Комбінований спосіб часткової радіаційної пірометрії

Реферат: Спосіб радіаційної пірометрії здійснюється шляхом вимірів інтенсивності сумарного випромінювання поверхні J (або її "радіаційної температури" TR ) та інтенсивності випромінювання частки спектра Jq1 в діапазоні довжин хвиль   (0   q1) , у відповідності з винаходом, додатково виміряють інтенсивність випромінювання другої частки спектра Jq2 в діапазоні довжин хвиль   (0   q2 ) , а дійсну температуру випромінюючої поверхні To та її інтегральну випромінюючу здатність   визначають з формул. UA 107108 C2 (12) UA 107108 C2 UA 107108 C2 Винахід належить до області радіаційної пірометрії і може бути використаний при визначенні дійсної температури поверхні To та її інтегральної випромінюючої здатності   ( T ) . Відомий спосіб радіаційної пірометрії, в якому дійсну температуру поверхні визначають 2 шляхом виміру інтенсивності її випромінювання J (Вт/м ) в повному спектрі (або її "радіаційну 5 10 температуру" TR , TR  4 (J / ) , К), а To розраховують по формулі: To  TR / 4 ( ) , де   інтегральна випромінююча здатність поверхні,  - постійна Стефана-Больцмана, 8 (Дж/см2К4).   5.6704  10 Та в загальному випадку при пірометричному вимірюванні температур значення інтегральної випромінюючої здатності поверхні   - невідоме, а тому для визначення To на поверхні необхідно створювати фізичні моделі АЧТ (абсолютно чорного тіла), тобто отвори, випромінююча здатність яких   1 , при цьому радіаційна температура TR  To , бо To  TR / 4 ( ) . Саме це є основним недоліком способу-аналогу, тому що без застосування моделей АЧТ на поверхні методична похибка вимірювання дійсної температури To може бути дуже великою: 15 20 25 30 вона дорівнює T  (To  TR ) / To  1  4  . Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, є комбінований спосіб радіаційної пірометрії, в якому додатково до способу-аналогу вимірюють інтенсивність випромінювання частки спектра Jq1 в діапазоні довжин хвиль   (0   q1) , а в результаті спільно визначають дійсну температуру поверхні To та її випромінюючу здатність   (див. "Комбінований спосіб радіаційної пірометрії", пат. України № 63080 А). Основним недоліком способу-прототипу є недостатня точність визначення дійсної температури, що обумовлено тим, що зазвичай не виконується умова рівності випромінюючих здатностей поверхні, на частці спектру та на повному спектрі, тобто в загальному випадку випромінююча поверхня не є "квазісірою", а тому  qi    і рівність  qi    , прийнята в способіпрототипі по пат. України № 63080 А, є дуже приблизною. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу радіаційної пірометрії по пат. України № 63080 А, в якому разом з інтенсивністю випромінювання поверхні в повному спектрі J (або її "радіаційною температурою" TR ) та інтенсивністю випромінювання частки спектру Jq1 в діапазоні довжин хвиль   (0   q1) , додатково вимірюється інтенсивність випромінювання другої частки спектру Jq2 в діапазоні дожин хвиль   (0   q2 ) , а більш точне значення To і   визначається по формулі. Поставлена задача вирішується тим, що в способі радіаційної пірометрії, який містить вимір інтенсивності випромінювання поверхні в повному спектрі J (або її "радіаційної температури" TR  4 (J / ) ) та вимір інтенсивності випромінювання частки спектру Jq1 в діапазоні довжин 35 хвиль   (0   q1) , додатково вимірюють інтенсивність випромінювання другої частки спектру Jq2 в діапазоні довжин хвиль   (0   q2 ) , дійсну температуру To поверхні визначають методом послідовних наближень з ітераційної формули:   Ti1  (b / 1)  ln 0,4905  (Jq / Jq  1)  exp( 2Ti / b) 1 , 2 1 де Ti та Ti1 - відповідно попереднє (і-те) та наступне (і+1) наближення для дійсної 40 температури To , причому як перше наближення To використовується радіаційна температура TR , тобто у випадку i  1 маємо (To )i1  TR , а інтегральну випромінюючу здатність визначають на основі отриманого значення дійсної температури To з формули:   (TR / To )4 , 45 де TR - радіаційна температура, TR  4 (J / ) ,   5,6704 (Дж/см К ); J - інтенсивність сумарної радіації від випромінюючої поверхні: 2 1 4 UA 107108 C2 J     E , E - інтенсивність повного випромінювання абсолютно чорного тіла - АЧТ 2 (Вт/м ),  E    e( T ), e(T ) - спектральна інтенсивність випромінювання АЧТ; 0 Jq1 , Jq2 - інтенсивності випромінювання поверхні в двох частках спектра, відповідно: Jq1  q1   q1  q2 0 5 0  e(T) в діапазоні довжин хвиль   (0  q1) та Jq2  q2   e(T) в діапазоні дожин хвиль   (0   q2 ) ,  q1 ,  q2 - граничні довжини хвиль часткових діапазонів випромінювання, першого та другого, відповідно, мкм; b  2897,8 мкмK; Такий спосіб часткової радіаційної пірометрії забезпечує підвищення точності визначення 10 15 дійсної температури випромінюючої поверхні To та її інтегральної випромінюючої здатності   . Пропозиція пояснюється наступним: В патенті автора "Комбінований спосіб радіаційної пірометрії" (№ 63080 А) та статті ("Комбинированный способ радиационной пирометрии в материаловедении" // Труды ИПМ НАН Украины "Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении", Выпуск 8, Киев 2006, с. 104-112.) отриманий вираз дійсної температури випромінювання через граничну довжину хвилі діапазону частки спектра  q (мкм) та функцію АЧТ Fq , який має вигляд: T    b 1  ln 0,75 /(1  Fq ) . q З цього виразу можна отримати формулу для функції АЧТ Fq : Fq  1  2,0387  exp(  qT / b) , де 2,0387  0,75  e . 20 У відповідності з виразом функції АЧТ Fq  Eq / E відношення Fq2 / Fq1 дорівнює Eq2 / Eq1 . Це відношення можна розписати: Eq2 / Eq1  1  2,0387  exp( q2T / b) / 1  2,0387  exp( q1T / b) . З останньої формули можна отримати неявний вираз лише для однієї невідомої - дійсної температури T - в замкненому вигляді:  25     T  (b / 1)  ln 0,4905  (Eq2 / Eq1  1)  exp( 2T / b) 1 , де 0,4905  (0,75  e)1 . З другого боку, в разі, якщо значення граничних хвиль  q1 та  q2 для двох спектральних діапазонів довжин хвиль (0   q1) та (0   q2 ) не дуже відрізняються, маємо достатньо точну рівність  q1   q2 . А оскільки інтенсивність випромінювання поверхні дорівнює Ji  i  Ei , то 30 відповідне відношення Jq2 / Jq1  (q2  Eq2 ) /(q1  Eq1)  Eq2 / Eq1 . Таким чином, в наведеній вище формулі відношення інтенсивностей випромінювання АЧТ в двох частках спектра Eq2 / Eq1 з достатньо високою точністю можна замінити на відношення відповідних значень інтенсивностей випромінювання поверхні J2 / J1 . А оскільки дійсна температура в формулі представлена неявно, то для її визначення можна використати метод послідовних наближень шляхом застосування ітераційної формули: 35 Ti1  (b / 1)  ln0,4905  (J2 / J1  1)  exp(  2Ti / b)1 , де Ti та Ti1 - відповідно попереднє (і-те) та наступне (і+1) наближення дійсної температури To , причому в якості першого наближення To використовується радіаційна температура 40 поверхні TR , тобто у випадку i  1 маємо (To )i1  TR  4 (J / ) . Здійснивши декілька ітерацій по уточненню першого наближення температури (зазвичай, не більше 3-х) можна отримати результат з будь-якою точністю, тобто кількістю однакових перших цифр в чисельному вираженні To . Приклад промислової придатності 2 UA 107108 C2 Металева (W) поверхня має абсолютну температуру 1500 К, але її радіаційна температура TR , яка вимірюється пірометром повної радіації, дорівнює 1000 К (при цьому ступінь чорноти 5 поверхні   0,1975 ) . Два пірометричні виміри часткової радіації: перший зі світлофільтром з віконного скла з пропускним діапазоном довжин хвиль   (0  2,7 мкм) , а другий зі сірчаносвинцевим світлофільтром з пропускним діапазоном довжин хвиль   (0  3,5 мкм) дали наступні результати для функції АЧТ: a F1  0,4898 ( q1T  4050 мкм  К ) , F2  0,6637 (q2T  5250 мкм  К ) . Відношення Jq1 / Jq2  0,4898 / 0,6637  0,758 , а загальна Ti1  (b / q1)  ln 0,4905  (1  Jq1 / Jq2 )  (Jq1 / Jq2 )  exp( q2Ti / b) 1 . Враховуючи, що (b / q1)  2897,8 / 2,7  1073 K , a (b /  q1)  2897 ,8 / 3,5  828 K загальну формулу для Ti1  f (Ti ) :  10  формулу можна записати в чисельному вигляді: Ti 1  1073  ln0,1285  0,758  exp( Ti / 828 )1 , де Ti  T1  TR  1000 K . Розрахунок ітерацій дає наступні результати: 15 T2  1130 K , T3  1230 K , T4  1310 K , T8  1447 K , T9  1458 K , T10  1466 K , T11  1470 K , T5  1365 K , T6  1405 K , T7  1430 K , T12  1472,4K . Кінцевий результат T  1480 K . Абсолютна похибка 20К, відносна похибка методу 1,3 %. В запропонованому способі значення довжин хвиль  q1 та  q2 не дуже відрізняються, тому отримуємо рівність  q1   q2 , яка виповнюється з набагато більш високою точністю, ніж рівність, 20 яка прийнята в способі-прототипі:  qi    , а тому і отримані значення дійсної температури випромінюючої поверхні To та   будуть набагато точнішими, ніж ті, що отримані в способіпрототипі. Заявлений комбінований спосіб часткової радіаційної пірометрії забезпечує підвищення точності спільного визначення дійсної температури To та інтегральної випромінювальної 25 здатності   для будь-якої селективної поверхні, яка навіть не є "квазісірою". ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб радіаційної пірометрії, що здійснюється шляхом вимірів інтенсивності сумарного 30 випромінювання поверхні J (або її "радіаційної температури" TR  4 (J / ) ) та інтенсивності випромінювання частки спектра Jq1 в діапазоні довжин хвиль   (0   q1) ,який відрізняється тим, що додатково виміряють інтенсивність випромінювання другої частки спектра Jq2 в діапазоні довжин хвиль   (0   q2 ) , дійсну температуру To визначають з ітераційної формули: Ti1  (b / 1)  ln0,4905  (J2 / J1  1)  exp(  2Ti / b)1 , 35 де Ti та Ti1 - відповідно попереднє (і-те) та наступне (і+1) наближення дійсної температури To , причому як перше наближення To використовується радіаційна температура TR , тобто, у випадку i  1, маємо (To )i1  TR , а інтегральну випромінюючу здатність визначають на основі отриманого значення дійсної температури To з формули: 40   (TR / To )4 , 2 4 де TR - радіаційна температура, TR  4 (J / ) ,   5,6704 (Дж/см К ); J - інтенсивність сумарної радіації від випромінюючої поверхні: J     E , а E - інтенсивність повного випромінювання абсолютно чорного тіла - АЧТ 2 (Вт/м ), 3 UA 107108 C2  E    e( T ) , e(T ) - спектральна інтенсивність випромінювання АЧТ; 0 Jq1, Jq2 - значення вимірів інтенсивності випромінювання поверхні в двох частках спектра, відповідно: Jq1  q1   q1  e(T) в діапазоні довжин хвиль   (0   q1) і Jq2  q2  0  q2  e(T) в 0 діапазоні довжин хвиль   (0   q2 ) ; 5  q1 і  q2 - випромінюючі здатності поверхні в часткових спектральних діапазонах довжин хвиль (0   q1) і (0  q2 ) , відповідно;  q1, q2 - граничні довжини хвиль часткових спектральних діапазонів випромінювання поверхні, першого та другого, відповідно, мкм.; b - постійна Віна, b  2897,8 мкмК. 10 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4