RU2515086C1 - Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object - Google Patents

Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object Download PDF

Info

Publication number
RU2515086C1
RU2515086C1 RU2012149310/28A RU2012149310A RU2515086C1 RU 2515086 C1 RU2515086 C1 RU 2515086C1 RU 2012149310/28 A RU2012149310/28 A RU 2012149310/28A RU 2012149310 A RU2012149310 A RU 2012149310A RU 2515086 C1 RU2515086 C1 RU 2515086C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
selected frequency
radiation
digital image
camera lens
frequency
Prior art date
Application number
RU2012149310/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Даниил Владимирович Алексеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук (Институт геологии и минералогии СО РАН, ИГМ СО РАН)
Priority to RU2012149310/28A priority Critical patent/RU2515086C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2515086C1 publication Critical patent/RU2515086C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves forming a digital image of the object at a selected frequency using thermal radiation emitted by the object and obtaining an additional digital image of the same object illuminated with scattered radiation. The obtained two images and illumination of the surface of the object are used to calculate the reflection coefficient of scattered radiation in the direction of the video camera lens at points of measuring temperature at the selected frequency and temperature distribution is calculated from the obtained coefficients and the first image.
EFFECT: simple measurement method and enabling measurement of temperature without obtaining preliminary information on properties of the object.
3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области оптической пирометрии, и предназначено для измерения распределения температуры на поверхности различных объектов.The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to the field of optical pyrometry, and is intended to measure the temperature distribution on the surface of various objects.

Современные пирометрические методы измерения температуры можно разделить на три группы: яркостные методы (температура определяется по спектральной плотности теплового излучения объекта на заданной частоте), радиационные (температура определяется по энергетической светимости объекта) и многочастотные (температура определяется по спектральной плотности теплового излучения объекта на нескольких частотах). Все перечисленные методы обладают достаточно высоким пространственным разрешением и позволяют измерять распределение температуры.Modern pyrometric methods for measuring temperature can be divided into three groups: brightness methods (temperature is determined by the spectral density of the thermal radiation of the object at a given frequency), radiation (temperature is determined by the energy luminosity of the object) and multi-frequency (temperature is determined by the spectral density of thermal radiation of the object at several frequencies ) All these methods have a sufficiently high spatial resolution and allow measuring the temperature distribution.

Из предыдущего уровня техники известны различные варианты яркостных методов. В качестве примера можно привести метод, реализованный в устройстве, описанном в работе [С.Е.Александров, Г.А.Гаврилов, А.А.Капралов, Г.Ю.Сотникова, Д.Ф.Черных, А.Н.Алексеев, А.Л.Дудин, И.В.Коган, А.П.Шкурко, Устройство пирометрического контроля температуры подложки GaAs для установки молекулярно-лучевой эпитаксии, Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.1, с.123-127], который заключается в приеме пирометрического сигнала на заданной частоте и вычислении температуры в соответствии с результатами экспресс-калибровки по одной или нескольким реперным температурам. Общий недостаток всех яркостных методов - необходимость сведений о поглощательной способности объекта. В данном случае поглощательную способность учитывают при калибровке. Недостаток данного метода в необходимости наличия реперной температуры и отсутствии полного учета зависимости поглощательной способности объекта от температуры.From the prior art, various variants of luminance methods are known. An example is the method implemented in the device described in [S.E. Aleksandrov, G.A. Gavrilov, A.A. Kapralov, G.Yu.Sotnikova, D.F. Chernykh, A.N. Alekseev , A.L.Dudin, I.V. Kogan, A.P. Shkurko, Device for pyrometric control of the temperature of a GaAs substrate for molecular beam epitaxy installation, Journal of Technical Physics, 2004, v. 74, issue 1, p.123- 127], which consists in receiving a pyrometric signal at a given frequency and calculating the temperature in accordance with the results of express calibration on one or more reference topics peraturam. A common drawback of all brightness methods is the need for information about the absorption capacity of an object. In this case, the absorption capacity is taken into account during calibration. The disadvantage of this method is the need for a reference temperature and the lack of full consideration of the temperature dependence of the absorption capacity of an object.

Известны различные варианты многочастотных методов. В качестве примера можно привести метод спектрального отношения, описание которого можно найти в работе [М.А.Гумиров, Пирометрия процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, Известия Томского политехнического университета, Математика и механика. Физика, 2007, т.311, №2, с.135-138], заключающийся в приеме двух пирометрических сигналов на разных частотах и расчете температуры по их отношению. Основной недостаток метода в том, что он применим лишь в тех случаях, когда в выбранном для измерений спектральном диапазоне поглощательная способность объекта не зависит от частоты.Various variants of multi-frequency methods are known. An example is the spectral ratio method, a description of which can be found in [M. Gumirov, Pyrometry of the processes of self-propagating high-temperature synthesis, Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Mathematics and mechanics. Physics, 2007, t.311, No. 2, p.135-138], which consists in receiving two pyrometric signals at different frequencies and calculating the temperature by their ratio. The main disadvantage of the method is that it is applicable only in those cases when the absorption capacity of an object in the selected spectral range is independent of frequency.

Известен многочастотный метод, описанный в патенте [РФ №2365883, МПК G01J 5/60, опубл. 27.08.2009, бюл. №24], включающий прием, по меньшей мере, трех пирометрических сигналов на эквидистантно расположенных частотах, близость которых обеспечивает линейную зависимость логарифма произведения коэффициентов спектральной излучательной способности и пропускания промежуточной среды от длины волны. Температуру в данном способе вычисляют по отношению первого и третьего сигнала, затем вводят поправку, вычисленную по всем, по меньшей мере, трем сигналам. Недостаток метода в том, что он применим только в случаях, когда выполняется упомянутое выше условие линейности, строго говоря, метод требует наличия априорных сведений о свойствах объекта. Сближение частот пирометрических сигналов с одной стороны расширяет область применения метода, но при этом требует повышения спектрального разрешения и, следовательно, приводит к удорожанию метода. Увеличение количества пирометрических сигналов принимаемых на разных частотах также приведет к усложнению метода.Known multi-frequency method described in the patent [RF No. 2365883, IPC G01J 5/60, publ. 08/27/2009, bull. No. 24], including the reception of at least three pyrometric signals at equidistant frequencies, the proximity of which provides a linear dependence of the logarithm of the product of the coefficients of spectral emissivity and transmission of the intermediate medium from the wavelength. The temperature in this method is calculated from the ratio of the first and third signals, then a correction is calculated, calculated from all at least three signals. The disadvantage of this method is that it is applicable only in cases when the aforementioned linearity condition is fulfilled, strictly speaking, the method requires a priori information about the properties of the object. The convergence of the frequencies of the pyrometric signals on the one hand expands the scope of the method, but at the same time requires an increase in spectral resolution and, therefore, leads to an increase in the cost of the method. An increase in the number of pyrometric signals received at different frequencies will also complicate the method.

Известны различные мультиспектральные методы, заключающиеся в регистрации спектра теплового излучения объекта (на нескольких сотнях или тысячах частот), выборе участка спектра подобного спектру абсолютно черного тела и определении температуры по выбранному участку [А.Н.Магунов, Спектральная пирометрия (обзор), Приборы и техника эксперимента, 2009, №4, с.5-28]. Указанные методы не требуют каких-либо предварительных сведений о поглощательной способности объекта.Various multispectral methods are known, which include recording the spectrum of thermal radiation of an object (at several hundred or thousands of frequencies), selecting a portion of the spectrum similar to the spectrum of an absolutely black body, and determining the temperature from a selected area [A.N. Magunov, Spectral pyrometry (review), Instruments and experimental technique, 2009, No. 4, pp. 5-28]. These methods do not require any preliminary information about the absorption capacity of the object.

Общий недостаток всех многочастотных методов (и в особенности мультиспектральных) заключается в том, что они с технической точки зрения сложнее и соответственно дороже яркостных методов, поскольку требуют измерения пирометрического сигнала на нескольких частотах, что влечет применение соответствующей спектральной техники. Чтобы измерить распределение температуры многочастотным методом, фактически необходимо получить изображение объекта, сформированное его тепловым излучением на нескольких частотах.A common drawback of all multifrequency methods (and especially multispectral) is that they are technically more complicated and therefore more expensive than brightness methods, since they require measuring the pyrometric signal at several frequencies, which entails the use of appropriate spectral techniques. In order to measure the temperature distribution by the multifrequency method, it is actually necessary to obtain an image of an object formed by its thermal radiation at several frequencies.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является хорошо известный метод относительной яркостной пирометрии, описание которого можно найти в работе [Ф.Ф.Каримова, С.Г.Орловская, В.В.Калинчак, М.С.Шкоропадо, Исследование температурных полей излучающих объектов, Физика аэродисперсных систем, 2006, вып.43, с.39-45] (прототип). Данный метод заключается в следующем. Формируют цифровое изображение объекта на выбранной частоте за счет испускаемого объектом теплового излучения. Измеряют среднюю температуру в некоторой области поверхности объекта с помощью пирометра. По распределению яркостей пикселей изображения объекта и показаниям пирометра вычисляют распределение температуры.The closest to the proposed technical solution in terms of essential features is the well-known method of relative brightness pyrometry, a description of which can be found in [F.F.Karimova, S.G. Orlovskaya, V.V. Kalinchak, M.S. Shkoropado, Research temperature fields of radiating objects, Physics of Aerodispersion Systems, 2006, issue 43, pp. 39-45] (prototype). This method is as follows. A digital image of the object is formed at the selected frequency due to the thermal radiation emitted by the object. Measure the average temperature in a certain area of the surface of the object using a pyrometer. The temperature distribution is calculated from the distribution of brightness of the pixels of the image of the object and the readings of the pyrometer.

Недостаток данного метода в необходимости сведений о зависимости поглощательной способности объекта от координат на его поверхности и температуры, а также в необходимости применения независимого метода измерения температуры.The disadvantage of this method is the need for information about the dependence of the absorption capacity of an object on the coordinates on its surface and temperature, as well as the need to use an independent method of measuring temperature.

Технический результат, на достижение которого направленно изобретение, - способ измерения распределения температуры на поверхности объекта, не требующий каких-либо предварительных сведений о его свойствах, но при этом сохраняющий простоту и дешевизну яркостных методов (в частности, простоту и дешевизну метода относительной яркостной пирометрии).The technical result to which the invention is directed is a method for measuring the temperature distribution on the surface of an object that does not require any preliminary information about its properties, but at the same time preserves the simplicity and cheapness of the brightness methods (in particular, the simplicity and cheapness of the method of relative brightness pyrometry) .

Заявленный технический результат достигается следующим образом. В способе измерения распределения температуры на поверхности объекта, включающем формирование цифрового изображения объекта на выбранной частоте за счет испускаемого объектом теплового излучения, формируют дополнительное цифровое изображение того же объекта, освещенного рассеянным излучением подсветки. Выбор частоты, на которой формируют цифровые изображения объекта, в известной мере произволен.The claimed technical result is achieved as follows. In the method of measuring the temperature distribution on the surface of an object, including the formation of a digital image of the object at a selected frequency due to thermal radiation emitted by the object, an additional digital image of the same object illuminated by the scattered radiation of the backlight is formed. The choice of the frequency at which the digital images of the object are formed is arbitrarily arbitrary.

Далее формируют массив i(тепл), каждый элемент которого представляет собой яркость соответствующего пикселя цифрового изображения объекта, и массив i(общ), каждый элемент которого представляет собой яркость соответствующего пикселя дополнительного цифрового изображения объекта.Next, an array i (heat) is formed , each element of which represents the brightness of the corresponding pixel of the digital image of the object, and an array i (total) , each element of which is the brightness of the corresponding pixel of the additional digital image of the object.

Затем с помощью зависимости I(i) (где i - яркость данного пикселя, I - спектральная плотность излучения, распространяющегося от соответствующего участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, приходящаяся на единицу видимой площади этого участка поверхности объекта) формируют массив i(тепл): Then, using the dependence I (i) (where i is the brightness of a given pixel, I is the spectral density of the radiation propagating from the corresponding part of the surface of the object towards the camera lens, at the selected frequency, per unit of visible area of this part of the surface of the object), an array i (warm) :

I(тепл)i,j=I(i(тепл)i,j)I (heat) i, j = I (i (heat) i, j )

индексы i,j указывают номер элемента массива. Аналогичным образом формируют массив I(общ):the indices i, j indicate the number of the array element. Similarly form an array I (total) :

I(общ)i,j=I(i(общ)i,j)I (total) i, j = I (i (total) i, j )

Далее формируют массив I(отр), каждый элемент которого представляет собой спектральную плотность излучения подсветки, отраженного от соответствующего участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, приходящуюся на единицу видимой площади этого участка поверхности объекта:Next, an array I (neg) is formed , each element of which is the spectral density of the radiation of the backlight reflected from the corresponding portion of the surface of the object towards the camera lens, at the selected frequency, per unit of visible area of this portion of the surface of the object:

I i , j ( о т р ) = I i , j ( о б щ ) I i , j ( т е п л )

Figure 00000001
I i , j ( about t R ) = I i , j ( about b u ) - I i , j ( t e P l )
Figure 00000001

По массиву I(отр) и величине освещенности поверхности объекта на выбранной частоте ω0 вычисляют массив коэффициентов отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры R:An array of I (neg) and the value of the illumination of the surface of the object at the selected frequency ω 0 calculate the array of reflection coefficients of the scattered radiation towards the camera lens R:

R i , j = I i , j ( о т р ) I 0

Figure 00000002
R i , j = I i , j ( about t R ) I 0
Figure 00000002

где I0 - освещенность поверхности объекта на выбранной частоте.where I 0 is the illumination of the surface of the object at the selected frequency.

По массиву R и массиву I(тепл) в соответствии с формулой Планка и законом Кирхгофа, записанным для теплового излучения, распространяющегося в сторону объектива видеокамеры, вычисляют массив температур Т:Using the R array and the I (warm) array, in accordance with the Planck formula and Kirchhoff law recorded for the thermal radiation propagating towards the camera’s lens, the temperature array T is calculated:

T i , j = η ω 0 k ln [ η ω 0 3 4 π 2 c 2 ( D i , j R i , j ) I i , j ( т е п л ) + 1 ]

Figure 00000003
T i , j = η ω 0 k ln [ η ω 0 3 four π 2 c 2 ( D i , j - R i , j ) I i , j ( t e P l ) + one ]
Figure 00000003

где ω0 - частота, на которой формируют изображения объекта,where ω 0 is the frequency at which images of the object are formed,

Di,j - отношение мощности излучения, испускаемого в сторону объектива видеокамеры плоским Ламбертовым источником, расположенным перпендикулярно оптической оси видеокамеры на месте соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта, к мощности излучения, испускаемого этим источником по всем направлениям;D i, j is the ratio of the radiation power emitted toward the camera lens by a flat Lambert source located perpendicular to the optical axis of the camera in place of the object’s surface area corresponding to this pixel, to the radiation power emitted by this source in all directions;

k - постоянная Больцмана;k is the Boltzmann constant;

η - постоянная Планка;η is the Planck constant;

с - скорость света в вакууме.c is the speed of light in vacuum.

Если освещенность поверхности объекта на выбранной частоте при формировании дополнительного цифрового изображения объекта не известна (источник излучения подсветки не откалиброван) рядом с исследуемым объектом размещают образец с известным (равным некоторой величине R0) коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте. Освещенность поверхности объекта на выбранной частоте определяют по величине R0, зависимости I(i) и яркостям пикселей цифрового изображения образца с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте.If the illumination of the surface of the object at the selected frequency during the formation of an additional digital image of the object is not known (the backlight radiation source is not calibrated), a sample with a known (equal to a certain value of R 0 ) reflection coefficient of the scattered radiation towards the camera lens at the selected frequency is placed next to the object under study. The illumination of the surface of the object at the selected frequency is determined by the value of R 0 , the dependence I (i) and the pixel brightness of the digital image of the sample with a known reflection coefficient of scattered radiation towards the camera lens at the selected frequency.

В случае если источник излучения подсветки откалиброван, образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте может быть использован для корректировки (экспресс-калибровки) зависимости I(i), позволяющей отслеживать изменение пропускания промежуточной среды со временем на частоте ω0. Если объект находится в вакуумной камере, изменение пропускания промежуточной среды может быть связанно с загрязнением окна вакуумной камеры.If the backlight radiation source is calibrated, a sample with a known reflection coefficient of the scattered radiation towards the camera lens at the selected frequency can be used to correct (express calibration) the dependence I (i), which makes it possible to track the change in the transmission of the intermediate medium with time at the frequency ω 0 . If the object is in a vacuum chamber, a change in the transmission of the intermediate medium may be associated with contamination of the window of the vacuum chamber.

Если необходимо измерить зависимость распределения температуры на поверхности объекта от времени и при этом заранее известно, что поглощательная способность объекта на выбранной частоте от температуры не зависит, дополнительное цифровое изображение объекта, необходимое для определения элементов массива R, можно формировать только один раз. Такой подход увеличивает разрешение по времени.If it is necessary to measure the dependence of the temperature distribution on the surface of the object on time and it is known in advance that the absorption capacity of the object at the selected frequency does not depend on temperature, an additional digital image of the object, necessary to determine the elements of the array R, can be formed only once. This approach increases the resolution in time.

Главное отличие от прототипа заключается в том, что распределение температуры измеряют не по одному цифровому изображению, а по двум изображениям, одно из которых получено в условиях подсветки объекта рассеянным излучением. Метод расчета распределения температуры по яркостям пикселей имеет соответствующие отличия. Температуру рассчитывают не по поглощательной способности, а по коэффициенту отражения рассеянного излучения в заданном направлении в заданный телесный угол. Измерение средней температуры в некоторой области поверхности объекта не требуется, соответственно не требуется применение независимого метода измерения температуры.The main difference from the prototype is that the temperature distribution is measured not by one digital image, but by two images, one of which was obtained under the conditions of illumination of the object by scattered radiation. The method for calculating the temperature distribution by the brightness of the pixels has corresponding differences. The temperature is calculated not by the absorption capacity, but by the reflection coefficient of the scattered radiation in a given direction to a given solid angle. Measurement of the average temperature in a certain area of the surface of the object is not required, respectively, does not require the use of an independent method of measuring temperature.

Пример применения описанного способа измерения распределения температуры на поверхности объектаAn example of the application of the described method for measuring the temperature distribution on the surface of an object

Данный способ использовали для измерения распределения температуры на поверхности образцов природных минералов во время лазерного ступенчатого аргон-аргонового датирования. Эксперименты выполняли на стандартном лазерном комплексе «Argus» (Аналитический центр ИГМ СОРАН).This method was used to measure the temperature distribution on the surface of samples of natural minerals during laser stepwise argon-argon dating. The experiments were performed on a standard Argus laser complex (Analytical Center IGM SORAN).

Образец природного минерала (объект) помещали в вакуумную камеру масс-спектрометра и нагревали с помощью лазерного излучения, чтобы выделить из него аргон, по изотопному составу которого определяют возраст образцов природных минералов при аргон-аргоновом датировании. Изображение нагретого образца природного минерала, формируемое на полупроводниковой матрице видеокамеры за счет видимого излучения, выводили на монитор компьютера; видеокамера была оснащена красным узкополосным оптическим фильтром (при измерениях использовались образцы природных минералов, представляющие собой тонкие, непрозрачные в видимой области спектра пластинки; температура нагрева образцов природных минералов позволяла фиксировать их тепловое излучение в видимой области спектра). Пропускание красного узкополосного оптического фильтра на частоте максимальной прозрачности обеспечивало полное подавление фоновой засветки полупроводниковой матрицы видеокамеры за счет дневного света. Освещение образца природного минерала рассеянным излучением при формировании дополнительного цифрового изображения объекта осуществляли с помощью встроенной подсветки лазерного комплекса «Argus». Для вычисления освещенности поверхности образца природного минерала рядом с ним размещали образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на частоте максимальной прозрачности красного узкополосного оптического фильтра. Зависимость I(i) определили с помощью известной модели абсолютно черного тела - резистивной печке с небольшим отверстием для вывода теплового излучения. Обработку цифровых изображений осуществляли с помощью программы написанной на платформе Framework 4.0.A sample of a natural mineral (object) was placed in a vacuum chamber of a mass spectrometer and heated using laser radiation to extract argon from it, the isotopic composition of which determines the age of samples of natural minerals during argon-argon dating. An image of a heated sample of a natural mineral formed on a semiconductor matrix of a video camera due to visible radiation was displayed on a computer monitor; the video camera was equipped with a red narrow-band optical filter (samples of natural minerals were used, which were thin, opaque plates in the visible spectrum; the heating temperature of samples of natural minerals made it possible to record their thermal radiation in the visible spectrum). The transmission of a red narrow-band optical filter at the frequency of maximum transparency ensured the complete suppression of the background illumination of the semiconductor matrix of the camera due to daylight. Illumination of a sample of a natural mineral by scattered radiation during the formation of an additional digital image of the object was carried out using the built-in illumination of the Argus laser complex. To calculate the illumination of the surface of a sample of a natural mineral, a sample was placed next to it with a known reflection coefficient of scattered radiation towards the camera lens at the maximum transparency frequency of a red narrow-band optical filter. Dependence I (i) was determined using the well-known model of an absolutely black body — a resistive stove with a small hole for the output of thermal radiation. Digital images were processed using a program written on the Framework 4.0 platform.

На рисунке (фиг.1) представлено распределение температуры на поверхности образца слюды (биотита) на одной из ступеней нагрева. Значения координат на поверхности образца (х, у) указанны в пикселях, пространственное разрешение составляло 120 мкм, погрешность измерения температуры 10°С, погрешность измерения температуры в основном определяется качеством видеокамеры. Из данного графика видно, что распределение температуры неоднородно, разброс температур достигает 60°С.The figure (figure 1) shows the temperature distribution on the surface of the mica sample (biotite) at one of the heating stages. The coordinates on the sample surface (x, y) are indicated in pixels, the spatial resolution was 120 μm, the temperature measurement error was 10 ° C, and the temperature measurement error was mainly determined by the quality of the video camera. From this graph it is seen that the temperature distribution is heterogeneous, the temperature spread reaches 60 ° C.

Описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта позволил выполнять контроль распределения температуры на поверхности образцов природных минералов (поглощательная способность которых не известна и существенно зависит как от координат на их поверхности, так и от температуры) во время лазерного нагрева при датировании и, следовательно, позволил исключить ранее не учитываемую погрешность в возрасте образцов природных минералов, связанную с неоднородностью их прогрева (как показал эксперимент, величина этой погрешности может в 15 раз превосходить аналитическую погрешность). Практическая реализация способа измерения распределения температуры на поверхности объекта не потребовала существенных дополнительных технических затрат, дополнительные затраты ограничились приобретением одного красного узкополосного оптического фильтра.The described method for measuring the temperature distribution on the surface of the object made it possible to control the temperature distribution on the surface of samples of natural minerals (the absorption capacity of which is not known and substantially depends both on the coordinates on their surface and on temperature) during laser heating during dating and, therefore, allowed exclude the previously unaccounted for error in the age of samples of natural minerals associated with the heterogeneity of their heating (as the experiment showed, the value of this ogreshnosti is 15 times greater than the analytical error). The practical implementation of the method of measuring the temperature distribution on the surface of the object did not require significant additional technical costs, the additional costs were limited to the acquisition of one red narrow-band optical filter.

Приведенный пример не исчерпывает все возможности способа измерения распределения температуры на поверхности объекта и служит лишь иллюстративным целям. Под объектом можно понимать твердое тело, непрозрачное на выбранной частоте (минерал, полупроводниковый элемент и т.д.); каплю жидкости, непрозрачную на выбранной частоте и не меняющую форму за время формирования цифрового изображения объекта и дополнительного цифрового изображения объекта (например, каплю ртути) и т.д. Кроме того, приведенный пример не является единственным вариантом технической реализации описанного способа измерения распределения температуры на поверхности объекта. Конкретные реализации могут отличаться выбором частоты ω0, способом формирования цифровых изображений и т.д.The given example does not exhaust all the possibilities of the method of measuring the temperature distribution on the surface of an object and serves only illustrative purposes. An object can be understood as a solid body that is opaque at the selected frequency (mineral, semiconductor element, etc.); a drop of liquid that is opaque at the selected frequency and does not change shape during the formation of a digital image of an object and an additional digital image of an object (for example, a drop of mercury), etc. In addition, the above example is not the only option for the technical implementation of the described method for measuring the temperature distribution on the surface of an object. Specific implementations may differ by the choice of frequency ω 0 , the method of forming digital images, etc.

Таким образом, в отличие от известных яркостных (а также двух- или трехчастотных) способов описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта не требует каких-либо предварительных сведений о свойствах объекта, все необходимые параметры определяются экспериментально. Благодаря тому, что коэффициенты отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте определяются непосредственно в условиях измеряемого распределения температуры, описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта позволяет экспериментально учитывать зависимость поглощательной способности объекта как от координат на его поверхности, так и от температуры. Описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта обеспечивает подавление ошибки измерения температуры связанной с неровностями поверхности объекта, поскольку фактически измеряют эффективные коэффициенты отражения. По сравнению с многочастотными способами (и в особенности мультиспектральными) описанный способ проще в реализации и требует меньших затрат, поскольку подразумевает формирование цифровых изображений на одной частоте. Таким образом, описанный способ измерения распределения температуры на поверхности объекта предоставляет возможности аналогичные возможностям мультиспектральных способов, сохраняя простоту и дешевизну яркостных.Thus, in contrast to the known luminance (as well as two- or three-frequency) methods, the described method for measuring the temperature distribution on the surface of an object does not require any preliminary information about the properties of the object, all the necessary parameters are determined experimentally. Due to the fact that the reflection coefficients of the scattered radiation towards the camera lens at the selected frequency are determined directly under the conditions of the measured temperature distribution, the described method for measuring the temperature distribution on the surface of the object makes it possible to experimentally take into account the dependence of the absorption capacity of the object both on coordinates on its surface and on temperature. The described method for measuring the temperature distribution on the surface of an object suppresses the error in measuring temperature associated with irregularities on the surface of the object, since effective reflection coefficients are actually measured. Compared with multifrequency methods (and in particular multispectral), the described method is easier to implement and less expensive, since it involves the formation of digital images at a single frequency. Thus, the described method for measuring the temperature distribution on the surface of the object provides opportunities similar to the capabilities of multispectral methods, while maintaining the simplicity and low cost of brightness.

Claims (3)

1. Пирометрический способ измерения распределения температуры на поверхности объекта, включающий формирование цифрового изображения объекта на выбранной частоте за счет испускаемого объектом теплового излучения, отличающийся тем, что на выбранной частоте формируют дополнительное цифровое изображение того же объекта, освещенного рассеянным излучением; по освещенности поверхности объекта на выбранной частоте, яркостям пикселей цифрового изображения объекта, яркостям пикселей дополнительного цифрового изображения объекта и зависимости яркости пикселя от отношения спектральной плотности излучения, распространяющегося от соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, к единице видимой площади этого участка поверхности объекта вычисляют коэффициенты отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте в точках измерения температуры; по полученным коэффициентам отражения рассеянного излучения, яркостям пикселей цифрового изображения объекта и зависимости яркости пикселя от отношения спектральной плотности излучения, распространяющегося от соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, к видимой площади этого участка поверхности объекта, в соответствии с формулой Планка и законом Кирхгофа, записанным для теплового излучения, распространяющегося в направлении объектива видеокамеры, вычисляют распределение температуры:
Figure 00000003

где i,j - координаты точки цифрового изображения объекта в пикселях;
Ti,j - температура;
Di,j - отношение мощности излучения, испускаемого в сторону объектива видеокамеры плоским Ламбертовым источником, расположенным перпендикулярно оптической оси видеокамеры на месте соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта, к мощности излучения, испускаемого этим источником по всем направлениям;
ω0 - частота, на которой формируются изображения объекта;
Ri,j - коэффициент отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на частоте ω0;
Figure 00000004
- спектральная плотность теплового излучения, испускаемого соответствующим данному пикселю участком поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на частоте ω0, приходящаяся на единицу видимой площади этого участка поверхности объекта;
k - постоянная Больцмана;
η - постоянная Планка;
с - скорость света в вакууме.
1. A pyrometric method for measuring the temperature distribution on the surface of an object, comprising generating a digital image of the object at a selected frequency due to thermal radiation emitted by the object, characterized in that an additional digital image of the same object illuminated by scattered radiation is formed at the selected frequency; by the illuminance of the surface of the object at the selected frequency, the brightness of the pixels of the digital image of the object, the brightness of the pixels of the additional digital image of the object and the dependence of the brightness of the pixel on the ratio of the spectral density of radiation propagating from the corresponding pixel of the surface area of the object towards the camera lens, at the selected frequency, to the unit visible the area of this surface area of the object calculate the reflection coefficients of the scattered radiation towards the lens of the video camera s at the selected frequency into the temperature measuring points; according to the obtained reflection coefficients of the scattered radiation, the pixel brightness of the digital image of the object and the dependence of the pixel brightness on the ratio of the spectral density of the radiation propagating from the corresponding portion of the object’s surface to the camera’s lens, at the selected frequency, to the visible area of this object’s surface, in accordance with the Planck formula and the Kirchhoff law written for the thermal radiation propagating in the direction of the camera lens calculate temperature distribution:
Figure 00000003

where i, j are the coordinates of the point of the digital image of the object in pixels;
T i, j is the temperature;
D i, j is the ratio of the radiation power emitted toward the camera lens by a flat Lambert source located perpendicular to the optical axis of the camera in place of the object’s surface area corresponding to this pixel, to the radiation power emitted by this source in all directions;
ω 0 is the frequency at which images of the object are formed;
R i, j is the reflection coefficient of the scattered radiation towards the camera lens at a frequency ω 0 ;
Figure 00000004
- the spectral density of thermal radiation emitted by the corresponding pixel of the surface area of the object towards the camera lens, at a frequency ω 0 per unit of visible area of this surface area of the object;
k is the Boltzmann constant;
η is the Planck constant;
c is the speed of light in vacuum.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении освещенности поверхности объекта используют образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте.2. The method according to claim 1, characterized in that when determining the illumination of the surface of the object using a sample with a known reflection coefficient of the scattered radiation towards the camera lens at a selected frequency. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимость яркости пикселя от отношения спектральной плотности излучения, распространяющегося от соответствующего данному пикселю участка поверхности объекта в сторону объектива видеокамеры, на выбранной частоте, к единице видимой площади этого участка поверхности объекта, корректируют с учетом изменения пропускания промежуточной среды со временем, используя образец с известным коэффициентом отражения рассеянного излучения в сторону объектива видеокамеры на выбранной частоте. 3. The method according to claim 1, characterized in that the dependence of the pixel brightness on the ratio of the spectral density of radiation propagating from the corresponding portion of the object’s surface to the camera’s lens, at a selected frequency, to a unit of the visible area of this object’s surface is adjusted according to changes in the transmission of the intermediate medium over time using a sample with a known reflection coefficient of scattered radiation towards the camera lens at a selected frequency.
RU2012149310/28A 2012-11-19 2012-11-19 Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object RU2515086C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012149310/28A RU2515086C1 (en) 2012-11-19 2012-11-19 Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012149310/28A RU2515086C1 (en) 2012-11-19 2012-11-19 Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2515086C1 true RU2515086C1 (en) 2014-05-10

Family

ID=50629677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012149310/28A RU2515086C1 (en) 2012-11-19 2012-11-19 Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2515086C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2616937C2 (en) * 2015-06-17 2017-04-18 Игорь Павлович Гуляев Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature
RU2752809C1 (en) * 2020-11-23 2021-08-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Spectrothermometry method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU241752A1 (en) * Д. Я. Свет Институт металлургии А. А. Байкова DEVICE FOR MEASURING TRUE TEMPERATURE ON FLOWS OF OWN AND REFLECTED RADIATION

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU241752A1 (en) * Д. Я. Свет Институт металлургии А. А. Байкова DEVICE FOR MEASURING TRUE TEMPERATURE ON FLOWS OF OWN AND REFLECTED RADIATION

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ф.Ф.КАРИМОВА и др. "ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ИЗЛУЧАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ", ФИЗИКА АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, 2006, вып.43, с.39-45. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2616937C2 (en) * 2015-06-17 2017-04-18 Игорь Павлович Гуляев Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature
RU2752809C1 (en) * 2020-11-23 2021-08-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Spectrothermometry method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kaasalainen et al. Toward hyperspectral lidar: Measurement of spectral backscatter intensity with a supercontinuum laser source
Gregor et al. Absolute calibration of the OMEGA streaked optical pyrometer for temperature measurements of compressed materials
Ma et al. Combined soot optical characterization using 2-D multi-angle light scattering and spectrally resolved line-of-sight attenuation and its implication on soot color-ratio pyrometry
CN107588854B (en) High precision measuring temperature method based on built-in reference body
KR101958541B1 (en) Method for quantification of level of pollution using infrared spectrometry
Fu et al. Measurement performance of an optical CCD-based pyrometer system
CN109655161B (en) Target infrared integral radiation intensity testing method and device based on thermal infrared imager
Zibordi et al. In situ optical radiometry in the visible and near infrared
CN109060731B (en) Device and method for testing spectral transmittance of infrared optical system
Vorobiev et al. Comprehensive data set of single particle combustion under oxy-fuel conditions, part i: Measurement technique
RU2515086C1 (en) Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object
Straube et al. Infrared lock-in thermography through glass substrates
Müller et al. Remote nanoscopy with infrared elastic hyperspectral lidar
Fu et al. The set-up of a vision pyrometer
Tang et al. Removal of optical crosstalk caused by light source for synchronous measurement of temperature and deformation
CN108132197B (en) Uncertainty analysis and calculation method for impact temperature of transparent material
CN110044495A (en) Based on multispectral temperature measurement system and thermometry
Sun et al. A temperature-controlled mid-wave infrared polarization radiation source with adjustable degree of linear polarization
Pang et al. Research on the measurement method for a large laser beam profile based on CCD diffuse transmission imaging
Yang et al. Radiometric calibration algorithm for high dynamic range infrared imaging system
Farbaniec et al. Thermoreflectance-based approach for surface temperature measurements of thin-film gold sensors
RU2727349C1 (en) Method of thermography of a remote object
Griffith Infrared thermography systems
Bukharin Boundary diffraction waves and the effective size of the inhomogeneities of the scattering object
CN207515908U (en) A kind of multi-pass self calibration polarization detecting device and system