Оптический трехспектральный пирометр. Методика и результаты исследований Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.521.2

В.М. Тымкул, Д.С. Шелковой

СГГА, Новосибирск

ОПТИЧЕСКИЙ ТРЕХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ПИРОМЕТР. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

V.M. Tymkul, D.S. Shelkovoy

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

OPTICAL THREE-SPECTRAL PYROMETER. THE TECHNIQUE AND RESULTS OF RESEARCH

The given work is devoted to the description of the practical circuit design of experimental installation for measurements of thermodynamic temperature by a dummy of a three-spectral pyrometer and to results of researches.

В работах [1-3] нами была предложена, методически и теоретически обоснована схема оптического трехспектрального пирометра для измерений термодинамической температуры поверхности излучающих объектов. Данная работа посвящена разработке методики и схемы экспериментальной установки для измерений термодинамической температуры макетом трехспектрального пирометра и анализу результатов исследований. Функциональная схема данной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки для измерений термодинамической температуры акетом трехспектрального пирометра

Данная схема содержит: 1 - калиброванный тепловой излучатель с блоком управления 2; 3 - зеркальный объектив, состоящий из сферического

зеркала со слепым пятном и контррефлектора; 4 - турель с тремя спектральными фильтрами; 5 - механический модулятор; 6 -пироэлектрический приемник со схемой питания 7; 8 - цифровой вольтметр В7-27А/1; 9 - осциллограф. Следует отметить, что элементы 3-8 составляют макет пирометра. Калиброванный тепловой излучатель был взят из комплекта градуировочной аппаратуры к отечественному тепловизору «Радуга-ЭВМ» производства ФГУП «Азовский оптико-механический завод», г. Азов Ростовской области. Зеркальный объектив 3 представлял собой объектив от тепловизора «Радуга-2» и имел следующие параметры: световой диаметр й = 40 мм, заднее фокусное расстояние /' = 64 мм.

Разработка методики измерений термодинамической температуры поверхности объектов на данной функциональной схеме базировалась на решении следующего уравнения:

+ = 1. (1)

В данном уравнении приняты следующие обозначения:

[3] и Р2 - параметры, характеризующие значения сигналов на выходе трех спектральных каналов пирометра;

715 У 2 и Уз ~~ величины, характеризующие спектральные параметры пирометра.

Разлагая экспоненты в этой формуле в ряд, и воспользовавшись в нем первыми тремя членами, было получено следующее квадратное уравнение

1

относительно переменной х = — \

Мп-Гэ)2 +Мг 2-ГэУ

2 2

(Ух - Гз ) + Рг (г2 - Гз )]* + (2)

т =

Решение данного уравнения получено в виде:

- (РхУзх + РгУъг) + ЩУзх + РгГгг) ~ 2(РхУзх + РгУъгХРх + Рг ~ 1)1

РхА+РгГп

• (3)

В конечном итоге, рабочее выражение для экспериментального измерения температуры излучающих объектов получено в виде:

г =

Щ)

и{л3)

+ сс2у32

и Ш

и{Л3)

ЧГЗ!

им)

и(Л3)

+ а2у32

и(Л3) 1

ЧГз!

щм

С1(Л3)

+ а2у32

-2

«1^31

ЩА)

и (Л 3)

+ «2Гз2

щл3)

ЩА) щл3)

С/(Лз)

[/(Лз)

В этом выражении приняты обозначения:

величины и{\) , И(Л2) и 11(Л3) представляют собой электрические сигналы, которые формируются приемником излучения при ведении в оптическую схему экспериментальной установки соответственно первого, второго и третьего спектральных фильтров. Эти сигналы эквивалентны тепловому излучению поверхности излучателя 1;

_ с2(Л3-Л1) _ с2(Л3-Л2) _ А?ч_ _ ЛА-2 .

/31 — 0 л 5 /32 — 0 0 5 й-! Л Л ' 2

Л1Л3

Л2Л3

А^З

А^З

А/, |, Д/,2, Л/-з - спектральные интервалы трех спектральных фильтров;

, 5 ~~ эффективные длины волн каждого из спектральных интервалов.

Непосредственное измерение термодинамической температуры излучающей поверхности калиброванного излучателя 1 с помощью макета трехспектрального пирометра проводилось следующим образом:

1. С помощью блока управления 2 устанавливалась начальная температура ТЗ поверхности излучателя.

2. Включался двигатель механического модулятора, и устанавливалась частота модуляции излучения, равная /М = 250 Гц, которая регистрировалась осциллографом 9.

3. Поворотом турели 4 со спектральными фильтрами в схему вводились поочередно - первый, второй и третий фильтры.

4. При этом цифровым вольтметром 8 регистрировались значения соответственно выходных сигналов и'(Л^, 1Г(Л2) и и\Л3).

5. Аналогично измерялись три сигнала, и. (Л^ , и. (Л2) и II{(Л3) эквивалентных шуму при закрытом входном зрачке объектива 3.

6. Вычислялись сигналы и(\) , и(Л2) и II (Л3) , эквивалентные тепловому излучению излучателя по формулам: и(А1) = и'(А1)-и.1 (Я1) , щл2) = и\л2)-и, (Л2) и щл3) = и\л3)-и, {Л3).

7. Предварительно в компьютер вводились значения параметров а^, а 2 , Уз1 , у32 и у21 , которые определялись по параметрам спектральных фильтров макета пирометра.

\

2

8. Полученные в п. 6 значения сигналов и{\) , 11(Л2) и ЩЛ3)

подставлялись в формулу (4), с использованием которой определялось измеренное макетом пирометра значение термодинамической температуры Т поверхности излучателя 1.

9. Аналогично с помощью блока управления 2 устанавливались другие температуры ТЗ калиброванного излучателя 1 и процедура измерения с помощью макета пирометра термодинамической температуры его поверхности повторялась согласно пп. 3-8.

На основании результатов экспериментальных исследований построен график корреляции измеренной температуры Т и устанавливаемой ТЗ поверхности калиброванного излучателя, который представлен на рис. 2.

7, К 360-

340-

320-

зоо-

280-

260-

240-

¿bk

QiJ^

ё *

* > / ✓ /

i // //

//

22°220 240 260 280 300 320 340

г3,к

Рис. 2. График корреляции измеренной температуры Т и устанавливаемой ТЗ поверхности калиброванного излучателя

На этом рисунке приняты обозначения:

--результаты моделирования «идеального» пирометра;

ооо - результаты эксперимента с помощью макета трехспектрального пирометра;

результаты эксперимента с радиационным пирометром ThermoPoint TRT 8 ProPlus (фирма «FLIR Systems», США-Швеция);

— — — - результаты математического моделирования работы оптического трехспектрального пирометром (данные согласно работы [2]).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. 2219504 Российская Федерация, МПК7 G 01 J 5/00. Пирометр истинной температуры [Текст] / Тымкул В. М., Лебедев Н. С., Шелковой Д. С., Воронин С. А.; заявитель и патентообладатель СГГА. - № 2002104325/28; заявл. 18.02.02; опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. - 7 с.

2. Тымкул, В.М. Теория и математическая модель трехспектрального оптического пирометра [Текст] / В.М. Тымкул, Д.С. Шелковой // ГЕ0-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Ч. 1: сб. матер. IV Междунар. научн. конгресса «ГЕ0-Сибирь-2008», 22 - 24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 109-112.

3. Тымкул, В.М. Пирометр истинной температуры [Текст] / В.М. Тымкул, Н.С. Лебедев, Д.С. Шелковой // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. - Вып. 8. - Новосибирск, 2003. - С. 181-187.

© В.М. Тымкул, Д.С. Шелковой, 2009