RU2616937C2 - Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature - Google Patents

Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature Download PDF

Info

Publication number
RU2616937C2
RU2616937C2 RU2015123313A RU2015123313A RU2616937C2 RU 2616937 C2 RU2616937 C2 RU 2616937C2 RU 2015123313 A RU2015123313 A RU 2015123313A RU 2015123313 A RU2015123313 A RU 2015123313A RU 2616937 C2 RU2616937 C2 RU 2616937C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
spectrum
spectral
temperatures
brightness
Prior art date
Application number
RU2015123313A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015123313A (en
Inventor
Игорь Павлович Гуляев
Алексей Викторович Долматов
Павел Юрьевич Гуляев
Марина Петровна Бороненко
Original Assignee
Игорь Павлович Гуляев
Алексей Викторович Долматов
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 Игорь Павлович Гуляев, Алексей Викторович Долматов filed Critical Игорь Павлович Гуляев
Priority to RU2015123313A priority Critical patent/RU2616937C2/en
Publication of RU2015123313A publication Critical patent/RU2015123313A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2616937C2 publication Critical patent/RU2616937C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method includes registration of imaging the surface area of the radiating object at the selected wavelength and measurement of the total heat radiation spectrum of the same object surface area in the range including the selected wavelength. All the signal levels are determined according to the registered image, corresponding to the object surface elements. The reference signal level is determined by the measured values of the registered image signal level, which corresponds to the reference temperature value. The reference temperature value is calculated according to the registered radiation spectrum. Next the plurality of the object surface element temperatures is calculated by the mathematical formula derived by using the Wien's formula.
EFFECT: increasing the autonomy, speed and spatial resolution.
6 dwg

Description

Изобретение относится к технике бесконтактного измерения поля температуры в физико-химических процессах и может быть использовано в научно-технических областях, в которых требуется применение невозмущающих и/или быстродействующих средств контроля.The invention relates to techniques for non-contact measurement of the temperature field in physicochemical processes and can be used in scientific and technical fields, which require the use of non-disturbing and / or high-speed controls.

Задача измерения температурного распределения на поверхности исследуемого объекта – неоднородно нагретого тела или ансамбля частиц дисперсной фазы, особенно актуальна для быстропротекающих процессов, когда достигается локальное термодинамическое равновесие, но при этом наблюдаются явления тепломассопереноса. В таких условиях протекают процессы газотермического напыления покрытий, получения материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), сжигания твердых, жидких и газообразных топлив, нагрева материалов источниками энергии высокой плотности – лазерные и электронные пучки, плазменные струи. The task of measuring the temperature distribution on the surface of the studied object — a nonuniformly heated body or an ensemble of particles of a dispersed phase — is especially relevant for fast processes when a local thermodynamic equilibrium is reached, but heat and mass transfer phenomena are observed. Under such conditions, the processes of thermal spraying of coatings, production of materials by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS), combustion of solid, liquid and gaseous fuels, heating of materials with high-density energy sources — laser and electron beams, plasma jets — occur.

В настоящее время для измерения температуры быстропротекающих процессов лучшими характеристиками обладают датчики на основе явления фотоэффекта. Сигнал системы измерения на их основе пропорционален количеству падающих фотонов. Если объектом исследования является абсолютно черное тело (АЧТ), то его тепловое излучение подчиняется закону Планка, который при условии

Figure 00000001
принимает вид формулы Вина /1/Currently, sensors based on the photoelectric effect have the best characteristics for measuring the temperature of fast processes. The signal of the measurement system based on them is proportional to the number of incident photons. If the object of the study is a completely black body (blackbody), then its thermal radiation obeys Planck's law, which under the condition
Figure 00000001
 takes the form of the Wine formula / 1 /

Figure 00000002
,
Figure 00000003
 (1)
Figure 00000002
 ,
Figure 00000003
 (one)

где

Figure 00000004
– количество фотонов энергии
Figure 00000005
, излучаемых единицей поверхности тела с термодинамической температурой
Figure 00000006
 в единицу телесного угла за единицу времени;
Figure 00000007
,
Figure 00000008
,
Figure 00000009
Figure 00000010
 – постоянная Планка,
Figure 00000011
Figure 00000012
 – скорость света в вакууме,
Figure 00000013
Figure 00000014
 – постоянная Больцмана. При работе в области длин волн
Figure 00000015
~ 500 нм формула (1) справедлива для температур
Figure 00000016
<< 30000 K. Поток фотонов, излучаемый реальным объектом, равен
Figure 00000017
, а сигнал, регистрируемый монохромной измерительной системой в узкой полосе длин волн около
Figure 00000018
 при фиксации других параметров оптоэлектронного тракта, имеет вид Where
Figure 00000004
 - number of photons of energy
Figure 00000005
 emitted by a unit surface of a body with thermodynamic temperature
Figure 00000006
 per unit of solid angle per unit of time;
Figure 00000007
 ,
Figure 00000008
 ,
Figure 00000009
Figure 00000010
 - Planck constant,
Figure 00000011
Figure 00000012
 Is the speed of light in vacuum,
Figure 00000013
Figure 00000014
 - Boltzmann constant. When working in the wavelength region
Figure 00000015
 ~ 500 nm, formula (1) is valid for temperatures
Figure 00000016
 << 30000 K. The photon flux emitted by a real object is
Figure 00000017
 , and the signal recorded by the monochrome measuring system in a narrow wavelength band near
Figure 00000018
 when fixing other parameters of the optoelectronic path, it has the form

Figure 00000019
, (2)
Figure 00000019
 , (2)

где

Figure 00000020
– чувствительность измерительной системы,
Figure 00000021
 – излучательная способность объекта. Сигнал спектральной измерительной системы равенWhere
Figure 00000020
 - sensitivity of the measuring system,
Figure 00000021
 - emissivity of the object. The signal of the spectral measuring system is

Figure 00000022
, (3)
Figure 00000022
 , (3)

где

Figure 00000023
– чувствительность измерительной системы после коррекции спектральных искажений оптоэлектронного тракта.Where
Figure 00000023
 - sensitivity of the measuring system after correction of spectral distortions of the optoelectronic path.

Средства пирометрии, опирающиеся на закон (1), можно разделить на две группы:  Pyrometry tools based on law (1) can be divided into two groups:

1) яркостные – температура определяется по абсолютному уровню сигнала системы контроля

Figure 00000024
, детектирующей монохромный поток излучения; 1) brightness - the temperature is determined by the absolute signal level of the control system
Figure 00000024
 detecting a monochrome radiation flux;

2) многочастотные – температура определяется по соотношению сигналов на двух и более длинах волн

Figure 00000025
в процессе измерения интенсивности потока излучения /2/. В методе цветовой пирометрии используется две длины волны, а температура объекта определяется по отношению
Figure 00000026
. В методе спектральной пирометрии регистрируются сигналы в широком диапазоне длин волн (например, несколько тысяч значений в спектральном диапазоне 300 – 1000 нм), а температура объекта определяется по форме зарегистрированного спектра /3/. Для этого выбирается участок длин волн, где излучательную способность объекта можно считать постоянной (
Figure 00000027
). Тогда линеаризация спектра в системе координат
Figure 00000028
,
Figure 00000029
 2) multi-frequency - the temperature is determined by the ratio of signals at two or more wavelengths
Figure 00000025
 in the process of measuring the intensity of the radiation flux / 2 /. The color pyrometry method uses two wavelengths, and the temperature of the object is determined by the ratio
Figure 00000026
 . In the method of spectral pyrometry, signals are recorded in a wide range of wavelengths (for example, several thousand values in the spectral range of 300 - 1000 nm), and the object temperature is determined by the shape of the recorded spectrum / 3 /. For this, a section of wavelengths is selected where the emissivity of the object can be considered constant (
Figure 00000027
 ) Then the linearization of the spectrum in the coordinate system
Figure 00000028
 ,
Figure 00000029

Figure 00000030
(4)
Figure 00000030
 (four)

позволяет идентифицировать его форму и определить термодинамическую температуру объекта по углу наклона прямой allows you to identify its shape and determine the thermodynamic temperature of the object by the angle of inclination of the line

Figure 00000031
. (5)
Figure 00000031
 . (5)

Для реальных материалов спектральная зависимость излучательной способности сравнительно слаба, поэтому на практике метод позволяет измерять истинные значения температуры объектов без использования данных об их излучательной способности /3/. For real materials, the spectral dependence of the emissivity is relatively weak, so in practice the method allows you to measure the true values of the temperature of objects without using data on their emissivity / 3 /.

Применение метода спектральной пирометрии для обработки гиперспектральных изображений позволяет получать распределение температуры на поверхности объекта. Однако современные гиперспектральные камеры формируют изображения либо путем сканирования элементов поверхности объекта, либо регистрацией серии монохромных изображений в процессе перестройки акустооптического или жидкокристаллического полосового светофильтра. Следствием этого является большая постоянная времени измерительной системы (регистрация гиперспектрального изображения размером 1024х1024 при спектральной глубине 500 длин волн и экспозиции 1 мс занимает порядка 1 секунды), что делает ее непригодной для наблюдения быстропротекающих процессов.The use of the spectral pyrometry method for processing hyperspectral images allows one to obtain the temperature distribution on the surface of an object. However, modern hyperspectral cameras form images either by scanning the surface of an object or by registering a series of monochrome images during the reconstruction of an acousto-optical or liquid crystal band-pass filter. The consequence of this is a large time constant of the measuring system (registration of a hyperspectral image with a size of 1024 × 1024 at a spectral depth of 500 wavelengths and an exposure of 1 ms takes about 1 second), which makes it unsuitable for observing fast-moving processes.

Яркостная пирометрия широко используется для измерения температуры неоднородно нагретых тел и ансамблей частиц с помощью многоэлементных КМОП- или ПЗС-датчиков. Регулярная структура фотоматриц, малые размеры фотоэлементов (2 – 15 мкм) и их большое количество позволяют одновременно производить измерения множества температур на всей поверхности объекта. Такие системы обладают высокой скоростью регистрации (до 10000 кадров размера 1024х1024 в секунду), которая позволяет контролировать динамику температурных полей быстропротекающих процессов. Однако яркостная пирометрия относится к методам абсолютных измерений и требует обязательной перекалибровки измерительной системы при изменении параметров ее электронно-оптического тракта: оптическое увеличение, дистанция наблюдения, коэффициент пропускания окружающей среды, усиление сигнала датчика, время экспозиции и т.д. Кроме того, подобные средства определяют яркостную температуру, которая для реальных объектов меньше термодинамической, а установить соответствие между ними возможно лишь при известной излучательной способности материала /2/. В дополнение к этим недостаткам невозможно контролировать тепловую природу детектируемого излучения, в котором может присутствовать паразитная составляющая, например, вследствие хемилюминесценции или полосатого излучения атомов и молекул окружающей среды.  Brightness pyrometry is widely used to measure the temperature of inhomogeneously heated bodies and ensembles of particles using multi-element CMOS or CCD sensors. The regular structure of photomatrixes, the small size of the photocells (2 - 15 microns) and their large number allow simultaneous measurements of multiple temperatures on the entire surface of the object. Such systems have a high recording speed (up to 10,000 frames of size 1024x1024 per second), which allows you to control the dynamics of the temperature fields of fast processes. However, luminance pyrometry refers to the methods of absolute measurements and requires mandatory recalibration of the measuring system when changing the parameters of its electron-optical path: optical magnification, observation distance, transmittance of the environment, amplification of the sensor signal, exposure time, etc. In addition, such tools determine the brightness temperature, which for real objects is less than the thermodynamic, and to establish a correspondence between them is possible only with a known emissivity of the material / 2 /. In addition to these disadvantages, it is impossible to control the thermal nature of the detected radiation, in which a spurious component may be present, for example, due to chemiluminescence or striped radiation of atoms and molecules of the environment.

Известен способ измерения распределения температуры по патенту /4/, который включает регистрацию изображения поверхности объекта на выбранной длине волны дважды: один раз за счет теплового излучения самого объекта, второй раз – изображение того же объекта, освещенного рассеянным излучением. Путем поэлементного сравнения яркости изображений определяют распределение коэффициента отражения по поверхности тела, и далее, с использованием закона Кирхгофа, – распределение излучательной способности. Таким образом, в отличие от обычного метода яркостной пирометрии, получают распределение термодинамической, а не яркостной температуры на поверхности. Недостатком способа является необходимость не только проведения предварительной калибровки регистрирующей камеры – пирометра, но и использования калиброванного (на выбранной длине волны) источника освещения, либо образца с известным коэффициентом отражения.A known method of measuring the temperature distribution according to patent / 4 /, which includes registering an image of the surface of an object at a selected wavelength twice: once due to thermal radiation of the object itself, a second time - an image of the same object illuminated by scattered radiation. By elementwise comparison of the brightness of the images, the distribution of the reflection coefficient over the surface of the body is determined, and then, using the Kirchhoff law, the distribution of emissivity. Thus, in contrast to the usual method of brightness pyrometry, the distribution of thermodynamic rather than brightness temperature on the surface is obtained. The disadvantage of this method is the need not only to pre-calibrate the recording chamber — the pyrometer, but also to use a calibrated (at the selected wavelength) light source, or a sample with a known reflection coefficient.

Также известен способ определения температурного распределения частиц дисперсной фазы в высокотемпературном потоке /5/ по спектру их суммарного теплового излучения. Способ включает регистрацию суммарного теплового спектра

Figure 00000032
от всех неоднородно нагретых частиц в области наблюдения и определение гистограммы
Figure 00000033
 температурного распределения частиц, которая представляет собой значения количества (в относительных единицах) частиц с температурами
Figure 00000034
. Недостатком способа является его неустойчивость: даже при наличии в регистрируемом спектре сравнительно слабого шума на уровне 0.1–0.3% происходит значительное искажение восстанавливаемого температурного распределения частиц, вплоть до физически некорректного вида (отрицательные значения количества частиц).Also known is a method of determining the temperature distribution of the particles of the dispersed phase in a high-temperature flow / 5 / from the spectrum of their total thermal radiation. The method includes recording the total thermal spectrum
Figure 00000032
 from all non-uniformly heated particles in the observation area and histogram determination
Figure 00000033
 temperature distribution of particles, which is the value (in relative units) of particles with temperatures
Figure 00000034
 . The disadvantage of this method is its instability: even if there is a relatively weak noise in the recorded spectrum at a level of 0.1–0.3%, a significant distortion of the restored temperature distribution of particles occurs, up to a physically incorrect form (negative values of the number of particles).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является пирометрический способ измерения распределения яркостной температуры по поверхности нагретого тела /6/. Указанный способ принят за прототип изобретения. Способ заключается в следующем. С помощью цифровой камеры регистрируют изображение поверхности тела за счет теплового излучения на выбранной длине волны

Figure 00000035
(в узком спектральном диапазоне). Уровень сигнала каждого элемента изображения однозначно связывают с яркостной температурой сопряженной области объекта. С помощью дополнительного калиброванного яркостного пирометра измеряют яркостную температуру в некоторой точке поверхности объекта и ставят ее в соответствие уровню сигнала в данной области. Значения яркостной температуры в остальных областях объекта вычисляют с использованием формулы Вина (1). Недостатки данного метода заключаются в необходимости использования дополнительного калиброванного яркостного пирометра, требования однородности температуры объекта в поле зрения яркостного пирометра, а также невозможности определения термодинамической температуры объекта при неизвестном значении его излучательной способности.Closest to the claimed invention in technical essence and the achieved technical result is a pyrometric method for measuring the distribution of brightness temperature over the surface of a heated body / 6 /. The specified method is adopted as a prototype of the invention. The method is as follows. Using a digital camera, an image of the body surface is recorded due to thermal radiation at a selected wavelength
Figure 00000035
 (in a narrow spectral range). The signal level of each image element is uniquely associated with the brightness temperature of the conjugate region of the object. Using an additional calibrated luminance pyrometer, measure the luminance temperature at a certain point on the surface of the object and match it with the signal level in this area. The brightness temperature values in the remaining areas of the object are calculated using the Wien formula (1). The disadvantages of this method are the need to use an additional calibrated brightness pyrometer, the requirement of uniformity of the object temperature in the field of view of the brightness pyrometer, and the impossibility of determining the thermodynamic temperature of an object with an unknown value of its emissivity.

Технической задачей настоящего изобретения является определение распределения температуры на поверхности неоднородно нагретого тела или ансамбля частиц дисперсной фазы без использования калиброванного пирометра и предварительных данных о величине излучательной способности объекта.An object of the present invention is to determine the temperature distribution on the surface of a nonuniformly heated body or an ensemble of particles of a dispersed phase without using a calibrated pyrometer and preliminary data on the emissivity of the object.

Поставленная задача решается благодаря тому, что одновременно регистрируют изображение участка поверхности объекта на выбранной длине волны

Figure 00000036
и спектр суммарного теплового излучения с того же участка поверхности
Figure 00000037
 в диапазоне, включающем
Figure 00000038
. По зарегистрированному изображению определяют все уровни сигнала
Figure 00000039
, соответствующие элементам поверхности объекта с температурами
Figure 00000040
, где индекс
Figure 00000041
 пробегает номера всех элементов поверхности. Затем вычисляют опорное значение сигнала
Figure 00000042
. По зарегистрированному спектру излучения с использованием вспомогательных координат
Figure 00000043
 вычисляют опорное значение температуры
Figure 00000044
в точке
Figure 00000045
. Далее множество температур
Figure 00000046
 элементов поверхности объекта вычисляют по математической формуле
Figure 00000047
.The problem is solved due to the fact that simultaneously register the image of the surface area of the object at the selected wavelength
Figure 00000036
 and the spectrum of the total thermal radiation from the same surface area
Figure 00000037
 in the range including
Figure 00000038
 . The registered image determines all signal levels
Figure 00000039
 corresponding to surface elements of the object with temperatures
Figure 00000040
 where is the index
Figure 00000041
 runs over the numbers of all surface elements. Then calculate the reference value of the signal
Figure 00000042
 . According to the registered emission spectrum using auxiliary coordinates
Figure 00000043
 calculate the reference temperature
Figure 00000044
 at the point
Figure 00000045
 . Further set of temperatures
Figure 00000046
 surface elements of an object are calculated by a mathematical formula
Figure 00000047
 .

На фиг.1а представлено монохромное изображение вольфрамовой ленты лампы СИ10-300, зарегистрированное на длине волны 725 нм при токе накала 13 А; на фиг. 1б представлен спектр суммарного теплового излучения вольфрамовой ленты (вверху) и те же данные во вспомогательных координатах (внизу); на фиг. 1в представлено восстановленное поле термодинамической температуры на поверхности вольфрамовой ленты. На фиг. 2а представлен спектр суммарного излучения гетерофазной плазменной струи на расстоянии 200 мм от среза сопла плазмотрона в процессе напыления частиц NiAl; на фиг. 2б представлено монохромное изображение излучающих частиц NiAl на длине волны 575 нм; на фиг. 2в представлено восстановленное распределение по температурам частиц NiAl в напылительной плазменной струе.On figa presents a monochrome image of a tungsten tape lamp SI10-300, recorded at a wavelength of 725 nm at a filament current of 13 A; in FIG. 1b shows the spectrum of the total thermal radiation of a tungsten tape (above) and the same data in auxiliary coordinates (below); in FIG. Figure 1c shows the reconstructed field of thermodynamic temperature on the surface of a tungsten tape. In FIG. 2a shows the spectrum of the total radiation of a heterophasic plasma jet at a distance of 200 mm from the nozzle exit of the plasma torch during the deposition of NiAl particles; in FIG. 2b shows a monochrome image of radiating NiAl particles at a wavelength of 575 nm; in FIG. Figure 2c shows the reconstructed temperature distribution of NiAl particles in a spray plasma jet.

Сущность изобретения заключается в следующем. Выбирается длина волны

Figure 00000048
, на которой излучение объекта описывается формулой Вина (1). С помощью фотоматрицы цифровой камеры, помещенной за узкополосным светофильтром с центральной длиной волны
Figure 00000049
, регистрируется монохромное изображение поверхности объекта, элементы которой имеют температуры со значениями
Figure 00000050
, где
Figure 00000051
. Излучательная способность материала неизвестна, но считается постоянной
Figure 00000052
 в диапазоне измеряемых температур на отрезке спектра вблизи
Figure 00000053
. Температуре
Figure 00000054
 элемента поверхности объекта по формулам (1) и (2) соответствует сигнал The invention consists in the following. Wavelength is selected
Figure 00000048
 on which the radiation of the object is described by the Wien formula (1). Using the photomatrix of a digital camera placed behind a narrow-band filter with a central wavelength
Figure 00000049
 , a monochrome image of the surface of the object is recorded, the elements of which have temperatures with values
Figure 00000050
 where
Figure 00000051
 . The emissivity of the material is unknown, but considered constant
Figure 00000052
 in the range of measured temperatures in the spectrum near
Figure 00000053
 . Temperature
Figure 00000054
 element of the surface of the object according to formulas (1) and (2) corresponds to the signal

Figure 00000055
, (6)
Figure 00000055
 , (6)

где

Figure 00000056
,
Figure 00000057
. По формуле (6) произвольные уровни сигнала
Figure 00000058
 цифровой камеры при фиксированных параметрах ее оптоэлектронного тракта связаны с соответствующими температурами
Figure 00000059
 и
Figure 00000060
 выражениемWhere
Figure 00000056
 ,
Figure 00000057
 . According to the formula (6), arbitrary signal levels
Figure 00000058
 digital camera with fixed parameters of its optoelectronic path associated with the corresponding temperatures
Figure 00000059
 and
Figure 00000060
 expression

Figure 00000061
. (7)
Figure 00000061
 . (7)

С помощью спектрометра производится регистрация спектра суммарного теплового излучения с участка поверхности объекта, наблюдаемого цифровой камерой. При этом сигнал спектрометра в соответствии с формулами (1) и (3) равенUsing a spectrometer, the spectrum of the total thermal radiation is recorded from a portion of the surface of the object observed by a digital camera. In this case, the spectrometer signal in accordance with formulas (1) and (3) is equal to

Figure 00000062
, (8)
Figure 00000062
 , (8)

где

Figure 00000063
. После перехода к вспомогательным координатам (4) соотношение (8) принимает видWhere
Figure 00000063
 . After passing to auxiliary coordinates (4), relation (8) takes the form

Figure 00000064
(9)
Figure 00000064
 (9)

В соответствии методом спектральной пирометрии определим опорную температуру

Figure 00000065
как температуру серого излучателя, чей тепловой спектр имеет то же значение производной в точке
Figure 00000066
, что и спектр (9)In accordance with the method of spectral pyrometry, we determine the reference temperature
Figure 00000065
 as the temperature of a gray emitter, whose thermal spectrum has the same derivative value at a point
Figure 00000066
 as the spectrum (9)

Figure 00000067
(10)
Figure 00000067
 (10)

При этом

Figure 00000068
может не принадлежать множеству температур элементов поверхности объекта
Figure 00000069
, которые действительно присутствуют в области наблюдения. С другой стороны значение
Figure 00000070
 может быть выражено через множество
Figure 00000071
 из формулы (9) согласно определению (10)Wherein
Figure 00000068
 may not belong to the set of temperatures of the surface elements of the object
Figure 00000069
 that are really present in the field of observation. Value on the other hand
Figure 00000070
 can be expressed through many
Figure 00000071
 from formula (9) according to definition (10)

Figure 00000072
(11)
Figure 00000072
 (eleven)

Выражая в (11) множество температур

Figure 00000073
с помощью формулы (6) через уровни сигнала элементов изображения
Figure 00000074
, зарегистрированного цифровой камерой, получим формулу для определения опорного уровня сигнала
Figure 00000075
, соответствующего опорной температуре
Figure 00000076
 Expressing the set of temperatures in (11)
Figure 00000073
 using the formula (6) through the signal levels of the image elements
Figure 00000074
 registered by a digital camera, we obtain a formula for determining the reference signal level
Figure 00000075
 corresponding to the reference temperature
Figure 00000076

Figure 00000077
(12)
Figure 00000077
 (12)

После этого множество температур

Figure 00000078
определяется по формуле (7). Как видно, неизвестное значение излучательной способности объекта
Figure 00000079
 не влияет на результаты измерений. After that a lot of temperatures
Figure 00000078
 determined by the formula (7). As can be seen, the unknown value of the emissivity of the object
Figure 00000079
 does not affect the measurement results.

Пример 1. Способ спектрально-яркостной пирометрии (СЯП) был использован для исследования неравномерности поля температуры на поверхности ленты вольфрамовой лампы СИ10-300, выполняющей роль температурного эталона при калибровке пирометрических приборов. Регистрировалось изображение лампы с помощью видеокамеры PhotonFocus HD1, в оптический канал которой был установлен узкополосный светофильтр с максимумом полосы пропускания на длине волны

Figure 00000080
=725 нм и шириной полосы пропускания 40 нм. Спектр суммарного излучения лампы регистрировался с помощью фотоспектрометра Aseq LR1-T в спектральном диапазоне 400–900 нм. На фиг. 1а представлено зарегистрированное изображение вольфрамовой ленты при токе накала 13 А. Каждый элемент изображения ленты имеет уровень сигнала
Figure 00000081
, выраженный в цифровых кодах 12-разрядного АЦП видеокамеры. Согласно заявляемому способу определен опорный уровень сигнала
Figure 00000082
. На фиг. 1б приведен зарегистрированный спектр излучения
Figure 00000083
 (вверху) и те же данные с использованием вспомогательных координат
Figure 00000084
,
Figure 00000085
 (внизу). По углу наклона касательной к нижнему графику в точке
Figure 00000086
 определено значение опорной температуры
Figure 00000087
. На фиг. 3в представлено восстановленное распределение температуры по поверхности ленты, полученное в соответствии с предлагаемым способом. Установлено, что область, в которой отличие температуры от максимального значения 1605 K не превышает 20 K, имеет длину 6 мм. На краях ленты температура падает до 1420 К.Example 1. The method of spectral brightness pyrometry (SNP) was used to study the unevenness of the temperature field on the surface of the tape of a tungsten lamp SI10-300, which acts as a temperature standard for calibrating pyrometric devices. The image of the lamp was recorded using a PhotonFocus HD1 video camera, in the optical channel of which a narrow-band filter was installed with a maximum bandwidth at a wavelength
Figure 00000080
 = 725 nm and a bandwidth of 40 nm. The spectrum of the total lamp radiation was recorded using an Aseq LR1-T photospectrometer in the spectral range 400–900 nm. In FIG. 1a shows a recorded image of a tungsten tape at a filament current of 13 A. Each image element of the tape has a signal level
Figure 00000081
 expressed in digital codes of a 12-bit ADC of a video camera. According to the claimed method, the reference signal level is determined
Figure 00000082
 . In FIG. 1b shows the registered emission spectrum
Figure 00000083
 (above) and the same data using auxiliary coordinates
Figure 00000084
 ,
Figure 00000085
 (at the bottom). By the angle of inclination of the tangent to the lower graph at the point
Figure 00000086
 reference temperature determined
Figure 00000087
 . In FIG. 3c shows the reconstructed temperature distribution over the surface of the tape obtained in accordance with the proposed method. It was found that the region in which the temperature difference from the maximum value of 1605 K does not exceed 20 K has a length of 6 mm. At the edges of the tape, the temperature drops to 1420 K.

Пример 2. Способ СЯП был использован для определения температурного распределения частиц дисперсной фазы в напылительном плазменном потоке. Исследования проводились на установке электродугового плазменного напыления «ТЕРМОПЛАЗМА 50–01» в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск) в процессе нанесения износостойкого покрытия из порошка NiAl узкой фракции 90–100 мкм пропан-воздушной струей. В качестве средств регистрации использовались видеокамера PhotonFocus HD1 и фотоспектрометр Aseq LR1-T. Регистрация спектра суммарного излучения струи (фиг. 2а) позволила установить, что спектральный диапазон в области 725 нм содержит полосатое излучение плазмы и непригоден для пирометрических измерений. По этой причине в оптический канал видеокамеры был установлен узкополосный светофильтр с максимумом полосы пропускания на длине волны

Figure 00000088
=575 нм. В такой конфигурации регистрирующей аппаратуры были получены 300 изображений двухфазного потока на дистанции напыления 200 мм от среза сопла плазмотрона. Для отдельного изображения двухфазного потока (фиг. 2б) был зарегистрирован соответствующий спектр суммарного излучения. В соответствии с предлагаемым способом по зарегистрированному спектру было найдено значение опорной температуры
Figure 00000089
, а по соответствующему изображению – опорный уровень сигнала
Figure 00000090
, по которым были определены температуры всех частиц на изображении. Так как конфигурация системы измерения (параметры оптического и электронного каналов: коэффициент увеличения, светофильтр, время экспозиции кадра и т.д.) и коэффициент излучения материала оставались неизменными при формировании всех остальных изображений частиц, то найденное соответствие множества уровней сигнала
Figure 00000091
множеству температур частиц
Figure 00000092
 соблюдалось и для этих кадров видеоряда. Были найдены значения температуры всех зарегистрированных частиц и построено их температурное распределение, представленное на фиг. 2в. Предлагаемый способ позволил провести измерение температур ансамбля частиц без калибровки системы измерения и использования данных об излучательной способности материала NiAl.Example 2. The SNP method was used to determine the temperature distribution of the particles of the dispersed phase in a spray plasma stream. The studies were carried out on a TERMOPLASMA 50–01 electric arc plasma spraying installation at the Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Novosibirsk) during the application of a wear-resistant coating of NiAl powder of a narrow fraction of 90–100 μm with a propane-air jet. As a means of registration, a PhotonFocus HD1 video camera and an Aseq LR1-T photospectrometer were used. Registration of the spectrum of the total radiation of the jet (Fig. 2a) made it possible to establish that the spectral range in the region of 725 nm contains striped plasma radiation and is unsuitable for pyrometric measurements. For this reason, a narrow-band filter with a maximum bandwidth at a wavelength was installed in the optical channel of the camcorder
Figure 00000088
 = 575 nm. In this configuration of the recording equipment, 300 images of a two-phase flow were obtained at a spraying distance of 200 mm from the nozzle exit of the plasma torch. For a separate image of a two-phase flow (Fig. 2b), the corresponding spectrum of the total radiation was recorded. In accordance with the proposed method, the value of the reference temperature was found from the recorded spectrum
Figure 00000089
 , and in the corresponding image - the reference signal level
Figure 00000090
 by which the temperatures of all particles in the image were determined. Since the configuration of the measurement system (parameters of the optical and electronic channels: magnification factor, light filter, exposure time of the frame, etc.) and the emissivity of the material remained unchanged during the formation of all other particle images, the found correspondence of the multiple signal levels
Figure 00000091
 multiple particle temperatures
Figure 00000092
 observed for these frames of the video. The temperature values of all the detected particles were found and their temperature distribution, plotted in FIG. 2c. The proposed method allowed to measure the temperature of the ensemble of particles without calibration of the measurement system and the use of data on the emissivity of the material NiAl.

Техническим результатом применения способа является возможность контроля поля температуры на поверхности неоднородно нагретого тела, либо ансамбля частиц дисперсной фазы в быстропротекающем процессе. Отличительной особенностью способа является совместный анализ элементов изображения поверхности излучающего объекта на выбранной длине волны

Figure 00000093
и спектра их суммарного теплового излучения, который позволяет объединить быстродействие и высокое пространственное разрешение средств яркостной пирометрии, автономность метода спектральной пирометрии от температурных эталонов и нечувствительность формы спектра теплового излучения на малом отрезке области Вина к величине излучательной способности материала. Кроме того, способ имеет средства поверки тепловой природы излучения объекта. The technical result of the application of the method is the ability to control the temperature field on the surface of a nonuniformly heated body, or an ensemble of particles of a dispersed phase in a fast process. A distinctive feature of the method is a joint analysis of the image elements of the surface of the emitting object at the selected wavelength
Figure 00000093
 and the spectrum of their total thermal radiation, which allows you to combine speed and high spatial resolution of brightness pyrometry, the autonomy of the spectral pyrometry method from temperature standards and the insensitivity of the shape of the spectrum of thermal radiation in a small segment of the Wine region to the emissivity of the material. In addition, the method has means for verifying the thermal nature of the radiation of the object.

Источники информацииInformation sources

1) М.И. Эпштейн. Измерения оптического излучения в электронике// М.: Энергоатомиздат, 1990. – 254 с.1) M.I. Epstein. Measurements of optical radiation in electronics // M .: Energoatomizdat, 1990. - 254 p.

2) С.М. Чернин, А.В. Коган. Измерение температуры малых тел пирометрами излучения// М.: Энергия, 1980. – 96 с.2) S.M. Chernin, A.V. Kogan. Temperature measurement of small bodies with radiation pyrometers // M .: Energy, 1980. - 96 p.

3) А.Н. Магунов. Спектральная пирометрия// М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 248 с.3) A.N. Magunov. Spectral pyrometry // M .: FIZMATLIT, 2012 .-- 248 p.

4) Патент RU 2515086, МПК G01J 5/50, 2014. Пирометрический способ измерения распределения температуры на поверхности объекта.4) Patent RU 2515086, IPC G01J 5/50, 2014. Pyrometric method for measuring the temperature distribution on the surface of an object.

5) Патент RU 2383873, МПК G 01J 3/30, G01K 13/04, 2010. Способ определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке.5) Patent RU 2383873, IPC G 01J 3/30, G01K 13/04, 2010. A method for determining the temperature distribution of particles of a condensed phase in a two-phase plasma stream.

6) Патент UA 44416, МПК G01J 5/50, G01J 5/52, 2009. Способ определения локальной яркостной температуры в отдельных точках нагретого тела и распределения яркостной температуры по поверхности нагретого тела.6) Patent UA 44416, IPC G01J 5/50, G01J 5/52, 2009. A method for determining the local brightness temperature at individual points of a heated body and the distribution of brightness temperature over the surface of the heated body.

Claims (4)

Способ спектрально-яркостной пирометрии объектов с неоднородной температурой поверхности, включающий регистрацию изображения участка поверхности излучающего объекта на выбранной длине волны
Figure 00000094
, отличающийся тем, что одновременно регистрируют спектр суммарного теплового излучения того же участка поверхности объекта
Figure 00000095
 в диапазоне, включающем
Figure 00000094
, по зарегистрированному изображению определяют все уровни сигнала
Figure 00000096
, соответствующие элементам поверхности объекта с температурами
Figure 00000097
, где
Figure 00000098
, вычисляют опорное значение сигнала по следующей формуле:The method of spectral brightness pyrometry of objects with a non-uniform surface temperature, including recording an image of a surface area of a radiating object at a selected wavelength
Figure 00000094
 , characterized in that at the same time register the spectrum of the total thermal radiation of the same surface area of the object
Figure 00000095
 in the range including
Figure 00000094
 , the registered image determines all signal levels
Figure 00000096
 corresponding to surface elements of the object with temperatures
Figure 00000097
 where
Figure 00000098
 calculate the reference value of the signal according to the following formula:
Figure 00000099
,
Figure 00000099
 , по зарегистрированному спектру суммарного теплового излучения объекта с использованием вспомогательных координат
Figure 00000100
, где
Figure 00000101
,
Figure 00000102
 – постоянная Планка,
Figure 00000103
 – скорость света в вакууме,
Figure 00000104
 – постоянная Больцмана, вычисляют опорное значение температуры
Figure 00000105
в точке
Figure 00000106
, после чего множество температур
Figure 00000107
 элементов поверхности объекта вычисляют по следующей формуле:the recorded spectrum of the total thermal radiation of the object using auxiliary coordinates
Figure 00000100
 where
Figure 00000101
 ,
Figure 00000102
 - Planck constant,
Figure 00000103
 Is the speed of light in vacuum,
Figure 00000104
 - Boltzmann constant, calculate the reference temperature
Figure 00000105
 at the point
Figure 00000106
 followed by many temperatures
Figure 00000107
 surface elements of an object are calculated by the following formula:
Figure 00000108
Figure 00000108
RU2015123313A 2015-06-17 2015-06-17 Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature RU2616937C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015123313A RU2616937C2 (en) 2015-06-17 2015-06-17 Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015123313A RU2616937C2 (en) 2015-06-17 2015-06-17 Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015123313A RU2015123313A (en) 2017-01-10
RU2616937C2 true RU2616937C2 (en) 2017-04-18

Family

ID=57955595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015123313A RU2616937C2 (en) 2015-06-17 2015-06-17 Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2616937C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715089C1 (en) * 2019-08-07 2020-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of contactless measurement of spatial distribution of temperature and emissivity of object
EA039507B1 (en) * 2020-12-14 2022-02-04 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Method for determination of temperature field of the heated body surface with unknown radiant heat factor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5109277A (en) * 1990-06-20 1992-04-28 Quadtek, Inc. System for generating temperature images with corresponding absolute temperature values
UA44416U (en) * 2009-01-20 2009-10-12 Одесский Национальный Университет Имени И.И.Мечникова Method for determination of local brightness temperature in separate points of hot body and disctibution of brightness temperature by surface of hot body
RU2515086C1 (en) * 2012-11-19 2014-05-10 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) Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5109277A (en) * 1990-06-20 1992-04-28 Quadtek, Inc. System for generating temperature images with corresponding absolute temperature values
UA44416U (en) * 2009-01-20 2009-10-12 Одесский Национальный Университет Имени И.И.Мечникова Method for determination of local brightness temperature in separate points of hot body and disctibution of brightness temperature by surface of hot body
RU2515086C1 (en) * 2012-11-19 2014-05-10 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) Pyrometric method of measuring temperature distribution on surface of object

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.Н. Магунов "Спектральная пирометрия", ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА No 4, 2009 г., стр.5-28. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2715089C1 (en) * 2019-08-07 2020-02-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Method of contactless measurement of spatial distribution of temperature and emissivity of object
EA039507B1 (en) * 2020-12-14 2022-02-04 Белорусский Государственный Университет (Бгу) Method for determination of temperature field of the heated body surface with unknown radiant heat factor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015123313A (en) 2017-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gulyaev et al. Spectral-brightness pyrometry: Radiometric measurements of non-uniform temperature distributions
Vellvehi et al. Irradiance-based emissivity correction in infrared thermography for electronic applications
US7422365B2 (en) Thermal imaging system and method
Dolmatov et al. Control of dispersed-phase temperature in plasma flows by the spectral-brightness pyrometry method
Vattulainen et al. Novel method for in-flight particle temperature and velocity measurements in plasma spraying using a single CCD camera
US9689746B2 (en) Method and system of measuring surface temperature
CN108827473B (en) Fourier transform infrared spectrometer complex radiometric calibration processing method
Fu et al. Measurement performance of an optical CCD-based pyrometer system
Musto et al. Error analysis on measurement temperature by means dual-color thermography technique
RU2616937C2 (en) Method of spectral-brightness pyrometry of objects with nonhomogeneous surface temperature
CN107110709A (en) The method for calibrating the high temperature counter device of CVD or PVD reactors
Fu et al. The set-up of a vision pyrometer
KR101459668B1 (en) Method For Correcting Temperature Distribution of Semiconductor Device Measured by Infrared Thermal Imaging Camera And System Using The Same
Kowalski et al. Investigation of concealed objects detection in visible, infrared and terahertz ranges of radiation
US8304730B2 (en) Nadir emissive hyperspectral measurement operation (NEHMO)
Xie et al. Development of three-wavelength CCD image pyrometer used for the temperature field measurements of continuous casting billets
Quirin et al. Combining the spectral information of Dual-Band images to enhance contrast and reveal details
KR20040010172A (en) Emissivity distribution measuring method and apparatus
Firago et al. The principles of reducing temperature measurement uncertainty of modern thermal imaging system
Kelly et al. A novel multi-band plenoptic pyrometer used for temperature measurements of strand burner plumes
Venkataraman et al. Performance parameters for thermal imaging systems
Zauner et al. CCD Cameras as thermal Imaging devices in heat treatment processes
KR20220034887A (en) Method and apparatus for monitoring radiation
Mosharov et al. Pyrometry using CCD cameras
Svensson et al. Evaluation of a method to radiometric calibrate hot target image data by using simple reference sources close to ambient temperatures

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170618