Моделирование плотности излучения и теплового баланса при инженерном мониторинге изготовления деталей и узлов аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Физика»

5. Деркач А.К. Внедрение облачных информационно-вычислительных сервисов как основа интегрирования организационно-экономических механизмов управления в региональных инновационных кластерах // Альманах современной науки и образования. 2013. № 8. С. 105-107.

6. Деркач А.К. Проблемы формирования постиндустриального научно-производственного базиса российской экономики // Альманах современной науки и образования. 2013. № 9. С. 107-108.

7. Логинов Е.Л. Атомный энергопромышленный комплекс в мировой энергетике: стратегические тренды в посткризисный период // Национальные интересы: приоритеты и безопасность, 2012, №28. С.2-10.

8. Логинов Е.Л. «Интернет вещей» как аттрактор объективной экономической реальности // Национальные интересы: приоритеты и безопасность, 2010, №18. С.30-34.

9. Логинов Е.Л., Логинова М.М. Императивы трансформации глобального финансового управления в посткризисный период // Финансы и кредит, 2012, №16. С.2-7.

10. Логинов Е.Л. Нооэкономика: генезис конструирования

новой социально-экономической реальности // Финансы и кредит, 2011, №39. С.15-19.

11. Лукин В.К. Проблемы глобализационной трансформации форм долгового финансирования на уровне субъекта Российской Федерации и муниципальных образований // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 7-1. С. 196-199.

12. Лукин В.К. Проблемы сетевого управления финансовой деятельностью в трансграничном финансовом пространстве // Финансовая аналитика: Проблемы и решения. 2013. № 29. С. 25-29.

13. Модернизация энергетики России: проблемы, пути решения, перспективы. М.: НИЭБ, 2010. - 808 с.

14. Шевченко И.В. Финансовое регулирование российской экономики как макрокогерентной системы в условиях нелинейной экономической динамики // Финансы и кредит. 2013. № 22. С. 17-22.

15. Эриашвили Н.Д., Ефремов Д.Н. Системные подходы к формированию мультидисциплинарной образовательной системы поддержки компетенций функциональных и управленческих кадров в органах госуправления и наукоемких отраслях на основе ОНП-сети. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. - 37 с.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

ПРИ ИНЖЕНЕРНОМ МОНИТОРИНГЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ

АППАРАТУРЫ

Филатов С.В., проректор МГТУ МИРЭА по международным связям Цуников А.Ю., аспирант МГТУ МИРЭА

Оптический диапазон электромагнитных излучений использован в исследовании в связи с тем, что на него приходится основная доля теплового излучения реальных тел. Это определило развитие инфракрасной техники в направлении высокоточного обнаружения тепло-излучающих объектов в военном деле и научных исследованиях.

Ключевые слова:широко спектральные системы с интегральными приёмниками, теплоемкость, оптические излучения, помехозащищенность.

RADIATION DENSITY AND THERMAL BALANCE MODELING IN ENGINEERING MONITORING OF MANUFACTURING OF EQUIPMENT PARTS AND ASSEMBLIES

Filatov S., vice-chancellor on international relations, MSTU MIREA Tsunikov A., the post-graduate student, MSTU MIREA

Optical range of electromagnetic radiation is used in this study in due to accounts for the major share ofthermal radiation of real bodies. It identified the development of infrared technology in the direction of high-precision detection of heat-emitting objects in military affairs and research.

Keywords :wide spectral system with integrated receivers, heat, optical radiation, noise immunity

При инженерном мониторинге изготовления деталей и узлов аппаратуры преимущество отдается разработкам систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов с фотонными охлаждаемыми ПЛЭ, ввиду их малой инерционности и высокой пороговой чувствительности, в частности, приёмникам, работающим в интервалах 3,5-5,0 мкм и 8,0-13,0 мкм, что соответствует двум основным окнам прозрачности атмосферы. При этом необходимость создания сложных и дорогостоящих систем охлаждения ПЛЭ (до 3,7-4,3 К) крайне затрудняет практическую реализацию широко спектральных систем с интегральными приёмниками, работающими в реальном масштабе времени.

Преимущества сверхпроводящих болометров очевидны: тепловой шум очень мал из-за низкой рабочей температуры; постоянная времени мала из-за малой теплоемкости, обращающейся в нуль при 0°К; температурный коэффициент сопротивления велик и повышает поисковую способность.

Одной из главных причин, определяющих погрешность измерения параметров оптико-электронных систем обнаружения (ОЭС) является наличие фоновых составляющих поля оптических излучений, которые можно разделитьна внешние, создаваемые источниками, находящимися в пространстве наблюдаемых объектов, и внутренние - аппаратурные. Первые порождаются как естественными, природными источниками оптических излучений, так и искусственными, например, пассивными и активными средствами оптико-электронного подавления. Вторые создаются элементами оптических систем и элементами конструкции внутренней полости оптико-электронного прибора.

Следует отметить, что оптические параметры этих источников достаточно хорошо изучены, несмотря на сложность предсказания поведения вторых в процессе эксплуатации прибора, однако, необходимость дополнительного изучения обостряется, поскольку, в настоящее время, большинство систем обнаружения работает в тяжёлых температурных условиях. Естественно, что в этом случае входные устройства (защитные оптические и конструктивные элементы) и элементы оптического канала (линзы, зеркала и т.д.) вносят существенный вклад в поток, регистрируемый приёмником лучистой энергии (ПЛЭ), что приводит к дополнительным ошибкам измерений, уменьшению помехозащищённости, снижению чувствительности прибора.1

Для расчета погрешностей был использован известный парадокс, что при расчёте общей энергии электромагнитного излучения в замкнутой полости, то есть абсолютного черного тела, в стационарном состоянии могут существовать лишь стационарные стоячие электромагнитные волны. При этом они своими узлами должны лежать на границах черного тела, а, следовательно, состоять из целого числа полуволн, энергия основной полуволны не могла быть любой, а должна была быть кратной, по предположению Планка, некоей малой величине, а минимальная энергия, которую может нести волна, пропорциональна её частоте.

'http://tekhnosfera.com/shirokospektralnye-kvantovye-pribory-obnaruzheniya-teploizluchayuschih-obektov#ixzz36lHu5Q8W

блок регистра излучения

ZI

Л

блок

пре двар ите л ьн ой обработки

ZI

преобразования из о б раже ния

б л о к виз уал из ации изображе ния

ZI

блок оце нки значений диагностических параметров

блок принятия

Принципиальная схема работы болометра при обработке изображений в процессе инженерного мониторинга.

Природные тела характеризуются большим разнообразием излучений в окружающую среду. Модель черного тела характеризуется максимальным излучением в сравнении с другими телами, нагретыми до той же температуры. Абсолютно черное тело обладает максимумом излучательной способности. Спектр испускаемой радиации для черного тела описывается законом Планка:

С1 = з1?4 * 10-1б ^у*1П2

Мх =

I? * [ ехр(с2ДТ) - 1]

С1

С2

1.44 * Ю-2 К*т

(1)

На диаграмме (Рис. 1) видно, что интенсивность излучения увеличивается с ростом температуры. Закон Планка устанавливает основную корреляцию для бесконтактного измерения температуры. Однако эта зависимость в приведенной форме не применяют напрямую для практических расчетов. Представляют интерес два следствия из указанной корреляции.

Wavelength (}im)

Рис. 1. Изменение спектрального состава в зависимости от температуры для абсолютно черного тела

Первое, то, что спектральная интенсивность излучения для всех длин волн дает значение общего излучения тела. Это соотношение называется законом Стефана Больцмана.

М= о * Т4 о = 5.67 * 103 \У*ш 2*К л

1.5

Ш

и с та £

Е

О) —.

it та о

ъ > 2 > и с Б

О)

о.

(Л

0.5

(2)

^ (2...20)um |

i 0 ...» p^

_J(8...14)Mir

=- [{3...5)|jm ]

100 200 300

Temperature (°С)

400

Рис. 2. Графическая интерпретация закона Планка

Графическая интерпретация закона излучения Планка показывает, что длина волны, при которой излучение черного тела имеет максимум, смещается с изменением температуры, смещение рассчитывают с использованием уравнения Вина, которое получают, продифференцировав уравнение Планка.

Чем ниже температура измеряемого объекта, тем больше радиационный максимум смещается в сторону длинноволнового диапазона спектра. Радиационный максимум становится равным 10 цм при комнатной температуре.

Инфракрасная термография относится к разряду бесконтактных способов измерения, то инфракрасное излучение проходит путь от измеряемого объекта до устройства через среду, характеризующуюся определенными оптическими свойствами, которые окажут воздействие на измеряемый результат: часто встречающиеся вещества, такие как водяной пар, двуокись углерода могут воздействовать на передачу ИК излучения(Рис. 3).

X (jim)

Рис. 3. Графическая интерпретация зависимости спектральной проводимости от длины волны для воздушной среды при следующих

условиях (10 метров, 25 С, 1013 мбар и влажности - 85%)[3]

Уровень проводимости воздуха строго зависит от длины волны испускаемого излучения. Интервалы затухания чередуются с интервалами с высокой пропускной способностью (на рисунке отмечено затенением), так называемые «атмосферные окна». В то время как проводимость интервала с длинами волн от 8 до 14 цм, так называемое длинноволновое атмосферное окно, имеет постоянное значение на длинном участке, то затухание вследствие влияния атмосферы наблюдается на интервале от 3 до 5 цм, или коротковолновое атмосферное окно, измеряемое на участке порядка нескольких десятков метров.

Абсолютно черное тело как радиометрическая модель универсальна для случая приведенных выше соотношений (1), (2), (3). Тогда как проведения измерений для реальных объектов следует учитывать влияния различных факторов. В частности, это относится к параметру, характеризующему испускание, являющегося мерой способности тела испускать инфракрасное излучение. При значении этого параметра, равным 1, абсолютно черное тело обладает максимально возможной радиацией, которая в дополнение зависит от длины волны излучения.В противоположность этому радиация реальных объектов в большей или меньшей мере зависит от длины волны, а также от следующих факторов: (1) состава вещества; (2) наличия оксидной пленки на поверхности; (3) шероховатости поверхности; (4) угла отражения (угол к нормали); (5) температуры; (6) степени поляризации.

Многочисленные неметаллические материалы - по крайней мере, в длинноволновой части спектра - демонстрируют высокую и относительно постоянную радиацию независимо от структуры поверхности. Это относится также и к человеческой коже подобно большинству минеральных строительных материалов и красителей (Рис. 4). В противоположность этому, металлы в основном обладают низкой излуча-тельной способностью, что в значительной степени зависит от поверхностных свойств и убывает с ростом длины волны (Рис. 5).

Заметность как свойство объекта на окружающем фоне может быть снижена, в том числе, посредством ослабления интенсивности излучения объекта в ИК диапазоне длин волн и уменьшения эффективной отражающей поверхности.

Рис. 4. Спектральная излучательная способность некоторых неметаллов (эмаль, гипс, бетон, шамот)[3]

В разделе показано, что спектральная плотность энергетической светимости и коэффициент поглощения зависят от частоты излучаемых и поглощаемых волн, температуры тела, его химического состава и состояния поверхности. Все выше сказанное актуализирует задачу

учета погрешностей вычислений. При проведении инженерных расчетов плотность излучения абсолютно черного тела (АЧТ) может быть представлена в виде моделей:

R1 = K • exp

K

T

K

R 2 = Kl • Т^4

(1)

(2),

которые зависят от ширины спектрального интервала АА , его положения в спектре излучения А , температурного диапазона

АГ Г

и температуры .

Использование этих моделей при измерении температуры исследуемых объектов приводит к появлению теоретических погрешностей

А Т1 = / (АА, А, АГ, Г ) А Г 2 = / (АА, А, АГ, Г )

при определении температуры и , связанных с погрешностями

АЯ1 = / (АА, А, АГ, Г ) АЯ 2 = / (АА, А, АГ, Г )

представления плотности излучения АЧТ 4 ' и 4 '.

В зависимости от выбора модели теоретические погрешности при определении температуры равны

АТ 1(АА, А, АГ, Г )=__АЯ1(АА,А,АГ,Г )'Г 2

K1 (ЛА, А, ЛТ )• K 2 (ЛА, А, ЛТ )• exp АТ 2(ЛА, А, ЛТ, Т )=--

K 2 (ЛА, А, ЛТ )

Т

M 2(ЛА, А, ЛТ, Т )

(K 4 (ЛА ,А ,ЛТ )-1 )

Или

K 3 (ЛА, А, ЛТ )• K4 (ЛА, А, ЛТ )• Т

Р 2 ЛТ1(Т ) ЛТ2(Т)

Рис.2 иллюстрирует зависимости v / и 4 /,

ратурном диапазоне 800-2300 К (1=0,379 мкм).

(3).

(4).

для различных значении ширины спектрального интервала в темпе-

Очевидно, что для уменьшения теоретических погрешностей в этой области спектра целесообразно применять модель вида

АТ 1

R1

. Теоретическая погрешность при определении температуры 1 в температурном диапазоне 800-2300е К минимальна при температурах от 1000е К до 2000е К и возрастает с увеличением ширины спектрального интервала. Таким образом, квазимонохроматические информационно-распознающие системы, работающие в УФ области спектра, обладают наименьшей теоретической погрешностью при определении температуры.

Исследования, проведенные в УФ области спектра (=0,379 мкм) в температурном диапазоне 800-2300еК для различных значений ширины спектрального интервала, позволяют оценить величину погрешностей при определении температуры.

Рис. 2. Теоретические погрешности при определении температуры и в температурном диапазоне 800-2300 К для длины волны 1 = 0,379 мкм Значения ширины спектрального интервала : 1 - 2 нм, 2 - 12 нм, 3 - 20 нм, 4 - 30 нм, 5 - 40 нм, 6 - 50 нм, 7 - 2 нм, 8 - 50 нм.

Литература:

1. Kingston R.H. Detection of Optical and Infrared Radiation. — Berlin: Springer-Verlag, 1978. 264 p.

2. Филатов, С.В., Цуников А.Ю. Основы радиотехники и связи: учеб.пособие. В 4 ч. - Ч. 4 [Текст] / А.С. Сигов, В.И. Нефедов, С.В. Филатов, Б.С. Лобанов, А.Ю. Цуников, В.С. Башмакова, В.Н. Денисевич, А.В. Панков. - Ярославль: Ремдер, 2012. - 112 с.

3. Филатов, С.В. Тепловизионный контроль качества диэлектрических материалов [Текст] / К.Е. Русанов, С.В. Филатов // Тепловидение: межотрасл. сб. науч. тр. - М.: МИРЭА, 2002. - № 14. - С.146-151.