Исследования и разработка метода и оптико-электронного устройства дистанционного измерения температуры

Методы пирометрии поверхности твердых тел, обеспечивающие измерение истинного значения температуры при неизвестной излучательной способности, всегда представлялись актуальными, однако долгое время оставались нереализованными. Известно утверждение, что «.информация, содержащаяся в тепловом излучении тела, недостаточна для определения его действительной температуры и что решение проблемы может быть найдено только с привлечением независимых измерений излучательной способности тела» [1]. Однако в последнее время наметились пути решения этой важной проблемы.

Работы по дистанционной полихроматической пирометрии ведутся уже не одно десятилетие, но, несмотря на некоторый прогресс и определенные успехи в этом направлении, многие задачи, при решении которых используется ограниченный объём информации об излучательной способности, остаются до настоящего времени нерешенными. Активные работы в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом. В зарубежных исследованиях следует отметить работы, проводимые Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA Glenn Research Center, USA) [2], FAR Associates (USA) [3], Massachusetts Institute of Technology (USA) [4], True temperature Technologies (Israel) [5], Laboratoire Electronique, Informatique et Image, Universite de Bourgogne (France) [6] и другие. В России — это работы Института общей физики РАН [7], Объединенного института высоких температур РАН [8, 9], Московского энергетического института [10], где на кафедре Электронные приборы был получены патенты, и ведутся интенсивные исследования уже более 10 лет. Ведутся работы и в некоторых других университетах РФ [11 — 14]. Указанные работы отражают основные тенденции современной пирометрии.

Основная проблема, возникающая, при дистанционном определении истинной температуры связана, главным образом, с недостаточной информацией о коэффициенте излучения поверхности пирометрируемого объекта.

Анализ существующих полихроматических методов, их особенностей и потенциальных возможностей позволяет констатировать, что в основе большинства этих методов лежит использование различных методов аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности, с помощью которых при определенных условиях удается повысить точность и достоверность получаемых результатов [4]. Имеются публикации, посвященные сопоставительному анализу различных подходов к определению температуры тел полихроматическими методами [15,16]. Однако до настоящего времени практически ни один из описанных в литературе полихроматических методов не позволяет определить истинную температуру тела без привлечения дополнительной или априорной информации о спектральной зависимости коэффициента излучения.

В большинстве практически важных случаях надежды на существенное повышение достоверности и точности получаемых результатов за счет совершенствования традиционных подходов и, в частности, методов аппроксимации, представляются недостаточно обоснованными. Дело в том, что коэффициенты излучения нагретых тел зависят от многих факторов, таких как геометрическая форма и пространственная ориентация излучающей поверхности, её химический состав, физическое состояние (степень шероховатости), наличие на поверхности окисных пленок, загрязнений и т. д. При этом важно знать физическое и химическое состояние пирометрируемой поверхности непосредственно в условиях, при которых проводятся измерения, поскольку состояние и свойства поверхности изменяются с изменением температуры, что, как правило, сопровождается изменением её излучательной способности. Другими словами, излучательная способность поверхности является функцией температуры. Именно это обстоятельство снижает эффективность использования априорной информации о коэффициенте излучения.

В результате поисковых исследований средств дистанционного измерения температуры по патентным фондам найдены отечественные и иностранные патентные документы, позволившие составить полное представление о состоянии и развитии в этой области. Установлено, что изобретения последних лет не предлагают принципиально новых решений, а являются, по существу, усовершенствованиями наработок прошлых десятилетий. На основе результатов патентного поиска сделан вывод о необходимости разработки нового метода измерения температур на основе использования и анализа информации о спектре потока излучения в целом, а не отдельных его составляющих.

Поэтому при традиционных подходах и методах измерений зачастую трудно определить истинное значение температуры, не имея данных о коэффициенте излучения. И, наоборот, не зная температуру тела, трудно определить правильное значение коэффициента излучения. Перечисленные факторы становятся особенно актуальными, когда время измерений ограничено, либо нет возможности провести дополнительные уточняющие эксперименты.

В то же время расширение спектрального диапазона длин волн, в котором собирается информация о спектре излучения нагретого тела, и его детальный анализ повышают степень достоверности получаемых значений температуры [3, 7, 8, 17]. Это позволяет, во многих случаях решить проблему определения истинного значения температуры путем использования избыточной информации о спектре излучения. В предельном случае при определении температуры желательно располагать исчерпывающей информацией обо всем спектре теплового излучения пирометрируемого объекта [18].

Основной задачей данной работы является разработка метода дистанционного определения истинной температуры поверхности с неизвестной излучательной способностью и проведение экспериментальных исследований, подтверждающих возможность дистанционного измерения температуры по спектру теплового излучения с привлечением методов статистической обработки.

Актуальность темы

: Новые технологии и, в частности, нанотехнологии, разработка новых материалов, методов их получения и изучение их свойств, требует новых бесконтактных методов определения температуры, поскольку процесс измерения температуры не должен влиять на параметры технологического режима. При этом часто необходимо обеспечить высокое быстродействие и возможность контроля значении температуры не только в отдельные моменты времени, но и регистрировать эволюцию температуры во времени.

В основе большинства полихроматических методов измерения температуры, применяемых в настоящие время, лежат попытки использовать различные методы аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности [15, 16]. Авторы этих методов полагают, что при рациональном сочетании априорных сведений о коэффициенте излучения поверхности объекта, содержащихся в спектре его собственного теплового излучения, а также используя методы и систем высокоточной полихроматической спектрометрии можно снизить до приемлемого уровня методическую погрешность измерения температуры по собственному излучению [19].

Однако значения коэффициентов излучения нагретых тел зависят от многих факторов, которые могут заметным образом влиять на результаты измерений [8]. Отсюда возникает необходимость в разработке метода определения температуры, который не требует предварительной информации об излучательной способности пирометрируемого объекта. Таким методом является предлагаемый в данной работе полихроматический статистический метод определения значения температуры.

Прогресс в технологии многоэлементных матричных приемников оптического излучения открывает возможность создания оптико-электронных приборов, позволяющих регистрировать спектры теплового излучения при дистанционном определении температуры. Спектральные измерения применительно к тепловым источникам могли быть выполнены ещё в 50-е годы с использованием телевизионных приемников. Однако аналоговые методы и средства обработки сигналов того времени не позволяли решить эту задачу. Появление современных цифровых устройств (АЦП, памяти, процессорных средств и т. д.) и цифровых методов обработки сигналов и изображений сделало возможным использование больших массивов данных о спектре теплового излучения.

Таким образом, сочетание современных цифровых средств, компьютерных технологий и матричных фотоприемных устройств позволило перейти на качественно новый уровень при решении проблемы дистанционного определения температуры.

Целью диссертационной работы является исследование возможности дистанционного измерения температуры тел при неизвестной излучательной способности поверхности, а также разработка метода и принципа построения устройства измерения температуры по спектру теплового излучения.

Разрабатываемый метод должен отличаться от существующих методов тем, что при определении температуры не предполагается использование априорной информации об излучательной способности поверхности пирометрируемого объекта, а также дополнительных внешних источников излучения, обычно применяемых в методах активной пирометрии.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ существующих методов дистанционного измерения температуры и сформулировать критерии выбора из числа существующих полихроматические методы, позволяющие снизить зависимость получаемых результатов от излучательных свойств пирометрируемой поверхности.

2. Разработать методологию построения полихроматических измерителей температуры на базе многоэлементных (матричных) фотоприемников.

3. Создать экспериментальную установку для проведения измерений, подтверждающих возможность получения и регистрации спектра теплового излучения объектов, используя диспергирующие элементы и многоэлементные матричные фотоприемники.

4. 11ро вести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность создания дистанционного измерителя температуры на основе многоэлементных фотоприемников в сочетании с методами статистической обработки результатов измерений спектров теплового излучения.

5. Экспериментально продемонстрировать возможность измерения температуры реальных тел по их спектру теплового излучения.

6. Дать рекомендации и предложения по совершенствованию разрабатываемого спектрального метода измерения температуры, областям его применения и перспективам его использования.

Методы исследования:

1. В работе использованы фундаментальные положения теоретической физики и термодинамики, математические методы статистического анализа и теории вероятностей, элементы теории аналоговой и цифровой электронной техники, новейшие методы оптоэлектроники и современных компьютерных технологий.

2. Для дистанционного измерения температуры использовано сочетание полихроматических методов пирометрии с ранее не применявшимися в пирометрии статистическими методами анализа и обработки данных и пакеты прикладных программ MATLAB фирмы The Math Works, Inc. и Lab VIEW фирмы National Instruments.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1. Высоким уровнем теоретической и экспериментальной базы исследования, использованием фундаментальных теоретических положений и методов теоретической физики и термодинамики (законы излучения Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Гюйгенса — Френеля и т. д.), а также современными достижениями видных ученых — пирометристов, таких как Д. Я. Свет и др.

2. Использованием оборудования и приборов ведущих мировых производителей: Sony, Hamamatsu, Mikron Infrared, Texas Instruments и т. д. и применением методических и программных средств MATLAB и Lab VIEW известных фирм-производителей. Результатами экспериментальных исследований, проведенных в рамках НИР «Сабельник», выполненной в ГОУ ВПО МЭИ по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при президиуме РАН.

3. Детальной экспериментальной проверкой всех заимствованных элементов, а для вновь введенных элементов — доказательством адекватности их моделей по выполняемым ими функциям.

4. Анализом известных полихроматических методов определения температуры, а также путем сопоставления экспериментально полученных результатов с данными, получаемыми при использовании высокоточного источника оптического излучения — модели абсолютно черного тела типа М360 фирмы «Mikron Infrared».

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

1. В практике отечественной пирометрии использован статистический подход к обработке данных о спектре излучения пирометрируемой поверхности.

2. Реализован принцип построения многоканальной измерительной системы, содержащей: входное оптическое звено, пропускающую дифракционную решетку, ТВ камеры и интерфейсное цифровое устройство, обеспечивающие одновременный сбор и передачу информации о спектре теплового излучения по различным информационным каналам.

3. Разработана методика и экспериментально продемонстрирована возможность измерения температуры по спектру теплового излучения при неизвестной излучательной способности с использованием статистических методов.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы и методика расчета температуры с использованием экспериментально полученной спектральной информации.

5. Предложена схема построения оптического звена измерительного устройства, обеспечивающего независимость получаемых результатов от расстояния до пирометрируемого объекта.

6. Экспериментально подтверждена возможность определения температуры тел полихроматическими статистическими методами в условиях отсутствия информации об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности.

7. Предложены алгоритмы для вычисления температуры и определения спектральной функции поправочных коэффициентов, необходимой для учета искажающих воздействий на спектр теплового сигнала в оптическом и электронном трактах.

Практическая значимость:

1. Открыты перспективы для построения нового поколения спектральных многоканальных измерителей температуры.

2. Результаты проведенной работы использованы при выполнении хоздоговорной НИР, проводимой в МЭИ по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также при проведении НИИР и в учебном процессе МЭИ.

3. Практическая применимость и эффективность методики и созданной измерительной установки продемонстрирована на примере измерения температуры абсолютно черного тела (АЧТ) и имитаторов реальных тел, а также в совместной работе с Объединенным институтом высоких температур (ОИВТ) РАН.

4. Разработанный метод дополняет существующие полихроматические методы в части повышения достоверности результатов температурных измерений, расширяет их потенциальные возможности и области практического применения.

Личный вклад соискателя и апробация результатов работы.

Из 12 работ, опубликованных по теме диссертации, 9 выполнены с соавторами и 3 лично соискателем. Главная содержательная часть диссертационной работы, отраженная в указанных публикациях, была непосредственно выполнена соискателем в рамках НИР «Сабельник» по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при президиуме РАН.

Цели и задачи настоящей диссертационной работы были сформулированы и поставлены руководителем диссертационной работы (В.Н. Бодров). Выполнение диссертационной работы осуществлялось соискателем.

Статьи и доклады (1, 7, 9) из списка публикаций по основным результатам диссертации, подготовлены и опубликованы соискателем самостоятельно. Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве (2−6, 8, 10, 11), состоит в решении проблем, связанных с планированием и разработкой экспериментальных методов измерений и методов анализа полученных результатов. В проведении измерений и обработке экспериментальных результатов, в выполнении расчетов, формулировке выводов, а также участие в подготовке и представлении докладов на конференциях.

Соискатель подготовил автореферат, диссертацию, положения, которые выносятся на защиту и выводы. Таким образом, личный вклад соискателя в диссертационную работу и полученные научные результаты, выносимые на защиту, является определяющим.

На разработанный метод дистанционного определения температуры подана заявка на получение патентов на изобретение и на полезную модель.

Результаты диссертации неоднократно докладывались и получили положительную оценку на научном семинаре кафедры Электронные приборы.

МЭИ (руководитель — зав. кафедрой Бодров В.Н.) а также на научных конференциях:

1. 11-ая, 12-ая, 13-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2005, 2006, 2007.

2. 13-ая, 14-ая, 15-ая, 16-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Современное телевидение», Москва, 2005.

3. Третья Всероссийская конференция по проблемам термометрии «Температура-2007», Обнинск, 2007.

4. «Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов», Томск, 2007.

5. «XIV Всероссийская школа — коллоквиума по стохастическим методам и осенняя сессия VIII Всероссийского симпозиума по прикладной и промышленной математике». Сочи — Адлер, 2007.

6. Семинар «Современные технологии цифровой регистрации и обработки, температурных полей, низкоуровневых изображений, изображений быстропротекающих процессов» — к юбилею факультета Электронной Техники Института Радиотехники и Электроники МЭИ, Москва, 2007.

7. 13-ая Международная научно-техническая конференция молодых светотехников России, Москва, 2007.

8. 18th European Conference on Thermophysical Properties, Pau, France, 2008. th.

9. 4 International Conference on Thermal Engineering: Theory and Applications, Abu Dhabi, UAE, 2009.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 165 страниц, в том числе 72 рисунков, 7 таблиц и 2 приложений. Список цитируемой литературы включает 80 наименование.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

На примере двухканального телевизионного измерителя температуры экспериментально продемонстрирована возможность получения сведений о температуре окрашенных тел с неизвестными спектральными характеристиками коэффициента излучения пирометрируемой поверхности. Анализ восстановленного спектра излучения и статистическая обработка массива данных о температуре, поступающих по нескольким спектральным каналам, позволил получить информацию о спектре теплового излучения и определить с достаточно высокой степенью достоверности значение температуры, которые можно рассматривать как первое приближение к истинному значению. Для получения более точных значений (последующие приближение) температуры можно применить известные полихроматические методы аппроксимации, используя форму экспериментально полученной в процессе измерения температуры кривой спектральной зависимости коэффициента излучения (пропускания).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проделанной работы могут быть сведены к следующему:

1. Проведен анализ полихроматических дистанционных методов определения и алгоритмов расчета температуры поверхности объектов с позиции их пригодности для решения задач измерения температуры при ограниченной информации об излучательной способности. Показано, что все попытки получить достоверные данные о температуре, опираясь лишь на априорную информацию о степени черноты, а также попытки использовать различные виды аппроксимации спектральной зависимости излучательной способности, хотя и приводят в ряде случаев к повышению точности получаемых результатов, однако, не позволяют выйти за пределы «замкнутого круга», обусловленного зависимостью степени черноты от температуры.

2. Показано, что переход к методам измерения температуры, использующим понятие источника излучения с эталонным спектром, позволяет решить проблему определения истинной температуры объектов с неизвестными характеристиками излучательной способности. Основополагающим моментом в работе является введение понятия интегральной аппаратной функции поправочных коэффициентов измерительного комплекса.

3. Создан автономный макет полихроматического измерителя температуры для видимого участка спектра. Проведены испытания макета, построенного по схеме двухканального измерителя температуры, и определена его спектральная аппаратная функция поправочных коэффициентов.

4. Проведена обработка экспериментальных данных о спектре излучения пирометрируемой поверхности с неизвестной излучательной способностью и температурой (реальные тела). По разработанной методике выполнены измерения температуры АЧТ, а также измерения температуры трех имитаторов реальных тел.

5. Показано, что идентичность спектральных каналов устройства определения температуры позволяет использовать их как независимо друг от друга, так и дополняя друг друга для расширения диапазона используемых длин волн. Взаимное дополнение спектральных каналов открывает перспективы построения широкополосных многоканальных измерителей температуры.

6. В ходе выполнения работы было обращено внимание на возможность извлечения информации не только о температуре, но и о функциональной зависимости с>. = /{X), которая содержится в экспериментальных данных о спектре излучения объекта и которая органически вытекает из самой сути разрабатываемого метода. Это позволяет одновременно определить температуру неизвестного объекта и определить его специфическую спектральную функцию излучательной способности.

7. Показано, что сочетание новых потенциальных возможностей разрабатываемого метода и многоканального устройства может служить основой для построения новых компактных многоканальных оптико-электронных средств, определения температуры объектов и материалов с неизвестными спектральными характеристиками излучательной способности, а также подвижных, быстро перемещающихся и неизвестных объектов.

8. Разработано программное обеспечение специализированного вычислителя для работы в составе устройства быстрого дистанционного определения температуры.

9. Проанализированы возможности использования методов полихроматической пирометрии в разработанном методе определения температуры. Показана статистическая устойчивость получаемых значений температуры и проведена их статистическая обработка. Важным моментом явилась возможность получения информации о форме спектральной кривой коэффициента излучения поверхности пирометрируемого объекта непосредственно в процессе измерения температуры.