Спосіб визначення локальної яскравісної температури в окремих точках нагрітого тіла та розподілу яскравісної температури по поверхні нагрітого тіла

Спосіб визначення локальної яскравісної температури в окремих точках нагрітого тіла та розподілу яскравісної температури по поверхні нагрітого 3 44416 4 Thermography Applications in Technology Research ⎡ S ⎤ λ 1 1 = + ⋅ ln⎢ 0 ⎥ (1) // InfraMation 2004 Proceedings. -104 A 2004-07-27]. T (x, y ) T0 C2 ⎣ S(x, y ) ⎦ Дані прилади призначені, в основному, для контде Т(х,у) - яскравісна температура у довільної ролю теплового режиму промислового устаткуточці поверхні, К; вання і, відповідно, мають відносно низьку простоT0 - яскравісна температура у фіксованії точці рову роздільну здатність. Діапазон вимірювання (х0,у0) нагрітого тіла, виміряна за допомогою піротемператури обумовлено робочим діапазоном метра із зникаючою ниткою, К; довжини хвилі (див. вище), та як правило не переS0 - сигнал матриці в відповідній точці зобравершує 1000К. Методична похибка цих приладів ження, відн.од. визначається відхиленням реальної випромінюваS(x,y) - сигнал матриці в довільній точці (х,у) льної здатності від табульованого значення. Окрім зображення нагрітого тіла, відн.од. того, дані прилади досить дорогі - від 3 до 20 тисяч λ - робоча довжина хвилі світлофільтру, мкм. доларів США, що робить їх недоступними для баНа малюнках 1-3 приведені послідовні етапи гатьох підприємств. визначення розподілу яскравісної температури Найближчим до нашої розробки є відомий вздовж вольфрамового дротику діаметром 250мкм спосіб пірометрії тонкої нитки (thin filament pyromeі довжиною 10см при силі нагріваючого струму try), який використовується для діагностики темпе5.8А. Реперній точці у центральній ділянці дротику ратурних полів в слабовипромінюючих пламенах відповідає яскравісна температура Т=1380К. [Peter Struk and Daniel Dietrich. Comparisons of На. малюнку 1 наведено зображення нагрітого Gas-Phase Temperature Measurements in a Flame вольфрамового дротику, отримане за допомогою Using Thin-Filament Pyrometry and Thermocouples // цифрової камери скрізь інтерференційний фільтр NASA/TM-2003-212096] (прототип). Спосіб ґрунтується на визначенні розподілу яскравішої темпе(λ=0,77мкм). На малюнку 2 наведено розподіл сигратури по довжині тонкої нитки карбіду кремнію за налу ПЗЗ матриці (у відносних одиницях) подопомогою комп'ютерної обробки цифрового зовздовж дротику, отриманий в результаті комп'ютебраження. Як реперна точка використовується рної обробки зображення. На малюнку 3 наведено температура центральної зони нитки, визначена розрахований розподіл яскравісної температури по розподілу енергії в спектрі оптичного випроміповздовж вольфрамового дротику. нювання за допомогою світлосильного спектромеОцінка діапазону вимірювання яскравісної тетру. Недоліки даного способу полягають в необмператури та чутливості способу хідності використання дорогого устаткування Діапазон вимірюваної яскравісної температури (спектрометр) та відносно високої трудомісткості. суттєво залежить від значення яскравісної темпеОкрім того, визначення реперної температури по ратури в реперній точці Т0. розподілу енергії в спектрі може суттєво збільшити Нехай значення Т0 відповідає середньому рівметодичну похибку в випадку, коли випромінюванню відгуку матриці, тобто S0=0,5⋅Smax=2048 (разряня не є сірим. дность матриці цифрової камери 12 біт/канал). Задачею, на вирішення якої спрямована заДля вимірювання було застосовано інтервал лінійпропонована корисна модель, є створення доступного відгуку матриці 20≤S≤3686. Тоді відповідні ного і спрощеного способу визначення локальної верхня (Tmax) та нижня (Тmіn) межі діапазону виміяскравісної температури в окремих точках нагріторювання яскравісної температури можна визначиго тіла та розподілу яскравісної температури по ти згідно формули Віна із наступних співвіднойого поверхні, що досягається завдяки технічному шень: ефекту внаслідок спрощення процесу вимірювання і його здешевлення в результаті спільного ви⎞ ⎛S 1 1 λ користання оптичного пірометра зі зникаючою нит= − ⋅ ln⎜ max ⎟ (2) Tmax T0 C2 ⎜ S0 ⎟ ⎠ ⎝ кою, цифрової камери і комп'ютерної обробки отриманих даних. ⎛ S ⎞ 1 1 λ Запропонований спосіб полягає в тому, що = + ⋅ ln⎜ 0 ⎟ (3) Tmin T0 C2 ⎜ Smin ⎟ ⎝ ⎠, розподіл інтенсивності випромінювання по поверхні тіла реєструють цифровою камерою у вузькому спектральному інтервалі (наприклад, λ=0.77мкм), і де λ=0.77мкм, C2=1.438⋅104 мкм⋅К відрізняється тим, що водночасно виконується Чутливість способу визначена згідно формули: визначення яскравісної температури в реперній δT λ ⋅ T δS = ⋅ точці нагрітого тіла оптичним пірометром із зника(4) T C2 S , ючою ниткою на довжині хвилі 0.65мкм, після чого отримані дані математично обробляють згідно де δS - середньо квадратичне відхилення сигзакону теплового випромінювання Вiна. налу матриці, яке залежить від значення чутливоНа основі формули Віна з врахуванням лінійсті цифрової камери і температури матриці. В ності відгуку приймача випромінювання (ПЗЗ матумовах нашого експерименту δS=5. Для середини риці) було отримано формулу для переходу від робочого інтервалу (S0=2048) відповідно маємо: розподілу інтенсивностей до розподілу яскравісної δT = 1.8 ⋅ 10 − 4 температури по поверхні нагрітого тіла: T 5 44416 6 Таблиця Розраховані межі вимірюваних яскравісних температур Тmах, Тmіn, відносна ширина робочого інтервалу (Tmax − Tmin ) , та чутливість δT запропонованого способу в залежності від значення реперної яскравісної T0 температури Т0. Т0, К Tmax, K Tmin, K (Tmax − Tmin ) T0 δT, К 1000 1032 802 1200 1247 926 1400 1465 1040 1800 1908 1246 2000 2134 1339 2400 2596 1506 2800 3071 1656 3000 3313 1724 0.205 0.268 0.304 0.368 0.398 0.454 0.505 0.53 0.1 0.16 0.2 0.36 0.4 0.6 0.9 1 Таким чином, максимальний відносний діапазон вимірюваних яскравісних температур відповідає максимальному значенню реперної температури Т0=3000 К. Запропонований спосіб дає змогу вимірювати і більш високі температури, але для цього немає практичної необхідності за відсутністю відповідних об'єктів дослідження. Середньо квадратична похибка запропонованого способу оцінювалась згідно формули: ∆T = ⎛ ⎞ 2 ⎛ δS ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝ C2 ⎠ ⎝ S ⎠ (∆T0 )2 + ⎜ 2λ ⎟ ⎜ ⎟ 2 (5) , де ∆Т0 - середньо квадратична похибка оптичного пірометра, та унаслідок того що відношення (δS/S)=(5/2048)«1, ми маємо ∆Т=∆Т0=8 К при використанні пірометра Проминь М1. Випробування запропонованого способу здійснювалося в лабораторії НДЛ-5 Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова за наступною методикою [Исследование температурных полей излучающих объектов // Физика аэродисперсных систем. - 2006. - Одесса. - Выпуск 43. - С.3944. Авторы: Каримова Ф.Ф., Орловская С.Г., Калинчак В.В., Шкоропадо М.С.]. Металевий зразок (вольфрамовий дротик діаметром 70мкм та довжиною 6см), нагрівався постійним електричним струмом від стабілізованого джерела живлення Б5-48 у контрольованій атмосфері. У певні моменти часу температура в центральній частині дротику вимірювалася за допомогою оптичного пірометра Промінь М1, одночасно здійснювалося фотографування дротику цифровою камерою Canon 450D крізь інтерференційний фільтр (λ=0.77мкм або λ=0.69мкм) у форматі RAW (14 біт/канал). Потім зображення на комп'ютері конвертували у формат TIFF (12 біт/канал) і надалі обробляли в пакеті Matlab 7.0. В процесі обробки виділяли червоний канал і здійснювали медіанну фільтрацію зображення, визначали значення сигналу в центральній ділянці зображення дротику відповідне температурі, виміряної пірометром. Далі знаходили розподіл яскравісної температури згідно формули (1). Для кінцевих ділянок дротику, що не світяться, використовували лінійну апроксимацію залежності Т(х), яка є рішенням одновимірної стаціонарної задачі теплопровідності. Проведено понад 50 експериментів з вольфрамовими і молібденовими дротиками різних діа метрів для різних значень струму нагріву, отримані відповідні залежності Т(х), які добре узгоджуються з даними фізико-математичного моделювання. Також розрахунок загального опору R(T) дротику з врахуванням отриманої залежності Т(х) добре узгоджується з експериментально знайденим значенням загального опору дротику R=U/І, визначеним по падінню напруги U та току нагріву І. Встановлена висока повторність результатів для ідентичних умов експерименту. Таким чином доведено, що запропонований спосіб визначення локальної яскравісної температури в окремих точках нагрітого тіла та розподілу температури по поверхні нагрітого тіла успішно вирішує поставлену задачу - зниження трудомісткості та здешевлення обладнання в порівнянні з способом прототипом і задовольняє усім вимогам, які пред'являються до корисної моделі: істотна новизна та позитивний ефект від використання. Розрахунок трудомісткості запропонованого способу. В ході випробувань запропонованого способу в лабораторії НДЛ-5 доведено, що визначення розподілу яскравісної температури повздовж металевих дротиків потребує участі двох чоловік та займає 1 годину 30 хвилин для виконання серії з 6 вимірів. Таким чином, витрати часу на проведення виміру одного температурного розподілу від моменту зйомки нагрітого тіла до здобуття графіка Т(х), потребує 0,5чол.год.. Тоді як метод прототип вимагає щонайменше 1чол.год на одно вимірювання, тому що визначення розподілу інтенсивності випромінювання в спектрі і відповідний розрахунок реперної температури вимагає набагато більше часу чим її вимір пірометром яскравості: відповідно близько 40 хвилин за допомогою спектрометра і максимум 2 хвилини пірометром яскравості. Оцінка вартості устаткування для реалізації запропонованого способу. Комплект устаткування для реалізації запропонованого способу включає: цифрову камеру, що підтримує формат RAW або TIFF, пірометр із зникаючою ниткою, вузькосмуговий інтерференційний фільтр. Для розрахунку вартості вибрані наступні прилади: 1. камера Olympus Sp-510uz - 2000грн.; 2. пірометр Промінь М1 - 1500грн.; 7 44416 8 3. фільтр інтерференційний фірми Latronix ніж для способу-прототипу. Ціни приведені за станом на грудень 2008 року. 1050грн. Запропонований спосіб був використаний при Загальна вартість комплекту складає 4550грн. виконанні держбюджетної теми №371 та в учбоВартість комплекту устаткування для реалізавому процесі на кафедрі теплофізики. Розробник ції способу прототипу: уживає заходів для промислового освоєння корис1. Цифрова камера Olympus Sp-510uz ної моделі, тому що запропонований спосіб дозво2000грн.; ляє більш успішно контролювати температурний 2. Спектрограф ДФС - 452 або монохроматор режим при термообробці металевих деталей та МДР-204 - 25000грн; інші технологічні процеси, чим методи оптичної Загальна вартість комплекту складає 27000 пірометрії; які використовуються в даний час. гривень. Таким чином, вартість устаткування для запропонованого способу принаймні в 5 разів нижче, Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601