потока излучения учитывать спектральные характеристики оптических элементов пирометра и пропускание атмосферы.

На точность измерения температуры металлических шероховатых поверхностей влияет апертура ИК-пирометра и температура окружающей среды.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

203

Библиографический список

1. Инфракрасная техника / И. Б. Левитин. - Л. : Энергия, 1973. - С. 156.

2. Контроль температуры электротехнических, электромеханических и механических элементов и узлов методами инфракрасной пирометрии / Е. К. Галанов,

A. В. Корнух // Известия ПГУПС. - 2005. - № 2. - С. 50-54.

3. Оптические постоянные природных и технических сред / В. М. Золотарёв,

B. Н. Морозов, Е. К. Смирнова. - Л. : Химия, 1984. - 350 с.

4. Колебательно-вращательная спектроскопия водяного пара / А. Д. Быков, Ю. С. Макушкин, О. Н. Улеников. - Новосибирск : Наука 1989. - 370 с. - ISBN 5-02-028645-1.

УДК 624.21.03

И. Г. Ганиев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО СРОКА СЛУЖБЫ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОПОР ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Приведена методика определения среднего срока службы эксплуатируемых бетонных и железобетонных опор железнодорожных мостов. Установлено, что средний срок службы бетонных и железобетонных опор может быть принят в пределах 100...150 лет.

бетонные и железобетонные опоры, срок службы, конструкции мостов.

Введение

Как показывает сравнение полученных данных с результатами обследований железобетонных пролетных строений институтом ВНИИЖТ, относительная доля пролетных строений, имеющих II и III категории неисправностей, в Средней Азии в среднем на 10-15% выше, чем в условиях средней полосы России [1].

Результаты обследования и испытания мостов

Результаты анализа материалов обследований показывают, что в большинстве пролетных строений имеются обнажение и коррозия арматуры, а также выключение части рабочей арматуры из работы из-за механического удара негабаритным грузом [2]. Поэтому при оценке ресурса пролетных строений очень важно изучение условий работы арматуры.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3