Об одном подходе к пирометрии Текст научной статьи по специальности «Физика»

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2004. № 2

УДК 536.52:778.344

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ПИРОМЕТРИИ © 2004 г. М.Д. Скубилин, А.В. Письменов, В.П. Путилин, А.С. Саване

Нагретые тела излучают электромагнитные колебания в широком интервале длин волн х (от 0,02 до 500 мкм при температуре Т до 15000 К), причем этот диапазон простирается в обе стороны от его видимой части. Излучательная способность нагретых тел колеблется в интервале от 5-10-6 (при Т = 70 К) до 106 (при Т = 15-103 К) Вт/см2, причем с ростом Т интенсивность излучения растет по нелинейному закону.

Лучеиспускательная способность тела при данной температуре Т по закону Кирхгофа [1] определяется из

Ехт/Ахт=ехт, (1)

где Ехт - лучеиспускательная способность тела, Ахт -его поглощательная способность, а ехт - величина постоянная для всех тел при данной температуре Т. Для абсолютно черного тела при всех длинах волн X Ат=1, тогда АХт=еХт.

Мощность излучения е всех длин волн абсолютно черным телом по закону Стефана-Больцмана [2] определяется из

е=аТ4, (2)

где Т - абсолютная температура в градусах К, ст -постоянная Стефана-Больцмана, но наибольшая излучательная способность приходится, по закону смещения Вина, на определенную длину волны Хтах и обратно пропорциональна абсолютной температуре Т, т.е. по зависимости [3] вида

Х=а/Т, ( 3 )

где а - постоянная величина, а=0,2898 см К.

Тогда испускательная способность абсолютно черного тела определяется по закону [4] Планка, как

ехт=2лс2:Ь/Х5[еь/(кХт)-1], (4)

где с - скорость света в вакууме [5], X - длина волны, к - постоянная Больцмана, И - постоянная Планка, [4]. Графически зависимость (4), для различных значений Т, приведена на рис. 1.

Из [4] и рис. 1, с учетом меньших значений ехт реальных тел и затухания энергии излучения 1Хт, достигающей приемника излучений, видно, что, пренебрегая точными значениями ехт и 1хт, но учитывая Д1хт по

Д1хт= 11х1т-1х2т I, (5)

можно синтезировать систему, определяющую истинные значения Т тел по зависимости

Т=а^ 11х1т-1х2т I/1 х1-х21. (6)

Этот принцип частично нашел применение [6] в цветовых пирометрах, для которых истинная Т определяется по

1/Т=(1/Тс)+(1п ах1т-1п ах2г)/с2(1/х1-1/х2), (7) где Тс - цветовая температура, ах,т - коэффициент поглощения тела излучения с х,-, а с2 - постоянный коэффициент, с2 = 0,014388.

Радиационные же пирометры значение истинной температуры Т определяют по

Т = а Т1/4ТГ, (8)

где аТ - полный коэффициент поглощения тела, а ТГ -радиационная температура тела.

Но из законов теплового излучения Кирхгофа [1] и Планка [4] истинная температура тела определяется по

Т=ТьС2/(с2+Ть 1п ахт), (9)

где хэ - эффективная длина волны пирометра, а Ть -яркостная температура тела.

Однако полученные значения Т по (6, 7 и 8) существенно зависят от материала тела, степени шероховатости его поверхности, угла визирования и затухания излучений в канале оптической связи, что отражается на значениях Т по (9). Но отношение интенсивностей излучений 1х1т/1х2т - величина постоянная, следовательно, как видно из (6) - (9), значения Т определимы по реакции двух датчиков (приемников излучений) [7], селективно реагирующих на 1х1т и 1х2т, что демонстрируется рис. 1. Из рис. 1 видно, что при фиксированных значениях х1 и х2 значения истинной температуры Т однозначно соответствуют углу наклона прямой, проведенной через точки пересечения ординаты в точках х1 и х2 с зависимостями интенсивности излучения I от температуры Т и длины волны х. В частности, на рис. 1 прямая 1 соответствует х^=2 мкм, х2=100 мкм для Т=500 К, прямая 2 - ^=0,2 мкм, х2=100 мкм и Т=5000 К (показаны дх и А1), а прямая 3 - х1=0,2 мкм, х2=100 мкм для Т=10000 К, из чего видно, что от выбора значений х1 и х2 зависит диапазон измеряемых пирометром температур.

С учетом сказанного, пирометр истинных значений температуры реализуется на базе двух приемников тепловых излучений, реагирующих на излучения с отличающимися длинами волн х1 и х2 соответственно, двух аналого-цифровых преобразо-

ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН.

ТЕХНИЧЕСКИЕНАУКИ.2004. № 2

вателей для определения цифровых значений 1^1т и 1х2т соответственно, двух задатчиков значений и Х2 соответственно, двух арифметических блоков для

flxiT-Ix2T I

I ^1-^2 I ;

определяют значений соответственно, по

Т=д|1х1т-1л2т1/1^1-^21, (Ю)

где q - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, описанный способ бесконтактно -го измерения истинной температуры (пирометрии) по (10), включающий прием теплового излучения от объекта и его спектральную селекцию, обеспечивает измерение температуры нагретого тела по отношению интенсивностей излучений на фиксированных длинах волн к разности длин этих волн [8]. Он включает достоинства яркостных пирометров по высокой точности измерений, цветовых пирометров по простоте алгоритма обработки исходной информации, и радиационных пирометров по диапазону измеряемых температур, а также, за счет использования фотоэлектрических приемников тепловых излучений и цифровой обработки информации, повышает быстродействие, упрощает эксплуатацию и обеспечивает автоматизацию управления технологическими процессами в широком диапазоне их динамичности.

Пирометр по способу [8] содержит (рис. 2) канал оптической связи (КОС) с объектом, температура которого подлежит измерению, два датчика (Д1 и Д2) интенсивности излучений тел, обладающих селективностью на Х1 и Х2 соответственно, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП1 и АЦП2), информационными входами соединенные с выходами датчиков Д1 и Д2 соответственно, элемент сравнения (ЭС), соединенный входами поразрядно с выходами АЦП1 и АЦП2, элементы ИЛИ (ИЛИ1 и ИЛИ2), соединенные с выходами АЦП соответственно, группы элементов И (И1, И2, ИЗ и И4), соединенные входами с выходами АЦП и ЭС, арифметический блок (АБ1), соединенный входами поразрядно с выходами элементов И1 и И2, группу элементов И (И5), соединенную входами с выходами элементов ИЛИ (ИЛИ1 и ИЛИ2) и арифметического блока (АБ1), задатчик коэффициента пропорциональности (ЗД), второй арифметический блок (АБ2), соединенный входами с выходами И5 и ЗД, выход которого образует информационный выход (ИВ) пирометра, элемент ИЛИ (ИЛИЗ), соединенный входами с выходами АБ2, формирователь фронта импульсов (ФИ), соединенный входом с выходом элемента ИЛИЗ, а выходами со входами управления АЦП (АЦП1 и АЦП2), и элемент И (И6), соединенный входами с выходами элементов ИЛИ1 и ИЛИ2, а выходом с сигнальным выходом (СВ) пирометра [9 - 12].

Этот пирометр, по сравнению с известными, обеспечивает расширение функциональных возможностей, исключение субъективизма, повышение точности измерения температуры в широком (300^15000 К) диапазоне её значений и применение в дискретной (цифровой) автоматике управления технологическими процессами.

□

Д1

Д2

АЦП 1

ИЛИ1

ИЗ

И1

1 1 И2

АЦП2

ЭС

И 4

АБ1

И 5

И 6

ЗД

т

АБ2

ИВ

ИЛИ2

ИЛИЗ

СВ

ФИ

Рис. 2. Функциональная схема пирометра

Литература

1. Agassi J., The Kirchoff-Planck radiation low // Sciense. 1967.

Vol. 156, № 3771. p. 30-37.

2. Suess E. Mit Nekrologen und Portrats von: I. Stefanach der keiserlichen der Wissenschaften, 1893. 43 Jg. S. 252-257.

3. Boltzmann L. Wissenschaftliche Abhandlungen. Bd. 1-3, Lpz., 1909.

4. Max Planck zur Feier sеines 60. Geburtstages, «Die Naturwisseschaften», 1918, 6 Jg., H. 17.

5. Froome K.D. Proceedings of Royal Society. 1958. Ser. A.

Vol. 247, p. 109.

6. Гордое А.Н. Основы пирометрии: 2-е изд. М., 1971.

7. Касимов Ф.Д., Агаев Ф.Г. Микроэлектронные фотопреобразователи на основе пленок поликристаллического кремния.

// Fisika, АН Азербайджана-Баку: 1988. Т. 4. № 2. С. 24-26.

8. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Авраменко А.В. Споаб пiрометрiчного вимiрювання: Патент UA 55788, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 4, 2003.

9. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Скубилин И.М., Письменов Д.А. Пирометр: Патент UZ 05331, G01J 5/58, G01J 5/10, б. 4, 2001.

10. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Скубилин И.М., Письменов Д.А. Пирометр: Патент KZ 12122, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 10, 2002.

11. Скубилин М.Д., Стефаненко В.К., Скубилин И.М., Сте-фаненко В.В. Пристрш бесконтактного вимiрювання температури поверхш нагрггих тш: Патент UA 61515, G01J 5/58, H01L 21/66, б. 11, 2003.

12. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Скубилин И.М., Письменов Д.А. Пирометр: Патент RU 2225600, G01J 5/58, б. 7, 2004.

Таганрогский радиотехнический университет

31 марта2003 г.

о