PL201025B1 - Sposób bezkontaktowego pomiaru temperatury - Google Patents

Abstract

Sposób bezkontaktowego pomiaru temperatury polegający na tym, że najpierw wyznacza się krzywą kalibracyjną przyrządu pomiarowego, a następnie promieniowanie cieplne emitowane przez badany obiekt dzieli się w ukł adzie optycznym urządzenia pomiarowego na trzy pasma i kieruje się na detektory, a sygnał z wyjścia detektorów przekształca się na postać cyfrową, znamienny tym, że na wstępie ciało doskonale czarne podgrzewa się kolejno do temperatur Tc z zakresu pomiarowego urządzenia do pomiaru, a sygnał cieplny emitowany przez podgrzane ciało czarne kieruje się na optyczny układ odbiorczy urządzenia pomiarowego i wylicza się wartość mierzonej temperatury kalibracyjnej Tk zaś wartość ustawionych oraz wyliczonych temperatur zapamiętuje się w komputerze i na ich podstawie wyznacza się wartość współczynników w wielomianu kalibracyjnego stopnia n tak by była spełniona zależność: n Tc = wo + W1 · Tk + W2 · Tk2 + ... + Wn · Tk" = Σ Wi · Tk' i wartości współczynników rejestruje się w pamięci urządzenia pomiarowego, a następnie podczas rzeczywistego pomiaru temperatury Wyznacza się, znanym sposobem i rejestruje temperatury luminancyjne T1, T2 i T3 dla każdego kanału pomiaroWego oraz temperaturę startoWą Ts z zależności: PL 201025 B1 C · " ln(A2) - in ^ ) f 1 - 1 J- 1 - 1 J1 2 ^(λι ) - ln(A2) f λι λ2 JJ L λ2 λ3 J Ύ Ιη(λ2 ) - Ιη(λ3 ) Ύ s j L S3 J Ιη(λι ) - Ιη(λ2 ) L S2 J Ts po tym z wielomianu kalibracyjnego: n Tp = W0+W1 · Ts + W2 · Tk2 + ... + Wn · Tsn = Σ Wi · Ts'

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób bezkontaktowego pomiaru temperatury stosowany do pomiaru temperatury obiektów za pomocą urządzeń wykorzystujących promieniowanie podczerwone, a zwłaszcza w pirometrach wielobarwowych.

Znany jest sposób pomiaru temperatury polegający na tym, że promieniowanie termiczne emitowane przez badany obiekt i odbierane przez układ odbiorczy jest kierowane na detektory w trzech kanałach optycznych. Sygnały elektryczne z detektorów przetwarza się na postać cyfrową, a następnie wyznacza się temperaturę na podstawie ilorazu kwadratu wartości napięcia sygnału z kanału drugiego do iloczynu wartości napięcia sygnałów z pozostałych kanałów.

Znany jest również sposób przedstawiony w opisie patentowym USA nr 5,125,739, w którym promieniowanie od obiektu dzieli się na trzy różne pasma optyczne. Sygnał optyczny z każdego pasma kieruje się na detektory przetwarzające sygnały optyczne na elektryczne. Następnie sygnały z detektorów zamienia się na postać cyfrową i na podstawie wartości napięcia sygnałów wylicza się wartość napięcia sygnału odpowiadającą całkowitemu promieniowaniu od obiektu jako funkcje napięcia sygnałów dla pierwszego i drugiego pasma optycznego oraz dla trzeciego i drugiego. Po tym wylicza się dwie wartości temperatury i jeżeli ich różnica jest niniejsza niż założona, zakłada się, że wyliczona temperatura jest końcową. Jeśli różnica jest większa dokonuje się korekcji wartości napięcia sygnałów proporcjonalnej do ilorazu wartości napięć tych sygnałów. Jest to sposób iteracyjnego wyznaczenia temperatury z uwzględnieniem promieniowania odbitego od obiektu.

W innym znanym sposobie pomiaru temperatury promieniowanie własne od obiektu przetwarza się przez detektory w trzech różnych zakresach widmowych. Sygnały z wyjścia poszczególnych detektorów wykorzystuje się do wyznaczenia ilorazów wartości napięcia sygnału dla drugiego kanału do wartości napięcia sygnału z kanału pierwszego oraz ilorazu wartości napięcia sygnałów z trzeciego kanału do wartości napięcia sygnału dla kanału drugiego. Po tym na podstawie wartości tych ilorazów i wyznaczonej wcześniej krzywej kalibracyjnej oblicza się dwie temperatury pomocnicze. Ostatecznie temperaturę obiektu wylicza się jako średnią arytmetyczną z wartości temperatur pomocniczych.

Pierwszy ze znanych sposobów nie wnosi błędu pomiarowego jeśli emisyjność spektralna obiektu dla środkowej długości fali jest równa średniej geometrycznej emisyjności dla skrajnych długości fal, drugi nie uwzględnia emisyjności spektralnej obiektu.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że na wstępie wykonuje się kalibrację urządzenia pomiarowego (np. pirometru). W tym celu ciało doskonale czarne podgrzewa się kolejno do temperatur T_c z zakresu pomiarowego pirometru. Natomiast promieniowanie cieplne emitowane przez podgrzane ciało czarne kieruje się na optyczny układ odbiorczy urządzenia pomiarowego i wylicza się wartość mierzonej temperatury kalibracyjnej T_k. Wszystkie ustawione i odpowiadające im wyliczone wartości temperatur kalibracyjnych zapamiętuje się w komputerze. Zapamiętane wartości temperatur wykorzystuje się do wyznaczenia współczynników w wielomianu kalibracyjnego stopnia n tak by była spełniona zależność:

n

T_c = w₀ + w-i · T_k + w2 · T^ + ... + w_n · Tkⁿ = Σ w, · Tk i wartości tych współczynników rejestruje się w pamięci urządzenia pomiarowego. Po tym podczas rzeczywistego pomiaru temperatury wyznacza się, znanym sposobem i zapamiętuje temperatury luminancyjne T₁, T2 i T3 dla każdego kanału pomiarowego oraz wylicza się temperaturę startową Ts z zależności:

Ίη(λ2)-Ιη(λ3) f_1_±Ί_ίO

Ιη^) - Ιη^) \λ¹ λ2 ^J Iλ ² λ3^ fS2_Ί_ Ιη(λ 2) - Ιη(λ 3) |ηΓδι_Ί tS³ ) Ιη(λ^-) - Ιη(λ ²) ^S2j a z wielomianu kalibracyjnego:

n

Tp = w₀+ wl · Ts + w2 · Ts2+ ... + wn · T_s ⁿ = Σ w, · Ts' wyznacza się temperaturę przybliżoną Tp. Następnie wylicza się zmienną pomocniczą q z zależności:

PL 201 025 Bi

Ιη(-ι) - Ιη(λ₂)

i jeżeli -0,1<q<0,1 oblicza się temperaturę pomocniczą To z zależności:

T_o lub gdy T₁<T2<T3 albo Ti>T2>T3 oblicza się temperaturę pomocniczą To z zależności:

T° ^S2 ^S1

C2 ·	'ln(A2)-ln(A3) f 1 1 Ί	1 _ 1 Ί1
C2	ln(A1)- InA2) -1 λ2 J	1 - 2 - (J

lnf®2_ - ^|η<^λ2) ~^|η(^λ3) ts₃ ^J Ιη(Μ - Ιη(λ²)

lub gdy Ti<T2 i T2>T3 albo Ti>T2 i T2<T3 to oblicza się temperaturę pomocniczą To z zależności:

C2 -[λ, ·<λ₂ - /)3)·(λ ι-λ₂3-λ₃ -(λ,-λ 2 )·(λ₂-λ₃)]

0 -1 · -2 -( ·

(-1 --2)·

Xił $

+(-2 --(> +5 n —i2

>

i na podstawie wyliczonej temperatury To wyznacza się z wielomianu kalibracyjnego temperaturę badanego obiektu T zgodnie z zależnością:

n

T = w₀+ wi · To + w2 · To2 + ... + w_n · Toⁿ = Σ w, · To'

W sposobie według wynalazku automatycznie wybiera się funkcję opisującą emisyjność spektralną obiektu, od której zależy wybór odpowiedniej zależności na temperaturę pomocniczą i końcową. Dzięki temu wartość emisyjności badanego obiektu nie ma wpływu na dokładność pomiaru temperatury. Zastosowana w sposobie metoda kalibracji przyrządu pozwala wyeliminować wszystkie stałe związane z konstrukcją pirometru, jak również uwzględnić położenie pasm pochłaniania atmosfery względem położenia i szerokości optycznych pasm roboczych przyrządu pomiarowego.

Podczas realizacji sposobu według wynalazku najpierw wyznacza się współczynniki w wielomianu stopnia n opisującego krzywą kalibracyjną urządzenia pomiarowego. W tym celu techniczne ciało doskonale czarne podgrzewa się kolejno do temperatur T_c z zakresu pomiarowego pirometru. Wartości tych temperatur rejestruje się w komputerze. Jednocześnie promieniowanie cieplne emitowane przez podgrzane ciało czarne kieruje się na pirometr, w którym wylicza się znanym sposobem temperaturę T_k odpowiadającą kolejnej temperaturze rzeczywistej Tc. Obliczone temperatury T_k również rejestruje się w komputerze. Po wykonaniu pomiarów oblicza się współczynniki w wielomianu opisującego krzywą kalibracyjną, tak aby była spełniona zależność:

n

Tc = wo + wi · Tk + w2 · Tk2 + . .. + wn · T^= Σ w, · Tk'

Przyjmuje się, że stopień wielomianu n jest nie większy niż 10. Po wyliczeniu wartości współczynników w wielomianu, wartości te wpisuje się do pamięci urządzenia pomiarowego.

Jednym z parametrów opisujących promieniowanie cieplne emitowane przez obiekty o określonej temperaturze jest emisyjność spektralna ε zależna od długości fali emitowanego promieniowania. W sposobie według wynalazku przyjęto, że emisyjność spektralna obiektu może być opisana funkcją potęgową e(X)=a · X^b, wykładniczą e(X)=e^a+bx2 lub stałą e(X)=a względem długości fali. Dla przyrządu trzybarwowego funkcje te zwierają nie więcej niż dwa parametry a i b.

Podczas rzeczywistego pomiaru pirometrem trzybarwowym cały spektralny zakres pomiarowy pirometru dzieli się na trzy podzakresy, których środkowe długości fal wynoszą: λι, λ,2, λ3. Promieniowanie emitowane przez badany obiekt i odebrane przez optyczny układ odbiorczy pirometru kieruje się na trzy detektory promieniowania. Elektryczny sygnał z wyjścia detektorów przetwarza się na sygnał cyfrowy. Na wyjściu przetworników analogowo-cyfrowych otrzymuje się liczby Si, S2, S3 odpowiadające wartości napięcia z detektorów dla poszczególnych kanałów pirometru. Dla każdego pomia4

PL 201 025 Bi ru określa się najpierw metodą stosowaną w pirometrach jednobarwowych temperatury luminancyjne Ti, T2, T3 odpowiadające każdemu z kanałów widmowych oraz wylicza się temperaturę startową T_s z zależności:

^C2 ’ Ts =ln(A₂)-ln(A₃) Q _ ΖΠΖ' ln(A) - ln(A₂) I© A₂J ^λ₂ A3 J JsJ ln(A_z) - ln(A₃) JsJ

K J ln(A)-ln(A₂) (sj gdzie C₂ =1,4387752(25)-10_ mK i jest to druga stała promieniowania

Następnie wyliczana się temperaturę przybliżoną Tp z wielomianu kalibracyjnego oraz zmienną pomocniczą q z zależności:

ln

^λ2 ln(Ai) - ln(A ₂) gdy zmienna q przyjmuje wartości z przedziału -0,1<q<0,1 zakłada się, że emisyjność spektralna jest aproksymowana funkcją stałą i wlicza się temperaturę To z zależności:

T_o ^S2 ^Si gdy z obliczonych wartości temperatur luminanacyjnych wynika, że Ti< T2< T3 lub Ti> T2> T3 to zakłada się że emisyjność jest aproksymowana funkcją potęgową i temperaturę To wylicza się z zależności:

ln(A₂) -ln(A3) ί 1 _£ ln⁽A.,^)-ln⁽A²) A² _i___i_ ^A2 ^A3 ln ln(A₂) -ln(A3) .JSi ln⁽A^i)-ln⁽A²⁾ ' l S natomiast gdy Ti < T2 i T2 > T3 lub Ti > T2 i T2 < T3 to zakłada się, że emisyjność aproksymowana jest funkcją wykładniczą, a temperaturę To wlicza się z zależności:

C₂ - [A¹ - (A2 - A³) - (A¹- A2) - A³- (A¹- A₂) - (A₂ - A³)]

Ai · A2 -A3 (A1- A₂) ln + 5 -lnl + (λ₂-λ₃)·Ιη|-^| + 5·Ιη|

A¹

Po tym na podstawie obliczonej wartości temperatury To wylicza się z wielomianu kalibracyjnego rzeczywistą wartość temperatury T badanego obiektu:

n

T = w₀+ w1 - To + w2 - Tq2 + ... + w_n - Toⁿ = Σ w, - To'

Claims (1)

1. Sposób bezkontaktowego pomiaru temperatury polegający na tym, że najpierw wyznacza się krzywą kalibracyjną przyrządu pomiarowego, a następnie promieniowanie cieplne emitowane przez badany obiekt dzieli się w układzie optycznym urządzenia pomiarowego na trzy pasma i kieruje się na detektory, a sygnał z wyjścia detektorów przekształca się na postać cyfrową, znamienny tym, że na wstępie ciało doskonale czarne podgrzewa się kolejno do temperatur Tc z zakresu pomiarowego urządzenia do pomiaru, a sygnał cieplny emitowany przez podgrzane ciało czarne kieruje się na optyczny układ odbiorczy urządzenia pomiarowego i wylicza się wartość mierzonej temperatury kalibracyjnej T_k zaś wartość ustawionych oraz wyliczonych temperatur zapamiętuje się w komputerze i na

   PL 201 025 Bi ich podstawie wyznacza się wartość współczynników w wielomianu kalibracyjnego stopnia n tak by była spełniona zależność:

   n

   T_c = w₀ + w- · T_k + w2 · Tk² + ... + w_n · Tkⁿ = Σ w, · Tk i wartości współczynników rejestruje się w pamięci urządzenia pomiarowego, a następnie podczas rzeczywistego pomiaru temperatury wyznacza się, znanym sposobem i rejestruje temperatury luminancyjne Ti, T2 i T3 dla każdego kanału pomiarowego oraz temperaturę startową T_s z zależności:

   C2 · Γη(λ2)-Ιη(λ3) Γ 1 1 I t ¹ - ¹ Ϊ] Lm^¹)-Ιη(^²) tλ¹ λ^{2 J} l ^{λ 2} λ3^

   JSłΊΙη(λ₂) - Ιη(λβ) _|ηΓ_δι_Ί ts₃ ^J Ιη(λ^-) - Ιη(λ ²) |^S₂J po tym z wielomianu kalibracyjnego:

   n

   Tp = ao+a! · Ts + a2 · Tk2 + ... + a.. · T_s ⁿ = Σ ai · T^ wylicza się temperaturę przybliżoną Tp oraz zmienną pomocniczą q z ζβΙβΖηοέαί:

   ^Ιη|> T λι ^λ2

   Ιη(λ₁) -Ιη(λ₂) i jeżeli -0,1 <q<0,1 oblicza się temperaturę pomocniczą T„ z zależności:

   T_o lub gdy Ti<T2<T3 aioo Ti>T2>T3 oblicza się temperaturę pomocniczą To z zależności:

   T_o

   Ίη(λ2)-Ιη(λ3) 11 f1Λ Ιηίλ,,)-Ιη(λ²) \λ¹ λ^{2 J} λ ² λ ^{3 J} ln| $2 Ϊ _ Ι^η(^2)_Ι^η(^3) · Ιηί

   S3 J Ιηίλ!) - Ιη(λ₂) lub gdy Ti<T2 i T2>Ts atoo Ti>T2 i T2<Ts to oblicza się temperaturę pomocniczą To z zależności: C² · [λ¹ · (λ² - λ³) ·ίλ. - λ²) - λ³ ·ίλ. - λ²) · (λ² - λ^] (λ1 - λ₂) ·

   Ιη| — I + ^s ·^{Ιη — S3 J} U + (λ₂ -λ₃)·1η| J + ^s zaś na podstawie wyliczonej temperatury To wyznacza się z wielomianu kalibracyjnego temperaturę badanego obiektu T zgodnie z zależnością:

   n

   T = w₀ + w1 · To + w2 · T_q2 + ... + Wn · T_o ^Π = Σ W , · T_o'