Спектрально-энергетическая термометрия нагретых тел Текст научной статьи по специальности «Физика»

г Г^ТГГ А ггТГГгГ /ОС

-3 (57).2010/ VU

The ways and structures of spectral-energy thermometry of heated surfaces are examined..

Е. И. МАРУКОВИЧ, Ю. Л. СТАНЮЛЕНИС, ИТМ HAH Беларуси, О. Ю. БОНДАРЕВ, ПА «МЕГА», А. П. МАРКОВ, ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», А. Г. СТАРОВОЙТОВ, РУП «Могилевэнерго»

УДК 681.518.3:681.586'36

СПЕКТРАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ НАГРЕТЫХ ТЕЛ

Введение. Текущее состояние поверхности нагретого тела проявляется в тепловом или температурном излучении. В тепловом балансе отражается взаимодействие получаемой и излучаемой энергии нагретого тела. В качестве побочного излучателя выступает окружающая среда, которая создает случайный информативный фон [1].

При нагреве элементы поверхности геометрического тела испускают лучистую энергию в определенной части спектра. В отличие от линейчатого спектра сплошной спектр излучения участка поверхности интегрально характеризует тепловое состояние и не зависит от особенностей строения излучающего тела [2].

В отличие от поглощения отражающая способность поверхности оценивается по многофакторной зависимости и для разных участков и разных длин волн воздействующего излучения принимает разные значения.

Энергетическая светимость, как интегральный параметр, характеризует излучательную способность нагретого тела во всем диапазоне длин волн. В энергетическом распределении в спектре излучения нагретого тела по длинам волн общая энергетическая светимость представляет сумму всех спектральных плотностей излучательности во всем интервале длин волн.

По законам классической электродинамики и геометрической оптики лучистый поток распространяется в среде, не изменяя оптических свойств и не оказывая влияния на отдельные элементарные спектрально-энергетические составляющие. Среди бесконтактных способов и средств пирометрии спектрально-энергетические отличаются улучшенными, но сложно реализуемыми преимуществами, так как для формирования и распределения спект-

рально-энергетических составляющих информативного излучения участка поверхности необходима оптически прозрачная среда трансформации спектральных компонент излучения и дифференцированный учет реальных свойств поверхности

[3, 4].

Физические основы спектрально-энергетической термометрии. Дистанционная термометрия нагретого тела на основе эффектов и структур термометрии, с помощью которых визуализируется тепловое состояние отдельного участка, строится на трансформации элементарного лучистого потока к виду, удобному как для наблюдателя, так и для средств обработки информации, ее хранения, анализа, документирования.

Для поверхностей твердых тел с характерным непрерывным спектром собственного излучения интенсивность потока излучаемого при нагревании твердого тела изменяется плавно с изменением длины волны. В дистанционной термоскопии распределение интенсивности информативного лучистого потока определяется по спектральному коэффициенту излучения вх, который определяет и отношение спектральной интенсивности излучения поверхности Ь (X, Т) к спектральной интенсивности абсолютно черного тела Ь (X, Т)ачт при той же температуре [5].

При постоянном температурном градиенте скорость теплового потока является величиной постоянной и характеризуется коэффициентом теплопроводности £т. Величина £"т численно равна количеству тепла, протекающему в единицу времени через единицу поверхности при перепаде температуры на единицу длины нормали [4, 5].

В отличие от коэффициента ^ для учета скорости распространения потока изотермической

96

м г: гшшгг ггггг

3 (57), 2010-

поверхности используется коэффициент температуропроводности ка. Характерная для тепловых процессов инерционность учитывается коэффициентом тепловой активности кв, определяющим способность тела поглощать или отдавать тепловую энергию по зависимости:

к в ^ к тС — у] к т с у,

где С - объемная теплоемкость нагретого тела; с -удельная теплоемкость нагретого тела; у - плотность нагретого тела.

Взаимосвязь коэффициентов кт ка, кв определяется выражением:

к в — к т л/ к в.

Для ряда интенсивно протекающих теплофи-зических процессов нагрев поверхности проходит в коротком временном интервале, что требует всестороннего учета многофакторных зависимостей теплофизических параметров от температуры и состояния поверхности.

Непосредственной задачей первичных преобразований в дистанционной термометрии является изыскание способов и физических эффектов бесконтактного восприятия изменяющихся параметров теплового поля в условиях постоянного термодинамического воздействия на поверхность как нагревателя, так и помех.

При этом в трансформации первичной информации о тепловом состоянии поверхности абстрагируются признаки и свойства нагретого тела в информативные излучения, в которых отражаются определенные соотношения между теплофизи-ческими и информационно-физическими параметрами. В параметрической совокупности термофизических взаимодействий нагревателя и геометрического тела проявляются количественные и качественные показатели технологичности продукции, ее энергоемкости, с одной стороны, и эффективности теплового контроля с другой. Наряду с энерго- и материалоемкостью, длительностью производственного цикла и трудозатратами весьма значимы оперативность обнаружения ненормированных отклонений и эффективность трансформации сформированных информативных излучений.

Дистанционная оценка фактического состояния нагретой поверхности основывается на анализе излучаемого ею теплового потока. При этом параметры информативной составляющей потока излучения определяются его абсолютным значением и спектрально-энергетическим распределением. Если в способах абсолютного термометри-рования преобразовательный процесс строится путем прямого детектирования потока излучения

в одном участке АХ спектра, то в спектрально-энергетическихспособахоцениваетсяспектрально-энергетическое распределение потока в двух и более участках спектра.

Для нагретых тел по мере изменения температуры изменяются спектрально-энергетические параметры. Если повышается температура, то увеличивается энергия излучения, а длина волны Xmax, на которой излучение максимально, уменьшается. Интегрированная энергия излучения нагретого участка поверхности получается путем суммирования энергии по всему спектральному участку

[5, 6].

Спектральная температура нагретой поверхности равна истинной температуре, если спектральный коэффициент излучения е*Х поверхности геометрического тела равен единице. При их различиях для спектрально-энергетической термометрии спектральный коэффициент излучения имеет некоторые фиксированные значения и для известного материала достаточно знать е*Х только при используемой длине волны Хг-.

Для двух модулированных потоков Ф01 и Ф02 излучения нагретой поверхности изменяются по синусоидальному закону и описываются выражениями:

ф\ = Ф01 sin(W +Ф1) и Ф2 = Ф02 sin(W +Ф2)-

После наложения этих потоков излучений результирующее излучение (рис. 1) также будет синусоидальным:

Фи = фр sin(< + 9),

где амплитуда Фр и фаза 0 определяются соотношением:

ф2 = Ф2 +фI +2Ф1Ф2(cos^ -ф2)),

tg9 = (Ф1 sinф1 + Ф2 sinф2)/(Ф1 cosф1 + Ф2 cosф2).

Как следует из рис. 1, ф2 -ф = 9;

Фр sin 9 = Ф1 sin ф1 + Ф2 sin ф2

Рис. 1. Формирование результирующего излучения

rj^r: r: ГСШГ^ггтгге /07

-3 (57), 2010 / VI

или

Фр cos 9 = Ф1 cos ф1 + Ф2 cos ф2. Выражение для tg 0 примет вид: Ф1 sin ф1 + Ф2 sin ф2

нием:

Ф р/ Ф 2 = ^ 1 + у 2 + 2 у cos 9,

где у-Фр /Фг, а угол между Фр и Ф2 составляет:

ф1 = 0, ф2 =0, ф = аг^-(y + cos 9),

sin9

tg ф = -

Ф2 sin9

— 5 f С 2 где вхт = С1А, I exp — -1

—1

с1 = 37413 • 10-12

tg 9 = -

Ф1 cos ф1 + Ф2 cos ф2

Соотношение потоков у определяется выраже-

Фх + Ф 2 cos 0 При этом информативным параметром излучения нагретой поверхности является и фазовый угол ф. Для 0 = const фазовый угол однозначно определяет соотношение двух потоков излучения реальной нагретой поверхности.

Абсолютное значение потока излучения Фр, трансформируемого оптико-электронной системой в электрический сигнал, определяется эффектом использования излучаемого нагретой поверхностью потока и коэффициентом спектрального пропускания оптической системы т^:

X 2

Фр =1 в\т тх d X,

хх

Вт • см2; с2 = 1,436 см • град; X -длина волны излучения; Т - температура, К.

В общем виде фазовый угол ф зависит от соотношения потоков у и начального сдвига 0 (рис. 2) [6].

Формирование первичной информации по изменению фазы информативного излучения нагретой поверхности неразрывно связано с операционными преобразованиями:

• излучением в модулированный гармонический сигнал;

• схемотехническим распределением на две информативные составляющие потока;

• восприятием фазового сдвига между результирующим и опорным сигналами;

• отображением оперативных результатов о фактической температуре нагретой поверхности.

В таких преобразованиях реализуются способы и структуры более эффективной трансформации излучений нагретой поверхности на основе комбинированных оптико-электронных и интерференционных принципов и схем.

Спектрально-энергетическая трансформация информативных излучений способами и технологиями оптико-электронных преобразований и дистанционной передачи позволяет улучшить как информационные, так и метрологические показатели. Однако эффективность и перспективность совершенствующих способов и средств ограничиваются их комплексной реализуемостью и приспособленностью к условиям и технологиям развивающегося производства [3].

Высокочувствительные способы бесконтактной термометрии. Дифракционные способы тер-мометрирования основываются на формировании

Рис. 2. Зависимость информативных параметров нагретой поверхности от соотношения потоков у(а) и фазового угла ф(б)

ПО /ЛГ7ТсГ= г: ГиТГГАггТГГгГ

ви/ 3 (57), 2010-

и анализе дифракционного изображения изменений теплового состояния нагретой поверхности в фокальной плоскости объектива. С использованием методов и схем регулирования размера дифракционного изображения повышается чувствительность и снижается влияние положения излучателя и других случайных воздействий.

Интерференционные способы реализуются на смещении фазы информативного излучения, которое оценивается по изменению интерференционной картины при сопоставлении теплового излучения материальной поверхности с формируемым базовым (опорным). Излучаемая поверхность нагретого тела является вторичным не когерентным излучателем и для получения когерентного информативного излучения лучистый поток с участка поверхности распределяют на два потока с последующей модуляцией. Схемотехнически эти две волны проходят разными оптическими путями. При последующем наложении наблюдается их интерференция.

Имеется большое разнообразие способов и схем интерференционных преобразований. В общем случае интерферируют два, изменяющихся по синусоидальному закону промодулированных потока, не совпадающих по фазе.

Оптико-волоконные способы и устройства. Оптико-волоконные способы термометрии строятся на основе различных схемотехнических реализаций процесса трансформации воспринимаемого информативного излучения участка нагретого тела. За счет преимуществ технологий волоконной оптики более эффективно реализуются операции каналирования, разделения и смешения лучистых потоков.

Оптико-волоконная термометрия обеспечивает дистанционно-ориентированное восприятие информативного излучения участка нагретой поверхности и дифференцированное сопоставление ин-тенсивностей на разных длинах волн, входящих в спектр излучения нагретого тела. По соотношению этих интенсивностей определяется фактическая температура [7].

Схема реализации оптико-волоконной термометрии показана на рис. 3. Излучение нагретой поверхности 1 с помощью волоконно-оптических адаптеров 2 воспринимается и каналируется по локальным световодам 3. Выходы этих световодов объединяются в жгут 4, оптически связанный с коммутатором 5 и блоком оптико-электронной обработки 6, где осуществляется хранение, документирование и отображение результатов [8].

Исключительные возможности каналирования и смешивания элементарных лучистых потоков

Рис. 3. Схема дистанционной термометрии нагретой поверхности 1: 2 - охлаждаемые волоконно-оптические адаптеры; 3 - локальная световодная связь; 4 - жгут световодный; 5 -коммутатор; 6 - блок оптико-электронной обработки

с помощью помехозащищенных светопроводящих сред создают колоссальные схемотехнические и информационные преимущества способам дистанционной оптико-волоконной термометрии.

Однако при сравнительной помехозащищенности и быстродействии такие способы прямого детектирования не отличаются улучшенными информационными метрологическими показателями и требуют своего совершенствования.

Нелинейная зависимость и неопределенность в оценке излучательной способности поверхности в таких способах и устройствах прямых измерений температуры ограничивает достоверность и сужает диапазон, в том числе и динамический. Измерение температуры по методу двух, а также путем ограничения спектральной чувствительности узким интервалом длин волн радикально не решает задачу повышения достоверности и точности дистанционной оценки теплового состояния нагретой поверхности [3, 8].

Предложен способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности, в котором оптическая система ориентированно и одновременно взаимодействует с нагретой поверхностью и отражающими поверхностями образцов со слабой и сильной излучательной способностью. Измерительная информация при этом формируется по соотношению спектрально-энергетических параметров излучения измерительного и опорного излучателей в момент сканирования с последующим световодным каналированием, распределением, преобразованием и оптико-электронной обработкой в реальных пространственно-временных параметрах [9].

С помощью оптических моноволокон реализуется спектрально-энергетическое смешение и распределение лучистых потоков, обеспечивая улучшенные информационно-метрологические характеристики дистанционной термометрии, в том числе и труднодоступных участков внутренних поверхностей.

гг^г: г: г,г^ггггтгггг / оо

-3 (57), 2010/ вв

смешивается в коллекторе 14 с опорным излучением поверхности 9 с коэффициентом излучатель-ной способности, равным 0,95, и отражательной поверхности 10 с коэффициентом излучательной способности, равным 0,06, в коллекторе-излучателе 15. При этом измеряется интенсивность излучения контролируемой поверхности 1 и отраженное излучение от поверхностей 9 и 10 с контрастной отражательной способностью (сильной и слабой), а по соотношению этих контрастных излучений, смешанных в коллекторах-излучателях 14 и 15, и информативного излучения жгута 16 сигналы соответствующих выходов фотоприемников ФП1, ФП2 и ФПИ обрабатываются в блоке первичной обработки БПО. По результатам обработки идентифицируют измеряемую температуру. В такой совокупности информационно-преобразовательных операций и световодных каналирующих, направляющих и смешивающих лучистые потоки от контролируемой поверхности и опорных отражающих поверхностей с большим различием в излучательной способности поверхностей, улучшаются метрологические возможности и эргономика контроля (за счет дистанцирования оператора и приемника непосредственно от нагретой поверхности).

Литература

1. Методология совершенствования технологического контроля в литейном производстве / Е. И. Марукович, А. П. Марков, В. В. Коннов, А. А. Кеткович // Литье и металлургия. 2007. № 4(44). С. 96-103.

2. Г о р д о в А. Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971.

3. Оптико-волоконное скопирование в литье и металлургии / А. П. Марков [и др.]; Под общ. ред. Е. И. Маруковича. Мн.: Беларуская навука, 2010.

4. П р е о б р а ж е н с к и й В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.

5. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. П. Профоса. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия, 1990. С. 34-346.

6. К р и к с у н о в Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1978.

7. Б у с у р и н В. И. Волоконно-оптические датчики. Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатом-издат, 1990.

8. О к о с и Т., О к а м о т о К., О ц у М. и др. Волоконно-оптические датчики: Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е, 1990.

9. Способы дистанционного измерения температуры и устройство для его осуществления: Пат. RU № 2382340(13).

Рис. 4. Схема спектрально-энергетического устройства дистанционного измерения температуры: 1 - поверхность; 2 - стекло защитное; 3 - микрообъектив; 4 - коллектор приемный; 5, 6 - коллекторы-распределители; 7 - жгуты оптических волокон; 8 - коллектор-преобразователь излучения;

9 - поверхность с сильной отражательной способностью;

10 - поверхность со слабой отражательной способностью; 12, 13 - жгуты локальной оптической связи; 14, 15, 16 -коллекторы-излучатели; 17 - микрообъективы; ФП1, ФП2,

ФПИ - фотоприемники; БПО - блок первичной обработки

Способ реализуется устройством (рис. 4), работающим следующим образом. За счет световод-ных жгутов 13 излучение нагретой поверхности 1