Візуальні пірометри з розширеними функціональними можливостями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет " Львівська політехніка "

УДК 536.521

05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Візуальні пірометри з розширеними функціональними можливостями

Гриневич Богдан Юрійович

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Метрологія, стандартизація та сертифікація" Національного університету " Львівська політехніка " Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Засименко Віктор Михайлович Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри "Метрологія, стандартизація та сертифікація".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лах Володимир Іванович, президент АТ "Термоприлад",

кандидат технічних наук Чирка Михайло Іванович, кафедра "Інформаційні обчислювальні системи і управління" інституту комп'ютерних інформаційних технологій Тернопільської академії народного господарства, доцент.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут "Система", відділ розроблення наукових, методичних та технічних основ метрологічного забезпечення ВІС та АСКТП, Львів.

Захист відбудеться " 23 " лютого 2001р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка", 79013, Львів, вул. С.Бандери 12, ауд. 226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул. Професорська,1).

Автореферат розісланий 22 січня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

Анотації

Гриневич Б.Ю. Візуальні пірометри з розширеними функціональними можливостями. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. Національний університет "Львівська політехніка". Львів, 2000р.

Дисертація присвячена проблемі створення візуальних пірометрів як промислового застосування та як еталонних засобів, придатних для дистанційного вимірювання температури з високою точністю і перевірки існуючих пірометрів випромінювання на об'єктах. Розроблений метод аналізу методичних та інструментальних похибок позволив модернізувати існуючі візуальні пірометри в напрямку розширення їх функціональних можливостей та раціонального вибору введення апріорної і апостеорної поправки на випромінювальну здатність. Розроблені комплексні рішення нової структурної побудови пірометра без використання спеціалізованої пірометричної лампи розжарювання. Розроблений мікропроцесорний варіант візуального пірометра з розширеними функціональними можливостями. Вказаним варіантом досягається зменшення інструментальної похибки порівняно з існуючим пірометрами до 2°С, введення апріорної або апостеорної корекції на випромінювальну здатність, визначення коефіцієнта випромінювальної здатності матеріалу об'єкта при відомій дійсній температурі, а також розширення функціональних можливостей щодо статистичного опрацювання результатів.

Ключові слова: візуальний, пірометр, теплове випромінювання, оптична система, спектральна характеристика.

Гринэвич Б.Ю. Визуальные пирометры с расширенными функциональными свойствами. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. Национальный университет "Львивська политэхника". Львов, 2000.

Диссертационная работа посвящена проблеме создания визуальных пирометров промышленного применения и как образцовых приборов, пригодных для дистанционного измерения температуры с высокой точностью и бездемонтажной поверки существующих пирометров излучения на объектах.

На основе критичных замечаний существующей оценки качества визуальных пирометров, предложен критерий качества для оценки технического уровня приборов при конкретных реальных условиях эксплуатации.

Несмотря на существование приемников излучения со спектральной характеристикой близкой к кривой видимости глаза, использование их в визуальных пирометрах излучения как аналога человеческого глаза является проблематическим и на данное время невозможным через низкие метрологические параметры приемников излучения. Проведенный анализ показал, что без создания специализированных измерительных приемников излучения (селеновых), адекватная замена визуальных пирометров на объективные невозможна.

На основе использования уточненных коэффициентов закона Планка С 1 и С 2 проведенные расчеты эффективной длины волн с учетом разбросов фильтров и кривой видимости в диапазоне излучения (400-6000)°С для визуальных пирометров излучения в видимой и ближней к инфракрасной областям спектра. Рассчитаны погрешности апостеорных поправок на лучеиспускательную способность, вызванных разбросами эффективных длин волн.

Разработанный метод анализа методических и инструментальных погрешностей позволил модернизировать существующие визуальные пирометры в направлении повышения точности, расширения их функциональных возможностей и рационального выбора введения априорной и апостеорной поправки на лучеиспускательную способность.

Предложен ряд конструктивных решений строения оптической схемы и измерительного тракта. На основе теоретических исследований выбран самый лучший из рассмотренных относительно характеристик точности и надежности вариант конструкции оптической системы визуального пирометра.

Предложено комплексное решение структурного построения визуального пирометра с расширенными функциональными возможностями и эффективной длиной волны 0,655мкм, в котором использованный измерительный приемник излучения для измерения интенсивности потока излучения неспециализированной лампы накала. Указанное решение полностью снимает жесткие метрологические требования к ранее используемой дорогой специализированной пирометрической лампе накала.

Согласно предложенного основного уравнения визуальной пирометрии и предложенной математической модели визуального пирометра излучения (номинальной статической характеристики и результирующей погрешности) и с целью улучшения метрологических характеристик разработаны комплексные решения нового структурного построения пирометра без использования специализированной пирометрической лампы накаливания.

Предложенная новая методика проверки визуального пирометра, которая пригодная и для иных пирометрических преобразователей. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили целесообразность использования предложенной методики для: повышения эффективности процесса градуировки и поверки, включая его автоматизацию; интерполяции НСХ предложенных визуальных пирометров с целью повышения их точности; экстраполяции НСХ рабочих предложенных визуальных пирометров с целью расширения диапазона измерения; повышение точности измерения в реальных условиях эксплуатации.

На основе рекомендованной оптической схемы разработан микропроцессорный вариант визуального пирометра с расширенными функциональными возможностями. Указанным вариантом достигается уменьшение инструментальной погрешности сравнительно с существующим пирометрами до 2°С, введение априорной или апостеорной коррекции на лучеиспускательную способность и существующий фон, определение коэффициента лучеиспускательной способности материала объекта при известной соответствующей действительности температуре, а также расширение функциональных возможностей относительно статистической обработки результатов. К расширенным функциям также относятся:

- привязка результатов к реальному времени;

- определение среднего значения за определенный период измерения;

- определение разности между последними измерениями;

- определение скорости изменения температуры как за время двух последних измерений, так и за определенный промежуток времени проведения нескольких измерений.

Ключевые слова: визуальный, пирометр, тепловое излучение, оптическая система, спектральная характеристика.

Grynevych B. Visual pyrometers with the extended functional properties. The Manuscript.

On the competition of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.11.04 - devices and methods of measurement of thermal values. National University "Lvivska politechnika", Lviv, 2000.

The thesis is dedicated to a problem of creation of visual pyrometers as technical applications and as reference instruments suitable for remote measurement of temperature with a split-hair accuracy and check of existing radiation pyrometers on objects. The designed method of the analysis of methodical and tool (instrument) errors has allowed to upgrade existing visual pyrometers in a direction of dilating of their functional capabilities and rational selection of the introducing by prior and postern of allowance for existance. The designed complex (integrated) solutions of new structural construction of a pyrometer without usage of a specialized pyrometric lamp of heat. Designed microprocessor version of a visual pyrometer with amplate functional capabilities. The indicated version reaches reduction (decreasing) tool (instrument) error compared with existing by pyrometers up to 2°С, introducing by prior or postern of correction on existance, definition of a factor of existance of a stuff of object at known conforming real temperature, and also dilating of functional capabilities concerning statistical processing of outcomes.

Keywords: visual, pyrometer, heat radiation, optical system, spectral reflectance.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одну з найбільших частин об'єму вимірювань в промисловості складають вимірювання температури. Сучасний рівень наукових досліджень, створення та освоєння нових високоточних технологій підвищують вимоги до методів та засобів вимірювання температури, їх наукової обґрунтованості, універсальності, точності та надійності. Тому, задача удосконалення класичних методів та засобів вимірювання температури відповідно до сучасного стану розвитку технологій і потреб промисловості залишається незмінно актуальною. Температура для більшості технологічних процесів - найважливіший технологічний параметр. Досить вагома частина вимірювань температури припадає на безконтактні методи вимірювання (оптичні, ультразвукові, радіометричні). Серед них, в сучасних умовах, найбільш широко застосовуються оптичні методи вимірювання температури за власним випромінюванням вимірюваних об'єктів. Це пояснюється тим, що ці методи володіють наступними перевагами:

- дистанційністю здійснення вимірювання на довільній відстані;

- високою швидкодією;

- теоретично необмеженою верхньою границею вимірювання;

- можливістю вимірювання температур малих об'єктів без спотворення температурного поля;

- можливістю вимірювання температури об'єктів, які знаходяться під електричним потенціалом або розташовані в небезпечній зоні (радіація, агресивні середовища);

- низькою вартістю вимірювання (наприклад в порівнянні з високотемпературними одноразовими термопарами, вартість яких (1,5-2)$ USA).

Найпоширенішими приладами, за допомогою яких проводяться оптичні вимірювання температури за власним випромінюванням, являються пірометри. Пірометри випромінювання дозволяють визначити одну з умовних температур - яскравісну, кольорову, радіаційну і т.д., яка рівна термодинамічній температурі лише для так званого чорного тіла. Окремо виділяють візуальні пірометри зі зникною ниткою, робота яких заснована на зрівнюванні яскравостей спеціальної нитки порівняння пірометричної лампи і зображення об`єкта. Візуальні переносні пірометри переважно використовуються для експрес-контролю температури і не вимагають інсталяції, що прискорює процес проведення вимірювань.

При перерахованих відомих перевагах існуючі промислові візуальні пірометри мають ряд недоліків стосовно:

- суб`єктивності вимірювання (викликаного фактором впливу ока спостерігача);

- переходу від виміряної умовної температури до дійсного її значення;

- обмеженості функціональних можливостей порівняно з об'єктивними пірометрами;

- необхідного статистичного опрацювання отриманих результатів;

- виникнення інструментальних похибок при тривалому використанні;

Створення нових високоефективних візуальних пірометрів без перерахованих недоліків є актуальною проблемою, вирішення якої повинно розвиватись у двох напрямках:

- підвищення точності пірометричних вимірювань та надійності приладів;

- розширення функціональних можливостей приладів, для підвищення ефективності вимірювань.

Це в свою чергу підніме на вищий рівень якість технологічних процесів в металургійній, машинобудівній, приладобудівній та інших галузях промисловості та науки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась у відповідності з:

- науково-дослідницьким напрямком кафедри "Метрологія, сертифікація та стандартизація" НУ "Львівська політехніка" : "Розробка теоретичних основ і технічних засобів для метрологічного забезпечення і сертифікаційних випробовувань при виробництві і експлуатації промислової продукції".

- договором з АТЗТ "Промприлад" № 15 від 1 грудня 1997 року (м. Кам'янець-Подільський Хмельницької області) в частині розробки візуального пірометра для коксохімічної промисловості, де були використані результати дисертаційної роботи.

- координаційним планом № 46 Міносвіти України "Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів метрологічного забезпечення випробовувань і контролю фізико-механічних і хімічних властивостей сучасних матеріалів та діагностика виробів і складних систем з їх застосуванням" за фаховим напрямком "Метрологія, стандартизація та сертифікація", затвердженого наказом Міносвіти України від 13.02.97р. № 37 "Про затвердження координаційних планів науково-дослідницьких робіт на 1997-1999 роки".

Мета і задачі досліджень. На основі аналізу можна стверджувати, що одними з основних проблем у візуальній пірометрії є часова інструментальна похибка та похибка, яка виникає при апостеорному введенні поправки на випромінювальну здатність, де є ряд неточностей у виборі апріорних даних, а відсутність статистичного опрацювання результатів вимірювання та можливості обміну даними з системами вищого порядку обмежує галузі використання візуальних пірометрів випромінювання.

Метою даної роботи є створення теоретичних, технологічних і метрологічних засад комплексу структурних рішень побудови візуальних пірометрів, вільних від недоліків, притаманних існуючим приладам, та створення нових типів пірометрів, придатних для широкого використання в галузях науки й техніки.

Поставлена мета в роботі реалізується вирішенням наступних задач:

- аналіз метрологічних характеристик візуальних пірометрів для виявлення джерел похибок;

- розробка структурно-алгоритмічних методів мінімізації похибок;

- аналіз існуючих та синтез нових структурних і принципових рішень для візуальних пірометрів;

- розробка рекомендацій щодо вдосконалення та розширення функціональних можливостей існуючих візуальних пірометрів;

- проведення порівняльного аналізу з існуючими пірометрами та синтез критерію технічного рівня розроблених візуальних пірометрів.

Об'єктом дослідження є візуальна пірометрія, що за своєю суттю обмежена у використанні приладів з однофункціональними можливостями та інструментальними і методичними похибками вимірювання температури при наукових дослідженнях та в промисловості.

Предметом дослідження є аналіз та синтез структурних і принципових рішень, направлених на побудову нових типів промислових візуальних пірометрів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на використанні основних положень візуальної пірометрії, методів синтезу оптимальних оптичних та електричних схем, теорії похибок, програмних комп'ютерних методів аналізу та оптимізації. Достовірність теоретичних досліджень підтверджена шляхом моделювання на персональному комп'ютері та фізичного макетування і дослідження діючих зразків приладів.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні наукові результати, подані до захисту, полягають у тому, що:

- на основі проведеного аналізу структурних рішень візуальної пірометрії випромінювання сформульовані проблеми та зроблений висновок про неможливість на даному етапі розвитку технологій адекватної заміни візуальних промислових пірометрів на об'єктивні;

- розроблений метод аналізу методичних та інструментальних похибок при апостеорному введенні поправки на випромінювальну здатність, запропонований метод апріорного введення вказаної поправки при використанні візуального пірометра;

- запропонована математична модель рівності яскравостей у візуальній пірометрії та модель номінальної статичної характеристики (НСХ) візуального пірометра;

- на основі запропонованої математичної моделі для візуального пірометра розроблені методи зменшення інструментальних похибок, пов'язаних з використанням спеціалізованої пірометричної лампи розжарювання

- застосований у візуальному пірометрі приймач випромінювання дозволив замінити складну спеціалізовану пірометричну лампу на просту лампу розжарювання;

- розроблені методи розширення функціональних можливостей візуальних пірометрів випромінювання з метою максимального їх наближення до об'єктивних пірометрів;

- удосконалено метрологічне забезпечення шляхом підвищення ефективності повірки візуальних пірометрів при зменшенні кількості повірочних точок;

- вдосконалений критерій і метод оцінки технічного рівня засобів візуальної пірометрії на основі використання граничних можливостей приймача випромінювання.

Практичне значення одержаних результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі :

- запропонована заміна основного елемента візуального пірометра - спеціалізованої пірометричної лампи на звичайну лампу розжарювання без спеціальних вимог до її конструкції.

- уточнені значення ефективної довжини хвилі візуальних пірометрів випромінювання для діапазону вимірюваних температур (1400-6000)°С, що є підставою для внесення змін в ДСТУ 3171-95;

- запропонована для реалізації на Кам'янець-Подільському приладобудівному заводі оптична та електрична схема візуального пірометра випромінювання, що передбачає розширення функціональних можливостей, зменшення інструментальної похибки та введення апріорних та апостеорних поправок на випромінювальну здатність і фон;

- виготовлені експериментальні зразки візуальних пірометрів, які пройшли опробування на Кам'янець-Подільському приладобудівному заводі, показали доцільність впровадження для серійного випуску візуальних пірометрів типу "ВІКА" зі статистичним опрацюванням результатів вимірювання;

Особистий внесок здобувача. Із публікацій, написаних у співавторстві, здобувачу належить: 1 - критерій оцінки технічного рівня; 2 - розрахунок ефективної довжини хвилі і похибок апостеорних поправок, метод реалізації апріорного введення поправок для візуальних пірометрів; 3,4 - оптична конструкція візуального пірометра; 4 - рівняння рівності яскравостей візуальної пірометрії, конструкція візуального пірометра, яка усуває часову інструментальну похибку; 5 - висновок про неможливість адекватної заміни візуальних пірометрів на об'єктивні, зроблений на основі оцінки характеристик приладів пірометрії; 6,7 - постановка задачі створення ряду візуальних пірометрів з розширеними функціональними можливостями; 8 - метод зменшення кількості повірочних точок; 9 - метод реалізації апріорного введення поправок для візуальних пірометрів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати роботи доповідались і отримали схвалення на 5-ти міжнародних науково-технічних конференціях та семінарах, зокрема на ІІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини СИЭТ-98"(Кам'янець-Подільський, 1998р.), на V-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини СИЭТ-99", (Київ, 1999р), на IX-ій Міжнародній конференції "Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochdowych i maszyn roboczych samojezdnych SAKON `98" (Жешів, Польща, 1998р.), на VI-му Міжнародному семінарі метрологів "Metody i technica przetwarzania sygnalov w pomiarach fizycznych" (Жешів, Польща, 1999р.), на ІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія - 99" (Харків, 1999р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 робіт, з них 4 статті у фахових наукових журналах. Отримано рішення про видачу деклараційного патенту на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (81 найменування). Дисертація містить 115 сторінок машинописного тексту, 46 рисунків, 9 таблиць.

Зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, вказано зв'язок роботи із науковими програмами та темами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі на основі проведеного аналітичного огляду існуючих методів та засобів вимірювання температури показано місце і важливість візуальної пірометрії. Сформульовано переваги та недоліки засобів візуального вимірювання температури в порівнянні з іншими приладами. Виявлено проблеми адекватної заміни візуальних пірометрів об'єктивними для створення принципово нових спеціалізованих пірометрів з ефективною довжиною хвилі у видимій області lеф=0,650мкм, яка найбільш опрацьована та досліджена. Сформульовані вимоги до метрологічних та функціональних характеристик візуальних пірометрів, виходячи з поставленої задачі розробки приладу як промислового застосування, так і робочого еталону, придатного для повірки згідно існуючої повірочної схеми.

Проведено аналітичне порівняння візуальних пірометрів на основі сформованого ранжувального ряду пірометрів за найкращими граничними значеннями параметрів. На основі критичних зауважень існуючої оцінки якості візуальних пірометрів, вдосконалений критерій якості для оцінки технічного рівня приладів при конкретних реальних умовах експлуатації. Він описується наступним виразом,[1]:

, (1)

де emin - мінімальне значення випромінювальної здатності при нижній границі вимірювання температури; - апаратна функція; - спектральна густина потоку випромінювання для абсолютно чорного тіла при температурі Т, яка описується законом Планка; М(Р) - математична модель функціональних можливостей та допоміжних параметрів приладу, придатних для використання в конкретних реальних умовах; M(DT) - математична модель розрахованої похибки вимірювання температури в реальних умовах експлуатації.

Значення М(Р) визначається за наступним виразом:

М(Р) = , (2)

де fі - значимість функціональної можливості або допоміжного параметру для проведення реальних вимірювань; kі - коефіцієнт наявності для даної моделі приладу.

Значення М(DТ) вираховується за формулою:

М(DТ)= (3)

де D0 - основна похибка; а 0 - адитивна складова похибки неінформативних параметрів; а 1,а 2,а 3,... - коефіцієнти впливаючих факторів х 1,х 2,х 3,...; b1,b2,b3,… - коефіцієнти взаємовпливу факторів х 1,х 2,х 3,...;

В цьому ж розділі приведений огляд типової конструкції оптичної системи візуального пірометра та будови основного її компонента - пірометричної лампи, що являє собою основний метрологічний елемент приладу.

На фоні перелічених переваг візуального методу вимірювання температури сформульовано ряд недоліків щодо точності, надійності та функціональних можливостей візуальних пірометрів. Вони обмежують галузі застосування приладів візуальної пірометрії і стосуються наступних аспектів:

- залежності результату вимірювання від індивідуального світлосприймання, досвіду, стану і відповідальності оператора, який проводить вимірювання;

- похибки переходу від виміряної умовної температури до дійсної, яка залежить від похибки випромінювальної здатності e та наближеного значення ефективної довжини хвилі lеф;

- виникнення інструментальних похибок при тривалому використанні пірометра під впливом старіння пірометричної лампи;

- відсутності опрацювання отриманих результатів (статистичного багатоканального запам'ятовування, спряження з системами реєстрації, керування та автоматики);

- відсутності взаємозаміни пірометричних ламп;

- недостатньої швидкодії (на яку впливає час фотометрування);

З метою усунення вказаних недоліків сформульовано напрямки досліджень, які проводились в дисертації:

- дослідження можливості адекватної заміни візуального пірометра на об'єктивний (стосовно суб'єктивного фактора та функціональних можливостей),

- розробка методу апріорного введення поправки на випромінювальну здатність e при конкретному значені lеф;

- дослідження можливості заміни спеціалізованої пірометричної лампи іншим елементом;

- вдосконалення існуючих візуальних пірометрів шляхом розробки допоміжних блоків чи модулів;

- розробка нової моделі сучасного візуального пірометра з розширеними функціональними можливостями.

Другий розділ присвячений виявленню та аналізу причин похибок вимірювання візуальними пірометрами. На основі використання уточнених коефіцієнтів закону Планка С 1 і С 2 проведені розрахунки ефективної довжини хвиль з врахуванням розкидів фільтрів та кривої видимості в діапазоні випромінювання (400-6000)°С для візуальних пірометрів випромінювання у видимій та ближній до інфрачервоної областей спектру, [2]:

llеф = (4)

Оскільки поправка на випромінювальну здатність виражається приблизною рівністю:

, (5)

то вводиться термін похибки апостеорної поправки, яка залежить не тільки від виміряної температури Тя, а і від С 2, lеф(Т), e(lеф,Т). Розраховані похибки апостеорних поправок на випромінювальну здатність, викликаних розкидами ефективних довжин хвиль. Вказані похибки визначались за формулою: (6)

Для візуального лабораторного пірометра типу ВІМП - 015 похибка поправки буде становити від -1,2 до +2,2 °С для діапазону (400-900)°°C при e = 0,01. Для зразкового візуального пірометра ЭОП - 66 ця похибка при e = 0,01 становить від -1,3 до +1,7 °С в діапазоні (800-1400)°°C.

Для прецизійних пірометрів, в тому числі для еталонних візуальних пірометрів (робочих та вихідних еталонів, в т.ч. зразкових першого порядку типу ЭОП - 66) з метою мінімізації похибки введення поправки важливе значення має правильність використання коефіцієнта С 2. Абсолютне значення цієї додаткової похибки визначалось за формулою:

(7)

При використанні значення коефіцієнта С2, прийнятого на Міжнародному конгресі по світлових постійних в Туріні 1956 року (С 2=0,014388±0,000007мЧК), максимальна похибка становить ±0,3°С при e=0,01 для Т=1400°°C. Для значення коефіцієнта С 2, запропонованого робочою групою міжнародного Комітету з констант для науки і технології (CODATA) в 1986 році (С 2=0,01438769мЧК, d=31Ч 10-6), ця похибка приймає значення ±0,02°С. Порівнявши значення похибок, зроблений висновок, що слід користуватися значенням С 2=0,01438769 мЧК для робочих та вихідних еталонів.

Значну похибку у вимірювання вносить пірометрична лампа, що є основним метрологічним вузлом візуального пірометра.

При тривалому використанні лампи відбувається випаровування вольфраму й осідання його на стінках скляної колби, що спотворює характеристики пропускання світлового потоку Ф від об'єкта вимірювання через проглядові вікна. Світловий потік Ф від об'єкта вимірювання проходить через вікна 4 і 5, а світловий потік від нитки розжарювання тільки через вікно 5. Якщо оператор сприймає потік від лампи

Фспр.лампи = Флампи Ч t2, де t2

коефіцієнт пропускання вихідного вікна, то потік від об`єкта вимірювання

Фспр.об`єкта=Фоб`єктаЧt1Чt2,

де t1 - коефіцієнт пропускання вхідного вікна. При умові рівності потоків Фспр.об`єкта=Фспр.лампи, (яка закладена в принципі роботи), якщо t1=t2, потік від об'єкта послаблюється в t1 раз більше, ніж від лампи розжарювання.

Переходячи до яскравості об`єкта випромінювання, як функції від вимірюваної температури Т і довжини хвилі l, матимемо [3]:

Воб`єкта (l,Т) = Влампи (l,Т)/t1, (8)

тобто покази пірометра будуть заниженими на величину, що відповідає зменшенню яскравості досліджуваного об`єкта в t1 раз.

Випаровування вольфраму приводить також до зміни опору нитки розжарювання лампи й отже до зміни залежності струм - яскравість, що в свою чергу приводить до похибки вимірювання. Яскравість пірометричної лампи може бути представлена як:

Влампи(l,Т) = 4ЧmЧІ2(Т)Чr(Т)ЧL / pЧd2, (9)

де m - енергетичний коефіцієнт корисної дії лампи розжарювання; І(Т) - струм лампи; r(Т) - питомий опір нитки; L і d - відповідно довжина і діаметр нитки розжарювання.

Відповідно покази пірометра з часом стануть заниженими.

Враховуючи обидва впливаючи фактори (запилення вхідного вікна та зменшення діаметра нитки розжарювання) отримаємо занижене значення вимірюваної температури досліджуваного об`єкта, яскравість якого визначається формулами (8) і (9).

Враховуючи похибку від запилення вхідного вікна пірометричної лампи, формула для поправки на випромінювальну здатність прийме вигляд:

(10)

Для візуальних пірометрів умова рівності яскравості об'єкта вимірювання і яскравості нитки розжарювання пірометричної лампи може бути описана наступною рівністю, приведеною в найбільш узагальненому вигляді, [4]:

, (11)

де w0 і w - відповідно тілесний кут випромінювання лампи розжарювання і об'єкта випромінювання; t1(l) - спектральний коефіцієнт пропускання вхідного вікна; t2(l) - спектральний коефіцієнт пропускання вихідного вікна; m(l,Т) - спектральний енергетичний коефіцієнт корисної дії джерела випромінювання. пірометр апостеорний випромінювання

Приведене рівняння можна вважати основним рівнянням рівності яскравостей візуальної пірометрії. Аналіз цього рівняння розкриває всі проблемні питання, що викладені в постановці задачі створення сучасного візуального пірометра. Спектральна характеристика пропускання вхідного вікна t1(l) впливає на результат вимірювання в такій же мірі, як і випромінювальна здатність. Апостеорна поправка на випромінювальну здатність, що вводиться після вимірювання умовної яскравісної температури Тя, буде виражатись з рівняння умови рівності яскравостей як:

(12)

Оскільки вплив y(l)Чt2(l) проявляється в однаковій мірі стосовно об'єкта вимірювання і нитки розжарювання, то це рівняння прийме наступний вигляд:

(13)

Тобто в процесі довготривалої експлуатації пірометра по мірі зменшення пропускання вхідного вікна до методичної похибки додаватиметься складова від t1(l):

(14)

Вказана додаткова похибка завжди матиме місце навіть у випадку апріорного введення поправки на випромінювальну здатність, так як рівність

, (15)

де k(T) - коефіцієнт мультиплікативної корекції, справджується тільки при t1(l)=1, що практично буває тільки на початку експлуатації пірометра. Дослідження пірометричних ламп розжарювання підтверджують, що і в режимі підтримання стабільного струму розжарювання спостерігається поступовий спад інтенсивності потоку випромінювання до 20% при напрацюванні до 1000 АЧгод і ріст потоку до 4% при зміні оточуючої температури від 20 до 60°С. Це підтверджує доцільність заміни НСХ типу

І = f(Т), R = f(Т)

чи U = f(Т) на функцію, що вносить меншу похибку від часу й оточуючої температури. Такими функціями можуть бути потужність пірометричної лампи P(T) = I2(T)ЧR(T) або потік Ф = f(T).

Оскільки в режимі вимірювання потужності лампи розжарювання, де основне рівняння рівностей яскравостей виражається приблизною рівністю:

, (16)

то з останнього видно, що неоднозначність між вимірюваною температурою і потужністю викликана в першу чергу складовими t1(l,Т) і m(l,Т). Звідси витікає, що безпосереднє вимірювання інтенсивності потоку випромінювання Ф = f(T) лампи розжарювання не спричиняє додаткових похибок у випадку рознесення оптичних осей вимірювання яскравості об'єкта випромінювання (ліва частина рівняння) і яскравості лампи розжарювання (права частина рівняння). Тоді розкриваючи апаратну функцію

y(l)=V(l)Чt(l), (17)

де V(l) - крива видимості ока, t(l) - спектральний коефіцієнт пропускання червоного світлофільтра, НСХ щодо інтенсивності потоку випромінювання такого візуального пірометра матиме вигляд:

(18)

З приведеного рівняння видно, що при рознесенні оптичних осей пірометра виключається вплив запилення вікон на НСХ.

Третій розділ присвячений дослідженню можливості адекватної заміни візуального принципу вимірювання об'єктивним, розглянуто питання вдосконалення візуального пірометра, приведено ряд принципових рішень направлених на вирішення проблем точності та функціональних можливостей, пов'язаних з виготовленням та застосуванням промислових пірометрів.

При співставленні технічних рівнів візуального і об`єктивного пірометра (які працюють в одному спектральному діапазоні) за узагальненим фактором виявної здатності Рk() та графічній інтерпретації графоаналітичного інтегрування вимірюваного потоку було встановлено, що адекватна заміна візуального пірометра об'єктивним, можлива лише у випадку збільшення виявної здатності останнього приблизно в 1000 разів. В зв'язку з цим зроблений висновок про недосконалість існуючої елементної бази для реалізації повної адекватної заміни візуальних пірометрів на об'єктивні. Подальше дослідження було направлене на можливість покращення метрологічних характеристик візуальних пірометрів та розширення їх функціональних можливостей.

Запропоновано ряд конструктивних рішень будови оптичної схеми та вимірювального тракту [1,3,4]. На основі теоретичних досліджень вибрано найкращий з розглянутих щодо характеристик точності та надійності варіант конструкції оптичної системи візуального пірометра. Оригінальність приведеного рішення полягає в застосуванні приймача випромінювання для вимірювання яскравості лампи розжарювання. Дане рішення забезпечує:

- незалежність результатів вимірювання від послаблення потоку через скло (напилення вольфраму на внутрішню поверхню скла лампи);

- незалежність показів від зміни опору лампи;

- використання простої конструкції лампи розжарювання.

Для забезпечення роботи приймача випромінювання в видимій області, необхідно обмежити його робочий діапазон в границях видимості людського ока. В протилежному випадку можуть виникати похибки, зумовлені різними діапазонами хвиль, коли фотометрування відбувається в видимому діапазоні, а випромінювання від лампи сприймається в іншому. При довжині хвилі, відмінній від видимого діапазону (ближче до інфрачервоного), можливі нерівномірності (вириви і піки) в характеристиці випромінювання лампи розжарювання, які візуально не сприймаються і будуть вносити суттєву похибку в результат вимірювання. На основі проведених розрахунків було визначено і практично підтверджено, що відповідність спектральної характеристики приймача випромінювання кривій видимості людського ока досягається застосуванням кремнієвого фотодіода з комплектом світлофільтрів СЗС 23 завтовшки 10мм та КС 13 завтовшки 5мм. Тоді можна стверджувати, що при використанні приймача з такою характеристикою, похибка від неоднорідності спектрального діапазону фотометрування та вимірювання випромінювання лампи буде відсутня.

Запропонована нова методика перевірки візуального пірометра [8], яка придатна і для інших пірометричних перетворювачів. Суть методу полягає в тому, що номінальну статичну характеристику перетворювача розраховують за двома перевірними точками, якщо відома апаратна функція. Вихідні сигнали для двох повірочних найдостовірніших точок і матимуть наступний вигляд: та (19)

де - постійне зміщення НСХ; k - чутливість перетворювача візуального пірометра; - спектральна густина потоку випромінювання. З цієї системи рівнянь можна визначити і k. Тоді для інших точок НСХ Ti:

(20)

При наявності деякої нелінійності коефіцієнта, що характерно деяким фотоелектричним пірометричним перетворювачам і запропонованим візуальним пірометрам, методика градуювання і повірки дещо ускладнюється, і кількість повірочних точок збільшується до М+2, де М - кількість характерних точок нелінійності коефіцієнта k. Проведені експериментальні дослідження підтвердили доцільність використання запропонованої методики для: підвищення ефективності процесу градуювання і повірки, включаючи його автоматизацію; інтерполяції НСХ запропонованих візуальних пірометрів з метою підвищення їх точності; екстраполяції НСХ робочих запропонованих візуальних пірометрів з метою розширення діапазону вимірювання; підвищення точності вимірювання в реальних умовах експлуатації.

У четвертому розділі описані практичні реалізації результатів теоретичних досліджень.

Використовуючи результати досліджень та сформульовані в роботі рекомендації, був створений пірометричний комплект на базі переносного візуального пірометра "Промінь-2М". Комплект рекомендований для виготовлення під назвою ВІКА-1 на Кам`янець-Подільському приладобудівному заводі. Прилад дозволяє запам'ятати результати вимірювання, прив'язані до часу початку вимірювань з дискретністю 1 с. Тривалість циклу роботи блоку запам'ятовування визначається таймером, який допускає роботу оператора на протязі 10000 секунд від моменту скиду таймера і фіксуванням реального часу, оскільки мітки часу, які запам'ятовуються разом з вимірювальною інформацією прив'язані не до реального часу, а до початку відліку після скиду таймера. Основні параметри: діапазон вимірювання (800-4000)°С; показник візування 1/1000; основна похибка при Тн=800°С не перевищує 14°С; ефективна довжина хвилі = 0,65 мкм; стала часу=1,0с; кількість точок запам`ятовування 1024; час збереження інформації 25 годин. Прилад демонструється на постійно діючій виставці науково-технічної продукції Національного університету "Львівська політехніка".

На основі рекомендацій викладених в другому розділі та використовуючи оптичну конструкцію, створений та досліджений зразок аналогового візуального пірометра з мультиплікативною корекцією та рознесеними оптичними осями. Схема обробки сигналу від вимірювального приймача випромінювання і складається з: підсилювача 2, функціонального перемножувача 3, схеми мультиплікативної корекції на випромінювальну здатність 4, схеми встановлення температурно залежної поправки на випромінювальну здатність 5, перемикача роду роботи, щодо вимірювання встановлюваного значення випромінювальної здатності 6, аналого-цифрового перетворювача 7 і цифрового індикатора 8.

Мультиплікативна корекція на випромінювальну здатність встановлюється апріорно перед фотометруванням за допомогою резистора R1 в положенні перемикача роду роботи "e". Температурно залежна поправка випромінювальної здатності e(l,Т) коректується за допомогою резистора R2.

Використаний функціональний пристрій пірометра забезпечує лінеаризацію вихідного сигналу від приймача випромінювання та введення поправки на випромінювальну здатність об'єкта випромінювання.

Відсутність лампи розжарювання на оптичній осі пірометра і використання додаткового приймача, не викликає похибок від вихідного вікна. Після порівняння яскравостей об'єкта випромінювання і лампи розжарювання при допомозі приймача випромінювання вимірюється яскравість лампи. Вона завжди є рівною яскравості об'єкта при різних рівнях запилення колби лампи. При цьому приймач випромінювання реєструє інтенсивність свічення лампи розжарювання, що є мірою вимірюваної температури і не залежить від електричних параметрів лампи [10].

При використанні апріорної корекції на випромінювальну здатність, усувається похибка апроксимації і вимірюється безпосередньо дійсна температура без використання формули переходу.

Ефективна довжина хвилі 0,65 мкм в пірометрі збережена, що дає можливість використовувати відомі значення випромінювальної здатності за довідниковою літературою.

Вимірювання яскравості лампи при допомозі приймача випромінювання дозволяє вибирати будь-яку за конструкцією лампу розжарювання, не зважаючи на конструкцію нитки та її часову чи температурну стабільність.

На основі проведеного огляду існуючих приймачів випромінювання, проаналізувавши їх характеристики, в якості приймача випромінювання від лампи розжарювання в конструкції візуального пірометра використаний кремнієвий фотодіод, однотипний з використовуваним в пірометричному перетворювачі ПЧД - 131.

В аналоговому варіанті вимірювальної частини пірометра можливість створення додаткових функцій обробки та представлення результатів обмежена. Для усунення цієї проблеми пропонується мікропроцесорний варіант приладу з аналогічною конструкцією оптичної системи.

Керування усіма складовими проводиться мікропроцесорним контролером по шині обміну інформації. Такі вузли, як термостатований приймач випромінювання (кремнієвий фотодіод) та лампа розжарювання, входять в склад оптичної системи пірометра. Використання мікропроцесора дозволяє суттєво розширити функціональні можливості приладу, організувати самодіагностику, оперативно змінювати конфігурацію процесу вимірювання. В приладі реалізована апостеорна та апріорна корекція на випромінювальну здатність, що дає змогу контролювати точність проведення вимірювання. При апріорній корекції використовується перемноження оцифрованого сигналу з фотодіода і сигналу корекції, згенерованого відповідно випромінювальній здатності матеріалу об'єкта вимірювання. При апостеорній корекції результат вираховується математично методом ітерацій за формулою переходу від яскравісної температури до дійсної з врахуванням випромінювальної здатності і використовуючи при розрахунках значення ефективної довжини хвилі, яке відповідає дійсному значенню температури.

Для усунення похибки від температурної зміни НСХ приймача випромінення, використовується термостатування приймача. Робота термостата задається пристроєм, який керується мікропроцесорним контролером. Він регулює потужність нагрівача термостата Pt, контролюючи її по сигналу At з термотранзисторного давача термостата.

Процес зрівноваження яскравостей зображення об'єкта і нитки розжарювання лампи відбувається шляхом зміни струму Il і керується оператором з клавіатури. При певному значенні струму досягається візуальне зникнення зображення нитки розжарювання лампи на фоні об'єкта випромінювання і процес фотометрування завершується. При протіканні струму Il лампа випромінює певне значення світлового потоку Фl, який сприймається приймачем випромінювання. На основі прийнятого випромінювання формується сигнал Av, який поступає на аналого-цифровий перетворювач. Після перетворення в цифровий код в результат вимірювання вноситься поправка на випромінювальну здатність (апріорно чи апостеорно), або при варіанті роботи з визначенням випромінювальної здатності ця операція опускається.

Результат вимірювання запам'ятовується в енергонезалежній пам'яті мікропроцесорного контролера разом з міткою реального часу проведення вимірювання. За бажанням оператора прилад може вирахувати середнє, максимальне, або мінімальне значення виміряної температури за певний період проведених вимірювань, визначити швидкість зміни температури за певний проміжок часу, розрахувати спектральну випромінювальну здатність e матеріалу об'єкта випромінювання для довжини хвилі l=0,655мкм, якщо відома дійсна температура об'єкта, виміряна контактним методом з певною точністю. У цьому випадку виключається з програми проведення вимірювання апріорна і апостеорна корекція на e і вказується дійсна температура.

Теоретично розраховано і практично підтверджено, що похибка вимірювання температури запропонованим приладом не перевищує в гіршому випадку dT= 0,43% на діапазоні (800ё1300)°С. При дослідженні дослідного зразка приладу встановлено, що абсолютна похибка вимірювання температури при відсутності індивідуального градуювання і підбору приймачів випромінювання не перевищує 5°С на всьому діапазоні вимірювання. При індивідуальному градуюванні - до 2°С. Кількісне значення критерію якості за формулою (1) для запропонованого пірометра при Тн=700°С D0=2°С, emin=0,01 буде рівне .

Висновки

В результаті виконання дисертаційної роботи можна сформулювати наступні висновки:

1. Проведено аналіз технічних характеристик сучасних візуальних пірометрів випромінювання, в результаті якого показано, що розширення їх функціональних можливостей (зокрема, внесення апріорних і апостеорних поправок на випромінювальну здатність і фон, врахування функціональної залежності ефективної довжини хвилі від вимірюваної температури, багатоканальне запам'ятовування та статичне опрацювання результатів) дозволяє покращити метрологічні параметри робочих і еталонних засобів візуальної пірометрії. Очікувана основна похибка для запропонованих рішень не перевищує (2-5)°С в діапазоні (700-1400)°С.

2. Запропонована математична модель рівності яскравостей візуальної пірометрії, яка встановлює основне співвідношення між фізичними величинами і технічними параметрами візуальних пірометрів. На основі вказаної рівності та запропонованих математичних моделей (номінальних статичних характеристик інтенсивності потоку випромінювання, вихідного сигналу пірометра, похибки вимірювання для реальних умов експлуатації) здійснено аналіз впливаючих факторів, вплив яких частково або повністю усувається шляхом розширення функціональних можливостей та вибором структурної схеми пірометра.

3. Запропоновано і опробувано комплексне рішення структурної побудови візуального пірометра з розширеними функціональними можливостями і ефективною довжиною хвилі 0,655мкм, в якому використаний вимірювальний приймач випромінювання для вимірювання інтенсивності потоку випромінювання неспеціалізованої лампи розжарювання. Вказане рішення повністю знімає жорсткі метрологічні вимоги до раніше використовуваної дорогої спеціалізованої пірометричної лампи розжарювання.

4. На основі розробленого методу аналізу методичних та інструментальних похибок для робочих і еталонних візуальних пірометрів, в т.ч. з розширеними функціональними можливостями, пропонується враховувати функціональні залежності ефективної довжини хвилі lеф від вимірюваної температури Т, випромінювальної здатності від lеф і Т, а також уточнене значення світлової постійної Планка С 2=0,01438769мК при d=31Ч 10-6.

5. Сформульовані вимоги до візуальних пірометрів нового покоління. Показано, що подальше розширення їх функціональних можливостей аж до адекватної заміни на об'єктивні (з метою усунення впливу суб`єктивного фактора) на даному етапі є неможливим через низькі метрологічні параметри існуючих приймачів випромінювання в області кривої видимості.

6. Використання вимірювального приймача випромінювання у запропонованому візуальному пірометрі дозволило на основі математичної моделі такого пірометра розробити метод градуювання і повірки при зменшенні кількості повірочних точок, що підвищить ефективність відповідних операцій при серійному випускові візуальних пірометрів.

7. На основі математичної моделі похибки та аналізу граничних можливостей візуальних пірометрів запропонований метод і критерій оцінки їх якості в реальних (відмінних від нормальних) умовах експлуатації.

8. Розроблені і опробувані схемні і конструктивні рішення візуальних пірометрів (в т.ч. типу ВІКА) дозволили розширити функціональні можливості пірометрів типу "Промінь", зменшити основну похибку вимірювання температури до 2 К, похибку від зміни ефективної довжини хвилі до 1,7 К, похибку від неточності світлової постійної С 2 до 0,02 К при випромінюваній здатності 0,01 в діапазоні вимірюваних температур (700-1400) 0С.

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Гоц Н.Є. Концепція раціонального вибору пірометрів випромінювання для машинобудівної галузі // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. - Збірник наукових праць асоціації "Автобус" Мінпромполітики України. -2000. -№ 3. -с.48-52.

2. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Столярчук П.Г. Обґрунтування доцільності введення апріорних поправок для різних типів пірометрів випромінювання // Автоматика, вимірювання та керування. - Вісник Державного університету "Львівська політехніка", - 2000. - № 389, -с.53 - 58.

3. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Столярчук П.Г. Підвищення точності технологічних процесів шляхом вдосконалення безконтактних засобів вимірювання температури // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. - Збірник наукових праць асоціації "Автобус" Мінпромполітики України. - 1999. - № 2, -с. 23-25.

4. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М. Теоретичні та практичні аспекти вдосконалення візуальних пірометрів випромінювання // Вимірювальна техніка та метрологія. - Збірник наукових праць ДУ "Львівська політехніка", - 2000. -№56. - С.41 - 46.

5. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Яцук В.О. Проблеми адекватної заміни візуальних пірометрів випромінювання, - збірник наукових праць "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини (СИЭТ-99)", спеціальне видання міжнародного науково-технічного журналу "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах", К.: ФАДА ЛТД, 1999, вип.5,с.91-94.

6. Гриневич Б.Ю. Засименко В.М. Підвищення якості гартування листових ресор при використанні спеціальних приладів. // SAKON `98. Матеріали IX міжнародної конференції. - Politechnika Rzeszowska, 1998, с. 99-102 .

7. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Яцук В.О., Дроздовський В.В. Спеціалізовані візуальні пірометри з розширеними функціональними можливостями, - Праці ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини (СИЭТ-98)", - К.: Міносвіти України, 1998, кн.2, с.62-64.

8. Засименко В.М., Гриневич Б.Ю., Столярчук П.Г. Розрахунок номінальних статичних характеристик пірометричних перетворювачів при обмеженій кількості повірочних точок. // Метрологія та вимірювальна техніка. Наукові праці ІІ Міжнародної Науково-технічної конференції "Метрологія - 99", Харків, том 2, 1999, с.31-33.

9. Zasymenko V., Stolarczuk P., Grynevych B. Visual pyrometry with multiplicate correction on a radial emittance. - Metody i technica przetwarzania sygnalov w pomiarach fizycznych, - Rzeszow,1999, p.5.

10. Засименко В.М., Гриневич Б.Ю., Столярчук П.Г., Яцук В.О., Дроздовський В.В. Рішення про видачу патенту від 13.07.2000р на винахід "Візуальний пірометр" №2000042280 від 21.04.2000.

Размещено на Allbest.ru

...