Способ определения спектральной излучательной способности (его варианты)

 

Изобретение относится к области пирометрии и может быть использовано для определения коэффициентов излучательной способности и температур тел. Способ заключается в том, что на двух длинах волн собственного излучения поверхности измеряют разности обратных значений яркостных температур при двух значениях истинной температуры и отношения коэффициентов направленного спектрального отражения ρ(λ,T) для тех же двух значений температуры для каждой из длин волн λ. Из полученных соотношений определяют искомые коэффициенты излучательной способности ε(λ,T) для двух температур и обеих длин волн. В варианте изобретения: для трех значений неизвестных температур на каждой из двух длин волн измеряются отношения спектральных яркостей для двух пар температур (Т₁, Т₂) и (Т₂, Т₃), возведенные в степени с показателями, численно равными соответствующим длинам волн. На тех же длинах волн измеряются отношения ρ(λ,T) для тех же пар температур. Из полученных соотношений определяется истинное значение ε(λ,T). Техническим результатом изобретения является бесконтактное определение коэффициентов ε(λ,T) поверхности, в том числе излучение которой не подчиняются закону Ламберта on line. В варианте изобретения исключается необходимость в градуировке пирометра. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к радиационной термометрии, радиометрии.

Известно, что измерение излучательной способности on line до сих пор сопровождается серьезными трудностями.

В то же время, необходимость в таких измерениях весьма велика в самых широких областях техники и науки.

Попытки решить эту задачу на основании закона Кирхгофа для непрозрачных тел методами рефлектометрии оказались безрезультатными вследствие рассеяния излучения шероховатостями поверхности.

Так, по закону Кирхгофа ε(λ_l,T_j)=1-ρ(λ_l,T_j), где ε(λ_l,T_j)- коэффициент излучательной способности на длине волны -λ_l и при температуре - T_j; ρ(λ_l,T_j)- коэффициент отражательной способности при той же длине волны и температуре.

Однако в написанном виде закон Кирхгофа справедлив для поверхности, которая подчиняется закону Ламберта.

При шероховатой поверхности имеет место рассеяние, наличие которого приводит к недопустимым погрешностям.

Из предыдущего уровня техники известен прибор Травера (см. Travers J.P. Foex М. - Rev. Gen. Elec. 1970, Nov. v 79, N 10, p 813). Недостаток этого известного прибора и ряда других аналогичных состоит в том, что при наличии рассеяния, т. е. отклонения излучения от закона Ламберта, он практически неприменим, т.е. дает большую погрешность.

Известен способ модуляционной рефлектометрии, взятый за прототип, описанный в книге Д.Я.Свет "Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения" (Москва, Наука, 1968 г., стр. 165-168). Недостаток этого способа состоит в том, что, когда рассеяние зависит от длины волны, а это весьма часто имеет место, метод также неприменим. Использование же различных "собирающих" устройств типа интегрирующих сфер и полусфер при высоких температурах также практически малореально.

В настоящем изобретении поставленная задача решается тем, что в области Вина, т.е. при λT ≅ 3000 мкн.град. одновременно на двух спектральных интервалах с эффективными длинами волн λ₁ и λ₂, яркостным пирометром измеряются два обратных значения яркостных температур [T^-₁¹(λ₁)-T^-₁¹(λ₂)] и [T^-₂¹(λ₁)-T^-₂¹(λ₂)] и рефлектометром два отношения направленных коэффициентов спектрального отражения: ρ^*(λ_1,T₁)/ρ^*(λ_2,T₁) и ρ^*(λ_1,T₂)/ρ^*(λ_2,T₂) с теми же длинами волн, при тех же температурах.

Из указанных четырех соотношений определяются искомые значения спектральных коэффициентов излучательной способности.

Действительно, на основании известного выражения для обратного значения яркостной температуры: T^-1 _рк.l(λ₁) = T^-1_ист.l-(λ_l/C₂)lnε(λ_l,T_j), где i = 1, 2; j = 1,2.

Таким образом, разности обратных значений яркостных температур для двух длин волн при двух значениях истинной температуры будут: где ε(λ_1,T₁);ε(λ_1,T₂) и ε(λ_2,T₁);ε(λ_2,T₂)- коэффициенты излучательной способности в направлении визирования (нормальном или близком к нормальному).

Отношения коэффициентов отражения в этом же направлении с теми же длинами волн λ₁и λ₂ и при тех же значениях температур T₁ и T₂ можем записать согласно закону Кирхгофа, как: где x₁ и x₂ - коэффициенты, учитывающие влияние рассеяния излучения за счет шероховатостей поверхности излучения соответственно на длинах волн λ₁и λ_2. Естественно, значения x₁ и x₂ не зависят от температуры и характеризуют только микрогеометрию поверхности излучения.

Очевидно, что лучистая энергия, рассеиваемая за счет шероховатости поверхности пропорциональна (1-x₂) на длине волны λ₁ и (1-x₂) на длине волны λ₂ соответственно.

Таким образом, при отсутствии рассеяния, при зеркальной поверхности x₁ = x₂ = 1.

Зависимость же излучательной, а следовательно согласно закона Кирхгофа отражательной способности от температуры, определяется, как известно, электропроводностью, диэлектрической постоянной и магнитной проницаемостью материала поверхности на частоте (длине волны) излучения.

Запишем изменение излучательной способности от температуры как:

Здесь α_1,α_2,β_1,β_2,...,γ_1,γ₂- коэффициенты полинома, аппроксимирующего температурную зависимость излучательных способностей.

Таким образом, отношения коэффициентов отражения можем переписать в виде:

или вводя обозначения:

С другой стороны, обозначая λ₂/λ₁ = Z, можно написать:

или

То есть, получаем четыре уравнения с четырьмя неизвестными:

Совместное решение уравнений (1) - (4) позволяет определить все четыре неизвестных.

Естественно, что это делается с помощью компьютера.

В памяти последнего хранятся и данные градуировок, необходимые константы, значения длин волн и др.

В качестве примера, иллюстрирующего предлагаемый способ, приведем реальное соотношение между длинами волн, при котором получается простое аналитическое решение: - это соотношение λ₂= 2λ_1.
В этом случае:

Тогда для ε(λ_2,T₂) получается обычное квадратное уравнение:
aε(λ_2,T₂)²+bε(λ_2,T₂)+c = 0, т.е.

где a = J₁(1-B²) - J₂(1-A);
b = J₁(2B-2B²);
c = J₁B²-A;

Значение корней этого уравнения определяются элементарно, т.к. ε(λ_1,T₂) и ε(λ_2,T₂) всегда суть положительные величины.

Вариантом этого способа является способ определения спектральной излучательной способности, отличающийся тем, что с целью исключения градуировки пирометра в яркостных температурах для трех значений неизвестных температур T₁<T<T на каждой из двух длин волн измеряются отношения сигналов, пропорциональные спектральным яркостям для двух пар значений температур (T₁, T₂) и (T₃, T₂), возведенных соответственно в степени с показателями, численно равными соответствующим длинам волн, т.е.:

где U(λ_l,T_j) = ζ_lC₁λ^-_l⁵ε(λ_l,T_j)exp-(C₂/λ_l,T_j)
Здесь i = 1, 2; j = 1, 2, 3;
аппаратная функция;
C₁ и C₂ - известные пирометрические постоянные.

Одновременно с отношениями (5) и (6) измеряются четыре отношения направленных коэффициентов отражения:

Таким образом, получаются 6 уравнений (5) - (10), из которых определяются 6 неизвестных:

Естественно, что аналогично основному способу при λ₁/λ₂ = 2 для определения ε(λ_2,T₂) получается также квадратное уравнение, но с другими коэффициентами. Заметим также, что значения аппаратных функций также как и величины неизвестных температур в данном способе не определяются, а исключаются.

В дальнейшем изобретение поясняется примером осуществления предложенного способа и его варианта чертежом на фиг. 1, где схематично изображена структурная схема осуществления предложенного способа и его варианта.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит: два источника монохроматического излучения - лазеры 1 и 2, например, аргоновый лазер с удваивающим частоту кристаллом с модулятором излучения обеих лазеров - 3. Поток модулированного излучения лазера с длиной волны - λ₁ поворачивается на 90 град. зеркалом - 4, а поток с длиной волны - λ₂ поворачивается на 90 град. полупрозрачным зеркалом - 5, которые оба потока отражают на обтюратор - 22. Через отверстие - 6 в обтюраторе - 22 оба потока отражаются полупрозрачным зеркалом - 7 на светофильтр - 8 и полупрозрачный (в частности, кремниевый) приемник излучения - 9. На этом приемнике поток с более короткой длиной волны - λ₁ создает сигнал, пропорциональный интенсивности "падающего" излучения. Прошедший через приемник - 9 поток с длиной волны - λ_2, проходит далее через светофильтр - 10 и аналогично создает сигнал "падающего" излучения на втором приемнике излучения - 11.

Спектральная характеристика светофильтра - 8, изображенная на фиг. 2 буквами A B C D E F позволяет выделить излучение на приемнике - 9 (спектральная характеристика этого приемника изображена на фиг. 2 пунктиром - I). Соответственно, спектральная характеристика светофильтра GHK-10 позволяет выделить сигнал с длиной волны - λ₂ на приемник - 11, имеющий спектральную характеристику, изображенную на фиг. 2 пунктиром - II.

Кремниевая "сэндвич-пара" выбрана для сокращения количества зеркал в устройстве.

Если же необходимо использование не частично-прозрачных приемников, что естественно определяется требуемым спектральным диапазоном, то в устройстве добавляется еще одно полупрозрачное зеркало - 7а, а светофильтр - 10 и приемник - 11 переносятся и ставятся в виде 10а и 11а за ним. Далее схема остается без изменений.

Таким образом, на выходе приемников 9 и 11 получаются сигналы, пропорциональные интенсивностям лазеров на частоте модуляции. Эти интенсивности усиливаются и на выходе резонансных фильтров 14 и 15, настроенных на частоту модуляции, подаются на аналого-цифровые преобразователи 23 и далее попадают в оперативную память микропроцессора, где запоминаются в виде значений потоков "падающего" излучения с длинами волн λ₁ и λ_2.
Далее обтюратор - 22 поворачивается, поток излучения от зеркал 4 и 5 прерывается и через обтюратор проходит поток излучения от поверхности - 18 (через полупрозрачные зеркала - 16 и 17). Этот поток состоит из собственного излучения поверхности и потоков отраженного ею нормально модулированного излучения от лазеров, падающих на поверхность от полупрозрачных зеркал 16 и 17 и отраженного поверхностью через те же полупрозрачные зеркала 16 и 17. Все эти три потока: собственный поток излучения поверхности и отраженные последней потоки излучения от лазеров, отражаются зеркалом - 19, проходят через полупрозрачное зеркало - 7 и светофильтр - 8, после чего попадают на приемник (кремниевый фотодиод) - 9, через него на светофильтр - 10 и, пройдя через него попадает на приемник - 11.

Сигналы, пропорциональные 4-м потокам излучения (собственный поток излучения поверхности на волне λ_1, отраженный поверхностью поток излучения от лазера на длине волны λ_1, а также поток собственного излучения поверхности на волне λ₂ и отраженный поверхностью поток излучения от лазера на длине волны λ₂) усиливаются в усилителях 12 и 13, разделяются фильтрами 14 и 20, и 15 и 21, оцифровываются в АЦП-16 и подаются на микропроцессор.

Все эти процессы в указанном устройстве происходят при двух значениях яркостных температур в основном способе или при трех тепловых состояниях поверхности - 18.

Формула изобретения

1. Способ измерения нормальной спектральной излучательной (отражательной) способности поверхности, включающий измерения яркостных температур и коэффициентов направленного отражения, отличающийся тем, что на двух длинах волн одновременно измеряют разности обратных значений яркостных температур при двух значениях истинной температуры и отношения коэффициентов направленного спектрального отражения при тех же двух значениях температур для каждой из длин волн и из полученных соотношений определяют искомое значение излучательной способности.

2. Способ измерения нормальной спектральной излучательной (отражательной) способности поверхности, включающий одновременное измерение интенсивностей спектральных составляющих собственного теплового излучения на двух длинах волн (λ₁, λ₂) при трех значениях температуры (T₁ < T₂ < T₃) и коэффициентов направленного спектрального отражения на тех же длинах волн и при тех же температурах, отличающийся тем, что для каждой пары температур (T₁, T₂) и (T₂, T₃) на каждой из длин волн (λ₁, λ₂) измеряют отношения коэффициентов направленного отражения и возведенные в степень с показателем, численно равным соответствующей длине волны, отношения спектральных интенсивностей на двух длинах волн при тех же значениях температуры, из указанных отношений определяются искомое значение нормальной излучательной способности для всех значений температур и обеих длин волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2