Способ определения температуры объекта и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: позволяет определить температуру дисперсных частиц по вероятностным характеристикам потока их излучения. Повышение точности измерений достигается за счет того, что температура измеряется по отношению измеренных вероятностей нахождения сигнала и логарифма измеренного сигнала между их медианными и средними значениями. Для увеличения точности измерений в условиях серого характера излучения дополнительно регистрируют поток излучения на другой длине волны и перед измерением вероятностных характеристик сигналов находят отношение сигналов на двух длинах волн и логарифм этого отношения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил. ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 J 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ щ,,, -м@

К ПАТЕНТУ (21) 4846914/25 (22) 09.07.90 (46) 23,03.93. Бюл. № 11 (71) Институт проблем энергосбережения

АН УССР (72) И.А.Вольчин, С.И.Кривошеев, В.Н.Макарчук и С.Е.Марущак (73) Отделение высокотемпературного преобразования энергии Института проблем энергосбережения АН Украины (56) Патент США ¹ 4142417, кл. G 01 J 5/10, 1979.

Авторское свидетельство СССР

N 1639208, кл. G 01 J 5/00, 1990, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности радиационной пирометрии, и может быть использовано в науке и технике для определения температуры объекта, обладающего температурными и пространственными флюктуациями, некоррелированными между собой. Например, для определения температуры угольных частиц в котлоагрегате тепловой электростанции.

Целью предлагаемого способа и устройства для его осуществления является устранение указанного недостатка — а именно повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры обьекта, заключающемся в определении температуры по вероятностной характеристике

„„Я „„1804599 А3 (57) Сущность изобретения: позволяет определить температуру дисперсных частиц по вероятностным характеристикам потока их излучения. Повышение точности измерений достигается за счет того, что температура измеряется Ilo отношению измеренных вероятностей нахождения сигнала и логариф= ма измеренного сигнала между их медианными и средними значениями. Для увеличения точности измерений в условиях серого характера излучения дополнительно регистрируют поток излучения на другой длине волны и перед измерением вероятностных характеристик сигналов находят отношение сигналов на двух длинах волн и логарифм этого отношения, 2 с, и 2 з.п. ф-лы, 2 ил, флюктуаций потока излучения объекта, логарифмируют сигнал, пропорциональный потоку излучения объекта, измеряют вероятность нахождения полученного сигнала и его логарифма между их средними и медианными значениями и определяют температуру по отношению измеренных вероятностей.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно измеряют сигнал, пропорциональный потоку излучения объекта на другой длине волны, а вероятности нахбждения сигнала между средним и медианным и значениями измеряют для отношения сигналов, пропорциональных потокам излучения на двух

1804599 а среднее значение ус= f уя (у)оу (2) 50

55 длинах волн, и логарифма отношения этих сигHBJlOB, Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта, состоящее из оптически связанных объектива, монохроматизирующего элемента, фотоприемного устройства и блока обработки сигнала, дополнительно содержит двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входом логарифмическим усилителем, при этом выход фотоприемного устройства соединен со входами двухканального измерителя, а его выход соединен с блоком обработки сигнала.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительно снабжено оптически связанными объективом, монохромэтизирующим элементом с другой длиной волны и фотоприемным устройством, а также блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения.

Именно заявляемые новые отличительные признаки, не встречающиеся ни в одном из известных технических решений, описывающие дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта — двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне большем и.меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем — обеспечивают логарифмирование сигнала, полученного при регистрации фотоприемным устройством потока излучения объекта на одной длине волны, измерение вероятности нахождения полученного сигнала и его логарифма между их средними и медианными значениями, и тем самым — достижение поставленной цели, Для объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения дополнительные элементы устройства для определения температуры объекта — оптически связанные объектив, монохроматизирующий элемент с другой длиной волны и фотоприемное устройство, а также блок измерения отношения сигналов — обеспечивают регистрацию потока излучения объекта на другой длине волны, измерение вероятностей нахождения сигнала между средним и медианным значением для отношения сигналоа, пропорциональных излучению на

40 двух длинах волн, и логарифма отношения этих сигналов, и тем самым — достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Достижение поставленной цели — повышение точности — обеспечивается за счет измерения статистической характеристики сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), что в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных интервалов.

Достижение поставленной цели — повышение точности измерения для объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения — обеспечивается за счет измерения статистической характеристики сигнала более низкого порядка (вероятности нахождения сигнала между двумя фиксированными уровнями), чем в способе-прототипе (дисперсии, третьего центрального момента, коэффициента асимметрии), за счет перехода от измерения амплитудных значений сигнала к измерению временных интервалов, за счет устранения влияния неконтролируемой изменяющейся площади поверхности излучения объекта на результаты измерений, Рассмотрим произвольную характеристику объекта у(Т), являющуюся однозначной функцией температуры объекта Т и имеющую функцию плотности вероятности

g(y). Медианное значение ym функции у(Т) определяется из условия

Д g(V) бу = f g(V) бу = 0,5

Для флуктуирующей температуры обьекта Т с одномодальной функцией плотности вероятности т(Т) аналогично определяются медианное Tm и среднее Т, значения температуры. Отметим, что для однозначной и монотонной функции у(Т) всегда справедливо условие у = y(Tm).

По определению вероятность нахождения функции у(Т) в интервале между медианным ym и средним ус значениями равна

1804599 у T (т1 ру (Тm) (13) g(y) = fm/уЩ (5) т1 (т (Т)2 ДЗ (6) (16) (VЩ= k(— + — ), Е Сг

89, ЛТ2 (19) ру= Р g(y) y (3)

Разложим данное выражение в ряд Тейлора в окрестности значения у = уп. ру = g (у) (ус — ym) + 1/2 g (у) (ус — ym) + ". (4) где g (ó) — производная функции плотности вероятности g (у).

Определим величины, входящие в правую часть формулы (4). Согласно Е,Н. Вентцель. Теория вероятностей. М.: Наука — 1969 — с. 263 — 265, функции плотности вероятности g (у) и f(T) связаны соотношением где у (T) — производная функции у(Т) откуда легко можно получить

I где f(T) — производная функции плотности вероятности f(T); у (T) — вторая производная функции у(Т), Для определения разности (ус — ym) разложим функцию уЩ в ряд Тейлора в окрестности значения Т = Тс. у(Т) = у(Гс) + у (Тс) (Т вЂ” Тс) +

+1/2 у "(Т,) (Т-Т.) + ... (7)

Среднее значение ус равно ус=y(Tc)+ 1/2 y"(Tc) <тт+ ..., (8) где от — ((T — Тс) ) — среднее квадратичг 1/г ное отклонение температуры.

Разность (yc — ym) определяется как

yc — ym = 1/2У с ) О - У (Тс) 6 Tm— — 1/2 у (Tc) д Т m + ..., (9) где дТа = Tm — Тс

Посколькудля произвольной случайной величины, имеющей одномодальную функцию плотности вероятности, отклонение медианного значения от среднего всегда меньше величины среднего квадратичного отклонения, то при выполнении условия малости флюктуаций температуры пт«Тс (10) в формуле (9) ограничимся первыми двумя слагаемыми

yc — ym = 1/2 у (Тс) о(— у (Гс ) д Tm (11)

Подстановка выражений для g(y), g(y) и (ус — Vm) в формулу (4) с учетом условия (10) дает ру= (Тв) „2 f(Tm) дТ,. (12 у Тс

В формуле (12) первое слагаемое обусловлено нелинейностью функции у(Т), а второе слагаемое показывает вклад асимметрии функции плотности вероятно5 сти f(T) в величину вероятности ру. При симметричной f(T) относительно среднего значения Тс отклонение дТ = 0 и формула для вероятности упрощается

Выберем в качестве характеристик объекта

15 уЩ сигнал 0(Т), пропорциональный потоку излучения объекта ©> на длине волны Л, и сигнала ЧЩ, пропорциональный логарифму сигнала U(T). Для них в соответствии с законом Планка в приближении Вина можно записать

U(T) = k cD>= К.„$ я.„С1Л ехр (С2/Л Т) (14) V(T) = k In 0 (Т) = k(ln(k>$ Л ) + 1м,„— -Т1, 25 (15) где k — коэффициент передачи электроннооптического тракта на длине волны k

S — площадь поверхности объекта, излу-, чение которого регистрируется фотоприемным устройством;

e — - спектральная степень черноты объ A екта;

35 С1, Сг — первая и вторая постоянные излучения Планка;

k — коэффициент пропорциональности.

Предположим, что площадь поверхности объекта S не зависит от температуры и

40 оптически однородна во времени.

Согласно формуле (12) для нахождения вероятностей p„ p„сигналов 0)Т) и V(T) необходимо определить их первые и вторые производные, а также отношение производных

II

fl l я 2я 5 сг сг

50 е ь лтг Лтг Лтг т J

e. с2 g I») — Ф вЂ” +—

0"(т) с 6< я т т

0 (т) т т е„с2

Е т2

1804599 (31) 30 (33) Е », Е», С» — — Ф

Е»р Лт

U (т) Лт» т б» Е»» — - — »вЂ”

1Л !!

Ь"„Kq Я

Q (Т1 я. E+ (-ь Т Я%

+ У ч (т) т g> С2

Е (т где я,„,е„- первая и вторая производные степейи черноты е по температуре.

В случае объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения (например, для флуктуирующего потока дисперсных частиц), когда площадь S оптически неоднородна во времени, с целью исключить влияние величины S на регистрируемые сигналы ц(Т) и (V(T), выберем в качестве Um сигнал, пропорциональный отношению потоков излучения объекта на двух длинах волн Л1 и Л2, а в качестве Ч(Т) — сигнал, пропорциональный логарифму отношения этих потоков:

"»!9», 4, 3-, Е», (с» ((т)=, . =), Еп —,.Е) — - —, (Z ) (»»Р»» "»a 1(» Е»» т где k1,kz — коэффициенты пропорциональности;

Л =-г — 1-- приведенная длина волны.

Л1Л2

»Гг — А1

И в данном случае определим значения первых и вторых производных и их отношений:

)б », б », С,1

"" = (",,:;; :;1(:,,:":,1 Мэ--. 11

U (ò) (- » 2 Е», Е»» И»! Е» t(bt» т Е»»1

У! (Е», Е»» С 1

» б, Е», Ат»! (27, и ! ! б»! Е», (Е», Е»»Ц2 Е»

v" (т) g Е»! Е»» (Е»! Е»» 1т Е», Е»») (29!

Ч (T) т

Зависимость спектральной степени черноты е от температуры для большинства физических тел в пределах одного фазового.состояния в видимой и ближней

5 инфракрасной областях спектра — полагая, поэтому с минимальной погрешностью можно принять допущение о постоянстве величины е»при изменении температуры и, следовательно, положить е», я равными

10 нулю. Например,для вольфраматакоедопущение приводят к относительной погрешности менее 1 (».

С учетом вышеизложенного получим

15 следующие формулы для вероятностей

pu=f(Tm) ((— — — ) — — !)т ), (30)

С2 2 0)

ЛТ2 Тс

20 р! = f(rm) (- — — 0 т) .

От

В случае объекта с изменяющейся пло25 щадью поверхностью излучения Л = Л.

Решая систему уравнений (30 и (31) относительно Тс, получим следующее выражение для средней температуры объекта с =.у (1 — — ") (1 + (1 + 2 Д Тр! С3/Л(тg)) ) — ) (З2) 35 При симметричной функции плотности вероятности f(T), когда д Tff) = О, формула (32) упростится

40 Тс = 2-((1 — — ") Существуют различные способы измерения вероятности нахождения случайного сигнала между фиксированными уровнями.

45 В заявляемых устройствах в качестве аналога использован один из способов — измерение времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем заданного.

Известно, что относительное время пре50 бывания сигнала у(Т) на уровне большем среднего значения у есть вероятность нахождения у(Т) в интервале значений (у,, ()о) =-+ =- =) a(V)0f =05-)" р(У)Ф,(3() где ty — время пребывания сигнала у (Т)на уровне большем yf:, 1804599

p = — Х М

1 t+ — t

2 (37) 40

ЛТ Лt 21Т

1с + С2 (39) +

1 — tv l1ч

55 су- — время пребывания сигнала уЩ на уровне меньшем ус, ty = ty+ ty — полное время измерения.

Аналогично получим для относительного времени пребывания уЩ на уровне меньшем среднего значения ус ъ--4 =-Р КЙ=О5+1 МЯ, Су + у (35) а разность относительных времен пребывания ту сигнала у(Т) на уровне большем и меньшем среднего значения равна ту = t v — t v = — 2 P 9(У) бУ = -2Ру (36) Отсюда получим формулу, связывающую вероятность нахождения сигнала уЩ в интервале между уп и ус и времена пребывания у(Т) на уровне большем и меньшем ус

Если подставить выражение (37) в формулу (33), то связь между средней температурой

Тс и временами пребывания сигнала U(T) (tu, Я и сигнала ЧЩ (ty, ty) на уровне большем и меньшем их средних значений, соответственно, при одинаковом времени измерения сигналов выражается как

Тс= —, (1 — + ) ". (38) b Тч

Относительная погрешность определения температуры объекта ЛТ/Тс связана с относительной погрешностью измерения времени пребывания Ь|/tv выражением

Поскольку выполняется условие

1 — ty/ty «1, точность измерения времени пребывания должна быть высокой. Например, при определении температуры объекта с точностью ЛТ1К (ЛТ/Т "-10 ) необходимо использовать измерители интервалов времени, дающие результаты не менее чем с 5 — 6 значащими цифрами, На фиг.1 и 2 изображено устройство для определения температуры объекта.

Устройство содержит объектив 1, собирающий поток излучения объекта 7 на вход монохроматизирующего элемента 2, выделяющего поток излучения на заданной дли5

35 не волны. На выходе монохроматизирующего элемента 2 расположено фотоприемное устройство 3, преобразующее входной световой поток в выходной электрический сигнал, Выход фотоприемного устройства 3 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5.

Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения объекта 7 попадает в объектив 1, собирающий поток излучения на вход монохроматизирующего элемента 2, настроенного на выбранную длину волны.

На выходе монохроматизирующего элемента 2 выходной поток излучения попадает на вход фотоприемного устройства 3, преобразующего поток излучения на заданной длине волны в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства 3 поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. В двухканальном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта

Устройство определения температуры объекта с изменяющейся площадью поверхности излучения представлено на фиг.2.

Устройство содержит объективы 1 и 8, собирающие поток излучения объекта 7 на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, выделяющих потоки излучения на заданных двух длинах волн. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 расположены фотоприемные устройства 3 и 10, преобразующие входные световые потоки в выходные электрические сигналы. Выходы фотоприемных устройств 3 и 10 соединены со входами блока измерения отношения сигналов 11, выходной сигнал которого пропорционален отношению входных сигналов. Выход блока измерения отношения сигналов 11 соединен со входами двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем

1804599

10

30

55 среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. Выход двухканального измерителя 4 соединен со входом блока обработки сигнала 6, в котором обрабатываются входные данные по заданному алгоритму.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения объекта 7 попадает в объективы 1 и 8, собирающие потоки излучения на входы монохроматизирующих элементов 2 и 9, настроенных на заданные две длины волны. На выходах монохроматизирующих элементов 2 и 9 выходные потоки излучения попадают на входы фотоприемных устройств 3 и 10, преобразующих потоки излучения на заданных длинах волн в электрические сигналы. Выходные сигналы фотоприемных устройств 3 и 10 поступают на входы блока измерения отношения сигналов 11, в котором формируется выходной сигнал, пропорциональный отношению входных сигналов, который поступает на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения 4, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем 5. В двухканальном измерителе 4 происходит измерение времен пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения. Измеренные значения времен пребывания поступают в блок обработки сигнала 6, в котором определяется температура объекта

7.

Пример. Определение температуры объекта в соответствии с заявляемым способом проводилось при регистрации излучения лампы накаливания СН-6, выбранной в качестве объекта, которая запитывалась по-. стоянным током 20 мА. Флюктуации температуры объекта вызывались с помощью последовательно включенного в цепь накала лампы СН-6 генератора звуковой частоты ГЗ-33, поскольку собственные флюктуации температуры лампы при запитывании ее постоянным током не регистрировались наличной аппаратурой.

Амплитуда колебаний тока накала составляла величину порядка 1мА, что соответствует флюктуациям температуры нити (гт=50

К при ее температуре Т = 2000 К. Отношение о т/Т мало (o ò/Т = 0,025 «1), и удовлетворяется условие (10) применимости способа.

Поток излучения лампы СН-6 попадал на вход монохроматизирующего элемента (монохроматора МУМ-2), выделяющего монохроматический поток на заданной длине волны, который регистрировался фотоприемным устройством (ФЭУ-106), преобразующим световой поток в электрический сигнал. Выходной сигнал фотоприемного устройства поступал на входы двухканального измерителя времен пребывания сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем.

В двухканальном измерителе измерялись времена пребывания входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения и логарифма входного сигнала на уровне большем и меньшем среднего значения.

Измеренные значения времен пребывания поступали в блок обработки сигнала (ЭВМ

CM-1), в котором в соответствии с формулами (32) и (37) определялась температура лампы. Значение OTm в формуле (32) рассчитывалось из уравнения баланса энергии лампы.

Использование заявляемых способов по сравнению с прототипом обеспечивает получение следующих преимуществ:

- повышение точности определения температуры; — упрощение требований к применяемой аппаратуре за счет перехода от амплитудных измерений сигнала к измерению временных интервалов.

Формула изобретения

1, Способ определения температуры объекта, заключающийся в определении температуры по вероятностной характеристике флюктуаций потока их излучения, о тл ича ю щий с я тем,что, с целью повышения точности, логарифмируют сигнал, пропорциональный потоку излучения дисперсных частиц, измеряют вероятность нахождения полученного сигнала и логарифма полученного сигнала между их средними и медианными значениями и определяют температуру по отношению измеренных вероятностей.

2, Способ по п1, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительно измеряют сигнал, пропорциональный потоку излучения дисперсных частиц на другой длине волны, а вероятности нахождения сигнала между медианным и средним значением измеряют для отношения сигналов, пропорциональных излучению на двух длинах волн и логарифма отношения этих сигналов.

3. Устройство для определения температуры дисперсных частиц, состоящее из оптически связанных объектива, монохроматизирующего элемента, фотоприемного устройство и блока обработки сигнала, о т л13

1804599

Составитель

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С,Юско

Редактор

Заказ 1077 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно содержит двухканальный измеритель времен пребывания сигнала на уровне, большем и меньшем среднего значения, один из каналов которого снабжен входным логарифмическим усилителем, при этом выход фотоприемного устройства соединен с входами двухканального измерителя, а его выход соединен с блоком обработки сигнала.

4. Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения для потоков с серым характером излучения, оно дополнительно снабжено оптически связанными обьективом, монохроматизирующим элементом с другой дли5 ной волны и фотоприемным устройством, а также блоком измерения отношения сигналов, входы которого соединены с выходами фотоприемных устройств, а выход электрически связан с входами двухканального из10 мерителя времен пребывания сигнала на уровне, большем и меньшем среднего значения,