Спосіб вимірювання температури

Реферат: UA 118366 U UA 118366 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до області оптичної термометрії та може бути використана для вимірювань дійсної температури об'єктів з невідомим та випадково змінним, в широких межах, коефіцієнтом селективності випромінювання. Відомий спосіб вимірювання температури (патент РФ №2255312, МПК G01J 5/60. Спосіб вимірювання температури / Д.Я. Свєт. Опубл. 27.06.2005, Бюл. № 18), при якому вимірюють не менше трьох однокольорових умовних температур на робочих хвилях, еквідистантно розташованих по спектру з мінімально можливою відстанню між ними, що забезпечує лінійність функції логарифму добутку випромінювальної здатності на пропускання проміжного середовища від довжини робочої хвилі та апроксимацію цієї функції поліномом першого степеня. Потім визначають коефіцієнти даного полінома і за ними розраховують логарифми добутків випромінювальної здатності на пропускання проміжного середовища на відповідних робочих хвилях. Різниця між вказаним логарифмом та зворотним значенням виміряної однокольорової умовної температури на відповідній робочій хвилі дає зворотне значення дійсної температури об'єкта. Як результат вимірювання використовують середнє арифметичне за трьома чи більше розрахованими значеннями дійсної температури. Основним недоліком способу є складність зв'язку між отриманою за допомогою прямих вимірювань первинною пірометричною інформацією та розрахованою на її основі дійсної температурою об'єкта. Похибки таких опосередкованих вимірювань визначаються складністю вказаного зв'язку, багатоетапністю розрахунків і кількістю використовуваних в них параметрів. Крім того, для реалізації способу необхідно вибирати досить малі відстані  між робочими хвилями. Наприклад, автор для спектральних розподілів випромінювальних здатностей вольфраму та заліза використовує значення  , що дорівнюють 0,02 та 0,05 мкм, відповідно. При таких малих  результати прямих вимірювань однокольорових умовних температур на та  3 відрізняються на величину, що близька до їх похибок. Тому, отримана первинна пірометрична інформація виявляється спотвореною похибками вимірювань однокольорових умовних температур і непридатна для розрахунку дійсної температури об'єкта з прийнятною 1 , 2 25 30 35 40 45 50 55 точністю. При збільшенні  похибки способу зростають через нелінійність реальних спектральних розподілів випромінювальної здатності об'єктів, що термометруються. Принципово цей спосіб можливо застосовувати тільки для об'єктів з лінійними залежностями логарифма добутку випромінювальної здатності на пропускання проміжного середовища від довжини хвилі при малих  . Вказані недоліки значно обмежують область практичного застосування способу. Відомий спосіб вимірювання температури (патент України № 54756, МПК G01J 5/00. Спосіб вимірювання температури / Л.Ф. Жуков, А.В. Богдан. Опубл. 17.03.2003, Бюл. № 3), при якому вимірюють дві трикольорові чи більш високих порядків умовні температури, одна з яких лежить вище, а інша - нижче дійсної температура об'єкта, що термометрується. Дійсну температуру об'єкта визначають як середнє арифметичне цих двох виміряних кольорових умовних температур. Основний недолік способу полягає в високому рівні інструментальних похибок, на які впливають комбінації знаків та модулі похибок вимірювань відповідних однокольорових умовних температур. Це обумовлює несиметричне, відносно дійсної температури об'єкта, зміщення трикольорових умовних температур. Іншим недоліком є складність визначення сполучених налагоджувальних хвиль. Від цього залежать методичні похибки способу. Відхилення використовуваних при вимірюваннях налагоджувальних довжин хвиль від їх реальних сполучених значень обумовлює відхилення вимірюваних трикольорових умовних температур від їх реальних значень і, відповідно, методичні похибки визначення температури. Ще один недолік способу - складність його технічної реалізації, яка передбачає підбір сполучених умовних температур шляхом регулювання налагоджувальних довжин хвиль з фіксацією потрібних їх значень. Найбільш близьким до заявлюваного способу є спосіб вимірювання температури, який викладено в статті "Двокольорова компенсаційна термометрія металевих сплавів та її інструментальні похибки" (Л.Ф. Жуков, Д.О. Петренко, А.Л. Корнієнко. Процеси лиття, №5, 2016. С. 48-58). Він призначений для вимірювання дійсної температури об'єкта зі змінною випромінювальною здатністю шляхом вимірювань пірометром на робочих довжинах хвиль двох однокольорових умовних температур для реального розподілу випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується, з подальшим визначенням за ними двох однокольорових умовних температур для дзеркального розподілу випромінювальної здатності на тих же довжинах хвиль. Потім за дзеркальними умовними температурами розраховують двокольорові умовні 1 UA 118366 U 5 10 15 20 температури - "реальну" та "дзеркальну", за якими розраховують зворотне значення дійсної температури об'єкта як середнє арифметичне зворотних значень двокольорових умовних температур, за яким, в свою чергу, знаходять значення дійсної температури об'єкта. Загальними суттєвими ознаками відомого та способу, що заявляється, є використання двох двокольорових умовних температур, одна з яких вища, а інша - нижча, ніж дійсна температура об'єкта. Основний недолік способу полягає в тому, що при низьких, порівняно з відомими рішеннями, інструментальних похибках, методичні похибки, які визначаються в тому числі нестабільною селективністю випромінювання об'єктів, що термометруються, можуть досягати значень, які виключають практичне застосування відомого способу. В основу даної корисної моделі поставлено задачу підвищення точності вимірювання температури об'єктів із випадково змінним, в широких межах, коефіцієнтом селективності випромінювання шляхом зниження методичних похибок і розширення, за рахунок цього, області застосування оптичної термометрії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання температури, який включає вимірювання двох однокольорових умовних температур для реального розподілу випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується, і визначення за ними двох однокольорових умовних температур для дзеркального розподілу випромінювальної здатності об'єкту на тих же довжинах хвиль, з наступним розрахунком двокольорових умовних температур, для реального та дзеркального розподілів, та шуканої дійсної температури, згідно з корисною моделлю, за апріорною інформацією про границі змін спектральних розподілів випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується на робочих довжинах хвиль (   1 ,   2 ,   1 ,   2 ), m ax m ax m in m in визначають випромінювальної здатності ( 25  k max  max  ( max 1 max 2 ;   min 1 min 2 m  cpax   максимальне m ax 1   min  k  min  ,   2 max 1 max 2 m ax 2 ; m  cpin  ,   min 1 min 2 та  m in 1 мінімальне  2 середні значення m in 2 ), а також значення крутизни    ) для граничних спектральних розподілів випромінювальної здатності, за якими розраховують налагоджувальні значення середнього рівня випромінювальної випромінювання ( kн  здатності н (  cp  m m  срax   cpin і коефіцієнта селективності k m ax  k m in 2 ), визначають налагоджувальні значення випромінювальної н 2  30 ) 2 н 2 ср k н 1 н  1  н 2 срk н k н 1 здатності на робочих довжинах хвиль ( , ) і розраховують однокольорові умовні температури для дзеркального розподілу. Спосіб вимірювання температури реалізується наступним чином. Пірометром вимірюють дві однокольорові умовні температури S1 і S 2 нa робочих хвилях 1 і 2 для реального розподілу випромінювальної здатності об'єкту, що термометрується. За даними вимірюваннями розраховують "реальну" двокольорову умовну температуру 1 S 2ц   1 1      1  S1 2  S 2  , (1) экв   35 экв  12 2  1 - еквівалентна довжина хвилі двокольорового пірометра. Використовуючи апріорну інформацію про границі змін спектральних розподілів випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується на робочих довжинах хвиль (   1 ,   2 ,   1 ,   2 ), визначають випромінювальної здатності (2, 3) m ax 40 m ax m in m in максимальне 2 і мінімальне середні значення UA 118366 U m  cpax  m m  1ax    2ax 2  m  cpin  m in 1 ; (2)  2 m in 2 , (3) а також крутизни спектрального розподілу випромінювальної здатності (4, 5) max min 5  max  min  k max  max 1 ; 1  max min   2   2  , (4) k min max min   1  1   min  max ; min     2   2  . (5) Після цього, на основі визначених граничних значень оптичних характеристик об'єкта, розраховують налагоджувальні значення середнього рівня випромінювальної здатності (6) і коефіцієнта селективності випромінювання (7) 10 m m  срax   cpin н  cp  2 k kн  ; (6) k m ax m in 2 . (7) Використовуючи отримані за формулами (6, 7) налагоджувальні оптичні характеристики об'єкта, розраховують налагоджувальні значення випромінювальної здатності на робочих довжинах хвиль (8, 9)   н 1 15 н 2  н 2 срk н k н  1 ; (8) н 2 ср k н  1 . (9) Однокольорові умовні температури, які відповідають дзеркальному розподілу випромінювальної здатності, розраховують як функції від виміряних однокольорових умовних температур і визначених налагоджувальних оптичних характеристик S 2C2 S 2 ln   2 2  1   C2 ; (10)  S1C2 ' S2  н S1 ln  1 2  1   C2 , (11) S1'  20   н   де C2  0,014388 К  м - друга стала Планка. Потім розраховують "дзеркальну" двокольорову умовну температуру 1 S '2 ц   1 1    ' '   1  S1 2  S 2  . (12) экв   25 Після чого обчислюють дійсну температуру об'єкта T 30 2 1 1  ' S 2ц S 2ц . (13) Запропонований спосіб, порівняно з прототипом, має в два рази нижчі методичні похибки при випадкових змінах випромінювальних характеристик об'єктів, що термометруються. Наприклад, при контролі температури металу на випуску з вагранки методична похибка запропонованого способу, за рахунок змін середнього рівня випромінювальної здатності і 3 UA 118366 U селективності випромінювання, буде вдвічі нижчою, ніж у прототипі і складе 0,5 %. Необхідно відмітити, що при цьому порівняно з енергетичною термометрією на   1 ,   2 методичні похибки знижуються в 4,7-6,3 разу, а порівняно з пірометрією випромінювання спектрального відношення - в 41,7 разу. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб вимірювання температури, що включає вимірювання двох однокольорових умовних температур для реального розподілу випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується, і визначення за ними двох однокольорових умовних температур для дзеркального розподілу випромінювальної здатності об'єкта на тих же довжинах хвиль, з наступним розрахунком двокольорових умовних температур, для реального та дзеркального розподілів, та шуканої дійсної температури, який відрізняється тим, що за апріорною інформацією про границі змін спектральних розподілів випромінювальної здатності об'єкта, що термометрується на робочих довжинах хвиль ( max , max , min , min ), визначають максимальне та мінімальне середні значення 1 2 1 2 випромінювальної здатності ( max  cp  max min   max  1 1  min  1 ; min  , k  min max  max  2    2  2   ( kmax  max max  max min min  min 1 2 , 2 ), a також значення крутизни cp  1 2 2  min  1 ; min  ) для граничних спектральних розподілів  2   випромінювальної здатності, за якими розраховують налагоджувальні значення середнього рівня випромінювальної здатності ( н  cp 20 ( kн  kmax  kmin 2 max  min ср cp 2 ) і коефіцієнта селективності випромінювання ), визначають налагоджувальні значення випромінювальної здатності на робочих довжинах хвиль ( н 2   2н ср kн  1 , н1   2 н k н ср kн  1 ) і розраховують однокольорові умовні температури для дзеркального розподілу. Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4