Универсальная пирометрическая система Текст научной статьи по специальности «Физика»

4/2011

ВЕСТНИК

МГСУ

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПИРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

UNIVERSAL PYROMETRIC SYSTEM

А.И. Самсонов

A.I. Samsonov

ГОУ ВПО МГСУ

Предложенный автором метод преобразования спектральных яркостей для различных длин волн позволил создать универсальное измерительное устройство, значительно снижающее погрешность.

Proposed by the author transform method of spectral brightness at different wavelengths allowed to create a universal measurement device, which greatly reduces the error.

Для современного развития техники характерна интенсификация тепловых процессов, что предусматривает работу конструкционных элементов высокотемпературных энергетических установок при предельно высоких уровнях температуры, в условиях больших градиентов температур и тепловых потоков, химического и эрозионного взаимодействия с рабочим телом и т.д. Поэтому совершенствование инженерных решений в атомной энергетике, производстве строительных материалов, при проведении строительно - монтажных работ немыслимо без широких и надежных сведений о свойствах конструкционных материалов во всем температурном диапазоне их использования, вплоть до температуры плавления. Особый интерес представляют такие свойства как теплопроводность, теплоемкость, электрическое сопротивление, излучатель-ная монохроматическая и интегральная способности высокотемпературных материалов. Ограниченные возможности теоретических методов количественных оценок этих параметров заставляют широко развивать экспериментальные исследования. Основным параметром измерений является температура, т.к. она определяет термодинамическое состояние любого вещества, кинетику и динамику важнейших процессов обмена и превращений. При этом бесконтактные объективные методы пирометрии излучения оказываются не только оптимальными, но и подчас единственно возможными. Как известно, все методы пирометрии излучения основаны на измерении потоков лучистой энергии с последующим преобразовании их в величину пропорциональную измеряемой температуре. Величина энергии теплового излучения, спектральная яркость b0(X,T) в интервале длин волн от X до X + dX , испускаемая абсолютно черным телом при истинной температуре Т, определена фундаментальным уравнением Планка [1]:

Здесь С1= 3,7413 10-16 Вт м2, С2 = 1,4388 104 мкм К - постоянные закона Планка. Индекс «о» означает, что данный параметр относится к абсолютно черному телу, излуча-тельная способность которого равна единице. В практике пирометрии используют формулу Вина, которую называют виновским приближением закона Планка:

bo(X,T)dX=C1 X-5(exp (C2/(^T)) -1)-1 dX.

(1)

Ъо(Х,Т)=С X"5 ехр(- С2/(ГГ)). (2)

Погрешность приближения при использовании формулы Вина вместо закона Планка не превышает 1% при ХТ< 3 103 мкм К. Пзохромата излучения, описываемая уравнением (2), использована для практического построения пирометрической системы, но - после логарифмирования этого уравнения:

1п Ъо(Х,Т) = 1п (С1 Х-5) - С2/(Щ (3)

что позволило получить линейную зависимость логарифма входной яркости Ъо(Х,Т) от обратной величины измеряемой температуры Т. ( Необходимо отметить, что величина 106/Т имеет размерность 1 пиро. Это соответствует названию: пирометр, а не градусник). Линейная зависимость (3) удобна для анализа погрешности во всем диапазоне измерений, а также при градуировке системы. Для логарифмирования пирометрическая система снабжена оптико - электронным преобразователем состоящим из: 1) оптико - механического модулятора, который производит сначала аплитудно - импульсную модуляцию излучения для ряда спектральных компонент, 2) приемника излучения, который преобразует спектральные яркости в электрические сигналы, поступающие в 3) - измерительную линейку [2]. Измерительная линейка - это электронный преобразователь амплитуды импульсов в длительность импульсов одинаковой амплитуды по логарифмическому закону. С целью повышения инструментальной точности пирометрической системы в ней установлена пирометрическая лампочка, дающая опорный сигнал, поступающий через оптико -механический модулятор после каждого сигнала спектральной яркости. Таким образом с выхода приемника излучения через равные промежутки времени следует последовательность электрических импульсов, несущая информацию о спектральных яркостях в выбранных длинах волн излучения и между ними опорные импульсы от эталонного излучателя. Наличие эталонного излучателя с одной стороны позволяет компенсировать нестабильность чувствительности приемника излучения в широком диапазоне входных воздействий, а с другой стороны - построить универсальную пирометрическую систему, позволяющую производить на единой инструментальной базе измерение температуры различными способами и оптических характеристик реального излучателя. Возможность экспериментального определения монохроматических излучательных способностей материалов в процессе измерения температуры позволяет приблизить измеренную так называемую оптическую температуру (яркостную, цветовую) к истинной, добиться минимизации методической погрешности, что всегда являлось актуальной задачей [3, 4]. Действительно, спектральная яркость при реальном характере излучения равна:

Ъ(А,Т)= % С1 Х-5 ехр(- СДО)), (4)

где: Ъ(Х,Т) спектральная яркость реального излучателя, а % - его монохроматическая излучательная способность (коэффициент черноты). Понятие яркостной температуры Тя вводится при равенстве спектральных яркостей абсолютно черного тела и реального тела. При этом:

ехр(- С2/(ХТЯ)) = е, ехр(- СДО)). (5)

Переход от измеренной яркостной температуры Тяк истинной Т ведут по формуле:

Т-1 - Тя-1 = (УС2) 1п е,. (6)

Оценка относительной методической погрешности проводится по формуле: ДТ/Т = (ШС2) (Д%/ 80. (7)

Выражение (7) дает возможность оценить и абсолютную погрешность измерений, которая может достигать десятков и сотен градусов и возрастает с ростом коэффици-

4./2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

ента черноты и измеряемой температуры. Снижение методической погрешности при измерении истинной температуры является краеугольным камнем в пирометрии. Действительно, при всех достоинствах методов оптической пирометрии: высокая чувствительность, бесконтактность измерений, высокое быстродействие, низкая инструментальная погрешность незнание коэффициента черноты может приводить к значительным абсолютным погрешностям измерения температуры. Вот почему, при разработке универсальной пирометрической системы, автором было уделено большое внимание на измерении температуры не по одной, а как минимум по трем спектральным яркостям, что позволило получить информацию об монохроматических излучательных способностях. Пирометрическая система позволяет производить измерение любого количества яркостных и цветовых температур спектрального и двойного спектрального отношений. Для этого достаточно вычитать длительности полученных на измерительной линейки импульсов, что можно делать в аналоговом виде, например на фильтре низких частот, либо в цифровом виде путем заполнения указанных длительностей тактовыми импульсами. Число спектральных составляющих определяется выбором количества светофильтров в оптико - механическом модуляторе, например количеством отверстий со светофильтрами во вращающемся диске - обтюраторе. Рассмотрим, получающуюся при этом систему уравнений по формуле (6) для трех яркостных температур в трех длинах волн спектра излучения:

Т"1- Т^1 = (^ /С2) 1п Ем. (8)

Т"1- Тя2_1 = (^ /С2) 1п £,2. (9)

Т-1- Тяз-1 = (Хз /С2) 1п е,з. (10)

Исключим из этих уравнений истинную температуру Т и оставим измеренные пирометрической системой три яркостные температуры, которые зависят от трех неизвестных монохроматических излучательных способностей:

ТЯ2_1 - ТЯ1-1 = (Х1 /С2) 1п £м - (^2 /С2) 1п £и (11)

Тяз-1 - ТЯ1-1 = (Х1 /С2) 1п £м - (Хз /С2) 1п £,з. (12)

Третье уравнение не имеет смысла записывать, т.к. оно будет следствием вычитания (12) из (11). Для решения системы уравнений (11 - 12) не хватает еще одного независимого уравнения, которое можно получить, если сформировать так называемое двойное спектральное отношение, которым пользуются при измерении цветовой температуры, например в [5]:

1п [(Ъ(Х1,Т)Ъ(Хз,Т))/Ь2(Х2,Т)] = 51п(Х22/(^ Хз)) - С2/(ЛТ), (1з)

где: Л - это эквивалентная длина волны, которая равна: Л-1= Х1-1 + Хз-1 - 2Х2-1. Можно подобрать так длины волн пирометрической системы, что:

V1 + V1 = 2Х2-1. (14)

Тогда в уравнении (1з) последний член станет равным нулю, т.е. выходной сигнал пирометрической системы не зависит от температуры, а зависит только от монохроматических излучательных способностей в трех длинах волн излучения. Пирометрическая система формирует электрический сигнал и пропорциональный логарифму произведения спектральных яркостей в первой и в третьей длинах волн деленных на квадрат спектральной яркости во второй длине волны. В результате логарифмирования с учетом (14) имеем:

и = 1п((£,1 £,з)/ Л2) + 1п(Х210/( Х51 Х5з)). (15)

Это является недостающим уравнением для системы (11 - 12), что позволяет найти в явном виде монохроматические излучательные способности в трех длинах волн, а затем по формулам (8,9,10) найти три истинных температуры и усреднить результат, что, по мнению автора, будет наилучшим приближением к действительной температуре объекта измерений. Представленная универсальная пирометрическая система измерения истинных температур Т и излучательных характеристик e>j допускает использовать неограниченное количество спектральных компонент, проходящих по одному калиброванному опорным излучателем тракту преобразования сигналов, обработанных по единой методике логарифмической амплитудно - широтной импульсной модуляции, что уменьшает не только инструментальную погрешность, но и, что очень важно - методическую погрешность связанную с неполнотой излучения реальных объектов излучения.

Литература

1. Рибо Г. Оптическая пирометрия. М., ГТТИ, 1934.

2. Самсонов А.И. Универсальная измерительная линейка. Научные труды МЛТИ. Вып. 278. М., МЛТИ, 1978.

3. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М., Наука, 1982.

4. Свет Д.Я. Способ пирометрических измерений. Патент №2151382. 2000.

5. Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико - электронные системы измерения температуры. М., Энергоатомиздат, 1988.

Literature

1. Ribo G. Optical pyrometer. M., GTTI, 1934.

2. Samsonov A. Universal yardstick. Scientific publications MLTI. Vol. 278. M., MLTI, 1978.

3. Svet D. Optical methods for measuring the true temperature. M.,Nauka, 1982.

4. Svet D. Method of pyrometric measurements. Patent № 2151382. 2000.

5. Poskachei A, Chubarov E. Opto - electronic system for measuring temperature. M., Energoa-tomizdat, 1988.

Ключевые слова: Строительные материалы, тепловые процессы, теплофизические свойства, температура, пирометрия, спектральная яркость, коэффициент черноты, методическая погрешность, преобразование сигнала

Key words: Building materials, thermal processes, thermal properties, temperature, pyrometry, spectral brightness, emissivity, methodological error, signal conversion

Телефон 8 967 117 69 12. e-mail: blackeagl7@mail.ru

Рецензент: Сидоров В.H., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, ГОУ ВПО МГСУ