Спосіб визначення локального значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла, розжареного до світіння

Реферат: Спосіб визначення локального значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла, розжареного до світіння, полягає в тому, що випромінювання тіла реєструють цифровою камерою у двох вузьких спектральних інтервалах та одночасно вимірюють яскравісну температуру у визначеній точці тіла. При розрахунку коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності, згідно з формулою Віна, використовують локальні значення температури спектрального відношення Tr (x i ) та яскравісної температури Tb (x i ) , які знаходять шляхом комп'ютерної обробки цифрових зображень тіла, що дозволяє визначати локальні значення коефіцієнта випромінювальної здатності у різні моменти часу. UA 75162 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЛОКАЛЬНОГО ЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА МОНОХРОМАТИЧНОЇ ВИПРОМІНЮВАЛЬНОЇ ЗДАТНОСТІ В РІЗНИХ ТОЧКАХ ПОВЕРХНІ ТІЛА, РОЗЖАРЕНОГО ДО СВІТІННЯ UA 75162 U UA 75162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пірометрії, а саме до галузі пірометрії зображення розжарених до світіння тіл. Сфера застосування оптичних методів вимірювання температури постійно розширюється. До того ж в останній час можливості безконтактних методів істотно зросли в результаті появи матричних приймачів випромінювання. З'явився суттєво новий напрямок оптичної діагностики пірометрія зображення (imaging pyrometry), яка дозволяє отримувати розподіли яскравісної температури по поверхні тіл. Однак методи визначення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності, що застосовуються в даний час, як і раніше дозволяють визначати тільки середнє по поверхні значення коефіцієнта випромінювальної здатності. Як відомо, коефіцієнт монохроматичної випромінювальної здатності (Т, ) металу може варіюватися в широких межах, залежно від температури та стану поверхні, наявності оксидного або нітридного шару, у тому числі його стехіометрії та кристалічній модифікації. У зв'язку з вищевказаним, локальне значення (Т, ) може помітно відрізнятися від середньої по поверхні величини, крім того воно може змінюватися з часом внаслідок хімічних та фізичних перетворювань. Таким чином, розподіл (Т, , x) по поверхні містить важливу інформацію щодо стану поверхні, у тому числі стосовно наявності локальних дефектів. Тому визначення розподілу (Т, , x) дозволить, по-перше, підвищити точність визначення температури, по-друге, отримати інформацію про наявний стан поверхні, у тому числі контролювати такі процеси як утворення оксидного шару, фазові переходи та інші. На сьогодні немає універсального методу визначення (, T), однак розроблено ряд підходів для визначення цієї величини для конкретних об'єктів та визначених умов. Тому актуальним питанням є розробка способу визначення локального значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла, який дозволить вдосконалити контроль процесів термообробки металевих деталей та зменшити похибку визначення розподілів температури, що у результаті дасть змогу вдосконалити такі процеси, як зварювання та різання металів, зміцнення поверхні металевих виробів, а також здійснювати неруйнівний контроль поверхні металевих деталей. Досягнутий рівень техніки в галузі пірометрії для визначення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності нагрітих тіл характеризують наступні публікації. Відомий спосіб визначення коефіцієнта спектральної випромінювальної здатності [авторське свідоцтво RU 2162210 С1, кл. G01J 5/50, 2001], згідно з яким, на двох довжинах хвиль власного випромінювання поверхні вимірюють різниці зворотних значень яскравісних температур при двох значеннях дійсної температури і відношення коефіцієнтів направленого спектрального віддзеркалення (, Т) для тих же двох значень температури для кожної з довжин хвиль. З отриманих співвідношень визначають шукані коефіцієнти випромінювальної здатності (, T). Суттєвим недоліком вказаного способу є складна процедура обробки даних, що веде к зростанню похибки. Окрім того, отримуються середні по поверхні значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності. Відомий метод високоточного визначення коефіцієнтів випромінювання матеріалів для пірометричних вимірів [Метод высокоточного определения коэффициентов излучения материалов для пирометрических измерений. Н.В. Гурьев, Г.И. Петриченко, В.И. Полевой, С.Н. Почапский// Український метрологічний журнал, 2008. - № 2. - С. 27-36.]. Автори розробили високоточний метод визначення спектральних коефіцієнтів випромінювання об'єктів, заснований на законі Кірхгофа: (, Т)=(, Т), де (, Т) - спектральний коефіцієнт поглинальній здатності. Для реалізації даного методу створено еталонний пристрій, який дозволяє проводити високоточні абсолютні виміри спектральних характеристик зразків, дає змогу з високою точністю отримувати значення спектральних коефіцієнтів поглинання їх поверхонь та відповідно значення спектральних коефіцієнтів випромінювання. Проте вказаний вимірювальний комплекс має обмежену сферу вживання, а саме - проведення прецизійних вимірів оптичних властивостей матеріалів та визначення табличних значень спектральних коефіцієнтів випромінювання в умовах метрологічної лабораторії. Основним недоліком даного способу є досить висока вартість обладнання та складна процедура вимірювань. Найближчим до пропонованої розробки є "Спосіб і апаратура для визначення розподілу випромінювальної здатності" ["Emissivity distribution measuring method and apparatus" Miyuki Hashimoto, Kenji Yano, Misao Iwata, Kuniyuki Kitagawa//United States Patent Application 20040008753] (прототип). Вказаний спосіб базується на реєстрації теплового випромінювання об'єкта на двох довжинах хвиль та визначенні локальної температури його поверхні для кожного елемента зображення (піксела) методом спектрального відношення. Коефіцієнт випромінювальної здатності {, T, xi) кожного елемента поверхні розраховується по заздалегідь відомій залежності цього коефіцієнта від температури. Недоліком способу є те, що сфера його застосування суттєво обмежена необхідністю знання температурної залежності (, Т). Такі 1 UA 75162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 залежності відомі лише для чистих речовин і в обмежених діапазонах температури. Таким чином за наявності хімічних реакцій і фазових перетворень на поверхні даний спосіб є непридатним. Задачею, на вирішення якої спрямована запропонована корисна модель, є розробка зручного та надійного способу визначення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності у визначених точках поверхні тіла, яка досягається завдяки технічному ефекту внаслідок застосування сучасного матричного приймача випромінювання водночас з прецизійним яскравісним пірометром та комп'ютерною обробкою отриманих даних. Поставлена задача вирішується способом визначення локального значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла, розжареного до світіння, який полягає в тому, що випромінювання тіла реєструють цифровою камерою у двох вузьких спектральних інтервалах та одночасно вимірюють яскравісну температуру у визначеній точці тіла, і відрізняється тим, що при розрахунку коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності, згідно з формулою Віна, використовують локальні значення температури спектрального відношення Tr(хi) та яскравiсної температури Тb(хi), які знаходять шляхом комп'ютерної обробки цифрових зображень тіла, що дозволяє визначати локальні значення коефіцієнта випромінювальної здатності у різні моменти часу. Здійснюють спосіб наступним чином із застосуванням експериментального стенда (фіг.1): 1. За допомогою пірометра зі зникаючою ниткою - 4 визначають реперне значення яскравісної температури Тb0(х0) у визначеній точці поверхні х0 металевого зразку - 1, що нагрівається електричним струмом від стабілізованого джерела живлення (ДЖ) - 2. Вимірювання сили струму та напруги здійснюють амперметром (А) і вольтметром (V) - 3. 2. Водночас реєструють випромінювання зразку цифровою камерою (ЦК) - 5 у двох вузьких спектральних інтервалах довжини хвилі 1 та 2, які виділяються за допомогою змінних інтерференційних світлофільтрів - 6, i таким чином послідовно отримають два зображення зразка. 3. Визначають розподіл яскравісної температури по поверхні металевого зразку способом відносної яскравісної пірометрії. 4. Із застосуванням стандартного джерела випромінювання, наприклад лампи СИ10-300, будують градуювальну залежність R=f(T), де R(T, 1, 2) - відношення спектральних 0 інтенсивностей випромінювання стандартного джерела на двох довжинах хвиль, R I (1, T ) . I0 ( 2 , T ) На фіг. 2 приведений графік залежності спектрального відношення R від температури для довжин хвиль: 1=0,77 мкм та 2=0,59 мкм. Значення 1°(1,Т) та 1°(2,Т) визначають шляхом комп'ютерної обробки відповідних цифрових зображень нагрітої стрічки лампи СИ10-300, або іншого стандартного джерела випромінювання. 5. Для визначення розподілу температури спектрального відношення по поверхні об'єкта для кожної точки хi визначають значення сигналів обох зображень та розраховують відношення сигналів, потім визначають локальне значення температури спектрального відношення за допомогою градуювального графіку. 6. Розраховують значення (Т, ,xi) згідно з відомою формулою: ln[ (T, , x i )]  C2   1 1    T (x )  T (x )   b i   r i (1) -2 45 де С2 - друга оптична стала, С2=1,438810 мК. Оцінка відносної похибки визначення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності запропонованим способом. З формули (1) шляхом диференціювання отримуємо наступний вираз для відносної похибки визначення монохроматичної випромінювальної здатності:    C2     T T   r  b  2 2 T Tb   r  (2) 50 Після перетворення маємо: 2 UA 75162 U   C2  Tr  Tb  T (3) де Tr - відносна методична похибка визначення температури спектрального відношення, яка визначається за формулою: Tr  Tr I2 dTr ,  2  Tr Tr  I dR (4) 5 Tb - відносна методична похибка вимірювання яскравісної температури за допомогою пірометра, Tb  0,2% . З формули (5) видно, що величина Tr залежить від характеристик цифрової камери. 10 15 20 25 30 35 2 Наприклад, для камери Canon 450d: I 1, відповідно маємо: I T 2 dTr Tr  r    0,5% Tr Tr dR Відносна похибка визначення монохроматичної випромінювальної здатності тіла запропонованим способом швидко зменшується з ростом температури, i при температурі вище 1500 К вона менше 5 %. Вказане значення відносної похибки є цілком задовільним, тому що при розрахунках дійсної температури використовують значення ln (x, , T) . Випробування запропонованого способу здійснювалося в лабораторії НДЛ-5 Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова. У рамках досліджень високотемпературного тепло-масообміну металевих зразків у окислювальному середовищі було встановлено, що при підвищеної температурі на поверхні металу формується та зростає оксидний шар, у якому відбуваються фазові перетворення (плавлення та випарування), внаслідок чого випромінювальна здатність поверхні постійно змінюється, що негативно впливає на точність температурних вимірювань. Тому було розроблено та випробувано спосіб визначення локального значення монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла безпосередньо у процесі нагріву зразка. По-перше, було виконано калібрування способу із застосуванням стандартного джерела випромінювання лампи СИ 10-300 з вольфрамовою стрічкою. Це джерело було вибрано тому, що вольфрам має стабільні значення монохроматичної випромінювальної здатності, табульовані в широкому діапазоні температур. При кожному значенні току нагріву в інтервалі 9А12А з кроком 0,1 А вимірювали максимальну яскравісну температуру та реєстрували випромінювання вольфрамової стрічки цифровою камерою послідовно крізь інтерференційні фільтри (1=0,77 мкм та 2=0,59 мкм). Отримані зображення обробляли за допомогою пакету MatLab: виділяли червоний канал для першого зображення (1=0.77 мкм), та зелений канал для другого зображення (2=0,59 мкм). Методом медіанної фільтрації ці монохромні зображення 0 позбавляли від шумів, після чого визначали сигнали матриці SR та S0 у зоні з максимальною G температурою відповідно першого та другого зображень. Час експозиції вибирали таким чином, щоб сигнал матриці був в межах лінійності відгуку, причому сигнал матриці пропорційний інтенсивності 40 випромінювання, і маємо: I0 (1, T) 0 SR . Таким чином, побудовано I0 ( 2 , T) S0 G градуювальний графік. По-друге, фотографували поверхню розжареного до світіння вольфрамового дротику крізь вказані світлофільтри, обробляли зображення як вказано вище, та визначали коефіцієнти випромінювальної здатності окислених вольфрамових дротиків у послідовні моменти часу. У таблиці приведені отримані результати. r 3  UA 75162 U Таблиця Значення монохроматичної випромінювальної здатності окисленої поверхні вольфрамового зразка Стадії окислення Час окислення, сек 1 30 2 180 3 240 5 10 Тb, K 1270 1160 1238 T r, K 1320 1315 1440  0,24 0,11 0,08 Встановлено, що згідно з експериментальними даними (табл.), впродовж часу окислення коефіцієнт випромінювальної здатності поверхні вольфраму помітно зменшується завдяки утворенню та зростанню поверхневого оксидного шару та кришталевих структур. Таким чином, вказаний спосіб дає змогу відстежувати зміни стану поверхні. Комплект устаткування для реалізації запропонованого способу включає: цифрову камеру, що підтримує формат RAW або TIFF, пірометр із зникаючою ниткою, два Інтерференційних фільтра. Комплект устаткування для реалізації способу прототипу є практично такий же як для запропонованого способу, але сфера застосування способу-прототипу суттєво обмежена хімічно чистими речовинами при умові відсутності хімічних та фазових перетворень. Запропонований спосіб був використаний при виконанні держбюджетних тем та в учбовому процесі на кафедрі теплофізики. Розробник уживає заходів для впровадження корисної моделі в закладах науки та освіти. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Спосіб визначення локального значення коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності в різних точках поверхні тіла, розжареного до світіння, який полягає в тому, що випромінювання тіла реєструють цифровою камерою у двох вузьких спектральних інтервалах та одночасно вимірюють яскравісну температуру у визначеній точці тіла, який відрізняється тим, що при розрахунку коефіцієнта монохроматичної випромінювальної здатності, згідно з формулою Віна, використовують локальні значення температури спектрального відношення Tr (x i ) та яскравісної температури Tb (x i ) , які знаходять шляхом комп'ютерної обробки цифрових зображень тіла, що дозволяє визначати локальні значення коефіцієнта випромінювальної здатності у різні моменти часу. 4 UA 75162 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 5