Спосіб визначення радіаційної температури та пристрій для його здійснення

Изобретения относятся к радиационной термометрии и могут быть использованы для бесконтактного измерения температуры нагретых тел в широком диапазоне с повышенной точностью. Известен способ определения радиационной температуры [1], заключающийся в последовательном измерении напряжений приемника излучения от тепловых излучений контролируемой поверхности и двух эталонных пластин и температуры которых близки по значению к температуре контролируемой поверхности и различаются между собой на определенное значение а искомая температура поверхности определяется с помощью функциональной зависимости Недостатком известного способа является узкий диапазон измеряемых температур и невысокая точность измерения. Это вызвано необходимостью поддержания стабильных температур эталонных пластин, близких к измеряемой температуре, тр удностью разделения тепловых потоков от контролируемой поверхности и эталонных пластин, сложностью переориентации оптической системы пирометра для раздельного измерения напряжений и от нагретых до различной температуры тел. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения радиационной температуры [2], включающий визирование нагретого тела, измерение сигнала пирометра, дополнительный нагрев приемника излучения и последующее измерение возросшего сигнала пирометра, относительное уменьшение принимаемого измерения от тела и измерение соответствующего сигнала пирометра, определение температуры чувствительного элемента приемника излучения пирометра по формуле где и - показания пирометра суммарного излучения, соответствующие температурам чувствительного элемента (ЧЭ) приемника излучения при падении на него основного энергетического потока от нагретого тела при дополнительном нагреве ЧЭ приемника пропусканием через него постоянного электрического тока определенной величины а также при условии прекращения пропускания тока через ЧЭ и ослаблении в раз мощности энергетического основного потока излучения, падающего на приемник калиброванное приращение температуры ЧЭ приемника излучения. Искомую температуру тела находят по градуировочной зависимости температуры чувствительного элемента от температуры нагретого тела. Недостатком данного способа является методическая погрешность, возникающая при вычислении искомой температуры по формуле изза сравнительно большой погрешности задания коэффициента непосредственно в производственных условиях эксплуатации пирометра. Кроме того, способ отличается определенной громоздкостью из-за необходимости постоянного обращения к градуировочной характеристике которую необходимо определять перед началом эксплуатации пирометра. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения радиационной температуры [2], содержащее пирометр полного излучения, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь, кодовые выходы которого соединены с шиной данных системы обработки с цифровым индикатором. Недостатком данного устройства является низкая точность из-за невозможности исключения влияния на вычисляемый по формуле результат искомой температуры погрешности задания коэффициента ослабления мощности с основного потока излучения. Кроме того, применяемый в устройстве эффект Пельтье для дополнительного нагрева чувствительного элемента приемника излучения не позволяет формировать калиброванные приращения его температуры в широком диапазоне из-за ограничений по амплитуде электрического тока через приемник. В основу изобретения поставлена задача создания такого способа измерения радиационной температуры и устройства для его осуществления, в которых формирование новых теплофизических калиброванных воздействий на приемник излучения пирометра, позволяет полностью исключить влияние коэффициента ослабления мощности потока излучения на результат определения радиационной температуры и тем самым повысить его точность. Поставленная задача решается тем, что в способе определения радиационной температуры, включающем визирование нагретого тела, измерение сигнала пирометра, дополнительный нагрев приемника излучения и последующее измерение возросшего сигнала пирометра, относительное уменьшение потока принимаемого излучения от тела и измерение соответствующего сигнала пирометра, а также определение температуры тела по формуле, согласно изобретению, после измерения выходного напряжения пирометра, соответствующего основному потоку излучения нагретого тела, увеличивают мощность основного потока теплового излучения на калиброванную величину и измеряют возросшее установившееся напряжение пирометра, ослабляют суммарный тепловой поток излучение в определенное число раз, измеряют установившееся выходное напряжение пирометра, прекращают калиброванный поток излучения и измеряют сигнал пирометра соответствующий уменьшенному в раз основному потоку излучения, а искомую температуру тела определяют по формуле: где - изменение температуры нагретого тела (объекта) эквивалентное приращению мощности основного теплового потока излучения на калиброванную стабильную величину. Таким образом, осуществляя измерения выходных си гналов пирометра, соответствующих калиброванным теплофизическим воздействиям на приемник излучения, и обрабатывая их по предложенному четырехкратному алгоритму, удается исключить составляющую погрешности результата измерения, обусловленную неточностью задания коэффициента Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для определения радиационной температуры, содержащем пирометр полного излучения, к выходу которого подключен аналогоцифровой преобразователь, кодовые выходы которого соединены с шиной данных системы обработки с цифровым индикатором, согласно изобретению, пирометр дополнительно содержит полупрозрачное зеркало, встроенный электронагреватель, нейтральный фильтр с устройством ввода-вывода фильтра, а устройство снабжено двумя цифроаналоговыми преобразователями, причем выход первого из них подключен к управляющему входу устройства ввода-вывода фильтра, электроды нагревателя подключены к выходу второго цифроаналогового преобразователя, кодовые входы цифроаналоговых преобразователей соединены с системой обработки, полупрозрачное зеркало установлено за фокусирующей системой пирометра под углом 45° к ортогональным потокам основного и дополнительного тепловых излучений пирометра, а вводимый фильтр расположен между зеркалом и фотоприемником пирометра. Введение в устройство ци фроаналоговых преобразователей, а в пирометр устройства встроенного нагревателя, полупрозрачного зеркала, нейтрального фильтра с устройством ввода-вывода позволяет формировать и задавать калиброванные теплофизические воздействия на приемник излучения пирометра в широком диапазоне и исключить влияние коэффициента ослабления потока излучения на точность результата определения искомой радиационной температуры. Радиационная температура определяется следующим образом. Лучистая энергия, испускаемая нагретым телом, температура которого подлежит измерению, концентрируется с помощью оптической системы пирометра на теплочувствительный элемент приемника. По степени нагрева чувствительного элемента приемника, например, рабочих спаев термобатареи или болометра, определяют радиационную температуру тела. Излучение объекта измерения, взаимодействуя с линзами, зеркалами или фильтрами оптической системы пирометра, частично отражается и частично ослабляется. Остаточное излучение поля объекта измерения, падающее на приемник излучения, находится с ним в состоянии лучистого теплообмена и преобразуется в нем в электрический сигнал. Поэтому электрический сигнал, используемый как выходной, с одной стороны определяется измеряемым излучением, а с другой - излучением, испускаемым приемником излучения пирометра. Если активную площадь поверхности приемника излучения обозначить через то поглощаемая чувствительным элементом приемника энергия где - коэффициент, учитывающий ослабление излучения в результате отражающего действия поверхности линз, зеркал и окошек пирометра; - константа излучения абсолютно черного тела; - функции, учитывающие спектральное распределение излучения в принимаемом диапазоне длин волн; радиационная температура соответственно объекта и приемника излучения; - половина плоского угла, определяемого диаметром входной диафрагмы пирометра и ее расстоянием от приемника излучения; - время. Для объектов излучения с относительной излучательной способностью (степени черноты) измеряемая температура где - действительная температура объекта. В результате облучения приемника температура его чувствительного элемента будет вы ше температуры корпуса пирометра, В условиях установившегося теплообмена воспринимаемая приемником энергия соответствует отдаваемой им энергии. При этом энергия отдается как путем лучисто го теплообмена между приемником излучения и корпусом пирометра, так и за счет теплопроводности. Часть энергии, отдаваемой приемником излучения корпусу пирометра за счет теплопроводности, определяется законом Фурье где - тепловая проводимость чувствительного элемента приемника; - температура приемника излучения; - температура корпуса пирометра. Часть энергии, излучаемой чувствительным элементом приемника, по аналогии с (1) представим в виде где - величина, характеризующая излучение энергии приемником излучения в обе стороны. С уче том выражений (1), (3) и (4) уравнение теплового баланса чувствительного элемента запишем в виде Величину разности представить как Тогда с учетом (6) можно разность температур создающая выходной электрический сигнал, можно определить из уравнения (5) преобразовательной характеристики, задаваемой значением измеряемой температуры прилегающий участок характеристики (9) можно аппроксимировать касательной, уравнение которой где величина выражает долю потерь тепла приемника излучения вследствие теплопроводности. В тепловых приемниках излучения (термоэлектрических, болометрических и др.) для повышения их чувствительности теплопроводность делают минимальной. Так, в термоэлектрических приемниках, где передача тепла осуществляется й основном по термоэлектродам, последние выполняются из тонкой проволоки, а для исключения конвективных потерь рабочие спаи термопар помещают в газ с малой теплопроводностью (ксенон). Поэтому членом в знаменателе (7) можно пренебречь. При измерении радиационных температур в широком диапазоне значений (сотни градусов) разность температур чувстви тельного элемента приемника в корпусе меняется относительно в небольших пределах (десятки и даже единицы градусов). Поэтому приближенно можно считать, где - параметры касательной, зависящие от измеряемой температуры Угловой коэффициент задающий угол наклона касательной, можно определить через производную от (9) Свободный член уравнения , задающий смещение касательной относительно начала координат (нуля), можно определить из условия равенства выходного напряжения пирометра при по действительной характеристике (9) и аппроксимирующей (10) Решая уравнение (12) относительно коэффициента с учетом (11), получаем что Тогда с учетом принятых допущений разность температур (7) можно представить в виде Выходной сигнал пирометра пропорционален разности температур (8) и может быть представлен в виде электрического напряжения где - чувствительность приемника излучения [В/К]. Из выражения (9) следует, что при изменении температуры корпуса происходит изменение наклона преобразовательной характеристики в результате изменения коэффициента при измеряемой температуре Одновременно имеет место и параллельное смещение преобразовательной характеристики пирометра из-за изменения второго члена уравнения (9). Кроме того, преобразовательная характеристика изменяется и вследствие непостоянства конструктивных параметров пирометра и Из-за нелинейности преобразовательной характеристики погрешность измерения радиационной температуры вследствие непостоянства температуры корпуса и параметров пирометра зависит от значения В окрестностях рабочей точки Изменение наклона преобразовательной характеристики в окрестностях рабочей точки можно учесть относительным изменением коэффициента а параллельное смещение абсолютным изменением коэффициента Тогда результат измерения температуры с учетом реальной нестабильности характеристики можно выразить посредством дрейфующей касательной где - относительная мультипликативная погрешность преобразования, вызываемая нестабильностью коэффициента абсолютная аддитивная погрешность преобразования, вызываемая нестабильностью коэффициента Выходное напряжение пирометра запоминают, после чего повышают температуру чувствительного элемента приемника излучения, встроенным непосредственно в корпус пирометра, дополнительным источником теплового излучения. Мо щность данного источника выбирают из условия изменения выходного напряжения пирометра не менее 5 - 10 порогов его чувствительности. При этом смещение рабочей точки на характеристике (14) пирометра происходит за счет суммирования основного и дополнительного тепловых потоков, а выходное напряжение пирометра можно рассматривать как результат суммарного воздействия температур где - изменение температуры нагретого тела (объекта) эквивалентное приращению мощности основного теплового потока излучения на калиброванную стабильную величину. Возросшее напряжение приемника запоминают. Далее ослабляют суммарную мощность излучения, падающего на приемник излучения, например, введением нейтрального фильтра перед приемником, через который проходят основной и дополнительный потоки излучения. Степень ослабления выбирают также из условия изменения выходного напряжения пирометра не менее 5 - 10 порогов его чувствительности. В результате температура чувствительного элемента приемника понизится и его выходное напряжение где - коэффициент ослабления потока излучения. Уменьшенное напряжение также запоминают, после чего выключают источник дополнительного излучения Измеряют и запоминают установившееся напряжение на выходе пирометра Из второго результата измерения (15) вычисляют результат первого измерения (14) из третьего результата измерения (16) результат четвертого измерения (17) а из результата первого измерения результат четвертого измерения (17) (14) Радиационную температуру определяют с учетом (18), (19) и (20) по формуле Из формулы (21) следует, что результат определения радиационной температуры не зависит от параметров аппроксимирующей касательной аддитивной и мультипликативной погрешностей преобразования учи тывающи х смещение и изменение наклона преобразовательной характеристики пирометра в процессе эксплуатации, в частности от изменения температуры корпуса и старения приемника, а также непостоянство коэффициента ослабления вносимого нейтральным фильтром. Значение величины эквивалентного приращения температуры контролируемого объекта определяют в процессе калибровки пирометра с помощью результатов дополнительных измерений при включенном и выключенном встроенном источнике тепловой энергии. Для этого при известной температуре эталонной пластины фиксируют соответствующее выходное напряжение пирометра Затем включают дополнительный встроенный источник теплового излучения и фиксируют возросшее выходное напряжение пирометра Так как разность напряжений и мала, то значение приращения температуры определяют из пропорциональной зависимости по формуле где -температура эталонной пластины. В случае измерения температуры в широком диапазоне (например, 400 - 1300°C) предложенным способом, обеспечение минимальной методической погрешности достигают использованием в зависимости (21) переменного значения величины температурного эквивалента С этой целью диапазон измерения разбивают на поддиапазоны и в процессе его калибровки для каждого из поддиапазонов температур контролируемого объекта определяют соответствующие им эквиваленты температурных приращений из условия Полученная зависимость величины от значений температуры контролируемого объекта и соответствующие токи нагрева дополнительного источника излучения запоминаются и в дальнейшем используются при определении радиационной температуры по формуле (21). При этом в реальных условиях эксплуатации пирометра по результату первого измерения определяют рабочий поддиапазон измерения и затем задают необходимый ток нагревательного элемента дополнительного источника излучения. На чертеже (фиг.) приведена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ. Устройство для измерения радиационной температуры объекта 1 содержит пирометр 2, включающий фокусирующую систему или линзу 3, полупрозрачное зеркало 4, установленное за линзой 3 под углом 45° к ортогональным потокам основного и дополнительного тепловых излучений, электронагревательный элемент 5, диафрагму 6, нейтральный фильтр 7, ослабляющий тепловой поток измерения, приемник излучения 8, причем электрический выход приемника 8 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 9, кодовые выходы которого соединены с шиной данных системы обработки - микроЭВМ 10, соединенной с управляющими входами цифроаналоговых преобразователей 11 и 12, причем выход цифроаналогового преобразователя 12 соединен с управляющим входом исполнительного механизма 13, воздействующего на фильтр 7, а к выходу цифроаналогового преобразователя 11 подключен электронагреватель 5. Результат измерения представляется на цифровом индикаторе 14, подключенным управляющим входом к микроЭВМ 10. Устройство работает следующим образом. Излучение объекта 1 поступает в пирометр 2 и через линзу 3, полупрозрачное зеркало 4, диафрагму 6 поступает на приемник излучения 8. При этом нагреватель 5 вспомогательного источника излучения обесточен, а нейтральный фильтр 7 - выведен из поля зрения приемника излучения. Выходное напряжение приемника8 преобразуется АЦП 9 в цифровой код, пропорциональный напряжению который вводится в память микроЭВМ 10. По значению кода автоматически выбирается соответствующий поддиапазон измерения и последующей командой микроЭВМ 10 с помощью ЦАП формируют постоянный ток заданного значения через нагреватель 5. В результате возникает дополнительный поток теплового излучения, который направляется на зеркало 4, отражаясь от которого суммируется с основным потоком излучения от контролируемого объекта 1, и дополнительно нагревает приемник излучения 8. Напряжение на выходе приемника 8 изменится и примет новое значение которое запоминают в микроЭВМ 10. Затем по команде микроЭВМ с помощью ЦАП 12 срабатывает исполнительный механизм 13, вводящий нейтральный фильтр 7 с коэффициентом ослабления суммарного потока излучения в поле зрения приемника излучения 8. Значение выходного напряжения приемника 8 при этом изменится и будет равно которое также запоминают в микроЭВМ 10. Затем по очередной команде микроЭВМ 10 прекращают пропускание тока через нагреватель 5. Напряжение приемника 8 уменьшится и примет значение которое запоминают. Время считывания кодов после выполнения последовательных операций алгоритма функционирования пирометра выбирают с уче том тепловой инерционности приемника излучения контролируемой температуры в соответствии с формулой (21). Результат вычисления представляется на цифровом индикаторе 14.