PT95405B - Pirometro multi-comprimentos de onda - Google Patents

Description

EUROPAISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

PIRÕMETRO MULTI-COMPRIMENTOS DE ONDA

A presente invenção diz respeito a um pirómetro multi-comprimentos de onda para a medição da temperatura e do grau de emissão de uma superfície, acima de 900°K, com vários detectores de radiações sensíveis a diferentes comprimentos de onda ...

... Ar ...Jb_n e um processador de dados ao qual são levados os sinais de saída dos detectores de radiações, depois de uma digitalização, e a partir do qual, com o auxílio da lei de Wien-Planck, se calcula a temperatura, admitindo que na superfície exterior se trata de um corpo negro ideal, depois do que se calcula o grau de emissão em função da temperatura e do comprimento de onda, a partir desses valores de temperatura de acordo com uma expressão aproximada e daí a temperatura procurada.

Da revista Temperature, Vol. 5, 1982, pág. 439 a 446, é conhecido um pirómetro rápido do género indicado. Para a superfície a medir é orientado um sistema óptico, que se decompõe em seis canais, por meio de um feixe de fibras de vidro, e é levado, através de um filtro de banda estreita, aos fotodíodos. Os sinais dos detectores são então digitalizados e tratados num processador.

A sua tradução baseia-se na equação de Wien-Planck do corpo negro:

L= C1.V⁵ jexp(C2/XT)-l] ¹ (1 )

-2-/

sendo L a densidade de irradiação para o comprimento de onda)y, C1 e C2 constantes e T a temperatura do corpo negro.

Como a superfície a estudar não é em regra nenhum corpo negro ideal, tem de considerar-se o grau de emissão E, que representa a relação entre a densidade de radiação do corpo negro e a do corpo real.

Este grau de emissão é dependente da temperatura e do comprimento de onda e pode exprimir-se da seguinte forma por meio de uma série de Taylor:

1n E = a_Q + a^ + a₂)/² + ... (2)

De acordo com a experiência, a dependência do comprimento de onda é, em domínios limitados de comprimentos de onda, uma função contínua, de modo que a série (2) pode desprezar-se a partir de alguns termos.

No artigo citado propõe-se, portanto, escolher uma aproximação linear da função (2) e determinar, dos seis comprimentos de onda do pirómetro, dois comprimentos de onda em conjunto e depois determinar a temperatura por meio da análise do quadrado dos desvios dos resultados individuais.

Mostrou-se que este processo conduz, em casos difíceis, a resultados para os quais não é possível indicação fiável sobre a sua precisão.

Assim sucede para medições pirométricas difíceis de superfícies altamente reflectoras, onde o grau de emissão é muito baixo e, por causa de possíveis reacções na superfície, muito

-3-*

variável (por exemplo o alumínio durante os tratamentos metalúrgicos) .

objectivo da presente invenção consiste portanto em aperfeiçoar um pirómetro multi-comprimentos de onda do género indicado na introdução de tal modo que se diminua a dificuldade do cálculo e o erro residual e também que possam obter-se resultados utilizáveis mesmo no caso de medições em condições desfavoráveis.

Segundo a presente invenção, o problema resolve-se calculando as diferenças entre os sinais do pirómetro e os sinais do pirómetro esperados com base no grau de emissão tomado e na temperatura procurada calculada a partir do mesmo para diversas expressões aproximadas e dos diversos comprimentos de onda, e escolhendo as referidas expressões aproximadas que dão para todos os comprimentos de onda, o valor mínimo da soma dos quadrados dessas diferenças e a máxima precisão da temperatura e do grau de emissão.

De preferência, o processador apresenta uma memória na qual se constitui um banco de dados para o grau de emissão de materiais determinados em função da temperatura e dos comprimentos de onda, consultando o processador também esse banco de dados para o cálculo da temperatura, quando a medição do pirómetro se basear nos mesmos materiais.

Descreve-se agora com mais pormenor a presente invenção com base num exemplo de realização preferido, com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam:

t

A fig. 1, um fluxograma das operaçoes efectuadas pelo processador; e

A fig. 2, esquematicamente um pirómetro segundo a presente invenção.

Um pirómetro (1) de seis comprimentos de onda, como o descrito no número da Temperature atrás referido, fornece simultaneamente seis valores de intensidade de irradiação de um corpo, ou da sua superfície exterior, observado pelo pirómetro, estando na prática os comprimentos de onda usados compreendidos entre 400 e 2 000 nm. A largura de banda de um canal de medição é inferior a 100 nm.

Os valores medidos proporcionais à intensidade sao captados, de uma maneira conhecida, em fotodíodos, depois digitalizados e fornacidos a um processador (2). Este verifica, em primeiro lugar, se os sinais são suficientemente estáveis, isto é, se o nível de ruído é suficientemente baixo. Só quando isso suceder pode calcular-se com um erro suficientemente baixo a temperatura (desvio padrão do sinal : S_q). Escolhe-se então a expressão para a determinação do grau de emissão E segundo a equação 2. Distingue-se entre um modelo de ordem zero, no qual 1n E ê uma constante a independente do comprimento de onda, um modelo de 1^â ordem, no qual 1n E depende linearmente do comprimento de onda (a expressão ê definida pela determinação de a_Q e a^ ) e modelos de ordem superior, nos quais têm que ser calculados outros termos da série de Taylor.

Em primeiro lugar, partimos de um modelo de 1^â ordem e

determinam-se ag e a^ e portanto o grau de emissão para os seis comprimentos de onda, tendo ag e a^ que ter o mesmo valor em todas as equações de cálculo. Essencialmente, o cálculo consiste numa sub-rotina que minimiza a soma dos quadrados dos desvios entre os sinais medidos e as intensidades de radiação calculadas por meio do valor do grau de emissão definido por ag e a., e calcula o desvio padrão resultante do procedimento de ajustamento.

Os erros de temperatura e do grau de emissão esperados são calculados como os diferenciais que se obtêm pela incrementação sucessiva dos sinais em cada erro e por um novo cálculo da temperatura e do grau de emissão. Recomenda-se então verificar se não seria também possível utilizar um modelo de ordem zero, visto que este fornece no cálculo da temperatura um erro absoluto menor. Este caso existe quando a constante a₁ da equação 2 estiver abaixo de um valor dado, isto é, quando o grau de emissão for praticamente independente do comprimento de onda. Neste caso obtêm-se portanto seis medidas de temperatura independentes umas das outras nos diferentes comprimentos de onda.

A escolha de modelos de ordem superior conduz a uma diminuição do desvio padrão S^, mas não necessariamente do erro de temperatura. Pelo contrário, quando S_K atinge o valor de Sg, para cada novo aumento da ordem do modelo (overfitting), não resulta, na maioria das vezes, uma imprecisão da temperatura menor, mas sim maior. Quando, na avaliação do erro, se verificar que o erro sobe, encontrou-se o modelo optativo e determi-

Λ η

-6nam-se as constantes a., a_, ... a..

j

Se a análise dos erros der como resultado gue o erro é particularmente pequeno, então recomenda-se memorizar, para utilização futura, as famílias de curvas que combinam a temperatura, o comprimento de onda e o grau de emissão. Constrói-se assim, portanto, um banco de dados ordenado de acordo com o tipo de materiais das superfícies a estudar. Isso é particularmente valioso quando, numa medição ulterior, houver condições de medição muito desfavoráveis, por exemplo o desenvolvimento de fumos de cores diferenciadas no trajecto óptico do pirómetro ou instabilidades na electrõnica devido a uma temperatura ambiente mais elevada. Neste caso, comparam-se simplesmente os valores do pirómetro com famílias de curvas calculadas antes para os mesmos materiais, podendo daí calcular-se directamente a temperatura.

Um banco de dados deste género alimentado pelo menos com sinais perturbados está designado por (3) na fig. 2. Com os dados deste banco de dados podem também funcionar, em paralelo, outros pirómetros monocromáticos.

Com o pirómetro segundo a presente invenção podem efectuar-se, mesmo em condições desfavoráveis, os cálculos desejados dentro de 1 ms, de modo que podem ser representados num visor (4) praticamente em tempo real as curvas da temperatura ou do grau de emissão em função do tempo, mesmo para fenómenos muito rápidos, como por exemplo o aquecimento impulsivo com um laser. Abrem-se portanto novas possibilidades para a análise de fenómenos que se desenrolam rapidamente, a temperaturas no intervalo 'ti r?

-Ί de 700°K a 10 000°K.

Claims (2)

1. REIVINDICAÇÕES

   1,- Pirómetro multi-comprimentos de onda para a medição da temperatura e do grau de emissão de uma superfície acima de 900°K, com detectores de radiações sensíveis a vários comprimen tos de onda diferentes Xl..., Xi, . ..λη e um processador de dados, que recebe os sinais de saída dos detectores de radiações depois de uma digitalização e, a partir deles, por meio da lei de Wien-Planck, calcula a temperatura, admitindo que a superfície é um corpo negro ideal, depois do que se determina o grau de emissão em função da temperatura e do comprimento de onda a partir dos valores da temperatura de acordo com uma fórmula apro ximada e a partir daí a temperatura procurada, caracterizado por se calcularem as diferenças entre os sinais do pirómetro e os sinais do pirómetro esperados com base no grau de emissão admitido e da temperatura procurada calculada, para diferentes /

   f

   -9cálculos aproximados e diferentes comprimentos de onda, e por depois se escolher o cálculo aproximado que fornece para todos os comprimentos de onda o valor mínimo da soma dos quadrados destas diferenças.
2. 2.- Pirómetro multi-comprimentos de onda de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o processador apresentar uma memória na qual se constitui um banco de dados para o grau de emissão de determinados materiais em função da temperatura e do comprimento de onda e por o processador utilizar também este banco de dados para o calculo da temperatura quando se mede a temperatura dos mesmos materiais com o pirómetro.

   Lisboa, 24 de Setembro de 1990