Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта

(51)5 6 0 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Изобретение относитческой пирометрии, осуконтактное измерениеиспользованием предваровки по эталонному исти может быть использоваметодики градуировки иния и модели расчета темИзвестен способ грара излучения и измеренияекта 1, заключающи игнала пирометра от темпе- ного излучателя, хранении й характеристики и измерействительной температуры ся к технике оптиществляющей бестемпературы срительной градуиочнику излучения, но для построения ирометров излучепера.тур.дуировки пирометтемперэтуры объися в получении ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Минский радиотехнический институт (72) Ю.Ч.Гайдукевич, Н.И.Домаренок, А.П.Достанко, В,М,Марченко и И.Г.Мороз (56) 1. Кузмичев В.Н, Калибровочная кривая цифровых анализаторов тепловых полей и методика ее получения//Оптико-механическая промышленность. - 1979 - М 4, - с.46 - 48.2, Апбгогпетег Е., Агбо 1 о 1 арпб Агбосо - ЯтгаЫ 0 пдзругогпетег гп)т тегпрега 10 г - Ипеагегп Ятгогпацз - дэпд, "Кгэгпег Ногз 1, Мепде Киги." Яегпепэ Епегденес пп.", 1983, 5,М 5, 246 - 247 (прототип).3. Коган А,В., Мануйлов Э,А, Определение характеристик пирометров частичного излучения по их аппаратным функциям // Приборы и системы управления. 1985. - М 2, - с,16-17.(54) СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ПИРОМЕТРА ИЗЛУЧЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится к технике оптической пирометрии, осуществляющей бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки по эталонному источнику излучения, и может быть использовано для построения методики градуировки пирометров излучения и модели расчета температур. Сущность способа заключается в том, что при градуировке зависимость сигнала пирометра от температуры 0 = 1 Щ снимают только для одного диапазона, для которого затем определяют зависимость эффективной освещенности фотоприемника от температуры Е 3 ф. = =1 Щ, далее на основании зависимостей рассчитывают зависимость сигнала пирометра от освещенности его фотоприемника Еэф. = =1(0). На основании Еэф. = 1(0), хранящейся в памяти пирометра для остальных диапазонов, определяется только характеристика Езф, = (Т) в виде трех коэффициентов гп, и, К для каждого диапазона. 2 з,п.ф-лы, 6 ил. зависимости сратуры эталонгрэдуировочнонии по ней деобъекта.Практически градуировка производится путем составления таблицы соответствия сигнала пирометра температуре эталонного излучателя, имеющего тот же коэффициент черноты, что и контролируемый объект. Полученная таким образом градуировка хранится в виде таблицы или в виде коэффициентов полинама второй или третьей степени, описывающего данную градуировку. Значения температур данной градуировочной характеристики используется для определения истинной температуры объекта по уровню сигнала.Недостатком этого способа является то, что можно производить контроль температур только тех объектов, коэффициент черноты которых соответствует коэффициенту черноты эталонного излучателя. Для остальных же обьектов температура, определяемая по градуировочной характеристике, называемая условной температурой Т, будет отличаться от истинной температуры Т на величину ЛТ, определяемую различием коэффициентов излучения я объекта и эталонного излучателя,Для расширения области применения пирометра необходимо расширять диапазон контролируемых им температур. При контроле широкого диапазона температур из-за ограниченного динамического диапазона сигнала пирометра весь температурный дйапазон необходимо разбивать на ряд диапазонов, Это может производиться путем дйскретного. неселективного ослабле-ния излучения или установкой селективных фильтров, причем второй способ в некоторцх случаях является предпочтительней, т.к. измерения в различййх "спеКтральных диапазойах позволяют обеспечить максимальное температурное разрешение для данного температурного диапазона, а также выбиратьдля измерений определенные окна прозрачности промежуточной среды, В общемслучае расширеййе температурного диапазона пирометра можетпроизводиться одновременно и путем дискретного неселективного ослабления, и путем установки селективных фильтров, причем каждая градуировочная характеристика пирометрической системы для определенного поддиапазона (фиг,1) должна-храниться в памяти этой системы (либо в цифровой памяти в виде электронной таблицы, либо на бумаге в виде графика). Наиболее близким к заявляемому является способ градуировки пирометра излучения й измерения температуры объекта 2), заключающийся вполучейии зависимостей сигнала пирометра от температурй эталонного излучателя ОН(Т 1 ) и определении зависимости истинной температуры от условной Т = 1(Т) для всех диапазонов измерений, отличающихся спектральными характеристиками, хранении данных зависимостей в памяти пирометра и использовании их для расчета истинных температур.При данном способе градуировка производится путем получения зависимости О=5 = 1(Т 1), где Т) - температура эталонногоизлучателя с известной излучательной способностью е. После этого определяется зависимость измеряемой температуры откоэффициента черноты объекта е, напри 10 мер в виде Т=Т.1 (1+ д Т), где д Т = 1 (с),Снятие данной зависимости основано натом положении, что влияние коэффициентачерноты объекта г,на измеряемую температуру эквйвалентно влиянию коэффициента15 пропускания т, Коэффициент пропусканияту пирометров, имеющих оптическую систему, проще всего изменять с помощью переключения апертурной диафрагмыобъектива. При этом изменение светосилы20 объектива Н будет эквивалентно изменению е, . Математически это будет показанониже. Такая зависимость Т от е, используется при измерении истинной температурыв виде Т = 1(Т ), где Т - условная темпера 25 тура, которая берется непосредственно изградуировочной характеристики О = г(Т) .(фиг,2),Снятие градуировочной характеристикиО = 1(Т ) и определение зависимости Т =30 =1(Т ) производится в каждом температурном диапазоне, отличающемся спектральной характеристикой фильтра. При большомколичестве диапазонов процесс градуировки становится достаточно трудоемким, Кро 35 ме этого, для проведения измерений вовсем температурном диапазоне необходимо хранить характеристики Т = 1(Т ) длякаждого спектрального диапазона, что притабличном описании данной характеристи 40 ки требует наличия значительного объемапамяти для их хранения; аналитическое жеописание данных характеристик с достаточной точностью не всегда эффективно, т.к.зависимость О = ЦТ) определяется совокупностью таких характеристик, как зависимость эффективной освещенностифотоприемника пирометра от температуры.объекта Езф = 1(Т), описываемой закономПланка, и характеристикой свет-сигнал пи 50 рометра 0=1(Езф), которая включает в себясветовую характеристику приемника излученйя, имеющую для некоторых датчиковформу, трудна поддающуюся описанию, ипередаточную характеристику всего элект 55 рэнного тракта пираметра,Целью изобретения является ускорениепроцесса градуировки.Цель достигается тем, что в способе градуировки пирометра излучения и измерения1783322 ностью описания, Дополнительным достоинством формулы является то, что ее коэфтемпературы объекта, заключающемся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя фициенты ьп, и и к могут быть получены из ь.ь=т(Т ), запоминании полученных зависимостей и определении истйкной температу ры, в первом диапазоне определяют зависимость эффективйой освещенности от градуировочных характеристик.Для учета характеристик объектива, расстояния от объекта, коэффициента пропускания промежуточной среды, отличных температуры Еэф=т(Т), и ка основании ее и от значений соответствующих параметров в зависимости ь.ь=т(Т) рассчитывают зависи- момент-градуировки, расчет действительмость сигнала пирометра от освещенности 10 ной"температуры можно производить по его Фотоприемника О=1(ЕЗФ), а для осталь- формуленых диапазонов определяют только завйси-;мость Е ф=Щ используя при этом единую ,1 Ро,2 для всех диапазонов характеристйку " ЕФ 0(" ао г О 0=1(Е,Ф), на основании которых определяЮт 15К - 1истийную температуру объекта,В данном способе предлагается вместозависимостей Т=ЦТ ) в каждом спектраль- . где Н, Г, а, г, Но, Го, ао, го- соответственно ном диапазоне определять зависймость . светосила объектива, фокусное расстояние Е,ф=-1(Т), а зависимость 0=1(Т ) определять 20 объеаььва, расстояние до объекта, коэффитолько для одного диапазона, по которой циент пропускания промежуточной среды рассчитывают зависимость 0=(Еэф), исполу- во йремя измерения температуры "и "в мозуя ее при градуировке остальных диайазо-йбнУградуировки. На фиг.1 представлены градуировочныехарактеристики пирометров; ка фиг.2 - ал-,нов и изМерениях истинной температуры(фиг.3), На основании этого можно сделать 25 вывод, что заявляемый способудовлетворя- горйтм градуировки" с запоминанием ет критерию "новизна", . ".".3=ф,ь) и д Т=1( я ); на фиг.З - алгоритмИспользование в качестве градуировоч- грэдуировкипйрометраи измерения темпе-ной зависймости 0=1(Еэф) вместо О=Щ по- ратуры по предлагаемому способу; на зволяет применять ее во всех спектральных 30диапазоках, т.к. она содержит в себе только фиг.4 - типовая относителькая спектральная характеристика пирометра; на Фиг.5 -энергетические характеристики пирометра три градуировочные характеристики пирасветовую характеристику приемника-йзлу-метра для одногб Фильтра при различных значениях светосилы ббъектива Н, на фиг.б - градуировочная характеристика и три точкй; испольЗуЕМьЬЕ-рр 1 й ОпределанИя завиСимо сти Е;ф=т(Т) для тем пе ратурн ых чения, передаточную характеристикутрактаусиления и не зависит от спектрального диапазона, в котором произвсдйтся-измерение, поэтому отпадает необходимость снятия и хранения множества градуировочдиапазонов, кроме первого Т= ных характеристик. Зависимость жетемпе- Опьььием реализацию способа, предваратуры от эффективной освещенности и 40 рительнораскрывметодикуполучениязавикоэффициента черноты объекта поддаеТся . симостей при градуировке пирометра,достаточно точно аналогическому описа- Сигнал на выходе пирометра можнонию, т,к. она основана на законе Планка. описать вььракениемПри определении температуры йо опре=1(Е,Ф), (1)деленному Еэф с помощью характеристикИ 45 где О - выходной сигнал;Е,.Ф=Щ йспользуют Формулу Еф - эффективная освещенность, со-,здаваемая на приемной площадке пирометьь; " ра;зФт(Е-.Ф) - Функция преобразования светЕ 50 -сигнал, включающая в себя световую характеРистику приемника излучения и передагде и, ьть, К - постоянные для данногО диапа- точную характеристику тракта усиления.зона коэффицменты, рассчитанные в про- Эффективная освещенность на фотбцессе градуировки пирометра по трем приемнике пирометра описывается формуточкам зависимости Еэф=1(Т); г- коэффици лой (31ент черйоты объекта,Данная Формула, связывающая значе- Еф= - Н (1 -- ) тя,1 г(АТ) Я (Л,) бл,2ььия эффективной освещенности Еэф, козф 4 аФициента черноты я с температурой,наряду с простотой обладает высокой то ь1783322 где Н, Р, а, г, е - соответственно светосила объектива, Фокусное расстояние объектива, расстояние до объектива, коэффициент пропускания промежуточной среды, коэффициент излучения объекта, В общем случае хи 5 я являются Функциями от длины волны, но в пирометрических расчетах их обычно заменяют интегральными эквивалентами;г( Л, Т) - спектральная энергетическая светимость абсолютно черного тела, описы ваемая законом Планка, но для Л Т 3000 К мкм данная зависимость с достаточной точностью описывается законом ВинаС 2г(ЛТ) С Л Лт(10) где С 1 и С 2 - постоянные Планка;Л- длина волны излучения;Т - температура тела;3(Л) - относительная спектральная характеристика системы, характеризующая спектральные избирательные свойства всего оптического тракта; объектив, фильтры, приемник излучения, Экспериментально установлено, что относительная спектральная 25 характеристика приемников излучения, в частности видиконов, достаточно точно описывается функцией вида (3)К 2 Я(Л):К.Лк 1 е Х, (4) 30 Значении Ко, К 1 и К 2 ФУнкЦионально свЯ- заны со значением 31 относительной спектральной характеристики (фиг.4) по 35 следующим формулам (математический вывод данных соотношений дан в приложении 1):(6)45Еэф=е " +в (1 2) к 1 К 2Ко Лвах е Спах,одним из достоинств которой является то, что ее коэффициенты е, и и Е могут быть получены практическим путем из градуировочных характеристик по трем точкам,Достоверность выражения (12) можнодоказать путем сравнения выражений (11) и (12), Приравнивая правые части уравнений (1 1) и (12), а также выражений их первых и вторых производных и решив систему из 55 трехуравнений, находим зависимости коэффициентов п 1 и Й ОТ К 1 и К 2й1(13)2 - + -С 2 Т где Лвах - длина волны максимальной спектральной чувствительности;Л 1 - длина волны на длинноволновой ветви спектральной характеристики, на которой спектральная чувствительность равна 31;С учетом этого формула (2) запишется в виде1 Р оэ - (К 1 +5) 1-:эфЩ- - й (1 - - )2 тЕС 1 Кой4 ах(К 1+4)К 2) Г(К 1 +4). где Г(К 1+4) - гамма функция. которая дляцелых К 1 может быть записана формулойэффективную освещенность можно выразить формулой- (К 1+4)Еэф=Кз ( Т +К 2 ) Г( К 1 + 4 ).(11)Данная формула точно описывает зависимость эффективной освещенности от температуры, но значения К 1 и К 2 должны быть заранее определены по спектральным характеристикам приемника излучения, оптики и промежуточных фильтров. В большинстве случаев не имеется точных данных обо всех спектральных характеристиках, а решение системы из трех уравнений (11) для трех тем и е ратур, и р и их практическом определении из градуировочных характеристик с целью нахождения К 1, К 2 и Кз, приводит к трансцедентному уравнению.Эффективная освещенность для различных видов спектральных характеристик может быть описана также Формулой(14)Коэффициент 1 является масштабным иопределяется отдельно,Коэффициенты гп и и зависят от температуры - это означает. что выражение (12)аппроксимирует выражение (11) с достаточной точностью в некотором температурномдиапазоне, По практическим расчетам точ. ность соответствия формулы (12).формуле 1011) достаточно высокая,Коэффициенты и 1, и и М определяются изградуировочных характеристик поТрем точ-"кам.Значение эффективной освещенности 15Еэф, как видно из формулы (9), пропорционально светосиле объектива Н, йоэтому зависимость эффективной освещенности оттемпературы можно определить из зависимости температуры от светосилы объектива 20на одном уровне выходного сигнала пирометра.Ниже рассматривается последовательность операций при реализации способаградуировки пирометра. 251, Путем полного открытия диафрагмысветосила объектива Н устанавливается:намаксимальное значение, равное Н 1. Затемпостепенно увеличивая температуру эталонного излучателя, точку за точкой, снимается зависимость выходного сигнала О оттемпературы Т во всем динамическом диапазоне пирометра, Из данной характеристики берется точка на уровне сигнала Оо,для которой определяется Т 1, После этого 35диафрагма прикрывается до значения, соогветствующего Нг, и температура эталонногоизлучателя увеличивается до тех пор; покавыходной сигнал не станет равным Оо. Данное значение температуры обозначается Тг. 40Температура Тз получается аналогичнымобразом для светосилы обьектива Нз. НаФиг.5 представлены три зависимости О=ГЩ,полученные при разных значениях светосилы объектива Н, Снятие двух полных кривых 45для Нг и Нз необязательно, Достаточно определить температуры Тг и Тз при одинаковых уровнях выходного сигнала пирометраОо, соответствующего температурной точкеТ 1 на градуировке Н. Необходимость проведения измерений на одном уровне сигнала Оо, для трех градуировок, а не трех 0 наодной градуировке, вызвана тем, что дляпирометров функция преобразования светсигнал Ге(Еэф) в формуле (1) является в большинстве случаев нелинейной и, вообще неизвестной. Для исключения влияния Этойнелинейности на результат градуировкй из- .мерения Т 1, Тг, Тз необходимо производитьна постоянном уровне Оо, 2, Имея три температуры Т 1. Тг, Тз и три значения светосилы объектива Н 1, Нг, Нз, с учетом выражений (12) вычисляют значения в, и и 1 по следующим формулам: с Тз - ТгП 1 =-1 з = иЕэЕэф и, ( Нз Эффективная освещенность точки Еэф(Т 1) принимается равной 1 для расчета К из условия нормировки.Таким образом, в результате этих вы= числений определяется градуировочная зависимость Еэф=тТ) для первого спектрального диапазона описывается выражением (12) с учетом данных коэффициентов а, и и К которые заносятся в память пирометрической системы.3, Для определения зависимости выходного сигнала от температуры необходимо определить функцию преобразования свет- сигнал в формуле (1). Данная функция определяется из снятой по п.1 характеристики 0=1(Т) путем пересчета значений температуры Т на этой кривой в эффективность освещенность по формуле (12) с учетом рассчитанных по п,2 коэффициентов а, и и М. Полученная таким образом градуировочная зависимость 0=1(Еэф) записывается в память пирометра.4. Зависимость 0=1(Еэф) является постоянной для данного пирометра, Поэтому при градуировке пирометра в остальных спектральных диапазонах нет необходимости повторного снятия данной характеристики.Расчет значений и, ги и К для других спектральных диапазонов выполняется также по формулам (15-17), но при этом расчет производится по точкам Т 1, Тг и Тз, взятым на одной температурной кривой 0=1(Т) (фиг.б), а не на одном уровне трех характеристик Н 1, Нг и Нз, как в первом диапазоне. Это позволяет ускорить и упростить про(23 цесс градуировки во всех последующих спектральных диапазонах.Для этого в оптическую систему пирометра устанавливается соответствующий данному диапазону светофильтр и повторяется процесс снятия зависимости О=1(Т), аналогично описанному в п.1, Для ускорения процесса градуировки достаточно определить только три точки этой характеристики О(Т 1), О(Т 2) и О(Тз). По градуировочной зависимости О=ф:эф) для этих точек определяются соответствующие Еэф(Т 1); Еэф(Т 2) и Еэф(Тз), которые и используются для перерасчета спектральных коэффициентов в, п и К по Формулам (15 К 20). Рассчитанные коэффициенты в, и и 1 записываются в память и Фактически описывают соответствующую градуировочную зависимость Еэф=-1(Т) с помощью выражения (12).Таким образом, результатом процесса градуировки является запись в память пирометрической системы в табличном виде по точкам одной градуировочной зависимости 0=1(Еэф) и трех числовых коэффициентов щ, и и К для всех спектральных диапазонов, необходймых для описания соответствующих градуировочных зависимостей Еэф=1(Т).Реализация описываемого способа в процессе йзмеренйя температуры-при определении истинной температуры по полученным градуировкам производится в следующей последовательности;а) по полученному значению выходного сигнала О, через хранящуюся в памяти градуировочную зависимость О=т(Еэф), определяют значение эффективной освещенности Еэф,б) полученное значение осввщенности корректируется по коэффициенту черноты объекта измерения или, если характеристики обьектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды в процессе измерений отличается от соответствующих параметров в процессе градуировки, то Еэ ь необходимо корректировать по формуле где го, 7 - определяется по коэффициентам в. момент градуировки и в момент измерения температуры по Формулег=Н(1- - Ятя;Р)а в) по скорректированному значению Еи определяется температура с учетом хранящихся в памяти расчитанных в процессе градуировки в конкретном спектральном диапазоне коэффициентов в, и и 1 10 Заявляемый способ может быть реализован в любых пирометрах, осуществляющих градуировку и измерение температуры под управлением ЭВМ, например, в тепловиэионном пирометре ИИТ (51.Таким образом, из вышерассмотренного можно заключить, что использование в качестве градуировочной зависимости О=1(Еэф) вместо О=Щ позволяет использовать ее во всех спектральных диапазонах,тем самым сокращая количество хранимых полных градуировочных характеристик до одной. Кроме этого, упрощается процесс определения зависимости измеряемой температуры от коэффициента черноты для остальных диапазонов, отличающихся спектральными характеристиками фильтров; вместо снятия трех градуировок снимаются только три точки на одной градуировке, Формула, используемая для расчета температуры по определенному значению Еэф, имея довольно простое написание, обладает высокой точностью, Так, по практическим расчетам при использовании в качестве датчика в тепловизионной лиро метрической системе видикона ЛИс максимумом спектральной чувствительности на Явах=580 нм и с полушириной 61 =180 нм (КО=70, К 2=40,5), максимальная погрешность описания эффективной осве 40 . щенности формулой (12) в диапазоне температур 800,2000 К составляет 0,43 %. Данная погрешность уменьшается при увеличении Т, а также коэффициента К 2, который увеличивается при уменьшении ширины спектральной характеристики. Для широко распространенных узкополосных гирометров (Лвэх = 650 нм и ЛЬЕ=10 нм) максимальная погрешность для того же температурного диапазона равна 0,000014%.Расширенная формула позволяет при измерении температуры также учесть характеристики объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды,Формула изобретения 1, Способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающийся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя О=Щ, запоминании полученных зависимостей и определении истинной температуры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью ускорения процесса градуировки, в первом диапазоне определяют зависимость эффективной освещенности от температуры Е,ф=1 Щ и на основании ее и зависимости 0=1(Т) рассчитывают зависимость сигнала пирометра от освещенности его Фотоприемника 0=1(Е,ф), а для остальных диапазонов определяют только зависимость Еэф=1 Я, используя при этом единую для всех диапазонов характеристику 0=1(Еф), на основании которых определяют истин ную температуру обьекта.2. Способпо п 1,отличающийся тем, что расчет истинной температуры Т объекта при использовании пирометра ча-. стичного излучения производят по формуле,Т=- и" П1 с - 1 и - фЕэЕгде п, а, К - постоянные для данного диапазона коэффициенты, рассчитанные в процессе градуировки пирометра по трем точкам зависимости Езф=Щ:я - коэффициент черноты объекта.5 3. Способ по пп.1,отл ича ю щийсятем, что, с целью учета характеристик объектива, расстояния до объекта, коэффициента пропускания промежуточной среды, отличных от значений соответствующих парамет ров, в момент градуировки расчет истиннойтемпературы производят по формулеТЕэф Но 1 -- ) ТоГодо- иН 1 -- ) Теагде Н, Р, а, т, Но, Го, ао, т- соответственно 20 светосила обьектива, фокусное расстоянисобьектива, расстояние до обьекта, коэффициент пропускания промежуточной среды во время измерения температуры и в момент градуировки.251783322 Составитель Ю. ГайдукевичТехред М.Моргентал Корректор Н. РевскаяФ Редактор Заказ 4507 Тираж . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям. и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 КНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1