Исследование распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Кафедра №21 «Физики плазмы»

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

Исследование распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов

Направление подготовки: 14.04.02 - Ядерные физика и технологии

Образовательная программа: Физика плазмы

Зав. кафедрой В.А. Курнаев

Научный руководитель В.А. Курнаев

Работу выполнил И.Д. Егоров

Москва 2015

Введение

Во всех исследовательских и промышленных плазменных установках происходят процессы взаимодействия плазмы и обращённой к ней поверхности конструкционных материалов. Во многих случаях, включая важнейшую задачу управляемого термоядерного синтеза, эти процессы оказывают непереоценимое влияние на работоспособность и ресурс установки. В других случаях, таких как плазменная обработка материалов, процессы взаимодействия плазмы с поверхностью представляет собой смысл работы установки. Интенсивность и характер этих процессов в значительной мере зависит от температуры материала. Кроме того, в случае импульсных процессов, температура поверхности материала является индикатором поглощённой материалом в результате действия плазмы энергии.

Таким образом, измерение распределения температуры по обращённой к плазме поверхности материалов является актуальной самостоятельной задачей прикладной физики плазмы.

В процессе работы автора перед ним было поставлено сразу две различные задачи по исследованию распределения температуры на поверхности конструкционных материалов.

В рамках программы исследования воздействия термоядерной плазмы на конструкционные материалы первой стенки в установках-имитаторах возникла задача определения распределения энергии, поглощённой образцом, по его поверхности. Наиболее очевидный способ определить это распределение - измерить в динамике распределение температуры по поверхности образца, а затем расчётным путём определить распределение поглощённой энергии.

Для успешного выполнения этой задачи необходимо было создать систему с максимально высокими разрешениями в пространстве и по времени, причём в условиях незначительного финансирования, что накладывало серьёзные ограничения на выбор средств и методов измерений.

Вторая задача была связанна с проводимыми на кафедре исследованиями процессов плазменного азотирования деталей сложной формы, изготовленных из различных металлических сплавов.

Для выполнения этой задачи не стояло сколько-нибудь существенных требований по временному разрешению, однако была актуальна задача максимально возможной автоматизации измерений. Кроме того стояла задача проводить измерения в условиях засветки от обрабатывающей поверхность плазмы.

Глава 1. Контактные методы измерения температуры

Исторически первым методом измерения температуры тел было измерение расширения (сжатия) жидкого или газообразного рабочего тела, контактирующего через стенку с высокой теплопроводностью с объектом, чью температуру необходимо измерить. Ярким примером прибора с таким принципом работы является повсеместно применяемый в быту спиртовой термометр.

Впоследствии широкое распространение получили преобразователи температуры в электрический сигнал, использующие явления термоЭДС и изменения проводимости металлов и полупроводников при изменении температуры. Такие преобразователи позволили многократно расширить диапазон измеряемых температур, повысить их точность и надёжность оборудования, снизить размеры и массу измерительной части прибора.

Размещение на поверхности детали или в её объёме термопары или иного контактного датчика является наиболее простым методом контроля температуры. Однако этот метод имеет длинный ряд существенных недостатков:

· датчик измеряет температуру лишь в точке его установки, в то время как даже детали из материалов с высокой теплопроводностью не всегда имеют однородную температуру;

· для контроля распределения температуры необходима установка большого, от десятков до тысяч, числа датчиков. Это является трудоёмким процессом само по себе, но кроме того создаёт существенные проблемы с организацией процесса сбора и обработки информации с такого числа датчиков;

· в случае размещения датчиков на поверхности сложно обеспечить надёжный тепловой контакт, что может привести к существенному занижению оказаний;

· для размещения датчиков в объёме детали, в ней должны быть соответствующие полости, которых зачастую изначально нет и не всегда допустимо делать их специально для контроля температуры;

· при размещении датчиков в объёме детали мы не получаем информации непосредственно о температуре поверхности, а лишь предполагаем, что она близка к температуре в местах установки датчиков, если они установлены на небольшой глубине;

· датчик может влиять на температуру детали в точке его установки;

· датчик подвергается воздействию плазмы, что может приводить к его нагреву выше температуры детали и, соответственно, завышению показаний;

· воздействие плазмы может приводить к ускоренной деградации датчиков;

· разряд, создающий плазму, одновременно создаёт электромагнитные наводки, которые могут мешать работе датчиков температуры;

· и т.д.

Все эти проблемы делают контактные методы измерения температуры неприменимыми для решения непосредственно задач определения распределения температуры на поверхности обращённых к плазме материалов, ограничивая их вспомогательными задачами калибровки и тестирования иных, бесконтактных, средств измерения.

температура оптический радиационный тепловизор

Глава 2. Бесконтактные методы измерения температуры

Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны с непрерывным спектром во всём диапазоне длин волн. Фиксируя это излучение можно определить температуру тела, а также распределение температуры по его поверхности.

Теория идеального объекта, названного «абсолютно чёрное тело» и создающего максимальную теоретически возможную при данной температуре мощность излучения, была создана Максом Планком в 1900-м году. В соответствии с ней спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется формулой:

(1)

где: u - мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн на единицу телесного угла [Дж·с?1·м?3·ср?1];

л - длина волны [м];

T - абсолютная температура излучающей поверхности [К];

h - постоянная Планка, равная 6,626·10-34 Дж·c;

с - скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с;

k - постоянная Больцмана, равная 1,381·10-23 Дж/К;

e - основание натурального логарифма, примерно равное 2,718.

Любая реальная поверхность всегда излучает меньше, чем поверхность идеально чёрного тела. Отношение мощности излучения единицы поверхности данного тела к мощности излучения единицы поверхности абсолютно чёрного тела называют коэффициентом излучения. Коэффициент излучения реальных тел в большинстве случаев находится в диапазоне от 0,02 до 0,98 и меняется в зависимости от участка спектра и температуры. Непостоянство коэффициента излучения реальных объектов составляет одну из основных проблем бесконтактных измерений температуры.

Для определения распределения температуры, а не температуры в одной точке или усреднённо по всей поверхности, используют объектив, прозрачный в рабочем участке спектра, и матрицу чувствительных к электромагнитному излучению датчиков. Объектив фокусирует собственное тепловое излучение исследуемого объекта на матрице, создавая на ней изображение этого объекта.

Важным вопросом является то, от каких факторов, кроме температуры и материала исследуемого объекта, зависит энергия излучения, поглощённая элементом матрицы.

Такими факторами в общем случае являются:

· микроструктура поверхности;

· загрязнения поверхности;

· отражение поверхностью излучения других объектов;

· всевозможные преграды на пути от объекта к прибору (сетчатые электроды, окна, слой воздуха);

· настройки объектива;

· настройки самой матрицы;

· специально устанавливаемые светофильтры;

· взаимное расположение объекта и прибора.

Для получения достоверных данных о температуре поверхности необходима оценка влияния каждого из этих факторов. Каждый из них может оказаться как пренебрежимо малым, так и решающим в данном конкретном случае.

2.1 Оптическая пирометрия

Первым бесконтактным методом измерения температуры было сравнение «на глаз» цвета свечения исследуемого металлического образца с цветом свечения нити накаливания, чью температуру можно оперативно изменять. Оператор измерительного прибора - оптического пирометра - смотрел в окуляр прибора, в котором одновременно можно было наблюдать исследуемый объект и нить. Вращая ручку, он добивался совпадения цвета свечения этих двух объектов, после чего смотрел на температуру нити, которая принималась равной (возможно, с некоторыми поправочными коэффициентами) температуре исследуемого образца.

Метод имеет ряд важных преимуществ:

· оптические пирометры отличаются простотой и дешевизной, что делает их доступными максимально широкому кругу пользователей;

· оптические пирометры максимально надёжны;

· любые преграды, одинаково ослабляющие излучение во всём видимом диапазоне, никак не влияют на достоверность показаний, т.к. сравнивается спектр, а не интенсивность свечения;

· для большинства металлов с поверхностью в большинстве состояний цвет свечения при одинаковой температуре практически одинаковый, что резко повышает достоверность измерений.

Однако у него есть ряд не менее существенных недостатков. А именно:

· метод работает лишь при высоких температурах, когда становится видимым собственное свечение, а это - более 500-600 °C;

· метод работает только с металлами, т.к. у неметаллов существенно иная зависимость коэффициента излучения от длинны волны;

· измерения занимают значительное время;

· точность измерений в значительной мере определяется навыками и особенностями зрения оператора;

· измерения не поддаются автоматизации.

Всё это в конечном счёте привело к отказу от подобной методики измерений и переходу к перечисленным далее.

2.2 Радиационная пирометрия

Метод радиационной пирометрии основан на измерении мощности потока излучения, поступающего на приёмник прибора. После этого, используя формулу (1) и справочные данные о коэффициенте излучения данного материала, рассчитывают соответствующую измеренной мощности температуру.

На данный момент подобный метод измерений стал основным в широком спектре инженерных и бытовых задач. Этому способствовали следующие положительные факторы:

· относительная дешевизна радиационных пирометров;

· предельная простота использования;

· независимость результатов измерений от особенностей зрения оператора;

· возможность относительно просто создать матрицу чувствительных элементов, от которых требуется реагировать лишь на мощность, но не на спектр излучения.

Тем не менее, данная методика не лишена серьёзных недостатков, требующих детального изучения для получения достоверных результатов:

· значительная часть радиационных пирометров работает в дальнем ИК участке спектра, что требует применения на установке окон из специальных материалов, прозрачных для этого излучения;

· плазма является источником электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн от УФ до ИК. Это излучение накладывается на тепловое излучение обрабатываемой детали, приводя к завышению температуры;

· металлические поверхности, как правило, имеют весьма небольшой коэффициент излучения и высокий коэффициент отражения, особенно в области дальнего ИК. Это приводит к тому, что поток излучения от конкретного участка детали может определяться в большей степени отражением, нежели его собственным излучением;

· излучение исследуемого объекта зачастую испытывает определённое ослабление по пути к прибору за счёт прохождения через окна и воздух, что может приводить к занижению показаний;

· коэффициент излучения данной конкретной поверхности, как правило, достоверно неизвестен и условно принимается равным табличному значению для данного материала, что не всегда справедливо;

· при одинаковой температуре мощность теплового излучения в значительно степени зависит от состояния поверхности. А т.к. под воздействием плазмы поверхность детали модифицируется, меняется и излучение при неизменной температуре, что может быть воспринято как изменение температуры.

В некоторых случаях недостатки оказываются столь существенными, что методика становится неприменимой. Наиболее значимым оказываются последние из перечисленных выше пунктов, т.к. они оказывают существенное влияние на точность измерений и зачастую являются принципиально неустранимыми.

2.3 Мультиспектральная пирометрия

Для устранения наиболее существенных недостатков радиационной пирометрии были разработаны методики мультиспектральной пирометрии. Их суть сводится к измерению не интенсивности излучения объекта в определённой спектральной области, но отношения интенсивностей излучения в нескольких спектральных областях. Такой подход имеет существенные преимущества:

· пропорциональное ослабление излучения объекта во всём спектре не оказывает никакого влияния на точность измерений;

· для большинства металлов с поверхностью после большинства видов механической обработки отношение коэффициентов излучения в различных областях ИК спектра с достаточной точностью одинаково;

· для большинства диэлектриков коэффициент излучения в среднем и дальнем участках ИК спектра с достаточной точностью одинаков.

Однако эти преимущества оказываются под вопросом в случае применения мультиспектральной пирометрии для интересующей нас ситуации взаимодействия поверхности материала с плазмой.

Воздействие плазмы на поверхность во многих случаях приводит к формированию микронных и субмикронных структур. Эти структуры могут вызывать значительное изменение коэффициента излучения в одной спектральной области, не меняя или слабо меняя его в другой. Таким образом, в случае обследования деталей, обрабатываемых в плазме, мультиспектральные методики не позволяют устранить влияние изменения свойств поверхности на результаты измерений.

2.4 Охлаждаемые тепловизоры

Как уже говорилось выше, для измерения методом радиационной пирометрии распределения температуры на поверхности возможно изготовление двумерной матрицы приёмников электромагнитного излучения. В случае излучения в средней (2-5 мкм) и дальней (7-14 мкм) ИК области спектра широкое распространение получили приёмники на основе фотоэффекта в антимониде индия, арсениде галлия и иных полупроводниках. Для снижения влияния собственного тепла матрицы на результаты измерений до приемлемого уровня в данном случае оказывается необходимым криогенное охлаждение.

Приборы, фиксирующие распределение тепла с помощью ИК-объектива и указанной выше матрицы получили название охлаждаемых тепловизоров MWIR (2-5 мкм) и LWIR (7-14 мкм) диапазонов.

Такие приборы обладают высоким пространственным и временным разрешением, высокой чувствительностью и малым уровнем шумов.

Их недостатками является значительная цена, относительно крупные размеры, высокое энергопотребление и длительное время выхода на рабочий режим. Последние два недостатка обусловлены необходимостью охлаждения матрицы до криогенных температур.

2.5 Неохлаждаемые тепловизоры

Кроме фотоэффекта для фиксации теплового излучения поверхности исследуемого объекта может применяться методика болометрии. Т.е. методика измерения сопротивления проводника, меняющегося вследствие нагрева падающим на него излучением. Двумерные матрицы миниатюрных терморезисторов, предназначенные для фиксации теплового изображения, получили название микроболометров. Важным преимуществом микроболометров является отсутствие необходимости охлаждения при достаточно высокой чувствительности к излучению в диапазоне 8-14 мкм.

Тепловизоры на базе микроболометров получили на данный момент наибольшее распространение. Это обусловлено следующими их преимуществами:

· невысокая, по сравнению с охлаждаемыми моделями, цена;

· компактность;

· низкое энергопотребление;

· высокая надёжность;

· быстрый выход на рабочий режим;

· и т.д.

Однако имеются и значимые недостатки:

· относительно небольшое разрешение по времени;

· несколько меньшее пространственное разрешение;

· меньшая чувствительность к излучению;

· более высокий уровень шумов.

2.6 Мультиспектральные тепловизоры

Описанные выше варианты тепловизоров основаны на методике радиационной пирометрии со всеми свойственными ей недостатками.

Для реализации методики мультиспектральной пирометрии используют комбинацию из двух тепловизоров, работающих в разных диапазонах ИК спектра.

В случае измерения удалённых объектов два прибора располагаются параллельно рядом друг с другом. Для измерений объектов, расположенных вблизи, применяют различные оптические элементы, пространственно разделяющие изображения в среднем (2-5 мкм) и дальнем (8-14 мкм) ИК диапазонах, формируя каждое из них на своей матрице.

Данный подход, реализуя все преимущества мультиспектральной пирометрии, имеет однако несколько серьёзных проблем. В первую очередь это - цена, которая значительно выше цены приборов, работающих в одном диапазоне. Кроме того, излучение среднего ИК диапазона фиксируется только охлаждаемыми матрицами со всеми их недостатками.

Глава 3. Приборы, установки и методы исследования

В процессе работы по организации систем диагностики распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов изучались различные измерительные приборы, как серийные, так и изготовленные автором. Приборы первоначально тестировались на созданном специально для этой цели калибровочном стенде, а затем - на кафедральных установках плазменного азотирования и пучково-плазменого разряда, а также на установке-имитаторе пристеночной плазмы токамака, расположенной в Казахстане.

3.1 Калибровочный стенд

Рис.1: калибровочный стенд: 1 - объектив; 2 - калибруемый прибор; 3 - фланец с окном; 4 - сильноточные электрические вводы; 5 - хромель-алюмелевая термопара; 6 - полоски вольфрамовой фольги; 7 - формакуумный насос; 8 - вакуумная камера

Для калибровки приборов бесконтактного измерения распределения температуры на поверхности был создан калибровочный стенд, состоящий из двух полосок вольфрамовой фольги, через которые пропускается ток, с находящейся между ними термопарой. Фольга располагается в вакуумной камере, что необходимо для обеспечения стабильности температуры, т.к. потоки воздуха создают на поверхности сложное по форме и непрерывно изменяющееся распределение температуры. Схематичное изображение калибровочного стенда приведено на рисунке 1. Изначально предполагалось, что в вакууме фольга будет иметь равномерную температуру, которая будет измеряться термопарой. Однако на практике из-за тепловой неустойчивости (чем выше температура металла - тем выше сопротивление - тем сильнее нагрев - тем выше температура) распределение оказалось неравномерным. Таким образом, калибровку пришлось осуществлять только по участку фольги, расположенному непосредственно вокруг точки касания термопары. Он был виден на изображении по немного меньшей температуре за счёт отвода тепла термопарой. Тепловое изображение калибровочного стенда с отмеченным чёрной квадратной рамкой участком изображения, по которому осуществлялась калибровка, приведены на рисунке 2.

Рис.2: калибровочный стенд и участок, по которому осуществлялась калибровка

3.2 Неохлаждаемый тепловизор Fluke Ti400

В рамках работ по плазменному азотированию, где не стоит существенных требований по временному разрешению, использовался серийный тепловизор Fluke Ti400. Данный прибор внесён в государственный реестр средств измерений под номером 56816-14 и представляет собой неохлаждаемый тепловизор на базе микроболометра.

Его основные характеристики:

· диапазон измеряемых температур от -20 до 1200 °C

· погрешность измерений ±2 °C или ±2%

· частота кадров 9 Гц

· разрешение матрицы 320x240 пикселей

· тепловая чувствительность ?0,05 °C

· спектральный диапазон от 7,5 до 14 мкм

· угловое разрешение 1,31 мрад

· углы обзора 24°x17°

· минимальная дистанция фокусировки 15 см

3.3 Тепловизор на базе цифровой камеры Nikon 1 J1

Для программы исследования воздействия термоядерной плазмы на конструкционные материалы первой стенки в установках-имитаторах на базе цифрового фотоаппарата Nikon 1 J1 был создан тепловизионный прибор. Эта модель выбрана по причине наличия режимов видеозаписи с частотой 400 и 1200 к/с, что обеспечивает разрешение по времени в 2,5 и 0,83 мс. Кроме того он способен снимать видео высокого разрешения с частотой 60 к/с, что обеспечивает разрешение по времени на уровне 17 мс. Внешний вид фотоаппарата представлен на рисунке 3.



Рис.3: цифровой фотоаппарат Nikon 1 J1

Серийный фотоаппарат содержит сборку светофильтров, которая полностью отсекает инфракрасное излучение и существенно ослабляет видимое красное. Это необходимо для приведения кривой чувствительности фотоаппарата к таковой у человеческого глаза. Спектр пропускания светофильтров Nikon 1 J1, измеренный с помощью спектрометра Avantes AvaSpec-2048, представлен на рисунке 4. Эти фильтры обеспечивают близость кривой чувствительности фотоаппарата к глазу человека. Однако максимум спектра теплового излучения твёрдых тел, как правило, приходится на инфракрасную область. Соответственно, для повышения чувствительности прибора аппарат подвергся переделке: сборка светофильтров была изъята, а матрица, для компенсации изменения хода световых лучей, вызванного отсутствием фильтров, была передвинута на 0,7 мм в сторону объектива.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4: спектр пропускания светофильтров фотоаппарата Nikon 1 J1

Кроме того матрица покрыта массивом цветных светофильтров красного, зелёного и синего цветов, необходимых для создания цветного изображения. Все эти фильтры в большей или меньшей степени пропускают инфракрасное излучение, а потому не являются препятствием для измерений. Более того, как будет показано дальше, они способствуют расширению диапазона измеряемых температур.

Прибор на выходе даёт цветное цифровое изображение в формате JPEG в случае статичных изображений и MOV - в случае видеозаписей.

Цифровые изображения состоят из множества отдельных элементов - пикселей. Каждый пиксель изображения - это равномерно окрашенный квадрат. Цвет квадрата задаётся тремя числами, принимающими значения от 0 до 255. Эти числа задают яркость свечения красного, зелёного и синего канала соответствующего участка компьютерного монитора при просмотре изображения. В дальнейшем эти числа будут именоваться «яркость цветовой компоненты», как это принято в цифровой фотографии. Физически они являются определённой монотонно возрастающей функцией от числа фотонов, поглощённых соответствующим элементом матрицы фотоаппарата, с учётом работы усилителя сигнала, встроенного в АЦП матрицы. Сама функция заложена в программу фотоаппарата и открыто производителем не публикуется.

Число фотонов, поглощённых элементом матрицы, линейно возрастает с увеличением времени освещения матрицы, т.е., в терминологии фотографии, с увеличением выдержки, обозначаемой буквой «t».

Вторым фактором, определяющим число фотонов, является объектив. С увеличением диаметра его диафрагмы квадратично возрастает собирающая площадь и, соответственно, энергия излучения. Кроме того, чем больше фокусное расстояние объектива - тем больше размер изображения исследуемого объекта. И тем по большей площади матрицы распределяется его излучение. Соответственно, на каждый элемент матрицы попадает меньше фотонов. Т.к. размер изображения линейно возрастает с увеличением фокусного расстояния, его площадь зависит от фокусного расстояния квадратично, а значит энергия, приходящаяся на элемент матрицы, обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния. Отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру диафрагмы в фотографии называется «числом диафрагмы» и обозначается буквой «F», которая пишется перед числом. Например, «F2.0» означает, что фокусное расстояние объектива в 2 раза больше эффективного диаметра диафрагмы. Таким образом, число фотонов, поглощённых элементом матрицы, обратно пропорционально квадрату числа диафрагмы

Усилитель сигнала, встроенный в АЦП, является линейным прибором. Коэффициентом его усиления можно управлять через меню камеры, регулируя параметр «чувствительность», измеряемый в единицах ISO и, зачастую, обозначаемый буквами «ISO», например, «ISO-100». Увеличение значения чувствительности в определённое число раз в такое же число раз увеличивает коэффициент усиления и равносильно увеличению в такое же число раз выдержки. Стоит, однако, учесть, что при этом увеличивается уровень шумов изображения. Это связано как с несовершенством электроники, так и с фундаментальным шумом, вызванным дискретностью света, который тем больше, чем меньше число фотонов, поглощённых элементом изображения.

По причинам, описанным выше, число фотонов, поглощённых элементом матрицы, пропорционально отношению t/F2, а значения яркостей цветовых компонент зависят от этого отношения, умноженного на чувствительность, т.е. ISO* t/F2. Изображения, полученные при одинаковой величине ISO* t/F2, будут одинаковыми, за исключением уровня шумов (а также «смазывания» движения и степени размытия объектов, не находящихся в плоскости фокусировки).

На данный момент обработка результатов измерений этим прибором происходит вручную. Для определения температуры по изображению, полученному с прибора, необходимо открыть его в фоторедакторе. В своей работе мы использовали бесплатный редактор с открытым исходным кодом GIMP 2.6. Используя инструмент «пипетка» необходимо определить значения яркости цветовых компонент интересующих участков изображения. Используя градуировочные графики, соответствующие данным настройкам (данному значению ISO* t/F2) по этим значениям определить температуру. Градуировочные графики даны в Приложении.

Ввиду различной чувствительности элементов матрицы фотоаппарата различных цветов к инфракрасному излучению, при одной температуре снимаемого объекта значения цветовых компонент разных каналов будут существенно различными. Это позволяет существенно расширить динамический диапазон измерений: когда один цветовой канал уже приближается к насыщению (значение цветовой компоненты более 200), другие каналы ещё находятся в диапазоне наибольшей линейности (значение цветовой компоненты в диапазоне 50-200). Соответственно, для измерений желательно выбирать те каналы, значения цветовых компонент которых находится в диапазоне от 50 до 200 и, если таковых несколько, усреднять полученные по ним значения температуры.

Современных фоторедакторы дают широкие возможности по обработке изображений. Так, например, используя инструмент «выделение по цвету» можно нанести на изображение изолинии температур. Пример такой обработки изображения приведен на рисунке 5.

Рис.5: Пример изображения с нанесёнными изолиниями

3.4 Тепловизор на базе цифровой камеры Canon EOS M

Для задач плазменного азотирования поверхности был создан измерительный прибор на базе цифрового фотоаппарата, в целом аналогичный описанному выше.

Измерительный прибор создан на базе цифрового фотоаппарата Canon EOS M. Эта модель выбрана по причине сочетания возможности смены объективов, низкого уровня шума изображения, низкой цены и полного управления работой камеры с персонального компьютера. Фотоаппарат способен снимать видео высокого разрешения с частотой 60 к/с, что обеспечивает разрешение по времени на уровне 17 мс, чего достаточно для большинства применений. Внешний вид фотоаппарата представлен на рисунке 6.

Рис.6: Цифровой фотоаппарат Canon EOS M

Работы по изготовлению нового тепловизора в целом были схожи с работами по изготовлению прошлого, но имели и некоторые отличия.

Они заключались в том, что по опыту эксплуатации прошлой модели было установлено, что прибор во всех случаях используется с единственным инфракрасным светофильтром, так что для повышения удобства было решено встроить его внутрь прибора вместо штатного набора светофильтров, попутно упразднив необходимость в перемещении матрицы для правильной фокусировки объектива.

Светофильтр необходимой формы был вырезан стеклорезом из стандартного круглого инфракрасного светофильтра и с помощью клея укреплён на штатном держателе светофильтра перед матрицей. Вид модуля матрицы с установленным ИК-светофильтром приведен на рисунке 7.



Рис.7: Модуль матрицы с установленным ИК-светофильтром.

В процессе эксплуатации такое решение показало своё удобство, надёжность и эффективность. Хотя камера потенциально оказалась менее универсальной, не позволяя, например, проводить наблюдения в ультрафиолетовой области, для задач термометрии несъёмный внутренний ИК-фильтр не создаёт никаких неудобств и лишь упрощает работу.

Калибровку прибора начали с температуры около 450 °C, т.к. более низкие температуры не нужны для задач азотирования поверхности. При необходимости возможна калибровка начиная с температуры около 300 °C, однако в этом случае либо временное разрешение снизится до единиц секунд, что не всегда приемлемо, либо снизится точность измерений из-за роста уровня шумов изображения. Калибровка осуществлялась вплоть до температуры в 850 °C, дальнейший нагрев мог быть опасен для термопары. При необходимости, заменив термопару на высокотемпературную, возможно проведение калибровки для более высоких температур. Результаты калибровки даны в Приложении.

Обработка результатов измерений на данном этапе происходит аналогично прошлому тепловизору на базе фотоаппарата Nikon 1 J1.

Глава 4. Экспериментальные исследования

В ходе работ по организации систем диагностики распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов был проведен ряд экспериментов, целью которых было подтверждение пригодности описанных в Главе 3 приборов для выполнения поставленных перед ними задач.

Тепловизор на базе Nikon 1 J1 исследовался на калибровочном стенде на предмет подбора настройки баланса белого, обеспечивающего наибольший динамический диапазон измерений за счёт наибольшей разницы в чувствительности цветовых каналов. По результатам исследования было установлено, что из стандартных настроек наилучший результат даёт настройка «Прямой солнечный свет». Именно она использовалась в дальнейшем во всех работах. Аналогичное исследование тепловизора на базе Canon EOS M такой же результат.

Тепловизор на базе Nikon 1 J1 кроме того тестировался на установке-имитаторе пристеночной плазмы токамака в Казахстане. В ходе эксперимента прибор осуществлял съёмку с частотой 1200 кадров в секунду мишени, облучаемой электронным пучком, движущимся по поверхности мишени по эллиптической траектории, совершая 50 оборотов в секунду. Тест показал способность прибора фиксировать изменения температуры, происходящие за время порядка единиц миллисекунды, позволяя в деталях изучить движение электронного пучка по поверхности. Температура мишени вдоль траектории движения пучка составляла от 540 до 600 °C в наиболее остывших и максимально нагретых областях соответственно. На рисунке 8 можно увидеть последовательность из 12-ти кадров, демонстрирующую эволюцию



Рис.8: Эволюция температуры мишени в течение 10 мс

Тепловизоры Fluke Ti400 и созданный на базе Canon EOS M исследовались на кафедральной установке плазменного азотирования на предмет их годности в качестве приборов контроля распределения температуры по поверхности обрабатываемых деталей.

В процессе этой работы использовались массивные металлические детали, для которых следует ожидать максимально однородного распределения температуры по поверхности, с заделанной в специальное углубление термопарой, позволяющей контролировать истинную температуру детали независимым методом.

Основная цель работы состояла в проверке точности работы приборов и возможности их работы одновременно с горением разряда. Измерения осуществлялись через сетчатый электрод и окно из селенида цинка.



Рис.9: Изображения обрабатываемой в плазме детали, полученное с Fluke Ti400

Первые же опыты показали невозможность правильной работы прибора на базе цифрового фотоаппарата одновременно с горением разряда. Свечение плазмы в рабочем диапазоне длин волн оказалось сопоставимым с излучением от поверхности детали. В дальнейшем все измерения этим прибором производились во время краткосрочного отключения разряда.

Рис.10: Изображение обрабатываемой в плазме детали, полученное с тепловизора на базе Canon EOS M

Аналогично первые же опыты показали полную нечувствительность тепловизора Fluke Ti400 к излучению плазмы. Однако они же показали невозможность правильной работы прибора через сетчатый электрод вследствие малой глубины резко изображаемого пространства. В случае фокусировки на сетчатом электроде изображение детали за ним оказывается недопустимо размытым. В случае фокусировки на детали, размытое изображение сетки формирует поверх изображения детали волнистую структуру, исключающую возможность достоверного измерения температуры. В дальнейшем для измерений в электроде проделывалось отверстие примерно сантиметрового размера, что, как оказалось, не оказывает заметного влияния на разряд.

Рис.11: Изображение обрабатываемой в плазме детали, полученное с тепловизора на базе Canon EOS M после обработки

Тепловизор на основе модифицированного Canon EOS M показал принципиальную возможность работы через сетчатый электрод, однако при этом происходит существенное снижение пространственного разрешения.

Примеры изображений одного и того же объекта, полученных с тепловизора Fluke Ti400 и тепловизора на основе Canon EOS M, можно увидеть на рисунках 9-11.

Однако основным результатом проделанной экспериментальной работы было установление факта многократного изменения коэффициента излучения в процессе азотирования образца.

Коэффициент излучения определялся в диапазоне чувствительности тепловизора Fluke Ti400 (7,5-14 мкм) посредством настройки установленного в его меню коэффициента до тех по, пока показания прибора не совпадут с показаниями термопары. Максимальный сдвиг коэффициента излучения, зафиксированный в наших экспериментах, составил 2,6 раза: от 0,12 до 0,31. Типичным было изменение в два раза (от 0,14 до 0,28).

Глава 5. Анализ источников погрешностей и путей их снижения

В ходе проведённых нами экспериментов было отмечено, что коэффициент излучения поверхности, обращённой к плазме, в результате взаимодействия с ней может увеличиваться до двух раз и даже более. Столь существенные изменения коэффициента излучения, безусловно, оказывают влияние на точность измерений. Однако было отмечено, что если с одним типом приборов погрешность определения температуры составляла сотни градусов, что делало его непригодным для использования, то с другим влияние изменения коэффициента излучения на результаты измерений незначительно и не превышает нескольких десятков градусов. Такая погрешность во многих случаях уже может считаться приемлемой.

В опытах использовалось два типа приборов: серийный тепловизор на базе неохлаждаемого микроболометрического датчика (Fluke Ti400) и приборы, изготовленные на базе цифровых фотоаппаратов, подвергнутых модификации с целью расширения диапазона их чувствительности в ближнюю ИК-область. Именно во втором случае наблюдалась слабая зависимость результатов измерений от коэффициента излучения.

По всей видимости, главной причиной этого является очень сильная зависимость мощности излучения от температуры в диапазоне чувствительности этих приборов.

Приборы, сделанные на базе цифровых фотоаппаратов, чувствительны к излучению в диапазоне длин волн 0,7-1,0 мкм. Излучение короче 0,7 мкм искусственно обрезается ИК-фильтром для устранения засветки от люминесцентных ламп, используемых для освещения лаборатории, а излучение длиннее 1 мкм проходит сквозь кремний, используемый в качестве чувствительного материала матриц. Для тепловизоров на базе микроболометров, согласно информации производителей, характерен диапазон чувствительности 8-14 мкм. На рисунках 12 и 13 представлены зависимости мощности теплового излучения абсолютно чёрного тела от температуры, соответствующие диапазонам чувствительности микроболометра и кремниевой матрицы цифрового фотоаппарата, прикрытой ИК-фильтром. Данные зависимости получены путём численного интегрирования формулы (1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.12: зависимость плотности мощности теплового излучения от температуры в диапазоне длин волн 8-14 мкм.

Как хорошо видно из графиков, в случае микроболометров уменьшение (увеличение) мощности излучения за счёт изменения коэффициента излучения приводит к пропорциональным ошибкам в определении абсолютной температуры. Изменение коэффициента излучения всего на 10% при температуре 1000 К приведёт к ошибке в 48К. Неопределённость коэффициента излучения в ±50%, имеющаяся на практике, приводит к абсолютно неприемлемой ошибке в ±280 К.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.13: зависимость плотности мощности теплового излучения от температуры в диапазоне длин волн 0,7-1,0 мкм

В случае кремниевой матрицы ситуация принципиально иная: при температуре 1000 К даже двукратное изменение коэффициента излучения теоретически должно привести к отклонению показаний лишь примерно на 50 К. Если проводить калибровку при промежуточном значении коэффициента излучения между таковым у детали до обработки и после неё, погрешность будет составлять примерно ±25 К. Разумеется, реальные погрешности зависят от формы кривой спектральной чувствительности приборов, а потому должна определяться экспериментально. Данные расчёты выполнены лишь для оценки по порядку величины.

Используя данные калибровки можно экспериментально определить зависимость принимаемого матрицей сигнала от температуры. Тепловизор на базе Canon EOS M калибровался при одинаковых значениях чувствительности и числа диафрагмы и четырёх значениях выдержки, каждое из которых отличается от соседнего в четыре раза. Выбрав фиксированное значение яркости определённого цветового канала, и найдя температуру, при которой оно будет достигнуто при каждой выдержке, можно определить зависимость сигнала от температуры. Результаты такой работы представлены в таблицах 1-4.

Таблица 1: температура °C, соответствующая яркости, равной 50

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный	462	520	590	656
Зелёный	527	592	656	726
Синий	486	550	618	682

Таблица 2: температура °C, соответствующая яркости, равной 100

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный	501	566	628	698
Зелёный	567	625	695	770
Синий	526	592	655	725

Таблица 3: температура °C, соответствующая яркости, равной 150

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный	531	593	658	728
Зелёный	593	656	728	834
Синий	557	617	687	760

Таблица 4: температура °C, соответствующая яркости, равной 200

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный	559	619	685	757
Зелёный	624	692	767	-
Синий	581	643	716	802

Как легко заметить из таблиц, температуры в соседних столбцах в основном отличаются на 60-70 °C, в среднем различие составляет 66 °C. Соседние столбцы соответствуют изменению потока излучения в четыре раза. Таким образом, можно считать, что мощность излучения, фиксируемого прибором, удваивается каждые 33 °C. Это находится в хорошем согласии с оценочными теоретическими расчётами, давшими число в 50 °C, и говорит о возможности получить погрешность измерения не более ±20 °C при изменении коэффициента излучения в процессе обработки более чем в два раза. Такой результат можно считать вполне удовлетворительным и в процессе работы с прибором пренебрегать отличием коэффициента излучения исследуемой поверхности от коэффициента излучения поверхности вольфрамовой фольги, используемой во время калибровки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы была создана методика измерения распределения температуры на поверхности материалов, обращённых к плазме по их тепловому излучению в ближней ИК области спектра. Методика основана на использовании модифицированного цифрового фотоаппарата.

Основными положительными особенностями методики являются:

· крайне низкая цена. Подходящие модели фотоаппаратов на данный момент стоят в розничной продаже от 15 000 до 25 000 рублей. Их модификация не требует особой квалификации и применения специальных инструментов, а значит, может быть проведена усилиями инженеров лаборатории;

· пренебрежимо малая чувствительность к изменению состояния поверхности материала;

· высокое пространственное разрешение. На данный момент разрешение матриц цифровых фотоаппаратов на один-два порядка превосходит разрешение матриц лучших тепловизоров;

· возможность получения высокого разрешения по времени. Как минимум с некоторые модели фотокамер имеют функцию высокоскоростной видеосъёмки. В нашем случае для скоростной съёмки использовалась модель Nikon 1 J1, которая способна снимать видео со скоростью 400 и 1200 кадров в секунду, что даёт разрешение по времени 2,5 и 0,83 мс;

· возможность автоматизации измерений. Как минимум некоторые модели фотокамер имеют функцию передачи данных на компьютер в режиме реального времени и управления с компьютера параметрами съёмки. В нашем случае для автоматизации использовалась модель Canon EOS M;

· возможность работы через стандартные стеклянные окна.

Серьёзными ограничениями данной методики являются:

· отсутствие возможности закупить готовое проверенное оборудование, необходимо проводить самостоятельную модификацию и последующую калибровку. Ошибки во время последней неизбежно приведут к ошибкам дальнейших измерений;

· возможность работы только с поверхностями, нагретыми до температуры выше 350 - 450 °C, в зависимости от требуемого разрешения по времени;

· невозможность работы во время горения разряда, необходимость как минимум краткосрочного отключения разряда для измерений.

Решением последней из перечисленных выше проблем может быть использование модифицированной цифровой фотокамеры совместно со стандартным тепловизором дальнего ИК-диапазона.

Нами предлагается использовать модифицированную цифровую камеру для периодических измерений распределения температуры по поверхности детали, а затем использовать эти данные для коррекции коэффициента излучения в настройках серийного тепловизора на базе микроболометра. В промежутках между этими периодическими измерениями контроль температуры должен осуществляться по данным серийного тепловизора.

Полученный в ходе работы коэффициент излучения может оказаться важным параметром для определения степени модификации поверхности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдошин Е. С. Светопроводные инфракрасные радиометры (обзор), Приборы и техника эксперимента, 1988, № 2, с.5.

2. Авдошин Е. С. Волоконный инфракрасный радиометр, Приборы и техника эксперимента, 1989, № 4, с.189.

3. Афанасьев А. В., Лебедев В. С., Орлов И. Я., Хрулев А. Е. Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках, Приборы и техника эксперимента, 2001, № 2, с.155-158.

4. Афонин А.В, Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Инфракрасная термография в энергетике. Т 1. Основы инфракрасной термографии, под ред. Ньюпорта Р. К., Таджибаева А. И., СПб. Изд. ПЭИПК, 2000 г. с. 240.

5. Беграмбеков Л.Б., Модификация поверхности твёрдых тел при ионном и плазменном воздействии. М.: МИФИ. 2001

6. Белозеров А. Ф., Омелаев А. И., Филиппов В. Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике. // Оптический журнал, 1998, № 6, с.16.

7. Брао И.П., Анализ основных проблем и поиск перспективных направлений развития отрасли бесконтактной термометрии, Инновации в науке. 2014. № 38. С. 43-48

8. Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. Т.1. М.: Наука, 1964.

9. Букатый В. И., Перфильев В. О. Автоматизированный цветовой пирометр для измерения высоких температур при лазерном нагреве. // Приборы и техника эксперимента, 2001, № 1, с.160.

10. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели: Пер. с польского - Л.: Энергия, 1978.

11. Гордов А. Н. Основы пирометрии, 2 изд., М., 1971.

12. Горелик Л.И., Соляков В.Н., Тренин Д.Ю., Тренина Е.О.,Измерение температуры двухдиапазонным тепловизионным прибором на основе матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика. 2012. № 3. С. 95-100

13. Горелик Л.И., Дрогайцева Е.В., Полесский А.В., Сидорин А.В., Соляков В.Н., Тренин Д.Ю.,двухдиапазонная тепловизионная система для спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм, Прикладная физика. 2011. № 2. С. 92-96

14. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы. Техника. Применение. М.: Мир, 1988.

15. Гура П.С., Сысун В.И. ионно-плазменное азотирование поверхности сталей в индукционном разряде с плоской катушкой. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 6-1. С. 82-85.

16. Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве -- М.: Стройиздат, 1987. -- 237 с.

17. Енюшин В.Н., Крайнов Д.В., О Влиянии излучательной способности поверхности исследуемого объекта на точность измерения температур при тепловизионном обследовании, Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (23). С. 99-103

18. Захарченко В. А., Шмойлов А. В. Приемник инфракрасного излучения Приборы и техника эксперимента, 1979, № 3, с.220.

19. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. Шейндлина А.Е. М.: Энергия, 1974.

20. Исмаилов М. М., Петренко А. А., Астафьев А. А., Петренко А. Г. Инфракрасный радиометр для определения тепловых профилей и индикации разности температур. // Приборы и техника эксперимента, 1994, № 4, с.196.

21. Коротаев В.В., Г .С. и др. Основы тепловидения - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 122 с.

22. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. -- М.: Советское радио, 1978. -- 400 с.

23. Кременчугский Л.С., Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения. -- Киев: Наук. думка, 1979. -- 381 с.

24. Куинн Т. Температура/ Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

25. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. -- Москва «Металлургия», 1980

26. Ллойд Дж. Системы тепловидения./Пер. с англ. под ред. А. И. Горячева. -- М.: Мир, 1978, с. 416.

27. Лукина Е.А., Александров А.А., Шафоростов А.А., Спектор В.С. Формирование наноструктурных градиентных износостойких слоев на поверхности титановых сплавов разных классов при вакуумном ионно- плазменном азотировании. Перспективные материалы. 2010. № 9. С. 151-155.

28. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия (обзор). Приборы и техника эксперимента, 2009, № 4, С. 5-28.

29. Мухин Ю. Д., Подъячев С. П., Цукерман В. Г., Чубаков П. А. Радиационные пирометры для дистанционного измерения и контроля температуры РАПАН-1 и РАПАН-2 // Приборы и техника эксперимента, 1997, № 5, с.161.

30. Огирко И. В. Рациональное распределение температуры по поверхности термочувствительного тела … стр. 332 // Инженерно-физический журнал Том 47, Номер 2 (Август, 1984)

31. Попов С.А., Доцин И.И., Емельянов Г.М., Повышение точности измерения температуры по тепловизионным изображениям, Компьютерная оптика. 2013. Т. 37. № 1. С. 131-134

32. Порев В. А. Телевизионный пирометр // Приборы и техника эксперимента, 2002, № 1, с.150.

33. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л., 1978.

34. Рамазанов К.Н., Агзамов Р.Д. Технология упрочнения поверхности путем создания неоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2011. № 2. С. 164-167.

35. Рибо Г. Оптическая пирометрия, пер. с франц., М. -- Л., 1934

36. Сеньков А.Г., Фираго В.А., Трехспектральная пирометрия металлов на основе современных трехцветных многоэлементных фотоприемников Вестник БГУ. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. 2007. № 1. С. 54-61

37. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М., 1982.

38. Сидорюк О. Е. Пирометрия в условиях интенсивного фонового излучения. // Приборы и техника эксперимента, 1995, № 4, с.201.

39. Скобло В. С. К оценке дальности действия тепловизионных систем. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2001. Т.44, № 1, с. 47.

40. Снопко В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. Мн., 1999.

41. Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерение температур. -- М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов, 1970. -- С. 257.

42. Температурные измерения. Справочник/ Под ред. Геращенко О.А. Киев: Наукова думка, 1989.

43. Федоров А.А., Рыкова Е.В., Киселёва Е.С. Катодно-плазменное азотирование изделий со сложной конфигурацией поверхности. Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2014. № 6. С. 236-245.

44. Фираго В.А. Веста. БГУ. Сер. 1.2006. № 1.С. 28.

45. Фрунзе А. Пирометры спектрального отношения. Преимущества, недостатки, пути их устранения. Фотоника 4/2009.

46. Широбоков А. М., Щупак Ю. А., Чуйкин В. М. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором «Терма-2». // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2002. Т.45, № 2, с.17.

47. Dr. Alexander Dmitriyev. Laser pyrometry offers practical temperature measurement. Heat treating progress, may/june 2005.

48. Chrzanowski K., Bielecki Z., Szulim M. Comparison of temperature resolution of single-band, dual-band and multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 13. p. 2820.

49. Chrzanowski K., Szulim M. Error of temperature measurement with multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 10. p. 1998.

50. Rogalski A. Infrared detectors. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 c.

51. Whitenton Eric. Simultaneously visible and thermal imaging of metals during machining, Proc. of SPIE. V. 5782.

52. Williams George M., Barter Archie. Dual-Band MWIR/LWIR Radiometer for Absolute Temperature Measurements, Proc. of SPIE. 2006. V. 6205. P. 62050M.

ПРИЛОЖЕНИЕ

На приведённых ниже рисунках 1-7 приводятся калибровочные кривые тепловизоров, изготовленных на базе серийных цифровых фотоаппаратов Nikon 1 J1 и Canon EOS M.

Рис.1: Первая калибровочная кривая тепловизора на базе Nikon 1 J1

Рис.2: Вторая калибровочная кривая тепловизора на базе Nikon 1 J1



Рис.3: Третья калибровочная кривая тепловизора на базе Nikon 1 J1

Рис.4: Первая калибровочная кривая тепловизора на базе Canon EOS M



Рис.5: Вторая калибровочная кривая тепловизора на базе Canon EOS M

Рис.6: Третья калибровочная кривая тепловизора на базе Canon EOS M



Рис.7: Четвёртая калибровочная кривая тепловизора на базе Canon EOS M

Размещено на Allbest.ur

...