Спосіб вимірювання температури

Реферат: UA 82840 U UA 82840 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області оптичної термометрії і може бути використана для вимірювань дійсної температури Т об'єктів з лінійними і близькими до лінійних монотонними спадаючими і зростаючими випуклими та увігнутими розподілами невідомої стабільної і змінної випромінювальної здатності () . Відомий спосіб вимірювання температури (пат. 54756 Україна, МПК G01J5/00. Спосіб вимірювання температури / Л.Ф. Жуков, А.В. Богдан. Опубл. 15.09.2005, Бюл. № 9), при якому вимірюють дві трикольорові або більш високих порядків температури, одна з яких вище, а інша нижче дійсної температури об'єкта, що термометрується. Потім дійсну температуру об'єкта визначають як середнє арифметичне цих двох виміряних кольорових температур. Причому ця рівність має місце тільки для сполучених настроювальних хвиль і відповідно сполучених кольорових температур. До недоліків цього способу можна віднести складність необхідного визначення сполучених настроювальних довжин хвиль. Тільки виміряні на сполучених настроювальних хвилях сполучені кольорові температури забезпечують однозначне визначення дійсної температури об'єкта. Похибки цього способу в основному залежать від похибок визначення довжин сполучених настроювальних хвиль. Відхилення використовуваних у вимірах настроювальних довжин хвиль від їх сполучених значень відповідно визначають відхиленням вимірюваних кольорових температур від необхідних для розрахунку їх сполучених значень і відповідно похибки вимірювань дійсної температури. Найбільш близьким до заявленого способу є спосіб вимірювання температури (пат. 76096 України, МПК G01J5/00. Спосіб вимірювання температури / Л.Ф. Жуков, А.Л. Корнієнко. Опубл. 25.12.2012, Бюл. № 24). Спосіб призначений для вимірювання дійсної температури об'єкта з невідомою і що змінюється випромінювальною здатністю шляхом вимірювань на симетрично розподілених по спектру трьох робочих хвилях трьох однокольорових умовних температур, які пов'язані з дійсною температурою об'єкта через його відповідні випромінювальні здатності на робочих хвилях трьома відповідними пірометричних рівняннями, для вирішення системи яких випромінювальну здатність на другій робочій хвилі замінюють середнім арифметичним випромінювальних здатностей на першій і третій робочих хвилях. Потім отриману систему трьох пірометричних рівнянь з трьома невідомими вирішують щодо дійсної температури об'єкта чисельним методом, для якого послідовні обчислення виконують для температур в діапазоні, обмеженому максимальною однокольоровою умовною температурою і максимально можливою технологічною температурою. Загальними суттєвими ознаками відомого та заявленого способів є вимірювання умовних однокольорових температур об'єкта на симетрично розподілених по спектру трьох робочих хвилях з подальшим розрахунком за ним дійсної температури об'єкта, що термометрується. Основний недолік способу полягає в різкому підвищенні його похибок при відхиленні розподілів випромінювальної здатності по спектру від лінійних. Для лінійних термодинамічно рівноважних, сірих, спадаючих і зростаючих розподілів методичні похибки відомого способу дорівнюють нулю. Проте найбільш поширеними в термометричній практиці є розподіли, що відхиляються від лінійних: монотонні нелінійні спадаючі і зростаючі, опуклі і увігнуті. Причому, зі збільшенням цих відхилень, тобто з підвищенням нелінійності, похибки відомого способу зростають. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення точності вимірювання температури об'єктів з невідомою і змінною випромінювальною здатністю, а також з монотонними нелінійними спадаючими і зростаючими, опуклими і увігнутими її розподілами. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання температури, що включає вимірювання пірометром умовних однокольорових температур об'єкта на симетрично розподілених по спектру трьох робочих довжинах хвиль і обчислення за виміряними умовними температурами його дійсної температури, згідно з корисною моделлю, різницю між довжинами першої та третьої граничних хвиль вибирають не менше 0,6 мкм, а довжину другої хвилі розміщують в середині спектрального діапазону з найбільш лінійним розподілом і високим значенням випромінювальної здатності, що забезпечує вимірювання першої і третьої умовних температур в межах робочого спектрального діапазону пірометра. Спосіб вимірювання температури реалізується наступним чином. Для вимірювань дійсної температури об'єкта на симетрично розподілених по спектру трьох робочих хвилях 1 , 2 і 3 вимірюються три однокольорові умовні температури S1 , S2 та S3 , які за законом Віна пов'язані з дійсною температурою об'єкта, що термометрується Т через відому другу постійну Планка c 2 і відповідні випромінювальні здатності 1 , 2 і 3 . Причому для вимірювань S1 , S2 і S3 різницю між 3 і 1 вибирають не менше 0,6 мкм, тобто 3  1  0,6 мкм . Крім того, довжину другої хвилі розміщують в середині спектрального 1 UA 82840 U діапазону з найбільш лінійним розподілом і високим значенням випромінювальної здатності, що забезпечує вимірювання першої і третьої умовних температур в межах робочого спектрального діапазону пірометра. Потім для цих виміряних умовних температур складають систему трьох пірометричних рівнянь з чотирма невідомими T , 1 , 2 і 3 . 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 1 1   ln( 1)   T S1 c 2   1 2 1   ln( 2) .   T S2 c 2  1 1 3   ln( 3)    T S3 c 2  Симетричний розподіл робочих довжин хвиль забезпечує апріорну інформацію про 2 через 1 і 3 . Наприклад, при лінійних спадаючих і зростаючих розподілах випромінювальної здатності 2  (1  3) / 2 , точно. Після підстановки 2  (1  3) / 2 отриману систему можна привести до наступного рівняння c (T  S1) c (T  S3)   e 2 e 2  2  T1S1 T3S3   1  1  0 , ln  T S2 c2  2     яке, як відомо, аналітично не вирішується. Тому, це рівняння вирішується чисельним методом, шляхом підбору значення T , при якому права частина рівняння дорівнює нулю. Причому, значення T вибираються в діапазоні, обмеженому максимальною однокольоровою умовною температурою і максимально можливою технологічною температурою, температура T не може бути менше максимальної однокольорової умовної температури (T  Sn max) , так як n  1 . При цьому T також не може перевищувати максимально можливу технологічну температуру для об'єкта, що термометрується. Цілком очевидно, що методичні похибки запропонованого способу вимірювань температури об'єктів з лінійними спадаючими і зростаючими, сірими і тим більше термодинамічно рівноважними розподілами випромінювальної здатності визначаються дискретністю перебору значень T . При швидкодії сучасних мікропроцесорів цю дискретність можна встановити практично будь-якою, в тому числі в частинах 1 К. Однак у разі відхилень розподілів випромінювальної здатності від лінійних і зростанні цієї нелінійності похибки підвищуються. Наприклад, для спадаючого опуклого розподілу випромінювальної здатності вольфраму, а також для дзеркальних спадаючих увігнутих, зростаючих опуклих і зростаючих увігнутих розподілів його відображень похибки досягають відповідно 0,75; 1,25; 1,43 і 2,75 %, для 3  1 відповідно рівних 0,4; 0,2; 0,4 і 0,2 мкм. При 3  1  0,6 мкм мкм похибки різко знижуються за рахунок підвищення відносної лінійності розподілів до відповідно 0,5; 0,5; 0,9 і 1,25 %, тобто практично в 1,5-2,2 разу. Додаткове зниження похибки при нелінійних розподілах випромінювальної здатності забезпечується також вибором довжини другої хвилі в середині спектрального діапазону з найбільш лінійним розподілом і високим значенням випромінювальної здатності, що забезпечує вимірювання першої і третьої умовних температур в межах робочого спектрального діапазону пірометра. Наприклад, похибки при 2  0,8 мкм для зазначених вище монотонних нелінійних розподілів відповідно рівні 0,5; 0,5; 1,2 і 1,3 %, а при зсуві другої хвилі в діапазон з більш лінійними розподілами (2  0,8 мкм) ці похибки знижуються відповідно до 0,2; 0,2; 0,6 і 0,6 %, тобто в 2,0-2,5 разу. При такому виборі 2 похибки додатково знижуються за рахунок підвищення випромінювальної здатності. Наприклад, у спектральному діапазоні 0,5-1,1 мкм випромінювальна здатність вольфраму становить 0,35880,4661 і визначає похибку у 0,5 %. При підвищенні випромінювальної здатності на 0,4 тобто до 0,7588-0,8661 похибка зменшується від 0,5 до 0,3 %. Причому, при цьому зміщенні 2 необхідно забезпечити вимірювання першої і третьої умовних температур в межах робочого спектрального діапазону пірометра. Наприклад, при 2  10 мкм і 3  1  0,6 мкм робочий , спектральний діапазон пірометра повинен перекривати ділянку спектра від 0,7 до 1,3 мкм. Таким чином, запропонований вибір 3  1 і 2 забезпечує підвищення точності вимірювань в 1,5-2,5 разу. Використання запропонованого способу дозволяє в порівнянні з відомим рішенням в 1,5-2,5 разу знизити похибки вимірювань температури об'єктів з реальними монотонними 2 UA 82840 U нелінійними спадаючими, зростаючими, опуклими і увігнутими розподілами випромінювальної здатності, за рахунок запропонованого вибору довжин хвиль 1 , 2 і 3 . ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб вимірювання температури, що включає вимірювання пірометром умовних однокольорових температур об'єкта на симетрично розподілених по спектру трьох робочих хвилях і обчислення за виміряними умовними температурами його дійсної температури, який відрізняється тим, що різницю між довжинами першої і третьої граничних хвиль вибирають не менше 0,6 мкм, а довжину другої хвилі розміщують в середині спектрального діапазону з найбільш лінійним розподіленням і високим значенням випромінювальної здатності, що забезпечує вимірювання першої і третьої умовних температур в межах робочого спектрального діапазону пірометра. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3