Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких материалов

Фрунзе, Александр Вилленович

Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Фрунзе, Александр Вилленович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких материалов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких материалов"

На правах рукописи

ФРУНЗЕ Александр Вилленович

РАЗРАБОТКА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫМИ ФОТОДИОДАМИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ МАГНИТНЫХ, КОМПОЗИЦИОННЫХ И ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность - 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 МАЙ 2011

Москва 2011

4847888

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "МАТИ" - Российском государственном технологическом университете имени К.Э.Циолковского

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Истомина Наталья Леонидовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беленький Анатолий Матвеевич кандидат технических наук Щитов Николай Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие "НПП "Исток"

Защита состоится "16_" июня 2011 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д212.110.08 при ГОУ ВПО "МАТИ" - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского (121552, Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 612А).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "МАТИ" -Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан "_" ______________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.110.08 кандидат физико-математических наук

М.В.Спыну.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качество и повторяемость характеристик катодов, используемых в процессах молекулярно-лучевой эпитаксии, в системах электронной накачки мощных источников электромагнитного излучения, и т.д., предъявляет жесткие требования как к структуре и составу используемых материалов, так и к соблюдению параметров технологических процессов при их изготовлении. При этом необходимо жестко контролировать большое число параметров технологического цикла, без чего невозможно обеспечить стабильность производства и повторяемость характеристик изготавливаемых материалов и изделий. Поэтому точное измерение температуры, являющейся одним из основных технологических параметров как в технологии изготовления кагодов, так и в микроэлектронике в целом, является одной из ключевых проблем. Разнообразие геометрических форм и размеров изделий, физико-химических свойств используемых материалов, различающиеся на порядки скорости течения тех или иных фаз технологического цикла зачастую делает неприменимыми стандартные методы измерений, разработанные и обеспеченные приборными средствами в прошлом веке. В связи с этим развитие твердотельной электроники, а также микросистемной техники невозможно без параллельного совершенствования методов и средств измерений.

Среди традиционно используемых в массовом производстве методов не-разрушающего контроля оптические методы пользуются неоспоримым преимуществом в силу бесконтактного воздействия, локальности, быстродействия. Измерители температуры, реализующие оптоэлектронные методы, принято называть инфракрасными термометрами или пирометрами. Наиболее распространенными оптоэлектронными бесконтактными измерителями температуры в настоящий момент являются пирометры с одиночным приемником излучения. К их главным достоинствам относятся относительно невысокая стоимость и возможность измерять низкие температуры, вплоть до отрицательных. Подобные приборы подробно описаны в классических работах У. Гаррисона, П. Линеве-

га, Д. Я. Света, А. А. Поскачея. Однако они характеризуются очень существенным недостатком: точность измерения таким прибором зависит от правильности установки корректирующего коэффициента, связанного с излучателыюй способностью поверхности измеряемого объекта. А она чаще всего неизвестна или измерена с очень большой погрешностью, что зачастую приводит к недопустимо большой погрешности измерений.

Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам контроля параметров технологических процессов, в том числе происходящих в высокотемпературной газоразрядной плазме при очистке и термообработке изделий, связана с изменением парка измерительных приборов, комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Успехи в этой области обусловлены развитием полупроводнико-. вых фотодиодов на основе гетероструктур, в основе которых лежат работы Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова. Эти фотодиоды нашли широкое применение в пирометрах спектрального отношения. Они имеют обычно 2 приемника излучения с различной спектральной чувствительностью, и температура объекта определяется по отношению сигналов, вырабатываемых этими приемниками. В последние годы большое распространение получили оптоэлектронные приборы с двумя фотодиодными приемниками излучения, расположенными один поверх другого, при этом верхний фотодиод прозрачен в диапазоне спектральной чувствительности нижнего. Такие структуры получили название двухспек-тральных фотодиодов (ДСФ). Использующие их приборы лишены главного недостатка приборов, основанных на одиночном приемнике - для измерения температуры объекта они не нуждаются в знании его излучательной способности.

Существуют препятствия на пути использования ДСФ: до сих пор не найдены аналитические зависимости £\ от X, пригодные для любых объектов при любых температурах, удовлетворяющие требуемой точности (особенно в спектральном диапазоне от 0,2 до 2 мкм); не получено аналитическое выражение погрешности использующего ДСФ метода измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью ("несерых тел").

Недавние исследования показали, что у ряда материалов, используемых

при изготовлении вакуумных сплавных катодов, работа выхода в сплаве ниже работы выхода каждого из материалов в отдельности. Измерение работы выхода, являющейся одним из ключевых параметров исходного материала для катода, неразрывно связано с измерением температуры образца, что в серийно выпускаемых вакуумных изделиях требует применения бесконтактных методов измерения температуры. Однако большинство материалов, используемых при создании таких катодов (молибден, вольфрам и т.д.) являются типичными "несерыми телами", что переводит задачу измерения температуры таких композитных материалов ДСФ с учетом спектральной излучательной способности в разряд весьма актуальных. Решение этой задачи позволит выявить особенности протекания технологических процессов формирования композитных вакуумных катодных структур и повысит качество эксплуатационных характеристик формируемых изделий.

В настоящее время решением задачи снижения систематической погрешности, возникающей в пирометрах спектрального отношения с ДСФ при измерении температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью, практически никто не занимается. Все исследования сейчас сконцентрировались в области измерения температуры при помощи спектрометров, т.е. с использованием всего спектра, излучаемого нагретым объектом. В результате проблема повышения выхода годных изделий за счет снижения систематической погрешности измерений температуры "несерых тел" пирометрами на основе ДСФ до сих пор остается актуальной для электронной промышленности. Решение задачи видится в объединении знаний физики полупроводников и диэлектриков, методологии оптико-физических измерений, вычислительной техники и метрологии.

Целью настоящей работы явились разработка метода повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излучательной способности £). от длины волны Я.

Основные задачи исследований

1. Установить закономерности влияния спектральной излуча-тельной способности £х и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием ДСФ.

2. Построить и исследовать физическую модель температуры спектрального отношения объекта измерения как функции спектральной чувствительности фотодиодных приемников излучения Б)., спектральной излучательной способности е>. объекта измерения и температуры объекта Т.

3. Разработать метод снижения методической систематической погрешности измерений температуры материалов для ионно-лучевых технологий с использованием пирометров спектрального отношения, выполненных на основе широкополосных ДСФ.

4. Разработать и создать специализированное оптоэлектронное средства измерений для определения (в том числе в цеховых условиях) спектральной излучательной способности ед нагретых объектов, реализующее метод.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния спектральной излучательной способности Ех и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием ДСФ.

2. Разработан алгоритм решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

3. Получены важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

4. Разработан метод повышения точности измерений температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

5. Произведен метрологический анализ метода, теоретически предсказаны и экспериментально определены предельные возможности метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

Практическая значимость работы

1. Разработана методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения на основе широкополосных ДСФ.

2. Установлена связь между остаточной погрешностью, неском-пенсированной при измерениях температуры разрабатываемым методом, и точностью измерения спектральных характеристик чувствительности элементов ДСФ.

3. Разработано, создано и исследовано специализированное опто-электронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 °С'.

4. Применение метода измерений температуры ДСФ для композитных материалов расширяет инструментальную базу для решения задач физической электроники при создании катодов из молибдена, вольфрама и других тугоплавких материалов, которые являются типичными "несерыми телами".

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

2. Полученные важные аналитические и численные оценки для

найденного решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

3. Обоснование предельных возможностей метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

4. Разработанное, созданное и исследованное специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 °С.

Апробация работы

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:

- Третьем Всероссийском научно-техническом семинаре "Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля", 2002 г.;

- Научной сессии МИФИ-2002;

- 15-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2005 г.;

- 4-й международной научно-практической конференции "Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении", 2008 г.;

- 18-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2009 г.

- на семинарах во ФГУП ВНИИОФИ, НИТУ "МИСиС".

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в более 15 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка ли-

тературы и приложений.

Общий объем составляет 214 страниц печатного текста, в т.ч. 63 рисунка, 55 страниц приложений, список литературы состоит из 133 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность проблемы, сформулирована цель работы, определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена анализу существующих бесконтактных оптоэлек-тронных методов измерения температуры и путей их совершенствования. Проанализированы определения, которые даны этим методам в наиболее значимых трудах по температурным измерениям, и показано, что между этими определениями существуют значительные разногласия. Поэтому в работе переопределены и обобщены эти методы таким образом, чтобы они в максимальной степени были близки по сути к вышеупомянутым определениям в классических трудах. Показано, что любой из рассмотренных методов является разновидностью одного из трех обобщенных методов - цветовой пирометрии, энергетической пирометрии и пирометрии спектрального отношения.

Далее показано, что метод пирометрии спектрального отношения, основанный на анализе сигналов от двух приемников излучения с различающимися спектральными характеристиками, имеет неоспоримое преимущество перед остальными методами, поскольку он обладает важнейшим для современной метрологии свойством - прослеживаемостью к первичному эталону единицы температуры, в то время как остальные методы такого важного свойства лишены. Отмечено, что погрешность, возникающая при измерении температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения с приемниками на основе ДСФ, порождаемая зависимостью спектральной излучательной способности тела от длины волны теплового излучения, является методической систематической погрешностью.

Показано, что упомянутая методическая систематическая погрешность

является серьезным препятствием к расширению границ использования метода пирометрии спектрального отношения. Эта погрешность на полтора-два порядка больше достигнутого к настоящему моменту в практической пирометрии типичного значения инструментальной погрешности (от 0,2...0,3 до 1%). Поэтому в работе сделан вывод о том, что дальнейшее совершенствование метода пирометрии спектрального отношения должно быть направлено на снижение систематической методической погрешности, возникающей при измерении температуры "несерых тел" пирометрами спектрального отношения с приемниками на основе ДСФ.

В Главе 2 описан разработанный в настоящей диссертации метод снижения методической систематической погрешности, возникающей при измерении температуры "несерых тел" пирометрами спектрального отношения, в том числе на основе широкополосных ДСФ структуры Si/Si и Si/InGaAs. Для реализации метода пирометр спектрального отношения с ДСФ калибруют по МЧТ в соответствии с разработанной для него производителем методикой калибровки. После этого определяют (путем измерений или из иных источников) спектральную излучательную способность измеряемого объекта и спектральные характеристики приемников излучения. Затем численно или аналитически определяют зависимость температуры спектрального отношения, характеризующей измеряемый объект, от действительной температуры объекта. После нахождения этой зависимости проводят процедуру параметризации зависимости действительной температуры объекта от вычисленной температуры спектрального отношения, т.е. находят коэффициенты аппроксимирующего полинома степенью не ниже 4-й. И в завершении с помощью вычисленной функциональной зависимости корректируют результаты измерения пирометром температуры измеряемого объекта.

Поскольку связь между температурой спектрального отношения, получаемой пирометром с широкополосными двухспектральными фотодиодами структуры Si/Si и Si/InGaAs, и действительной температурой объекта отсутствовала, в ходе выполнения работы была построена физическая модель, позволяющая установить эту связь.

Далее в гл. 2 описана построенная физическая модель. Определение температуры спектрального отношения осуществляют в три этапа.

Вначате производят вычисление градуировочной характеристики пирометра. В диссертации показано, что она определяется следующим образом:

¡L- (Т) ■ s^KopomK.) ■ dÄ

QmmfD = \-■ (1)

J Lx (Г) • Sf (длит.) • dX

Здесь Lk(T) - спектральная плотность энергетической яркости МЧТ, [Втхм3хср]; sx - спектральная чувствительность фотодиода (коротковолнового или длинноволнового), [А/Вт]; Х,к, ЛА, Хзд, Х4д - нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности коротковолнового и длинноволнового фотодиодов соответственно, [м].

Вычисления согласно (1) проводят для значений температур от 600°С до 3000°С с шагом 1°С.

Затем для значений температур от 600°С до 3000°С с шагом 10°С определяют значения спектрального отношения, получаемые при измерении объекта с выбранной су.

■ L,(T) ■ sjKopomx.) ■ dl

Qoöuk-maCO ~ • (2)

| ел ■ L, (T) ■ St (длинн.) ■ dX

Получаемые при вычислениях в соответствии с (2) значения Q06i*ma СП используют в качестве аргумента при нахождении функции, обратной (1). При этом, как показано в диссертации, полученными значениями этой расчетной функции являются значения температуры спектрального отношения.

Вычисления проводились для двух типов наиболее распространенных в настоящее время двухспектральных фотодиодов. Первый - двуслойный приемник структуры кремний-кремний, верхний слой которого чувствителен к излучению в коротковолновой области спектра, и прозрачен для длинноволновой, в то время как нижний слой чувствителен к длинноволновой области спектра. Второй - двуслойный приемник на основе разных материалов - кремния и ар-

сенида галлия.

В качестве излучающих объектов в вычислениях использовались такие металлы, как Fe, Ni, Си, Ag, Со. Спектральные излучательпые способности е-,. этих металлов взяты из литературных источников.

Краткие результаты проведенных в гл. 2 вычислений сведены в табл. 1.

На основании этих результатов сделаны следующие выводы.

- Для всех вышеупомянутых материалов температуры спектрального отношения как для пирометров с Si/Si-приемником, так и с приемником на Si/InGaAs, ведут себя схожим образом. Во всех случаях результаты измерений будут завышены. При этом для Fe, Ni и особенно Со, характеризующихся не очень крутым спадом е>. с ростом Я, завышения при 1500°С не превышают 150°С, в то время как для Ag, и особенно Си завышения в 3-5 раз больше. Последнее обусловлено более сильным ослаблением сигнала длинноволнового приемника у Ag и Си.

- С точки зрения минимизации погрешности измерений, обусловленной непостоянством £;, оба рассматриваемых типа приемников (Si/Si и Si/InGaAs) сопоставимы друг с другом, поскольку характеризуются, как это следует из табл. 1, погрешностями измерений, различающимися не более чем в полтора-два раза, и при этом в одних случаях погрешность меньше у приемника Si/Si, а в других у Si/InGaAs.

Таблица 1. Разность между вычисленными значениями температуры спектрального отношения и действительными значениями температуры объектов.

т,°с Fe Ni Си A3 Со

Погрешн. Si/InGaAs Погреши. Si® Погрешн. SiitaGaAt Погреши. Si/Si Погреши. SiAnGaA» Погреш. SilSi Погреш. SillnGaA* Погрешн. SilSi Погрешн. SLtnGaAs Погрешн. 5USÎ

600 +35 +25 +39 +24 +41 +96 +24 +55 +11 +11

1000 +70 +51 +76 +52 +112 +226 +64 +114 +24 +25

1400 +116 +83 +130 +94 +241 +421 +128 +202 +44 +48

1800 +172 +123 +196 +151 +444 +697 +224 +323 +72 +61

2200 +236 +170 +278 +222 +744 - +358 +483 +109 +123

2600 +310 +225 +378 +310 - - - - +157 +175

Адекватность разработанной математической модели подтверждена в диссертации сравнением с вариантом, допускающим аналитическое решение. Известно, что установить аналитическую связь между температурой спектрального отношения и действительной температурой объекта возможно для случая, когда приемники излучения характеризуются бесконечно узкими диапазонами спектральной чувствительности. Связь эта может быть найдена путем интегрирования соотношения Вина.

Сравнительные вычисления были проведены для температур объекта от 600 до 2600°С с шагом 200°С. Результаты сравнения приведены в табл. 2. Во второй строке табл. 2 приведены результаты аналитического расчета (результат считался интегрированием соотношения Вина). В третьей и четвертой строках приведены результаты численного расчета согласно разработанной физической модели, причем как с использованием в расчете формулы Планка (третья строка), так и формулы Вина (четвертая строка). В численной модели использовались спектральные полосы пропускания приемников с центрами при А/=0,88 мкм, Я2=1,034мкм и шириной (по уровню 0,5) 10 им, а также линейно спадающая зависимость е,., причем с (0,88) /'г (1,034) = 1,1.

Таблица. 2. Сопоставление результатов численных вычислений и аналитического расчета.

Темп. Объекта, °С 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Аишг. расчет, °С 630,9 847 1066,8 1290,2 1517,3 1748 19Щ 2221,1 2465,2 2712,6 2964,3

Чис. Расч. (Плат), "С 631 847 1067 1290 1517 1749 1984 2225 2469 2724 2980

Чис. расч.(Вин),°С 631 847 1067 1290 1517 1749 1984 2223 2466 2720 2976

Как видно из табл. 2, в диапазоне температур объекта от 600 до 1800°С расхождения между аналитическим и численными вычислениями нет. После 1800°С результаты численных вычислений и аналитического расчета начинают расходиться, причем, как и следовало ожидать, вычисления с использованием планковского соотношения расходятся больше, чем с соотношением Вина.

Заметным расхождение становится в двух последних столбцах, достигая 0,33-0,5% при температуре 2400°С и 0,46-0,62% при температуре 2600°С. В

диссертации показано, что причиной является использование в вычислениях спектральных полос конечной ширины. Таким образом, во второй главе описаны:

- созданный в ходе выполнения работы метод снижения методической систематической погрешности, возникающей при измерении температуры "несерых тел" пирометрами спектрального отношения с приемниками на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов;

- созданная физическая модель, необходимая для реализации упомянутого метода, которая позволяет определить температуру спектрального отношения при известной зависимости от длины волны спектральной излучательной способности измеряемого объекта и известных спектральных характеристиках каждого из компонентов двухспектрального фотодиода.

Адекватность модели подтверждена полным совпадением результатов как численных вычислений, так и аналитического расчета при определении температуры спектрального отношения для пирометров с узкими (5-подобными) характеристиками чувствительности приемников.

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию возможностей снижения методической систематической погрешности измерений температуры "несерых тел" пирометрами на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов для случая, когда спектральная излучательная способность "нсерого тела" измерена с погрешностью не более 2%.

С этой целью в диссертации предложено в качестве "несерых тел" с известной спектральной излучательной способностью использовать "черное тело" с устанавливаемыми перед ним светофильтрами, спектральное пропускание которых измерено с погрешностью не хуже 2%. При этом температура "черного тела" известна обычно с погрешностью до 1°С, само "черное тело" характеризуется малой неравномерностью температуры в плоскости выходного окна и наличием стабилизатора температуры. Измерения спектральных характеристик пропускания т;. от л для цветных стекол характеризуются высокой точностью (1-2%) и простотой. Таким образом, использование "черного тела" и с цветными светофильтрами как по простоте реализации эксперимента, так и по точно-

сти, воспроизводимости и стабильности поддержания исходных данных для экспериментального исследования разработанного в диссертации метода, гораздо удобнее, чем измерение нагретых образцов различных материалов.

Очевидно, что спектральные характеристики стекол НС-8 и СЗС-15 (рис. 1) похожи на типичные зависимости с- от Я для материалов для ионно-лучевых технологий. Таким образом, пара МЧТ-цветной светофильтр идентична по излучению объекту, £; которого совпадает с т; используемого светофильтра.

Вычисление температуры спектрального отношения осуществлялось согласно модели, описанной в гл. 2, для приемника Si/Si.

Результаты, полученные с использованием описанной выше физической модели определения температуры спектрального отношения, представлены в численном виде.

Показано, что для всех трех рассматриваемых случаев скорректированное значение температуры излучателя Т,П1 как функция температуры спектрального отношения Тсп от может быть описана полиномом:

Тмд =С0 + С,*(Гс„.от.) + C2*(Tc„.om-)2 + ... + C„*(Tc„.om-)" + -, (3) при этом степень полинома определяется из условия, что погрешность параметризации не должна превышать 0,1%.

Проведенное математическое моделирование показало, что погрешность параметризации не превышает 0,1% при использовании полиномов 4-й степени: Тю =с„ + C,*(Tal0m.) + C2*(Tc„.om.)2 + С^СГа^У + С 4* (Г:„.отУ, (4) а вычисленные коэффициенты с0 - с4 равны: для пары МЧТ+НС-6: со = 7,1711; с, = 9,4813-Ю"1; = -1,4190-Ю-4; с3 = 3,0803-Ю-8; с4 = - 3,1246-Ю-12;

для пары МЧТ+СЗС-15: со = - 6,1816; с, = 1,0176; с2 = - 2,2184-Ю-4; с3 = 4,4890'Ю-8; с4 = - 4,1613-Ю-12;

для пары МЧТ+ПС-8: с0 = - 1,0997; с, = 1,0215; с2 = - 1,4722-Ю-5; с3 = 3,4605-Ю-8; с4 = 3,9436'Ю-12.

Результаты измерений пирометром спектрального отношения "ДИЭЛ-ТЕСТ" температуры излучателей на основе упомянутых пар МЧТ+светофильтр при температурах МЧТ от 800 до 2000°С с шагом 100°С приведены в табл. 3-5,

при этом скорректированные значения температуры Тскорр в пятых столбцах таблиц являются значениями 7)от, вычисленными в соответствии с (4).

Рис. 1 - Спектральные характеристики пропускания стекол НС-6, СЗС-15 и ПС-8 (измерено на спектрофотометре Carry 500 фирмы Varían).

Таблица 3. Результаты измерения пирометром температуры излучателя (МЧТ+НС-6)

т„. °с "С Отн.откл., % XcKOppt С Отн-откл., %

900 1052 16,89 879,60 -2,27

1100 1345 22,27 1090,43 -0,87

1300 1640 26,16 1293,72 -0,48

1500 1951 30,07 1500,32 0,02

1700 2300 35,29 1724,56 1,44

1900 2635 38,68 1933,17 1,75

2100 2982 42,00 2142,40 2.02

Таблица 4. Результаты измерения пирометром температуры излучателя МЧТ+СЗС-15

т„, °С Гщиер. Отн.откл., % т °с '«Корр. v Отн.откл., %

900 1063 18,11 873,46 -2,95

1100 1367 24,27 1070,47 -2,68

1300 1703 31,00 1270,12 -2,30

1500 2062 37,47 1467,22 -2,19

1700 2380 40,00 1630,77 -4,07

1900 2927 54,05 1892,01 -0,42

Таблица 5. Результаты измерения пирометром температуры излучателя МЧТ+ПС-8

Т "С Отн ото., % Отн ото, %

900 856 489 886,34 -1,52

1100 1057 -3,91 1107,97 0,72

1300 1232 -5,23 1308,84 0,68

1500 1402 -6,53 1512,71 0,85

1700 1562 -8,12 1713,92 0,82

1900 1697 -10,68 1891,81 -0,43

На основании проведенных измерений и вычислений сделаны выводы:

- при наличии зависимости е-, от а, определенной с погрешностью не хуже 1-2%, коррекция результатов измерений в соответствии с (4) позволяет повысить точность измерений температуры примерно на порядок. Уровень методической погрешности результата измерений после коррекции составляет менее 1% для излучателя МЧТ+ПС-8, на уровне 1-2% для МЧТ+НС-6 и на урозне 24% для МЧТ+СЗС-15. Эти погрешности сопоставимы со значениями инструментальной погрешности большинства используемых в промышленности пирометров спектрального отношения (от 0,3-0,4% до 1-1,5%);

- при вычислении температуры спектрального отношения в качестве исходных выбирались усредненные спектральные характеристики широкополосных двухспектральных фотодиодов. Для более точных измерений необходимо в вычислениях использовать не усредненные характеристики, а реальные характеристики применяемого двухспектрального фотодиода.

Глава 4 посвящена определению зависимости спектральной излучатель-ной способности с> от к. Возможность ее нахождения для любого материала, измерение температуры которого будет востребовано, - ключевой момент разработанного в диссертации метода повышения точности измерений температуры "несерых тел" пирометрами спектрального отношения на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов.

Показано, что литературные источники не обеспечивают нужной полноты информации. В литературе можно найти зависимости Ех от X всего для трех десятков металлов, причем только для полированных поверхностей.

В диссертации рассмотрены методы, при помощи которых определяют

зависимость е>. от Я. Показано, что ни один из них не ориентирован на нахождение этой зависимости в цеховых условиях. Показано, что специализированные средства измерений для нахождения этой зависимости отсутствуют.

В диссертации предложено создать такое средством измерений на основе быстродействующего спектрометра низкого разрешения, в памяти которого должны храниться результат измерения этим прибором спектра излучения МЧТ при высокой температуре и ее значение. Сформулированы требования к характеристикам спектрометра, оптической схеме, узлам электроники, алгоритму работы программного обеспечения.

Описано разработанное и изготовленное в процессе выполнения работы специализированное оптоэлектронное средство измерений спектральной излу-чательной способности, в настоящее время не имеющее аналогов. Оно представляет собой спектрометр на основе сферической дифракционной решетки и быстродействующего цифрового манипулятора. Электроника средства измерений выполнена с использованием микропроцессора, управляющего манипулятором, осуществляющего преобразование измеренного сигнала в цифровой код и передающего данные по последовательному каналу в персональный компьютер. Для регистрации оптического излучения в приборе использованы фотодиод ФД-7К и усилитель-преобразователь фототока в напряжение с собственными шумовыми характеристиками менее 0,1 пА.

Для калибровки по шкале длин волн были использованы узкополосные светофильтры с центрами полос пропускания 448, 544, 554, 600,652,722 и 778 нм. В диссертации показано, что связь между длиной волны света, попадающего на фотоприемник средства измерений, и длительностью импульса управления манипулятором - линейная, с погрешностью менее 0,2%.

Изготовленное специализированное оптоэлектронное средство измерений (рис. 2) было использовано в эксперименте, содержащем все этапы решения основной задачи диссертации:

1. С помощью описанного средства измерения измерена зависимость от X "несерого тела" - вольфрамового тела накаливания температурной лампы ТРУ 1100-2350 (см. рис. 3);

2. Осуществлено измерение температуры тела накаливания температурной лампы ТРУ! 100-2350 пирометром спектрального отношения "ДИЭЛТЕСТ" при токах через лампу, соответствующих яркостным температурам 1000°С, 1200°С, 1400°С, 1600°С, 1800°С, 2000°С;

3. Определены действительные температуры тела накаливания лампы по яркостным температурам с учегом имеющихся литературных данных об излу-чательной способности вольфрама при длине волны 0,65 мкм;

4. С учетом измеренной в эксперименте зависимости е>, от Я для тела накаливания лампы определены значения температуры спеюрального отношения в диапазоне действительных температур от 600 до 2400°С;

5. В соответствии с разработанным методом осуществлена коррекция результатов измерений пирометром спектрального отношения температуры тела накаливания лампы.

Эксперимент показал, что реализация разработанного метода с использованием изготовленного оптоэлектронного средства измерения спектральной из-лучателыюй способности позволила снизить погрешность измерения с 15...20% до 5,3...6,6%.

Таким образом, в работе экспериментально подтвержден весь комплекс технических решений, составляющих разработанный в диссертации метод повышения точности измерений температуры "несерых тел': широкополосными пирометрами спектрального отношения.

Рис. 2 - Специализированное средство из- Рис. 3 - Зависимость е-,, от X для мерений спектральной излучательной тела накаливания лампы

способности ТРУ1100-2350

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Разработан метод повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излучательной способности е>. от длины волны X.

4. Обоснованы предельные возможности метода по границам применимости и уровню минимизации систематической погрешности измерений.

5. Разработано, создано и исследовано специализированное оптоэлек-тронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, температура которых лежит до 3000 СС.

6. По результатам работы разработана, утверждена директором ФГУП "ВНИИОФИ" и внесена в Государственный Реестр методик измерений "Методика измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения".

Применение разработанной "Методики измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения" позволило оптимизировать процессы плавки и разливки высокотемпературных сплавов на основе платины и палладия, а также железно-никелевых сплавов, значительно повысив выход годной продукции.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Фрунзе A.B. Повышение точности измерений широкополосными пирометрами спектрального отношения температуры металлов // Приборы - 2010. -№12- С.23-32

2. Фрунзе A.B. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Измерительная техника-2010. -№6 -С.39-41

3. Фрунзе A.B. Измерение температуры материалов пирометрами спектрального отношения и их коррекция // Металлообработка. 2009. № 5. С.40-42.

4. Фрунзе A.B. О коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры "несерых" тел. // Литейщик России. 2009. №11. С.43-46.

5. Самойлов М.Л., Фрунзе A.B. Повышение точности измерений температуры "несерых тел" широкополосным пирометром спектрального отношения //Метрология - 2010. - №6 - С. 23

6. Фрунзе A.B. Пирометры "ДИЭЛТЕСТ" //Измерительная техника -1998.-№1 - С.40-41

7. Фрунзе A.B., Новые пирометры ДИЭЛТЕСТ для металлообработки // Метшшообработка- 2007. - №4 - С.33-37.

8. Фрунзе A.B. Пирометры ДИЭЛТЕСТ для литейного производства // Литейщик России. 2006. №10. С.38-42.

9. Фрунзе A.B. Пирометры ДИЭЛТЕСТ // Датчики и системы. 2006. №12. С.50-54.

Патенты, статьи, монографии, материалы конференций

10. Патент № 2253845 (Российская федерация). Многоканальный радиационный пирометр. Фрунзе A.B. Заявл. 23.12.2003.

И. Фрунзе A.B. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения //Фотоника - 2009. -N° 4 - С.32-37.

12. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! T.l, Т.2 - М.: ООО

"ИД СКИМЕН", 2002.

13. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.4. - М.: Додэка-XXI, 2008.-464 с.

14. Фрунзе A.B. Повышение точности измерений пирометрами спектрального отношения температуры металлов //Труды V международной научно-практической конференции "Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов", 2010. Том "Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования" -С. 333-343.

15. Фрунзе A.B. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". - ФГУП ВНИИОФИ, 2009. - С. 4042.

16. Фрунзе A.B. К вопросу об экспериментальном подтверждении расчетного метода определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". - ФГУП ВНИИОФИ, 2009. - С. 37.

Подписано в печать:

11.05.2011

Заказ № 5496 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Фрунзе, Александр Вилленович

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1 Аналитический обзор оптоэлектронных методов измерений температуры и средств измерений.

1.1 Оптические особенности материалов современных катодов

1.2 Законы излучения нагретых тел.

1.3 О понятиях радиационной, яркостной, цветовой и иных псевдотемператур

1.4 Развитие оптоэлектронных методов измерений температуры и их современная классификация.

1.5 Выводы к главе

ГЛАВА 2 Теоретическое исследование оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами в предположении заведомо известных спектральных характеристик фотодиодов и зависимости ед от Я

2.1 Снижение систематической погрешности.

2.2 Физическая модель для определения температуры спектрального отношения

2.3 Определение температуры спектрального отношения, соответствующей пирометру с двухспектральными фотодиодами структуры

2.4 Определение температуры спектрального отношения, соответствующей пирометру с двухспектральными фотодиодами структуры вМпСаАв.

2.5. Сравнение численного и аналитического решений для пирометра с двумя узкими (5-подобными) полосами спектральной чувствительности и обоснование корректности численного метода ления температуры спектрального отношения.

2.6. Выводы к главе 2. вычис

ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование оптоэлектронного метода измерения температуры "несерых тел" с точно измеренной спектральной излучательной способностью пирометрами с широкополосными двухспектральными фотодиодами.

3.1 Общие положения

3.2 Технические характеристики пирометра, использованного в эксперименте

3.3 Технические характеристики МЧТ, использованной в эксперименте

3.4 Образцы стекол, использованных в эксперименте.

3.5 Вычисление температуры спектрального отношения.

3.6 Вычисление зависимости между действительной температурой излучателя и соответствующим ей рассчитанным значением температуры спектрального отношения

3.7 Результаты измерений температуры комплекта МЧТ+свето-фильтр пирометром ДИЭЛТЕСТ.

3.8 Анализ результатов измерений.

3.9 Аппаратурная реализация коррекции результатов измерений температуры "несерых тел" в пирометре ДИЭЛТЕСТ.

3.10 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 Средство измерений спектральной излучательной способности нагретых магнитных, композиционных и тугоплавких материалов

4.1 Общие положения.

4.2 Аналитический обзор опубликованных данных о (Л).

4.3 Методики измерения зависимости £х (Л ) для различных материалов

4.4 Многоканальное средство измерений sx (Л).

4.5 Средство измерений s\ (Л ) на основе дифракционной решетки.

4.5.1 Компоновка и кинематическая схема средства измерений.

4.5.2 Проектирование оптической системы средства измерений

4.5.3 Узел электроники устройства.

4.5.4 Блок-схема программы микроконтроллера средства измерений

4.6 Калибровка средства измерений sx (Я).

4.7 Практическое использование средства измерений спектральной излучательной способности Бх (Л).

4.7.1 Выбор объекта измерений.

4.7.2 Постановка эксперимента.

4.7.3 Определени температуры тела накаливания лампы.

4.7.4 Определение (Я) тела накаливания лампы.

4.7.5 Определение температуры спектрального отношения тела накаливания лампы

4.8. Выводы к главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка оптоэлектронного метода измерений температуры двухспектральными фотодиодами на основе исследования спектральной излучательной способности магнитных, композиционных и тугоплавких материалов"

Актуальность работы. Качество и повторяемость характеристик катодов, используемых в процессах молекулярно-лучевой эпитаксии, в системах электронной накачки мощных источников электромагнитного излучения, и т.д., предъявляет жесткие требования как к структуре и составу используемых материалов, так и к соблюдению параметров технологических процессов при их изготовлении. При этом необходимо жестко контролировать большое число параметров технологического цикла, без чего невозможно обеспечить стабильность производства и повторяемость характеристик изготавливаемых материалов и изделий. Поэтому точное измерение температуры, являющейся одним из основных технологических параметров как в технологии изготовления катодов, так и в микроэлектронике в целом, является одной из ключевых проблем. Разнообразие геометрических форм и размеров изделий, физико-химических свойств используемых материалов, различающиеся на порядки скорости течения тех или иных фаз технологического цикла зачастую делает неприменимыми стандартные, методы измерений, разработанные и обеспеченные приборными средствами в прошлом веке. В связи с этим развитие твердотельной электроники, а также микросистемной техники невозможно без параллельного совершенствования методов и средств измерений.

Среди традиционно используемых в массовом производстве методов неразрушающего контроля оптические методы пользуются неоспоримым преимуществом в силу бесконтактного воздействия, локальности, быстродействия. Измерители температуры, реализующие оптоэлектронные методы, принято называть инфракрасными термометрами или пирометрами. Наиболее распространенными оптоэлектронными бесконтактными измерителями температуры в настоящий момент являются пирометры с одиночным приемником излучения. К их главным достоинствам относятся относительно невысокая стоимость и возможность измерять низкие температуры, вплоть до отрицательных. Подобные приборы подробно описаны в классических работах У. Гаррисона, П. Линевега, Д. Я. Света, А. А. По-скачея. Однако они характеризуются очень существенным недостатком: точность измерения таким прибором зависит от правильности установки корректирующего коэффициента, связанного с излучательной способностью поверхности измеряемого объекта. А она чаще всего неизвестна или измерена с очень большой погрешностью, что зачастую приводит к недопустимо большой погрешности измерений.

Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам контроля параметров технологических процессов, в том числе происходящих в высокотемпературной газоразрядной плазме при очистке и термообработке изделий, связана с изменением парка измерительных приборов, комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Успехи в этой области обусловлены развитием полупроводниковых фотодиодов на основе гетероструктур, в основе которых лежат работы Нобелевского лауреата Ж. И. Алферова. Эти фотодиоды нашли широкое применение в пирометрах спектрального отношения. Они имеют обычно 2 приемника излучения с различной спектральной чувствительностью, и температура объекта определяется по отношению сигналов, вырабатываемых этими приемниками. В последние годы большое распространение получили оптоэлектронные приборы с двумя фотодиодными приемниками излучения, расположенными один поверх другого, при этом верхний фотодиод прозрачен в диапазоне спектральной чувствительности нижнего. Такие структуры получили название двухспек-тральных фотодиодов (ДСФ). Использующие их приборы лишены главного недостатка приборов, основанных на одиночном приемнике — для измерения температуры объекта они не нуждаются в знании его излучательной способности.

Существуют препятствия на пути использования ДСФ: до сих пор не найдены аналитические зависимости е^ от X, пригодные для любых объектов при любых температурах, удовлетворяющие требуемой точности (особенно в спектральном диапазоне от 0,2 до 2 мкм); не получено аналитическое выражение погрешности использующего ДСФ метода измерения температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью ("несерых тел").

Недавние исследования показали, что у ряда материалов, используемых при изготовлении вакуумных сплавных катодов, работа выхода в сплаве ниже работы выхода каждого из материалов в отдельности. Измерение работы выхода, являющейся одним из ключевых параметров исходного материала для катода, неразрывно связано с измерением температуры образца, что в серийно выпускаемых вакуумных изделиях требует применения бесконтактных методов измерения температуры. Однако большинство материалов, используемых при создании таких катодов (молибден, вольфрам и т.д.) являются типичными "несерыми телами", что переводит задачу измерения температуры таких композитных материалов ДСФ с учетом спектральной излучательной способности в разряд весьма актуальных. Решение этой задачи позволит выявить особенности протекания технологических процессов формирования композитных вакуумных катодных структур и повысит качество эксплуатационных характеристик формируемых изделий.

Целью настоящей работы явились разработка метода повышения точности измерений широкополосными двухспектральными фотодиодными пирометрами температуры материалов, используемых в ионно-лучевых технологиях, на основе исследования зависимости их спектральной излу-чательной способности е^ от длины волны X.

Основные задачи исследований

1. Установить закономерности влияния спектральной излу-чательной способности и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ б*. на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием

ДСФ.

2. Построить и исследовать физическую модель температуры спектрального отношения объекта измерения как функции спектральной чувствительности фотодиодных приемников излучения Эх, спектральной излучательной способности £\ объекта измерения и температуры объекта Т.

4. Разработать и создать специализированное оптоэлектрон-ное средства измерений для определения (в том числе в цеховых условиях) спектральной излучательной способности е} нагретых объектов, реализующее метод.

Научная новизна

1. Установлены закономерности влияния спектральной излучательной способности и спектральной чувствительности каждого из элементов ДСФ на методическую погрешность измерения температуры "несерых тел" с использованием

ДСФ.

Практическая значимость работы

2. Установлена связь между остаточной погрешностью, не-скомпенсированной при измерениях температуры разрабатываемым методом, и точностью измерения спектральных характеристик чувствительности элементов ДСФ.

3. Разработано, создано и исследовано специализированное оптоэлектронное средство измерений для определения спектральной излучательной способности материалов для ионно-лучевых технологий, температура которых лежит в пределах до 3000 °С.

Основные положения, выносимые на защиту

2. Полученные важные аналитические и численные оценки для найденного решения задачи измерения температуры "несерого тела" пирометром спектрального отношения, выполненным на основе широкополосного ДСФ.

Апробация работы

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на:

- Научной сессии МИФИ-2002;

- 15-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2005 г.;

- 18-й Всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 2009 г.

- на семинарах во ФГУП ВНИИОФИ, НИТУ "МИСиС".

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в более 15 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

4.8 Выводы к главе 4

В настоящей главе описаны средства измерений, необходимые для реализации разработанного в диссертации оптоэлектронного метода измерений температуры "несерых тел" пирометром с широкополосными двухспектральными фотодиодами с использованием результатов измерений спектральной излучательной способности, а также результаты экспериментального исследования, подтверждающего корректность разработанного метода.

Как было отмечено, одним из необходимых условий решения поставленной задачи является знание зависимости Бх от X, для любого материала, измерение температуры которого может быть востребовано.

Анализ литературных данных, проведенный в настоящей главе, показал, что этих данных для решения поставленной задачи совершенно недостаточно. Во-первых, зависимость Бх от X определяется не только материалом, но и состоянием его поверхности, причем второй фактор нередко является преобладающим. Например, имеются данные о заметном различии зависимости Бх от X для меди, обработанной различными способами (механической полировкой и электрополировкой). Во-вторых, для сопоставимости результатов исследований практически все измерения Бх (Л) проводятся на полированных образцах, в то время как реальные объекты, температуру которых приходится измерять пирометрами, практически никогда не бывают полированными. Поэтому решение поставленной задачи невозможно без измерений зависимостей Бх от X для самых разнообразных материалов.

Описанные в литературе методики измерения зависимости Бх от x практически все являются лабораторными, т.е. их реализация в цеховых условиях на реальных объектах, температуру которых предстоит измерять (монокристалл кремния в тигле, расплав металла, лист проката на валках и т. д.), сопряжена с очень большими трудностями, в первую очередь — из-за отсутствия специализированных средств измерений.

В связи с вышесказанным, разработка, изготовление и исследование такого средства измерений оказались обязательным элементом разработанного в диссертации метода измерения температуры "несерых тел" пирометром на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов.

В настоящей главе описано разработанное, изготовленное и исследованное в работе специализированное средство измерений спектральной излучательной способности нагретых объектов, в том числе магнитных, композиционных и тугоплавких материалов. Сформулированы технические требования как к средству измерений в целом, так и к его составным частям — конструкции, параметрам дифракционной решетки, механизму вращения решетки, оптической схеме, узлам электроники и программному обеспечению средства измерений. Описан прибор, реализованный с учетом сформулированных технических требований.

Разработана и реализована методика калибровки описанного средства измерений.

С использованием разработанного и изготовленного средства измерений осуществлен эксперимент, содержащий все этапы решения основной задачи диссертации: измерение температуры "несерых тел" пирометром на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов с учетом спектральной излучательной способности измеряемого объекта:

1. С помощью описанного средства измерений произведено измерение зависимости от Л реального "несерого тела" — тела накаливания температурной лампы ТРУ 1100-2350, выполненной из вольфрама;

2. Осуществлено измерение температуры тела накаливания температурной лампы ТРУ1100-2350 пирометром на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов при токах через лампу, соответствующих яркостным температурам 1000°С, 1200°С, 1400°С, 1600°С,1800°С, 2000°С;

3. Осуществлено определение действительных температур тела накаливания лампы по яркостным температурам с учетом имеющихся литературных данных об излучательной способности вольфрама на длине волны 0,65 мкм;

4. С учетом известных зависимостей спектральной чувствительности фотодиодных приемников излучения пирометра и измеренной в эксперименте зависимости г\ от Л для тела накаливания лампы определены значения температуры спектрального отношения в диапазоне действительных температур от 600 до 2400°С;

5. В соответствии с разработанным в настоящей диссертации способом осуществлена коррекция результатов измерений пирометром спектрального отношения температуры тела накаливания лампы.

Эксперимент показал, что реализация разработанного метода позволила снизить погрешность измерения пирометром спектрального отношения в среднем на полпорядка — с 15. .20% до 5,3. .6,6%.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что экспериментально подтвержден весь комплекс технических решений, составляющих разработанный в настоящей диссертации оптоэлектронный метод измерения температуры "несерых тел" пирометром на основе широкополосных двухспектральных фотодиодов сучетом спектральной излучательной способности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1) Исследованы факторы, влияющие на погрешности измерений пирометров на основе двухспектральных фотодиодов (ДСФ). Обоснована необходимость разработки способа снижения погрешности измерений пирометрами с ДСФ температуры объектов со спектральной излучательной способностью Ех, непостоянной в диапазоне спектральной чувствительности приемников излучения пирометра (так называемых "несерых тел").

2) Разработан метод снижения систематической погрешности, возникающей при измерении температуры тугоплавких, композиционных и магнитных "несерых тел" пирометрами с широкополосными ДСФ.

3) Разработана физическая модель определения температуры спектрального отношения. Подтверждена адекватность разработанной модели.

4) Установлено, что использование функциональной зависимости действительной температуры объекта от вычисленной температуры спектрального отношения повышает точность измерений пирометрами с ДСФ.

5) Вычислены температуры спектрального отношения для таких материалов, используемых в производстве катодов, как Fe, Ni, Си, Ag, Со. Вычисления проведены для двух пар широкополосных ДСФ —структуры Si/Si, и структуры Si/InGaAs. Показано, что с точки зрения минимизации погрешности измерений, обусловленной непостоянством оба рассматриваемых типа ДСФ (Si/Si и Si/InGaAs) сопоставимы друг с другом.

6) Предложено для определения границы снижения методической погрешности измерений температуры "несерых тел" пирометрами на основе ДСФ для случая, когда спектральная излучательная способность "нече-рого тела измерена с погрешностью не более 2%, использовать в качестве "несерых тел" пар из излучателя МЧТ и одного из светофильтров НС-6, СЗС-15, ПС-8.

7) Экспериментально подтверждено, что применение разработанного метода для случая, когда спектральная излучательная способность "нече-рого тела измерена с погрешностью не более 2%, позволяет снизить погрешность измерений с 5-50% до 0,5-4%.

8) Предложено многоканальное средство измерений на основе узкополосных фильтров для определения зависимости спектральной излучательной способности £Я от Я для различных материалов в условиях реального производства. Разработано, изготовлено и калибровано оптоэлек-тронное средство измерений на основе дифракционной решетки для определения зависимости спектральной излучательной способности £;. от Я для различных материалов в условиях реального производства.

9) С помощью изготовленного средства измерений измерена спектральная зависимость £д от Я материала тугоплавкого материала, используемого в производстве катодов.

10) Установлено, что реализация разработанного метода позволила снизить погрешность измерения пирометром с ДСФ с 15.20% до 5,3. 6,6%.

11) Разработана, метрологически исследована, утверждена и внесена в Федеральный реестр методик измерений за №ФР. 1.32.2010.07613 "Методика измерений температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью пирометрами спектрального отношения".

12) Изготовлен экспериментальный образец пирометра с автоматической коррекцией результатов измерений температуры объектов с зависящей от длины волны излучательной способностью.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача повышения точности измерений пирометрами с ДСФ температуры магнитных, композиционных и тугоплавких объектов со спектральной излучательной способностью £д, зависящей от длины волны, что имеет существенное значение для техники изготовления катодов для молекулярно-лучевой эпитаксии и систем электронной накачки мощных источников электромагнитного излучения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Фрунзе, Александр Вилленович, Москва

1. http ://www.biznes-karta.ru

2. Фрунзе A.B. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения //Фотоника — 2009. -№ 4 — С.32-37.

3. Излучательные свойства твердых материалов. Под ред. Шейндли-на А.Е. М.: «Энергия», 1974. - 471 с.

4. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. М.: «Металлургия», 1980. — 544 с.

5. Хадсон Р. Инфракрасные системы. Пер. с англ. М.: «Мир», 1972. - 536 с.

6. Круз П., Макглоулин Л., Макквистан Р. Основы инфракрасной техники. Пер. с англ. — М.: «Военное издательство министерства обороны СССР», 1964.-464 с.

7. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. — М.: «Наука», 1968. — 240 с.

8. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. — М.: «Наука», 1982. 296 с.

9. Большой энциклопедический словарь. Физика. Под ред. Прохорова A.M. -М.:Научное издательство "Большая Советская Энциклопедия", 1999.-944 е., илл.

10. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. В 2 томах. Т.1. М.: «Наука», 1965. - 224 с.

11. Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. М.: «Мир», 1964. —248 с.

12. Рибо Г. Оптическая пирометрия. М.: ГТТИ, 1934. - 343 с.13. http://www.temperatures.ru/pdf/Magunovl.pdf

13. Кульбуш Г.П. Электрические пирометры. — М.: «Государственное энергетическое издательство», 1932. — 408 с.

14. Фрунзе А.В. Пирометры "ДИЭЛТЕСТ" //Измерительная техника -1998.-№1-С.40-41

15. Фрунзе А.В., Новые пирометры ДИЭЛТЕСТ для металлообработки // Металлообработка — 2007. №4 — С.33-37.

16. Фрунзе А.В. Высокоточный микропроцессорный дистанционный измеритель температуры //Тезисы докладов третьего всероссийского научно-технического семинара "Метрологическое обеспечение в области не-разрушающего контроля". ФГУП ВНИИОФИ, 2002. - С. 66-68.

17. Краснов К.В., Осипов Г.И., Ростовцева В.В. Метод определения температуры широкополосным оптическим пирометром спектрального отношения. // Измерительная техника. 1987. №3. С.10-12.

18. Патент № 2253845 (Российская федерация). Многоканальный радиационный пирометр. Фрунзе A.B. Заявл. 23.12.2003.

19. Свет Д.Я. Бихроматический метод пирометрии истинных температур. //Измерительная техника. 2005. №7. С.40-43.

20. Яковлев A.B. Особенности применения широкополосных приемников излучения в пирометрах спектрального отношения / Автометрия. 2004. №4. С.44-49.

21. Долганин Ю.Р., Завьялов В.М., Козлов Ю.К. и др. Пирометр спектрального отношения для измерения истинной температуры углеродистых сталей // Измерительная техника. 1997. №2. с.23-27.30. http://www.temperatures.ru/pdf/yakovlev.pdf

22. Русин С.П. Восстановление истинной температуры нагретого тела по тепловому излучению в спектральных полосах. // Теплофизика и аэромеханика. 2006. №1, т.13. С.129-140.32. http://www.pyrometer.ru33. http://www.testo.com

23. Фрунзе A.B. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Измерительная техника, (в печати)

24. Фрунзе A.B. Расчетный метод определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". — ФГУП ВНИИО-ФИ, 2009. С. 40- 42.

25. Фрунзе A.B. Измерение температуры материалов пирометрами спектрального отношения и их коррекция // Металлообработка. 2009. № 5. С.40-42.

26. Фрунзе A.B. К вопросу об экспериментальном подтверждении расчетного метода определения температуры спектрального отношения //Тезисы докладов XVIII всероссийской конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". ФГУП ВНИИОФИ, 2009. - С. 37-39.

27. Каталог цветного стекла. — М.: «Машиностроение», 1967. — 63 с.

28. Фрунзе A.B. Пирометры ДИЭЛТЕСТ для литейного производства

29. Литейщик России. 2006. №10. С.38-42.

30. Фрунзе А.В. Пирометры ДИЭЛТЕСТ // Датчики и системы. 2006. №12. С.50-54.

31. Фрунзе А.В. О коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры "несерых" тел. // Литейщик России. 2009. №11. С.43-46.42. http://www.mikron.com/blackbody43. http://www.fizlabpribor.ru/a d pribor/spectrofotometr.php

32. Olson О. H. and Morris J. С. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y., MacMillan Co, 1967, v. l,p. 430.

33. Barnes В. Т., Forsythe W. E., Adams E. Q. // Journ. Opt. Soc. Amer., 1947, v. 37, p. 804.

34. Seban R. A. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y., MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 677.

35. Betz H. Т., Olsen 0. H., Schurin B. D., and Morris J. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y., MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 677.

36. Кириллова M. M., Болотин Г. А., Маевский В. M. // Физика металлов и металловедение, 1967, т. 24, с. 95.

37. Thomas L. К // Journ. Appl. Phys., 1968, v. 39, p. 3737.

38. Fabre D., Romand M. J. // C. r. acad. Sci., 1956, t. 242, p. 893.

39. Worthing A. G. //Phys. Rev., 1917, v. 10, p. 377.

40. De Vos J. С // Physica, 1954, v. 20, p. 690.

41. Larrabee R. D. // Journ. Opt. Soc. Am., 1959, v. 49, p. 619.

42. Adams J. G., The Determination Spectral Emissivities, Reflectivities and Absorptivities of Materials and Coatings. № NOR-61-189, Northrup Corp. Rep., 1961.

43. Riethof Т., Acchione B. D., Branyan E. R. Temperature, Its Measurement and Control in Science and Industry. Ed. С. M. Herzfeld. N. Y. Reinhold Publ. Corp. 1962, v. 3, pt 2, p. 515.

44. House R. D., Lyons G. J. and Askwith W. H. Measurement of Thermal Radiation Properties of Solids. Ed. J. С Richmond. Wash. D. С NASA SP-31, 1963, p. 343.

45. Дрешфилд P., Хауз H. // Ракетная техника и космонавтика (русск. пер.), 1966, № 2, с. 249.

46. Дмитриев В. Д. Дис. на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. Институт прикладной оптики. Казань, 1967.

47. Kibler G. М., Lyon Т. F., Linevsky М. J., and De San-tis V. J. Ther-mophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Tou-loukian. N. Y. MacMillan Co., 1967, v. l,p. 1038.

48. Thomas L. K. // J. Sci. Instr., ser. 2, 1968, v. 1, p. 311.

49. Латыев JI. H., Чеховской В. Я., Шестаков Е. Н. // Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7, с. 666.

50. Latyev L. N., Chekhovskoi V. Ya. and Shestakov E. N. // High Temp.— High Press., 1970, v. 2, p. 175.

51. Ковалев И. И., Мучник Г. Ф. // Теплофизика высоких температур, 1970, т. 8, с. 983.

52. Juenker D. W., Le Blanc L. J. and Martin C. R. // Journ. Opt. Soc. Amer., 1968, v. 58, p. 164.

53. Marple D // Journ. Opt. Soc. Amer., 1956, v. 46, p. 490.

54. Barnes В. T. // Journ. Opt. Soc. Amer., 1966, v. 56, p. 1546.

55. Marple D. T. F. Radiative Transfer from Solid Materials. Ed. H. Blau and H. Fischer. N. Y., MacMillan Co., 1962, p. 101.

56. Coffman J. A., Kibler G. M., Lyon T. F. and Acchi-one B. D. Ther-mophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Toulou-kian. N. Y., MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 950.

57. Latyev L. N., Chekhovskoi V. Ya. and Shestakov E. N. Proc. of the Fifth Symposium on Thermophysical Properties, Ed. С F. Bonilla. N. Y. ASME, 1970, p. 436.

58. Wood W. D., Deem H. W. and Lucks D. F. Thermal Radiative Properties. N. Y., Plenum Press, 1964, p. 181.

59. Хрусталев Б. А., Раков А. М. Теплообмен, гидродинамика и теп-лофизические свойства веществ. ЭНИН им. Г. М. Кржижановского АН СССР. М., Наука, 1968, с. 198.

60. Дмитриев В. Д., Холопов Г. К. // Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7, с. 438.

61. Price D. J. // Proc. Phys. Soc. (Lond.), 1947, v. 59, p. 118.

62. Дмитриев В. Д., Холопов Г. К. // Теплофизика высоких температур, 1968, т. 6, с. 550.

63. Wood W. D., Deem Н. W. and Lucks D. F. (Editors). Thermal Radiative Properties. N. Y., Plenum Press. 1964, p. 171.

64. Schley P., Tingwaldt C, Verch J, // Naturwissenschaften, 1960, Bd 47, S. 223.

65. Rolling R. E. Thermophysics of Spacecraft and Planetary Bodies. N. Y., London, Academic Press, 1967, p. 91.

66. Себан P. Теплопередача (русск. пер.), 1965, т. 87, с. 15.

67. Robin S. Optical Properties and Electronic Structure of Metals and Alloys. Amsterdam, North-Holland Publ. Co, 1966, p. 204.

68. Betz H. Т., Olsen О. H., Schurin B. D., Morris J. C. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. V. S. Touloukian. N. V, MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 762, 764,

69. Cobientz W. W.//Bui. Bur. Stand., 1906, v. 2, p. 470.

70. Crowell С R., Spitzer W. G., Hawarth L. E. and La Bate E. E. // Phys. Rev., 1962, v. 127, p. 2006.

71. McCauley G. V. // Astrophys. Journ., 1913, v. 37, p. 164.

72. Turner A. F. Radiative Transfer from Solid Materials. Ed. H. Blau and H. Fischer. N. Y., MacMillan Co., 1962, p. 24.

73. Bennett J. M. and Ashley E. J. // Appl. Optics, 1964, v. 4, p. 221.

74. Падалка В. Г., Шкляревский И. Н. // Оптика и спектроскопия, 1961, т. И, с. 527.

75. Болотин Г. А. и др. // Физика металлов и металловедение, 1963, т. 13, с. 823.

76. Gier G. T., Dunkle R. V. and Bevans J. T. // Journ. Opt. Soc. Amer., 1964, v. 44, p. 558.

77. Cooper В. R,, Ehrenreich H., Philipp H. R. // Phys. Rev., 1965, v. 138, p. A494

78. Otter M. // Zeitschr. fur Physik, 1961, Bd 161, S. 539.

79. Stubbs C. M., Prideaux H.//Proc. Roy. Soc. (Lond.), 1912. v. A87, p. 451.

80. Ehrenreich H. and Philipp H. R.//Phys. Rev., 1962, v. 128, p. 1622.

81. Johnson B. K.//Proc. Phys. Soc. (Lond.), 1941, v. 53, p. 258.

82. Butler C. P., Jenkins R. L., Rudkin R. L., Langhridge F. J. Thermo-physical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y, MacMillan Co, 1967, v. 1, p. 594.

83. Головашкин А. И., Мотулевич Г. П., Шубин А. А. // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1960, т. 38, с. 51.

84. Bennett H. Е., Bennett J. M., and Ashley E. J. // Journ.Opt. Soc. Amer., 1962, v. 52, p. 1245.

85. Bennett H. E., Silver M., Ashley E. J. // Journ. Opt. Soc. Amer., 1963, v. 53, p. 1089.

86. Reynolds P. M. // Brit. Journ. Appl. Phys., 1961, v. 12, p. 111.

87. Hurst C. // Proc. Roy. Soc, (Lond.), 1933, v. 142A, p. 466.

88. Падалка В. Г., Шкляревский И. H. // Оптика и спектроскопия, 1962, т. 12, с. 158.

89. Roberts S. //Phys. Rev., 1960, v. 118, p. 1509.

90. Bennet H. E. Symposium on Thermal Radiation of Solids. Ed. S. Katzoff. Wash. D. C, NASA SP-55, 1965, p. 145.

91. Gerhardt U. // Phys. Rev., 1967, v. 172, p. 651.

92. Stubbs С M. //Proc. Roy. Soc. (Lond.), 1913, v. 88A, p. 195.

93. Seban R. A. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y., MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 470.

94. Richmond J. G, Harrison W. N. // Bull. Amer. Ceram. Soc, 1960, v. 39, p. 668.

95. Болотин Г. А. и др. // Физика металлов и металловедение, 1963, т. 13, с. 823.

96. Worthing A. G. // Phys. Rev., 1925, v. 25, p. 846

97. Патент РФ № 2403539 (Российская федерация). Устройство для определения спектральной излучательной способности нагретых объектов. Фрунзе A.B. Заявл. 23.06.2009.110. http://www.hobbyforyou.ru/catalog/71 l-30898.html

98. Левин А.Д. Дис. на соиск. Учен, степени докт. тех. наук. ФГУП ВНИИОФИ, Москва, 2007.

99. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.2. — М.: ООО "ИД СКИМЕН", 2002. 392 е., илл.113. http://www.atmel.com

100. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1. — М.: ООО "ИД СКИМЕН", 2002. 336 е., илл.

101. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Т.2. Пер. с англ. Изд. 3-е, - М.: Мир, 1986. - 590 е., ил.

102. Статьи в Схемотехнике по RS-232

103. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.4. М.: До-дэка-ХХ1, 2008. - 464 е., илл.118. http://www.burr-brown.com119. http.7/www.pyrometer.ru

104. Betz H. T., Olsen О. H., Schurin В. D., Morris J. С Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y, MacMillan Co, 1967, v. 1, p. 424.

105. Jain S. C, Goel T. G, Naravan V. // Cobalt, 196b, № 41, p. 191.

106. Betz H. T., Olsen О. H., Schurin В. D., Morris J. G. Thermophysical Properties of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Touloukian. N. Y. MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 712, 718.

107. Roberts S.//Phys. Rev., 1959, v. 114, p. 104.

108. Seban R. A. Measurement of Thermal Radiation Properties of Solids. Ed. J. С Richmond. Wash. D. С NASA SP-31, 1963, p. 425.

109. Ward L. // Proc. Phys. Soc., (Lond.), 1956, v. B69, p. 3&9.

110. Riethof T. R. Radiative Transfer from Solid Materials. Ed. H. Blau and H. Fischer. MacMillan Co., N. Y., 1962, p. 85.

111. Betz H. Т., Olsen О. H., Schurin В. D., Morris J. С. Thermophysi-cal of High Temperature Solid Materials. Ed. Y. S. Tou-loukian. N. Y., MacMillan Co., 1967, v. 1, p. 786, 790.

112. Hagen E. und Rubens H. // Ann. Phys., 1902, Bd 8, S.l.

113. Криксунов JI.3. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: «Сов. радио», 1978.-400 с.

114. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. — М.: «Наука», 1965. — 336 с.

115. Поскачей A.A., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. — М.: «Энергоатомиздат», 1988. — 471 с.

116. Потатуркин О.И., Чубаков П.А., Яковлев A.B. Применение совмещенных фотоприемников для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов //Автометрия. 2000. №6. С.88.

117. Стекло оптическое цветное ГОСТ 9411-75. Издательство стандартов, 1980.

118. ООО 7 .9183Е-01 1070. 000 2. 7737Е-02 1570 .000 0 •ООООЕ+ОО

119. ООО 8 .4534Е-01 1080. ,000 2. 1405Е-02 1580 .000 0 •ООООЕ+ОО

120. ООО 8 .9754Е-01 1090. 000 1. 6590Е-02 1590 .000 0 .0000Е+00

121. ООО 9 .4164Е—01 1100. 000 1. 2754Е-02 1600 .000 0 .ООООЕ+ОО

122. ООО 9 .7671Е-01 1110. ,000 7. 9168Е-03 1610 .000 0 .0000Е+00

123. ООО 9 .9440Е-01 1120. ,000 -3. 3584Е-15 1620 .000 0 .0000Е+00

124. Краткий аналитический обзор опубликованных данных о £х (Л) металлов

125. Наиболее полная информация о зависимости £;. от Я для различных материалов приведена в 3.

126. Точность результатов, приведенных в 57. в диапазоне длин волн от 0,5 до 5 мкм приближается к точности [52], [53].

127. Погрешности результатов измерений остальных работ находятся в пределах от 5 до 10%.

128. Результаты измерений 51. [63] и обобщенные результаты [3] приведены на рис. 4.1 и 4.2.

129. Значения спектральной излучательной способности вольфрама для области длин волн от 0,3 до 0,5 мкм получены усреднением данных 52., [53], [57], [62].

130. Рисунок 4.1 Спектральная излучательная способность вольфрама при Т=2400К1. Г-Г-\Ц50.3