Измерение излучательной способности непрозрачных веществ в конденсированной фазе по спектру теплового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение. Постановка задачи.

ГЛАВА 1. Обзор оптических методов бесконтактного измерения температуры и излучательной способности.

1.1. Оптические методы измерения температуры.

1.2. Методы измерения излучательной способности.

ГЛАВА 2. Методика измерений спектров теплового излучения сильно нагретых тел и алгоритм обработки этих спектров.

2.1. Алгоритм обработки сгайстр(м&.=

2.1.1. Теоретическое обоснование метода. 2.1.2; Алгоритм обработки спектров. 2.1.3. Пример работы алгоритма.

2.2. Экспериментальная установка для измерения спектров теплового излучения сильно нагретых тел.

2.2.1 Общая схема измерительной установки.

2.2.2. Система управления монохроматором.

2.2.3. Система регистрации сигнала.

2.2.4. Измерение спектров.

2.2.5. Калибровка.

ГЛАВА 3. Исследование спектров собственного теплового излучения различных объектов.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Измерение излучательной способности боковой поверхности излучающей трубки лампы АЧТ.

3.3. Вольфрам.

3.4. Рений.

3.5. Тантал.

3.6. Ниобий.

3.7. Цирконий.

3.8. Излучательная способность осветителя с галогенной лампой КГМ-70.

Основные результаты работы.

Оптическая пирометрия широко используется в ряде важных направлений науки и отраслей промышленности. Интенсивность теплового излучения тел резко убывает с уменьшением температуры (Т), поэтому методы оптической пирометрии обычно применяют в случае необходимости измерения относительно высоких температур. При Т < 1000°С они играют второстепенную роль, но при Т > 1000°С становятся основными, а при Т > 3000°С - практически единственными методами измерения температуры. Необходимость использования оптических пирометров обусловлена тем, что при их использовании не требуется контакта датчика измерительного прибора с объектом, температура которого измеряется.

Основы оптической пирометрии впервые наиболее полно изложены в классическом труде «Оптическая пирометрия» [1] Густава Рибо - ученика Ле Шателье. Этот труд более четверти века служил настольной книгой не только для метрологов, но и для всех исследователей, серьезно интересующихся вопросами измерения температуры по излучению. Густав Рибо изобрел и изготовил первый пирометр с «исчезающей нитью». Однако его книга в основном посвящена визуальной пирометрии, в которой приемником излучения является человеческий глаз, и в настоящее время такой подход считается устаревшим.

Достигнутый в настоящее время уровень развития оптической пирометрии позволяет измерять яркостную температуру абсолютно черного тела (АЧТ) с точностью до сотых долей градуса с помощью лабораторных, образцовых яркостных пирометров. Точность измерений при этом в первую очередь зависит от строгости выполнения основного условия пирометрических измерений - близости к единице излучательной способности исследуемого объекта. Для выполнения этого условия обычно работают с излучением, выходящим из полости с небольшим отверстием, представляющим собой модель АЧТ. В случае, когда излучательная способность отлична от единицы, требуется вносить поправки для определения истинной температуры. Без знания излучательной способности веществ невозможны бесконтактные оптические измерения их температуры. Накопленные к настоящему времени немногочисленные данные по значениям излучательной способности металлов и диэлектриков на отдельных длинах волн используются в пирометрии для целей металлургии и стекловарения, а надежность этих данных играет важную роль в правильности расчетов различных термохимических и тегоюфизических процессов. Поэтому в последние годы основное внимание в пирометрии уделяется повышению точности определения излучательной способности различных веществ и расширению спектрального диапазона ее измерения.

Для измерения температуры объектов, у которых в рабочем диапазоне спектра излучательная способность не изменяется от длины волны и меньше единицы (серое тело), или подчиняется какому-либо простому закону, например, имеет линейную спектральную зависимость, используются двух-, трех- и более волновые цветовые пирометры. Для их работы необходимо знание спектральной и температурной зависимости излучательной способности того объекта, температура которого измеряется.

Для любого реального объекта связь между его температурой и измеряемым спектральным распределением плотности излучения от него определяется спектральной излучательной способностью самого исследуемого объекта и спектральными параметрами проводящей среды, включая измерительную систему.

Спектральная излучательная способность - важнейший параметр в теплофизике. Связь излучательной способности с истинной температурой образует порочный круг, поскольку невозможно точно определить истинную температуру, не зная излучательной способности и наоборот. Эта проблема осложняется еще и тем, что излучательная способность веществ зависит от их температуры.

Измерение спектральной излучательной способности тел связано с большими трудностями, а именно: требуется точно измерить температуру исследуемого объекта, что невозможно сделать бесконтактно, не зная его излучательной способности. Можно сделать модель АЧТ, имеющую точно такую же температуру, что и исследуемый объект, это тоже не просто, а зачастую и просто невозможно.

В некоторых случаях для определения излучательной способности можно применять рефлектометрию, но этот метод годится только для поверхностей, излучение которых подчиняется закону Ламберта.

В настоящее время известны два метода определения излучательной способности без непосредственного контакта с излучающей поверхностью.

Первый так называемый LEFT метод (Laser Emissivity Free Thermometry method) предложен в 1968 году Г. Кунцем [7] основан на применении двух мощных (>1 Вт) лазерных пучков с различными длинами волн, подогревающих объект за счет поглощения им этого излучения. Таким образом для длин волн, на которых работают лазеры, определяется отношение коэффициентов поглощения, которое по закону Кирхгофа соответствует отношению коэффициентов излучательных способностей. Последнее, как известно, и определяет поправку, которая позволяет перейти от цветовой температуры к истинной. Метод Кунца достаточно активно развивается в Германии [8] и Англии [9], Этот метод не является пассивным, т.к.' хотя он и не требует физического контакта, но предполагает сильное оптическое воздействие (нагрев) на исследуемый объект. Такой подход не всегда может использоваться, а иной раз и невозможен.

Возможность определения спектральной излучательной способности веществ в конденсированной фазе за счет использования избыточности информации в их спектрах теплового излучения была предложена в 1975 г. Д.Я. Светом [2]. Еще ранее была показана возможность измерения истинной температуры веществ по их тепловому излучению при корректности линейной аппроксимации зависимости излучательной способности или ее логарифма от длины волны [3]. Эта аппроксимация в настоящее время активно используется в пирометрии [4,10].

В конце 80-х годов группой исследователей в Массачусетсом технологическом институте этот метод, использующий избыточность информации в спектрах теплового излучения, был развит и в 1992 году Кан, Аллеманд и Егар создали макет системы, реализующий такой подход [5]. В работе [5] спектр интенсивности излучения от реального объекта приближался модельным спектром и считалось что параметры, определяющие излучательную способность и температуру, найдены, когда среднеквадратичное отклонение экспериментального спектра от модельного достигало минимума. Таким способом авторами работы с достаточно высокой точностью была измерена истинная температура платины.

В настоящее время фирма FAR Associates [6] по специальному заказу выпускает приборы, определяющие истинную температуру различных объектов. Эти приборы также используют избыточность информации, содержащуюся в спектре теплового излучения. Такие приборы сочетают в себе последние достижения микроэлектроники, интегральной оптики и вычислительной техники.

Несмотря на достигнутые успехи в области пирометрии, для спектрального метода измерения температуры и излучательной способности с наперед заданной точностью, остаются принципиальные и недостаточно разрешенные проблемы выбора вида модельной функции для аппроксимации излучательной способности исследуемого материала, а также разрешение противоречия между требованиями к увеличению соотношения сигнал/шум и расширению охватываемого в измерениях спектрального интервала. Актуальность и значимость этих проблем несомненна. Решению этих проблем и посвящена настоящая работа.

Постановка задачи

В настоящее время существуют пирометры, позволяющие проводить измерения температуры с точностью до сотых долей градуса, но для их работы требуется знание излучательной способности исследуемого объекта с точностью до десятых долей процента. Лабораторные установки позволяют измерять излучательную способность с такой точностью, но они в свою очередь требуют как создания эталонного АЧТ, находящегося в непосредственном контакте с исследуемым объектом, так и измерения температуры контактным способом.

Однако иногда возникают ситуации, когда невозможно заранее измерить излучательную способность, либо она изменяется с течением времени. Для таких случаев были разработаны многоволновые пирометры, позволяющие измерять температуру с точностью до процента, и созданы методики определения температуры и излучательной способности объектов, для которых заранее не известно ни то, ни другое, но требуется знать заранее характер поведения излучательной способности в рабочем спектральном диапазоне.

В данной диссертационной работе была поставлена задача разработать методику, позволяющую проводить измерения температуры в диапазоне 1500 К - 3000 К (с погрешностью не более 1 %) и спектральной излучательной способности (с погрешностью не более 10 %) веществ в конденсированной фазе. Методика должна позволять проводить измерения и температуры и излучательной способности одновременно и не должна опираться на ранее измеренные значения излучательных способностей исследуемых объектов. Разрабатываемая методика, так же не должна-никаким образом воздействовать на них, как, например, в методе LEFT. Методика должна исключать использование модели АЧТ, находящегося в непосредственном тепловом контакте с исследуемым объектом.

Корректность разработанной методики должна была быть экспериментально подтверждена измерениями спектральной излучательной способности (в области 0.6 - 2.1 мкм) на эталонном излучателе - на трубчатой лампе черного тела, изготовленной из вольфрама, и на ее боковой поверхности.

С помощью разработанной методики необходимо было определить спектральную излучательную способность и температуру образцов тугоплавких металлов (вольфрама, рения, тантала, ниобия и циркония), выполненных в виде ленточных ламп накаливания, по спектрам их теплового излучения, а также исследовать характер поведения излучательной способности этих материалов.

Основные результаты работы.

В результате выполненной работы получены следующие основные результаты:

1. Впервые разработан полностью бесконтактный алгоритм определения температуры и спектральной излучательной способности веществ в конденсированной фазе по спектрам их собственного теплового излучения, не требующий организации черного тела, находящегося в непосредственном тепловом контакте с исследуемым объектом. Алгоритм позволяет использовать любой спектральный интервал измерений, а не только коротковолновую область, где действует приближение Вина для функции Планка.

Представляемый алгоритм обработки экспериментальных спектров излучения дает возможность проанализировать влияние всех основных факторов (отношения сигнал/шум, спектрального диапазона измерений, вида модельной функции, которая используется для аппроксимации излучательной способности) на точность определения температуры исследуемых веществ.

2. Разработана и собрана прецизионная экспериментальная установка, для измерения спектров излучения веществ в конденсированной фазе, нагретых до температур от 1500 К до 3200 К, в области спектра 0.6 - 2.1 мкм и соотношением сигнал/шум до 106 в области максимума сигнала.

3. Корректность методики экспериментально подтверждена измерениями спектральной излучательной способности (в области 0.6 - 2.1 мкм) боковой поверхности трубчатой лампы абсолютно черного тела, изготовленной из вольфрама.

Возможности методики продемонстрированы на примере измерения температуры (от 1500 К до 3200 К с погрешностью не более 1 %) и спектральной излучательной способности в области спектра от 0.9 мкм до 2.1 мкм (с погрешностью не более 10 %) ленточных ламп накаливания, изготовленных из вольфрама, рения, тантала, ниобия, циркония и осветителя с галогенной лампой, рабочая температура которой составила 3200 К. Впервые измерения проведены бесконтактно и без организации черного тела в исследуемых объектах.

Заключение.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю Плотниченко Виктору Геннадиевичу и научному консультанту Свету Дарию Яковлевичу, чьи конструктивные советы и наставления во многом обеспечили выполнение и оформление данной работы. Автор также выражает благодарность сотрудникам лаборатории спектроскопии НЦВО при ИОФ РАН, Колташеву В.В., Слипченко М.Н., Малосиеву А.Р., Крюковой Е.Б., Дудник З.И. за дружескую поддержку и обсуждение проделанной работы.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке по грантам РФФИ № 96-15-96417 и № 96-02-18478.

1. Густав Рибо. Оптическая пирометрия. 1934. Москва, Ленинград. Государственное Технико-Теоретическое Издательство. 455 стр.

2. Д. Я. Свет. Независимое определение излучательной способности по спектру собственного теплового излучения. Доклады Академии наук СССР. 1975. Т. 221. № 1. С. 81-83.

3. Д.Я. Свет. Авторское свидетельство №476464 от 16.04.1954г.

4. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. Д.Я. Свет. Москва, "Наука", 1968, 235 стр.

5. М. A. Khan, Ch. Allemand, and Т. W. Eagar. Noncontact temperature measurement. Review of Scientific Instruments. 1991. V. 62, №2. P. 392-409.

6. Ralph A. Felice // A new type of pyrometer solves classic problems // Reprinted from Industrial Heating, September, 1995 // Internet address : http://users.aol.com/raffar/ (article.html)

7. Schreiber E., Neuer G. // The laser absorption pyrometer for simultaneous measurement of surface temperature and emissivity // 6-th International

8. Symposium on Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science //Tempmeko'96, September 10-12, 1996, Torino, Italy, Proceedings, pp. 365-370

9. Laser emissivity free thermometry (LEFT) // 6-th International Symposium on Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science // Tempmeko'96, September 10-12, 1996, Torino, Italy, Proceedings, pp. 383-388

10. Излучательные свойства твердых материалов.

11. Под ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия. 1974, 472 стр.

12. Шрамко Ю.П. Теплофизика высоких температур, 1967, т. 5, №2

13. Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. М., Мир, 1964

14. Новицкий J1.A. «Теплофизика высоких темпкратур», 1966, т. 4, с.577

15. Symposium on Thermal Radiation of Solids, Ed. S. Katzoff. Wash. D.C., NASA, SP-55, 1965

16. Ключников А.Д. «Теплофизика высоких температур», 1968, т. 6, с. 121

17. Ключников А. Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучения в огнетехнических установках. М., Энергия, 1970, с. 223

18. Осипова ■ В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М., Энергия, 1969

19. Larrabee R.D. "Journ. Opt. Soc. Amer.", 1959, v. 49, p. 619

20. Латыев Л.Н., Чеховской В.Я., Шестаков Е.Н. «Теплофизика высоких температур», 1969, т. 7, с. 666

21. В.Е. Листовничий. Инж.-физ. ж., 1964, т. 7, №11. Теплофизика, 1965, №1 и №3

22. Richmond J.С., Harrison W.H. and Shorten F.J. In: Measurement of Thermal Radiation Properties of Solids. Ed. J.C. Richmond. Wash., D.C. NASA SP-31,1963, p. 403

23. Дмитриев В.Д., Холопов Г.К. «Журнал прикладной спектроскопии», 1965, т. 2, с. 481

24. Вознесенский А.А., Ферт А.Р. «Инженерно физический журнал», 1967, т. 12, с. 610

25. Shaw M.L. "Journ. Appl. Phys.", 1966 v. 37, p. 919.

26. Лапина Э.А.,. Чудновский А.Ф. «Теплофизика высоких температур», 1965,т. 3, с.686.

27. Jona F., Wendt Н. R. "Journ. Appl. Phys.", 1966 v. 37, p. 3637

28. Дмитриев В.Д., Холопов Г.К. «Журнал прикладной спектроскопии», 1967, т. 6, с. 425

29. Гордов А.Н. «Теплофизика высоких температур», 1963, т. 1, с. 149

30. Martin W.S., Duchane Е.М. and Blau Н.Н. "Journ. Opt. Soc. Amer", 1965, v. 55, p. 1923

31. Barnes B.T. " Journ. Opt. Soc. Amer.", 1966, v. 56, p. 1546

32. Blau H.H., Martin W.S., Chaffe E. In: Temperature. Its Measurement and Control in Sience and Industry. Ed. C.M. Herzfeld. Reinhold Publ. Corp., N.Y., 1962, v. 3, pt 2, p. 1035

33. Bioni M.A. "Phys. Rev.", 1956, v. 102, p. 964

34. Bioni M.A. and Rayne J.A. "Phys. Rev.",1959, v. 115, p. 1522

35. Самарский A.A. // Введение в численные методы // М. Наука // 1987 // 286 стр.

36. Владимиров B.C. // Уравнения математической физики //М. Наука // 1988 // 512 стр.

37. Р. Лоудон // Квантовая теория света // М. Мир // 1976 // 488 стр.

38. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. // Введение в атомную физику // М. Наука / 1969//303 стр.

39. S. М. Chernin. High-temperature miniature black body radiation sources. Applied optics, Vol. 36, No 7, 1997, pp. 1580- 1591.

40. НС. Вдовин, Д.Я. Свет, В.И. Саяпина, Л.И. Ошарина // Ламповые модели черного тела // Объективные методы пирометрии излучения металлов // М. Наука // 1976 // стр. 93-97

41. Н.С. Вдовин // Новые метрологические средства для современной пирометрии излучениия // Оптические методы измерения температур в металлургии (теория, системы, элементы) /М. Наука/ 1979 // стр. 109-113

42. П. Хоровиц, У. Хилл// Искусство схемотехники // М. Мир // 1993 // том 3, стр 180

43. Дж. Ллойд. Системы тепловидения. М. Мир, 1978, 414 стр.

44. Б.А. Хрусталев, A.M. Раков. Методы определения интегральных и спектральных излучательных свойств материалов при высоких температурах. Теплообмен, гидродинамика и теплофизические свойства веществ. М. Наука, 1968, стр.174 -190.

45. Б.А. Хрусталев, A.M. Раков. Излучательные свойства тантала, молибдена, ниобия, графита и карбида ниобия при высоких температурах. Теплообмен, гидродинамика и теплофизические свойства веществ. М. Наука, 1968, стр. 198-219.

46. Б.А. Хрусталев. Степень черноты трубчатого излучателя при наличии неизотермичности. Теплообмен, гидродинамика и теплофизические свойства веществ. М. Наука, 1968, стр. 219 230.

47. Д.Я. Свет, Т.Н. Ежова, А.Ф. Парфинович. Прибор для прецизионного терморегулирования по цветовой температуре. Теплофизика высоких температур, 1965, т. 4, стр. 657 659.

48. R.R. Oils. High-temperature optical fiber thermometer. J. Appl. Phys., Vol. 54, No 3, March 1983, pp. 1198-1201

49. Yonghang Shen, Limin Tong, Yanqi Wang, Linhua Ye. Sapphire-fiber thermometer ranging from 20 to 1800 °C. Applied Optics. March 1999, Vol. 38, No. 7, pp. 1139- 1143.

50. Carl G. Ribbing, Orjan Staaf, Stefan K. Andersson. Temperature correction of radiometric emission factors for nongray objects. Optical Engineering, Vol. 36, No. 12, December 1997, pp. 3416 3424.

51. W.J. Bock and W. Urbanczyk. Temperature desensitization of a fiber-optic pressure sensor by simultaneous measurement of pressure and temperature. Applied optics, Vol. 37, No 18, 1998, pp. 3897 3901.

52. Ward Small IV, P.M. Celliers, L.B. Da Silva, D.L. Matthews, B.A. Soltz. Two-color mid-infrared thermometer with a hollow glass optical fiber. Applied optics, Vol. 37, No 28, 1998, pp. 6677 6683.

53. O. Eyal, V. Schaf, A. Katzir. Fiber-optic pulsed photothermal radiometry to fast surface-temperature measurements. Applied optics, Vol. 37, No 25, 1998, pp. 5945 -5950.

54. William C. Synder, Zhengming Wan, Xiaowen Li. Thermodynamic constraints on reflectance reciprocity and Kirchhoff s low. Applied optics, Vol. 37, No 16, 1998, pp. 3464 3470.

55. A.S. Lee, P.M. Norris. A new optical method for measuring surface temperature at large incident probe angles. Review of Scientific Instruments. Vol.68, No 2, 1997, pp. 1307 1311.

56. Zhuhong Zhang, J.H. Herringer, N. Djeu. Review of Scientific Instruments. Vol. 69, No 5, 1997, pp. 2068-2070.

57. F. Fominaya, J. Chaussy, P. Gandit. A method of heat capacity measurement without thermometer calibration. Review of Scientific Instruments. Vol. 69, No 1, 1998, pp. 168-171.

58. Список опубликованных работ по теме диссертации.

59. Д.Я. Свет, Ю.Н. Пырков, В.Г. Плотниченко. Определение температуры и излучательной способности веществ, недоступных для непосредственного контакта. Доклады Академии наук СССР. 1998. Т. 361. №5. С. 626-629.

60. В.Г. Плотниченко, Ю.Н. Пырков, Д.Я. Свет. Бесконтактное измерение истинной температуры и спектральной излучательной способности веществ в конденсированной фазе. Теплофизика высоких температур, 1999. Т. 37. №3. С. 469-474.

61. Пырков Ю.Н., Плотниченко В.Г., Свет Д.Я. Определение температуры и спектральной излучательной способности веществ в конденсированной фазе по спектру их собственного излучения. ОПТИКА-99, 19-21 октября 1999г., Санкт-Петербург, Тезисы докладов стр. 55

62. Пырков Ю. Н., Плотниченко В. Г., Свет Д. Я. Измерение излучательной способности веществ в конденсированной фазе по спектру их собственного излучения. Неорганические материалы. 2000 г., т. 36, № 9, стр. 1-6.