К вопросу конструирования опорного излучателя в пирометрии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

На рис. 3 приведены результаты интерполяции изображения области локального нагрева, восстановленные при помощи билинейной интерполяции (рис. За) и прямоугольной интерполяционной функции (рис. 36).

900 J L т «С

Рис.3

Предложенная интерполяция кроме получения изображения в темпе процесса позволяет получить интерполяционные функции по осям X и Y, пригодные для практического использования. На рис. 4а приведен график температуры контролируемого поля по оси X для заданного сечения I - I по оси Y. На рис. 46 приведен график температуры контролируемого поля по оси Y для заданного сечения II-II по оси X.

На основании описанного алгоритма восстановления изображений на языке С++ под Dos и Windows были написаны подпрограммы обработки числовых массивов, встроенные в программное обеспечение системы тепловизионного контроля, прошедшей производственные испытания на Павлодарском алюминиевом заводе.

а)

900 +Т"С

100

б) рис.4 ЛИТЕРАТУРА

1. У. Прэтт. Цифровая обработка изображений: пер с англ.-М. Мир: 1982 г. кн 1.

ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета.

ВАЛЬКЕ Алексей Александрович - аспирант кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета.

В. А. ЗАХАРЕНКО, А. Г. ШКАЕВ Омский государственный технический университет

УДК 621.384.3:536.52

В технике пирометрии, как при поверке пирометров, так и непосредственно в конструкциях, широко применяются источники опорного излучения [1]. Эти источники представляют собой модели черного тела, температура которых поддерживается на заданном уровне. В отдельных случаях опорный источник представляет собой лампу накаливания [2], запитанную от стабилизированного источника напряжения.

Очевидно, что погрешность пирометров при этом будет определяться параметрами стабильности опорного излучателя. В этой связи предлагается при конструировании опорных излучателей исходить из требований к погрешности пирометра, при этом основным метрологическим критерием является требование к погрешности отклонения от заданного потока излучения опорного излучателя, которая должна быть не менее чем в три раза меньше, чем погрешность пирометра [3]. Следовательно, задавшись погрешностью пирометра, можно найти диапазон допустимых изменений потока, излучаемого опорным источником и, соответственно, точностью поддержания температуры излучающей полости модели черного тела.

В работе поставлена задача разработки опорного

К ВОПРОСУ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОПОРНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ПИРОМЕТРИИ_

В СТАТЬЕ ПРИВЕДЕНЫ РАСЧЕТЫ ПО ОБОСНОВАНИЮ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОЛОСТИ МОДЕЛИ ЧЕРНОГО ТЕЛА, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ КАК ОПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ПИРОМЕТРОВ. ПРЕДЛОЖЕНЫ КОНСТРУКЦИЯ МОДЕЛИ И ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ, ПРИВЕДЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

источника для пирометров, объектом контроля для которых являются поверхности с температурой Т=250 °С с погрешностью 5= +1%. При этом предполагается, что температура Т0 приемника излучения пирометра составляет 20 °С.

Тогда поток Р, поступающий от объекта контроля на приемник излучения можно рассчитать как

_ _ SL S2 / . Л SL-S2

i(X,T)dX-

гС(Х,Т0)

dXl.

(1)

где: Б1 - площадь излучателя; Б2 - площадь приемника; [_ - расстояние между приемником и излучателем;

г

Jo

r(X.T)dj_ плотность потока излучателя;

ю(х,

т„ dX.

плотность излучения окружающей среды; ст=5,6697-1012 Вт/ (см2К4) - постоянная Стефана-Больцмана.

При этом плотность потока излучения, в соответствии с функцией Планка, рассчитывается как

г(Х,Т) := С, (Х)

_2

1-т

(2)

где: С^глЬс2; С2=(Ис)/к; Ь=6.62*10 м Дж*с - постоянная Планка; с=2.99*10® м/с - скорость света в вакууме; к -1.38*1023 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - температура излучателя (объекта контроля); То - температура приемника.

С учетом спектральной характеристики приемника (РЬБе- фоторезистора с оптическим фильтром из Сс15Ь) поток, попадающий на приемник в области его спектральной чувствительности, может быть вычислен как:

wL2 U XI

S(X)-itX,T)dX-

Х2

S(X)rfi(X.T0)dX

(3)

где: 8(Х) - спектральная характеристика РЬБе-фоторезистора [4]; Х.1=2.5*10^ м, Х2=5.5*10"а м -граничные длины волн спектральной характеристики приемника излучения.

Расчет относительных изменений ДР, при изменении Т на ±1 % может быть произведен как

п - К

(4)

AF =

•100%

где: Р1 - поток, соответствующий увеличению температуры контролируемого объекта на 1% (250+2,5) °С; Р2 - поток, соответствующий уменьшению температуры объекта на 1 % (250-2,5) °С; РЗ - поток, соответствующий температуре объекта 250 °С.

В спектральном диапазоне Х1-Х2 это изменение в соответствии с (3) рассчитывается как:

..t

T

Г ■

S(i)rt^*.T0)6*

"■(5)

где Т1, Т2, ТЗ - температуры контролируемого объекта, соответствующие потокам Й, Р2, РЗ.

ДР-6.552 %

Следовательно, для обеспечения метрологического критерия, предъявляемого к опорному источнику, допустимое отклонение потока от опорного источника может составлять не более ДР'/3=2,18 %.

Принципиально моделью черного тела, применяемой как опорный источник, может являться замкнутая равномерно нагретая полость с полым излучающим отверстием. Температура полости при этом, как следует из приведенного расчета, должна поддерживаться с точностью, обеспечивающей отклонение лучистого потока не более чем на 2,18 %. Очевидно также, что при использовании в опорном источнике электрической спирали в качестве нагревателя, надежность его будет тем выше, чем меньше температура нагрева. Из соображений достаточной мощности излучающего потока в спектральном диапазоне чувствительности фотоприемника на основе РЬБе предлагается излучатель с температурой полости не более 100 °С. Тогда, в соответствии с приведенным выражением (5), можно рассчитать допустимые отклонения температуры полости, при которых отклонения лучистого потока опорного источника не превысят 2,18 %. Как показали расчеты, произведенные с применением МаШсас!, температуру равную 100 °С необходимо поддерживать с погрешностью не хуже ±0,4 °С.

Экспериментальный образец опорного источника представляет собой нагревательный элемент из отожженной нихромовой проволоки диаметром Л,15 мм, помещенный в теплоизоляционный корпус из асбеста и пенополиуретана с диаметром выходного излучающего отверстия 2 мм. Спираль нагревательного элемента

намотана на плоскую прямоугольную пластину из фторопласта, в которую вставлен кремниевый диод, исполняющий рольдатчика температуры нагревателя.

Электронная схема, обеспечивающая поддержание температуры с необходимой точностью, приведена на рис.1. Пропорциональный интегрирующий регулятор построен по классической схеме [5] на базе операционного усилителя (ОУ) DA1 (140УД17Б). Опорное напряжение снимается с делителя на резисторе R1 =1 кОм и R4=10 кОм. От стабилизированного источника напряжения, через токоограничивающий резистор R2=10 кОм подключен кремниевый диод VD1 (КД522), исполняющий рольдатчика температуры. Падение напряжения на диоде, пропорциональное температуре нагревательного элемента, снимается через резистор R3=10 кОм. В качестве регулирующих элементов использованы транзисторы VT1 (КТ3107Ж) и VT2 (КТ814Б). Включение интегрирующего конденсатора С1=15 нФ приводит к уменьшению статической ошибки регулятора.

Экспериментальные исследования описанного опорного источника показали, что он обеспечивает поддержание температуры в излучающей полости 100+0,0156 °С при температуре окружающей среды 20 °С и 100 ±0,1525 °С в диапазоне температур окружающей среды от 0 °С до +60 °С, что значительно (в 2,5 раза) меньше минимальной погрешности 0,4 °С.

Все численные расчеты, результаты которых приведены в работе, проведены с использованием встроенных функций программы Mathcad Plus 7.0 Pro.

12 В

; Ииуогсль

Рис.1. Схема электрическая принципиальная.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Оптико-злектронные системы измерения температуры. - М.: Энергия, 1979. -208 с.

2. Основы температурных измерений / А. Н. Гордов, О. М. Жагуло, А. Г. Иванова. - М.: Энергоатомиэдат, 1992. -304 с.

3. ГОСТ Р.8.56396 Методики выполнения измерений.

4. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. У. Волф, Г. Циссас/Т. 3. Пер. с. англ.-М.: Мир, 1999.-472С.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 512с.

ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета.

ШКАЕВ Александр Геннадьевич - аспирант кафедры «Технология электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета.