Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника.

Аспирант Ионов А.Б.

Омский государственный технический университет, Россия

Разработка спектрального пирометра с компенсацией влияния внешних факторов

В настоящее время методы бесконтактного измерения температуры (методы пирометрии) находят широкое применение в промышленности, особенно там, где прямой контакт измерительного оборудования с объектом контроля либо невозможен, либо затруднен. Использование таких методов предполагает определение температуры на основе измеренных значений интенсивности теплового излучения объекта. Основополагающим недостатком существующих пирометров (яркостных, радиационных, частичного излучения, спектрального отношения) является невысокая, с точки зрения сведений о температуре объекта, информативность сигнала, поступающего с чувствительных элементов на вход системы обработки данных прибора. При проведении измерений в сложных условиях интенсивность падающего на приемную площадку пирометра ИК-излучения сильно зависит в отдельных диапазонах длин волн от влияния переменных внешних факторов (в основном, от параметров среды распространения излучения), что приводит к появлению значительной погрешности [1].

Перспективным, но до сих пор не востребованным направлением пирометрии является метод определения температуры на основе предварительного измерения формы кривой спектрального распределения S(л) (спектральной плотности мощности) электромагнитного излучения объекта в ИК-диапазоне. Измерение S(л) позволяет получить гораздо больше информации об объекте и условиях измерения, чем использование одного значения интегральной интенсивности (как в большинстве существующих пирометров). В этом случае больший объем информации может позволить значительно снизить погрешность оценки температуры в сложных условиях измерения за счет проведения гибкой статистической обработки.

Для практической реализации рассматриваемого метода спектральной пирометрии была сделана попытка разработки соответствующего программно-аппаратного измерительного комплекса. Основные задачи данного пирометрического комплекса: 1) измерение спектра излучения, поступающего в пирометр; 2) предварительная статистическая обработка полученной оценки спектра излучения S^*(л); 3) анализ обработанного спектра S_x^*(л) с целью определения наиболее вероятной температуры объекта. Результаты измерения спектра излучения целесообразнее всего переводить в цифровую форму, при этом последующие операции должны быть реализованы программно на ПЭВМ или микроконтроллерах (сигнальных процессорах). Для проведения первичной исследовательской работы целесообразнее использовать ПЭВМ.

При решении задачи измерения спектра излучения крайне полезным является использование наработок, полученных в области ИК-спектрометрии [2]. Несмотря на разные цели, преследуемые пирометрией и спектрометрией, многие технические решения с успехом могут быть применены в спектральных пирометрах. В рамках данного исследования в качестве измерительной части спектрального пирометрического комплекса предлагается использовать оптико-механическое устройство, работающее по принципу ИК-Фурье спектрометра (интерферометра Майкельсона). Основным недостатком данной методики является потребность в очень точном изготовлении деталей и узлов интерферометра. В процессе работы на выходе ИК-Фурье спектрометра формируется интерферограмма, к которой необходимо применить преобразование Фурье для перехода к спектральному представлению. В нашем случае, измеренные и оцифрованные значения интерферограммы с выхода аппаратной части пирометрического комплекса по стандартному интерфейсу (RS-232, USB) передаются в ПЭВМ для последующей обработки.

Блок статистической обработки (БСО), выполняемый программно, предназначен для преобразования оценки спектра излучения S*(л) в оценку S_x^*(л), обладающую в идеальном случае нулевым смещением и минимальной дисперсией, за счет учета имеющейся дополнительной информации об условиях измерения. Для осуществления корректной статистической обработки предлагается использовать наработки теории характеристической функции (х.ф.). На вход блока статистической обработки с выхода измерительной (аппаратной) части пирометрического комплекса поступают оцифрованные значения интерферограммы, которые преобразуются в значения х.ф. в соответствии с известным алгоритмом [3]. БСО осуществляет статистическую обработку, пользуясь предварительно сформированной (экспериментально или теоретически) базой данных статистических характеристик внешних дестабилизирующих факторов для реальных условий эксплуатации. В основу предлагаемого принципа работы БСО положен тот факт, что х.ф. смеси сигнала и помехи равна произведению х.ф. отдельных слагаемых. Вычисленная х.ф. полезного сигнала, содержащая информацию о температуре объекта, преобразуется в спектральную плотность мощности с использованием разработанного алгоритма [4].

С выхода БСО данные (статистически обработанная оценка спектра излучения) поступают на вход блока анализа спектра (БАС), также выполняемого программно. Алгоритм работы БАС разрабатывается в соответствии с предъявляемыми к программно-аппаратному комплексу требованиями и типом решаемой пирометрической задачи. В простейшем случае, когда можно считать, что в поле зрения пирометра попадает только один объект, принцип работы БАС сводится к аппроксимации оценки спектра мощности S_x^*(л) теоретической спектральной характеристикой G(л,T) излучения абсолютно черного тела (АЧТ), имеющего температуру поверхности Т (закон Планка). В основу аппроксимации положено утверждение, что наиболее вероятная температура объекта соответствует температуре АЧТ при максимальном совпадении двух спектральных характеристик. В соответствии с этим положением был разработан подходящий критерий сравнения формы спектров и предложен алгоритм для его реализации.

Перед практической реализацией разрабатываемого программно-аппаратного пирометрического комплекса было проведено моделирование с целью проверки эффективности предлагаемых алгоритмов и системы в целом. В частности, была смоделирована процедура бесконтактного измерения температуры плоской поверхности медного окисленного объекта, нагретого до температуры 500°С, в условиях постоянного изменения состава среды пропускания (атмосферы). Для данного случая путем моделирования было проведено сравнение между собой радиационного пирометра, работающего в диапазоне 1-15 мкм, пирометра частичного излучения с приемником на основе селенида цинка PbSe, работающего в диапазоне 2-5 мкм, а также спектрально-статистического пирометра, работающего в тех же диапазонах. Результаты моделирования показали, что погрешность измерения спектрального пирометра не превысила 3°С, в то время как при тех же условиях погрешность пирометра частичного излучения составила 19°С, а пирометра полного излучения достигла 42°С. Похожие результаты были получены при изменении условий измерения и типа объекта.

Таким образом, дальнейшая разработка и практическая реализация программно-аппаратного спектрального пирометрического комплекса является целесообразной, поскольку его применение позволит значительно повысить точность измерения температуры, особенно при наличии сложных условий измерения (внешних дестабилизирующих факторов).

Литература:

1. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. – М.: Мир, 1988 г., 416 с.

2. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. – М.: Мир, 1982 г., 328 с.

3. Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов. – М.: Радио и связь, 2003 г., 204 с.

4. Вешкурцев Ю.М., Ионов А.Б. Характериометрический метод оценивания спектральной плотности // Омский научный вестник. 2005 г., № 4, С. 151-155.