CC BY
15
УДК 69.058.7
Б01: 10.15587/2312-8372.2017.92869
ВПЛИВ КУТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ ПОВЕРХН1 НА ТОЧН1СТЬ БЕЗКОНТАКТНОГО МЕТОДУ ВИМ1РЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
Оборський Г. О., Левинський О. С., Голофеева М. О.
1. Вступ
Як вщомо, у базових галузях промисловост Украши (металургii, хiмiчнiй провислостi, промисловост будiвельних матерiалiв та машинобудуваннi) широко використовуються енергоемш високотемпературнi процеси: плавка металiв, обробка поверхнi металевих деталей та шш^ Такi технологiчнi процеси потребують ретельного дотримання рекомендованих температурних режимiв, оскiльки регулювання температурного режиму - найбшьш важливий i ушверсальний засiб збiльшення швидкостi процесу i пiдвищення виходу готового продукту. Бшьшють високотемпературних процесiв протiкають при температурах бшьше 900 °С [1]. Проте е такi процеси, якi протшають при значно нижчих температурах (250 ... 500 °С), але iх вiдносять до високотемпературних, оскiльки температура являеться головним фактором штенсифшацп цих процешв для одержання максимального виходу готового продукту з високими технiко-економiчними показниками. Тому юнуе постiйний попит на пристроi та методики для безконтактного вимiрювання як високих, так i вiдносно низьких температур.
Безконтактнють i швидкодiя контролю температури приладами, що рееструють випромiнювання в шфрачервоному i свiтловому дiапазонах, висока роздшьна здатнiсть, що забезпечуе виявлення локальних i тимчасових рiзниць температур на об'ектах контролю, можливост вiзуалiзацii теплових полiв, е основними перевагами цих приладiв в тепловому контролi [2]. Застосування таких приладiв вимагае звернути увагу на шструментальну та методичш похибки, якi пливають на точнють визначення температури.
2. Об'ект дослщження та його технологiчний аудит
Об'ектом даного дослгдження являеться тепловий контроль приладами iнфрачервоноi техшки. Суттевим недолшом безконтактних оптичних методiв вимiрювання температури е вщсутнють даних стосовно випромшювально!' здатностi реальних матерiалiв в умовах експерименту. Це пов'язано з тим, що здатшсть об'екта видшяти шфрачервоне випромiнювання може змiнюватися, оскiльки, залежить вiд матерiалу, властивостей поверхнi, напрямку спостереження, а також у випадку з деякими матерiалами - вщ температури.
Для виявлення особливостей змши коефiцiенту випромiнювання з точки зору теплового контролю проводився технолопчний аудит, метою якого було визначення впливу кута спостереження на коефщент випромшювально!' здатносл, що в свою чергу призводить до неточного вимiрювання температури.
Дослщження проводилось на 6a3i тепловiзора Fluke Ti9 з використанням допомiжного обладнання - штатив, ynroMip, персональний комп'ютер. Схема процесу вимiрювaння представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема процесу вимiрювання температури з вщомим кутом спостереження
Основним направленням дано! схеми являеться розрахунок температури з урахуванням впливу кута спостереження на коефщент випромшювально! здатностi. Це дозволить в практичних умовах тдвищити точнють визначення температури дослiджуваного об'екту.
3. Мета та задачi досл1дження
Метою роботи являеться зниження методично! похибки безконтактного методу вимiрювання температури на основi дослщженш впливу кута спостереження на коефщент випромшювально! здатностi.
Для поставлено! мети в робот необхщно вирiшити наступнi задачi:
1. Дослщити особливостi вимiрювання температури за випромшенням.
2. Зробити аналiз проблем, що зв'язанi з випромiнювальною здатнiстю матерiалiв.
3. Провести експериментальнi дослiдження, що тдтверджують вплив кута спостереження на коефщент випромiнювально! здатностi.
4. Аналiз лггературних даних
Вимiрювання дшсного значення температури при невiдомiй випромшювальнш здатностi являеться актуальним, оскiльки проводяться вже не одне десятилiття, i не дивлячись на деякий прогрес i успiх в даному направлен^ задачi, при яких використовуеться обмежений об'ем шформаци про коефiцiент випромшювально! здатносп, залишаються не вирiшеними. В даному направлен активнi роботи та дослщження ведуться як на Укра!ш, так i за кордоном.
Зокрема, в роботах [1-3] вщзначено проблеми та фактори, що виникають при дистанцшному визначеннi температури, головним чином недостатньою кiлькiстю iнформацi! коефiцiенту випромшювання поверхнi дослiджуваного об'екту. Показано, що коефщенти випромiнювання нагрiтих тiл залежать вiд багатьох факторiв, таких як геометрична форма та орiентацiя випромшювально! поверхнi, !! хiмiчний склад, фiзичний стан, наявнiсть забруднень на поверхш i т. д. При цьому важливо знати фiзичний та хiмiчний стан поверхнi в умовах проведення вимiрювання, оскiльки стан i властивост поверхнi змiнюеться зi змiною температури, що, як правило, супроводжуеться змшою випромiнювально! здатностi.
Залежнiсть коефiцiента випромшювання об'екта вiд його температури, що властива деяким речовинам, призводить до того, що повна потужшсть теплового випромшювання об'екта залежить вщ його температури складним чином [4], що ускладнюе безконтактш вимiрювання. Певнi трудношд викликае рiзноманiття в 1Ч дiапазонi випромiнювальних властивостей речовин, що рiзко вiдрiзняються властивостями один вiд одного: гази i метали, керамiка i пластика, пил i композицiйнi матерiали.
В [5, 6] представленi в шфрачервоному дiапазонi залежностi випромiнювальних здатностей ряду речовин вщ температури та довжини хвилi. Показано, що коефщент випромiнювально! здатностi бiльшостi металiв ^електриюв) збiльшуеться (зменшуеться) при нагрiваннi.
Схожi обставини вiдмiчено в роботах [7-10], як вiдображають основнi тенденцi! сучасно! термометрi! за випромiнюванням i робиться висновок про велику кшьюсть способiв визначення коефiцiенту випромiнювання або безпосередньо, вимiрюючи випромiнювання тiла в порiвняннi з випромiнюванням чорного тiла при однаковш температурi, або опосередковано, вимiрюючи коефiцiенти вiдображення цих тiл. У вшх випадках необхiдно враховувати паразитш фактори.
Альтернативний варiант вирiшення проблеми представлено в [11-13], де пропонуеться вимiрювання температури з використанням оптичних прилащв та контактних термометрiв. Змшюючи значення випромiнювально! здатностi, добиваються рiвностi показань мiж тепловiзором та термопарою.
Слщ зауважити, що в роботах вiдмiчаеться велика кiлькiсть способiв визначення коефщенту випромiнювально! здатностi та як фактори впливають на це, проте в жоднш не представленi дослщження впливу кута спостереження на випромшювальну здатнiсть, що сприймаеться приладами ГЧ-техшки.
Таким .ином, результати проведеного анаизу дають змогу зробити висновок, що можливють пiдвищення точностi вимiрювання температури
шляхом визначення впливу кута спостереження на коефщент випромшювально!' здатносп, що сприймаеться приладами IЧ-технiки являеться найменш дослщжуваним фактором. Тому виникае необхiднiсть в бшьш детальному його розглядi.
5. Матерiали та методи дослiджень
Безконтактний метод вимiрювання температури знаходить все бшьш широке застосування у вшх галузях промисловостi, проте до тепершнього часу носить допомiжний характер. Безконтактний тепловий метод являеться одним iз направлень методу неруйшвного контролю i оснований на вимiрюваннi температури поверхш об'екта за допомогою приладiв шфрачервоно!' технiки.
Даний метод широко розповсюджений в зв'язк^ з ^ переваг перед традицiйним методами. По-перше, це висока швидкодiя, що визначаеться типом приймача випромшювання, по-друге, можливють контролю об'екта без застосування контактних методiв вимiрювання, по-трете, можливiсть документування та формування iнформацiйного звiту, по-четверте, використання в автоматичних системах управлшня в якостi ланки зворотного зв'язку.
Наряду з очевидними перевагами, тепловiзiйнi методи мають також ряд недолтв, до яких можна вiднести методичну похибку, яка може сягати десятки вщсотюв при використанш сучасних приладiв ЧI-технiки [14]. Це призводить до помилок при розшифровщ термограм, зникнення дiагностичного признаку дефекту на термограмi або, навпаки, вiдображення неiснуючого дефекту.
Основне питання, яке виникае при розрахунку температур за результатами тепловiзiйних вимiрювань, являеться помилка в задаш випромшювально!' здатност поверхнi дослiджуемих об'еклв [15]. Дана величина характеризуеться коефщентом випромiнювання - числове значення, що дорiвнюе вiдношенню свiтностi або яскравост об'екта при даних температури i довжиш хвилi до свiтностi або яскравост АЧТ при однакових параметрах. Значення коефщенту теплового випромiнення поверхш кожного конкретного об'екта являеться шдивщуальним i залежить вiд багатьох факторiв, зокрема: розмiри об'екта контролю i вщстань до нього; стан i тип поверхш об'екту контролю; шероховалсть матерiалу; стан навколишнього середовища, а також кут спостереження.
Як уже вiдмiчалося, коефiцiент випромiнювання залежить не тшьки в основному вiд виду i стану матерiалу, але i вщ кута, пiд яким розташований прилад до поверхнi дослiджуваного об'екта. Причому залежнють вiд кута спостереження мае рiзний вид для метаив та дiелектрикiв. Якщо для дiелектрикiв в областi нормалi до поверхш вона приблизно шдкоряеться закону Ламберта (рис. 2) i мае найбшьше значення при вимiрюваннi по нормал^ то вимiрювання температури поверхнi бшьшост металiв найбiльш ефективно проводити шд кутом 20^30°, де коефiцiент випромшення максимальний. За межами даних значень, коефщент випромiнення швидко зменшуеться до нуля при направленш спостереження по дотичнш [7].
Рис. 2. Закон Ламберта
В наслщок залежност коефщенту випромiнення вiд кута спостереження, ефективний коефщент неплоских повег^онь рiзний в рiзних точках, хоча матерiал один i той же, коефщент якого по нормалi - величина постшна.
Фактичне значення коефщенту випромiнювально! здатностi може бути розраховано за формулою:
р ^ вь.
факт ту*
(1)
де ефакт - фактичне значення коефiцiенту випромiнювально! здатностi;
£вим - вимiрюване значення коефiцiенту випромшювально! здатностi; Ккут - коефiцiент впливу кута спостереження.
6. Результати досл1джень
При проведенш експерименту були отримаш залежностi коефiцiенту Ккут вiд кута спостереження.
Для металiв така залежшсть мае вигляд:
К
кут
>4ф2 -0,1067р + 1,1464, 0<ф<85,
-2,53^+5,06,
85<р<90,
(2)
<
де ф - кут спостереження.
Для дiелектрикiв залежшсть Ккут вщ кута спостереження найбшьш точно описуеться формулою:
Кщт = -0,0014 ■ ср3 + 0,022-ср2 -0,1-ср+1,1. (3)
За допомогою приладiв шфрачервоно! техшки дослiджено вплив кута спостереження на точнють вимiрювання температури деталi зi сталi (рис. 3) та
композицшного матерiалу (рис. 4). Визначення температури проводилося безпосередньо на реальному об'екл, формуючи вибiрку даних:
дiйсноl температури, вимiряноl контактним термометром; температури, що вимiрювалася за допомогою тепловiзора тд рiзними кутами спостереження;
визначення температури з урахуванням кута спостереження.
и
к а
250
^ 200
03 Л (и С
н
ьч к
И
£ К
со
(и К ьч а
к т
150
100
50
0
25
50
75
100
125
150
3С
Дiйсна температура,
Рис. 3. Вплив кута спостереження на точшсть вимiрювання температури сталi: —- дшсна температура; -■— вим1ряна температура (кут спостереження 60°); - внм1ряна температура (кут спостереження 70°); -■- - внм1ряна температура (кут спостереження 80°); -■— внм1ряна температура (кут спостереження 85°); - вим1ряна температура з урахуванням впливу кута спостереження
Анаиз отриманих результалв впливу кута спостереження на точшсть вимiрювання температури, що представлен в видi графiкiв, дають змогу зробити висновок, що зi збiльшенням кута спостереження похибка вимiрювання збшьшуеться. Вiдносна похибка вимiрювання температури детаи зi сталi при куп спостереження 85° складае 57 %, а для деталi з композицшного матерiалу - 22 %.
Дшсна температура, °С
Рис. 4. Вплив кута спостереження на точнють вимiрювання температури
композицшного пол1мера: —- дшсна температура; -■— вим1ряна температура (кут спостереження 60°); - внм1ряна температура (кут спостереження 70°); -■- - внм1ряна температура (кут спостереження 80°); - вим1ряна температура (кут спостереження 85°); - вим1ряна температура з урахуванням впливу кута спостереження
Таким чином, можна вважати, що таке ютотне значення похибки робить вимiрювання безглуздими. У той же час, вплив кута спостереження на точнють вимiрювання дае можливють звести значення абсолютно! похибки вимiрювання температури за допомогою приладiв iнфрачервоноi технiки до декшькох градусiв, що у вiдноснiй формi не перевищуе 1 %.
7. SWOT-аналiз результатiв досл1дження
Strengths. Серед сильних сторш даного дослiдження необхщно вiдмiтити отриманi результати впливу кута спостереження на точнють вимiрювання температури за допомогою шфрачервоно! технiки. На користь цього твердження свщчать приведет графши, якi дають змогу ощнити похибку вимiрювання температури. Використання отриманих результапв вiдносно рiзних кутiв спостереження дозволяють рiшити задачу визначення оптимального коефщенту випромiнювальноi здатностi, що прямим чином впливае на точнють вимiрювання температури.
Weaknesses. До слабих сторш даного дослщження можна вщнести те, що ршення щодо точного вимiрювання температури за допомогою шфрачервоно! техшки пов'язано з довгостроковим перiодом проведення. Причиною цього
являеться попередне визначення кута угломiром, в результат чого може бути допущена похибка.
Opportunities. Основними можливостями, що забезпечують досягнення мети дослiдження, являеться те, що можливий контроль дае змогу перевiрити не лише цшу деталь чи систему, а й провести випробування окремих дшянок, як з точки зору експлуатацiйноï надшност можуть визивати найбiльшi побоювання. В зв'язку з великими можливостями контролю об'еклв за величиною температури даний метод може отримати широке поле застосування в багатьох галузях промисловосп. Оскшьки наочнiсть тепловiзiйного методу, можливють вимiрювання дiйсних значень температури, оператившсть в роботi дають змогу компенсувати вщносно велику цiну апаратури.
Threats. Зовшшшми факторами, якi можуть ускладнити процес вимiрювання температури за допомогою приладiв iнфрачервоноï технiки, являеться змша коефiцiенту випромiнювання об'екта, що мае ютотну кривизну поверхнi та неможливють його визначення в важкодоступних мюцях. Також слiд вiдмiтити, що визначення температури з малим коефiцiентом випромшення призводить до певних складностей, а саме, розмежування власного випромшювання вщ вiдбитого випромiнення фону. Це призводить до того, що даний метод може використовуватися при температурах, що суттево вiдрiзняються вiд фонових, що дозволить знизити вщносний енергетичний вклад фонового випромшення i отримати бшьш коректнi температурнi данi.
Таким чином, SWOT-аналiз результатiв дослiдження дозволяе виявити основш направлення для успiшного досягнення поставленоï задачi. Серед них:
- тдвищення точностi вимiрювання температури на основi впливу кута спостереження на коефщент випромiнювальноï здатностi об'екту;
- нормашзашя зображення з метою можливост порiвняння результатiв аналiзу термограм для рiзних дiлянках об'екту;
- видшення можливих дефектних зон на термограмi на основi тепловiзiйного методу, що дозволить визначити рiвномiрнiсть теплового поля для рiзних об'ектiв.
8. Висновки
1. Дослiджено, що вимiрювання температури за випромшюванням являеться одним iз основних направлень розвитку високоефективноï системи дiагностики, яка забезпечуе можливiсть контролю теплового стану об'екта, виявлення дефеклв на раннш стадiï 1'х розвитку, а також мiнiмiзацiя затрат на техшчне обслуговування.
2. Встановлено, що одним iз iстотних факторiв, що впливають на точнiсть вимiрювання температури, являеться випромшювальна здатнiсть поверхнi об'екта, що дослщжуеться. Значення коефiцiента випромшювання в основному приведет в таблицях або представлен в видi графшв. В загальному випадку коефiцiент випромшювання залежить вiд виду матерiалу, довжини хвил^ температури, стану поверхнi та кута спостереження поверхш об'екта. Даш що приводяться в таблицях мають досить значну рiзницю. Тому температурш
залежност коефщенту випромiнювання дозволяють провести бшьш T04Hi вимiрювання температури об'екта.
3. Встановлено, що помилки у встановленш коефщента випромiнювальноï здатностi iстотно впливають на точнiсть вимiрювання температури за допомогою приладiв iнфрачервоноï технiки. Проведет дослщження впливу кута спостереження на точшсть вимiрювання температури виробу 3i сталi i композицiйного полiмеру показують, що при змiнi кута спостереження, похибки вимiрювання температури тепловiзором можуть перевищувати 50 %, що робить вимiрювання безглуздими. Запропоновано залежностi, що дозволяють звести значення абсолютноï похибки вимiрювання температури за допомогою приладiв iнфрачервоноï технiки до декiлькох градушв, що у вiдноснiй формi не перевищуе 1 %.
Лiтература
1. Svet, D. Ya. Obiektivnye metody vysokotemperaturnoi pirometrii pri nepreryvnom spektre izmereniia [Text] / D. Ya. Svet. - Moscow: Nauka, 1968. -236 p.
2. Oborsky, G. O. Vymiriuvannia neelektrychnykh velychyn [Text]: Textbook / G. O. Oborsky, P. T. Slobodianyk. - Kyiv: Nauka i tekhnika, 2005. -200 p.
3. Bramson, M. A. Infrakrasnoe izluchenie nagretyh tel [Text] / M. A. Bramson. - Moscow: Nauka, 1965. - Vol. 1. - 224 p.
4. Jacyszun, S. Efekty szumowe w termometrii [Text] / S. Jacyszun, B. Stadnyk, J. Lucyk, F. Skoropad // Pomiary, automatyka, kontrola. - 2003. -Vol. 49, № 7/8. - P. 15-17.
5. Valancius, K. Transient heat conduction process in the multilayer wall under the influence of solar radiation [Text]: Proceedings / K. Valancius, A. Skrinska // Improving human potential program. - Almeria, Spain: PSA, 2002. - P. 179-185.
6. Minkina, W. Pomiary termovizyne-przyrzdy i metody [Text] / W. Minkina. - Czestochova: Wydawnictwo Politechniki Czçstochowskie, 2004. -243 p.
7. Vavilov, V. P. Infrakrasnaia termografiia i teplovoi kontrol' [Text] / V. P. Vavilov. - Moscow: ID Spektr, 2009. - 544 p.
8. Svet, D. Ya. Opticheskie metody izmereniia istinyh temperatur [Text] /
D. Ya. Svet. - Moscow: Nauka, 1982. - 296 p.
9. Gordov, A. N. Osnovy pirometrii [Text] / A. N. Gordov. - Ed. 2. - Moscow: Metallurgiia, 1971. - 448 p.
10. Gossorg, J. Infrakrasnaia termografiia. Osnovy, tehnika, primenenie [Text]: Translation from French / J. Gossorg. - Moscow: Mir, 1988. - 416 p.
11. Bernhard, F. Technische Temperaturmessung [Text] / F. Bernhard. -Springer, 2004. - 1460 p. doi: 10.1007/978-3-642-18895-4
12. Lynnworth, L. C. Ultrasonic Thermometry [Text] / L. C. Lynnworth,
E. P. Papadakis // Ultrasonics Symposium. - 1970. - P. 83-93. doi: 10.1109/ultsym.1970.196006
13. Vvedenie v termografiiu [Text] / American Technical Publishers, Inc., Fluke Corporation, h The Snell Group. - Russia, 2009. - Available at: Ywww/URL: http : //www.thermoview.ru/pdf/fluke guide.pdf. - 10.02.2016.
14. Gerashchenko, O. A. Teplovye i temperaturnye izmereniia [Text]: Reference Manual / O. A. Gerashchenko, V. G. Fedorov. - Kyiv: Naukova dumka, 1965. - 304 p.
15. Oborsky, G. Researching the materials emissivity influence onto the thermal control method's accuracy [Text] / G. Oborsky, A. Levinsky, M. Holofieieva // Technology Audit And Production Reserves. - 2016. -№ 2/3 (28). - P. 4-7. doi:10.15587/2312-8372.2016.61802
