SU1783322A1 - Method of calibration of radiation pyrometer and of measurement of temperature of object - Google Patents

Description

Изобретение относится к технике оптической пирометрии, осуществляющей бесконтактное измерение температуры с использованием предварительной градуировки.по эталонному источнику излучения, и может быть использовано для построения методики градуировки пирометров излучения и модели расчета температур.The invention relates to an optical pyrometry technique that performs non-contact temperature measurement using preliminary calibration using a reference radiation source, and can be used to construct a calibration technique for radiation pyrometers and a temperature calculation model.

Известен способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта [1], заключающийся в полученииA known method of calibrating a pyrometer of radiation and measuring the temperature of an object [1], which consists in obtaining

1783322 А1 зависимости сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя, хранении градуировочной характеристики и измерении по ней действительной температуры объекта.1783322 A1, the dependence of the pyrometer signal on the temperature of the reference emitter, storage of the calibration characteristics and measurement of the actual temperature of the object.

Практически градуировка производится путем составления таблицы соответствия сигнала пирометра температуре эталонного излучателя, имеющего тот же коэффициент черноты, что и контролируемый объект. Полученная таким образом градуировка хранит1783322 ся в виде таблицы или в виде коэффициентов полинома второй или третьей степени, описывающего данную градуировку. Значения температур данной градуировочной характеристики используется для определения истинной температуры объекта по уровню сигнала.In practice, calibration is carried out by compiling a table of correspondence of the pyrometer signal to the temperature of a reference emitter having the same blackness coefficient as the controlled object. The calibration obtained in this way is stored 1783322 in the form of a table or in the form of coefficients of a polynomial of the second or third degree describing this calibration. The temperature values of this calibration characteristic are used to determine the true temperature of the object by signal level.

Недостатком этого способа является то, что можно производить контроль температур только тех объектов, коэффициент черноты которых соответствует коэффициенту черноты эталонного излучателя. Для остальных же объектов температура, определяемая по градуировочной характеристике, называемая условной температурой , будет отличаться от истинной температуры Т на величину ΔΤ, определяемую различием коэффициентов излучения ε объекта и эталонного излучателя.The disadvantage of this method is that it is possible to control the temperature of only those objects whose black coefficient corresponds to the black coefficient of the reference emitter. For other objects, the temperature determined by the calibration characteristic, called the conditional temperature, will differ from the true temperature T by ΔΤ, determined by the difference in the emissivity ε of the object and the reference emitter.

Для расширения области применения пирометра необходимо расширять диапазон контролируемых им температур. При контроле широкого диапазона температур из-за ограниченного динамического диапазона сигнала пирометра весь температурный диапазон необходимо разбивать на ряд диапазонов. Это может производиться путем дискретного. неселективного ослабления излучения или установкой селективных фильтров, причем второй способ в некоторых случаях является предпочтительней, т.к. измерения в различных спектральных диапазонах позволяют обеспечить максим а л ьн о ё тем пёрЬту р н ое ра з решён йё дл я данного температурного диапазона, а также выбирать для измерений определенные окна прозрачности промежуточной среды. В общем'случае расширение температурного диапазона пирометра может производиться одновременно и путём дискретного неселективного ослабления, и путем установки селективных фильтров, причём каждая градуировочная характеристика пирометрической системы для определенного поддиапазона (фиг.1) должна храниться в памяти этой системы (либо в цифровой памяти в виде электронной таблицы, либо на бумаге в виде графика).To expand the scope of the pyrometer, it is necessary to expand the range of temperatures controlled by it. When controlling a wide temperature range, due to the limited dynamic range of the pyrometer signal, the entire temperature range must be divided into a number of ranges. This can be done by discrete. non-selective attenuation of radiation or the installation of selective filters, and the second method in some cases is preferable, because Measurements in different spectral ranges make it possible to maximize the fifth solution for a given temperature range, as well as to select certain transparency windows for the intermediate medium for measurements. In general, the expansion of the temperature range of the pyrometer can be carried out simultaneously by discrete non-selective attenuation, and by installing selective filters, and each calibration characteristic of the pyrometric system for a specific sub-range (Fig. 1) must be stored in the memory of this system (or in digital memory in the form spreadsheet, or on paper as a graph).

Наиболее близким к заявляемому является способ градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта [2], заключающийся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя U=f(T₄>) и определении зависимости истинной температуры от условной Т = f(T ) для всех диапазонов измерений, отличающихся спектральными характеристиками, хранении данных зависимостей в памяти пирометра и использовании их для расчета истинных температур.Closest to the claimed one is a method of calibrating the radiation pyrometer and measuring the temperature of the object [2], which consists in obtaining the dependences of the pyrometer signal on the temperature of the reference emitter U = f (T ₄ >) and determining the dependence of the true temperature on the conditional T = f (T) for all measurement ranges differing in spectral characteristics, storing dependency data in the pyrometer memory and using them to calculate true temperatures.

При данном способе градуировка производится путем получения зависимости U= = f(Т), где И - температура эталонного излучателя с известной излучательной способностью ε. После этого определяется зависимость измеряемой температуры от коэффициента черноты объекта ε, например в виде Т=Т^ (1+d Т) , где dT = f (ε). Снятие данной зависимости основано на том положении, что влияние коэффициента черноты объекта Е,на измеряемую температуру эквивалентно влиянию коэффициента пропускания Г. Коэффициент пропускания гу пирометров, имеющих оптическую систему, проще всего изменять с помощью переключения апертурной диафрагмы объектива. При этом изменение светосилы объектива Н будет эквивалентно изменению ε,. Математически это будет показано ниже. Такая, зависимость Т от ε, используется при измерении истинной температуры в виде Т = f(T^ ), где - условная температура, которая берется непосредственно из градуировочной характеристики U = f(T ) (фиг.2).With this method, calibration is performed by obtaining the dependence U = f (T), where And is the temperature of a reference emitter with a known emissivity ε. After that, the dependence of the measured temperature on the black factor of the object ε is determined, for example, in the form Т = Т ^ (1 + d Т), where dT = f (ε). The removal of this dependence is based on the fact that the influence of the object's black coefficient E on the measured temperature is equivalent to the influence of the transmittance G. The transmittance of the hypirometers with an optical system is most easily changed by switching the aperture diaphragm of the lens. In this case, a change in the lens aperture H will be equivalent to a change in ε ,. Mathematically, this will be shown below. Such, the dependence of T on ε, is used when measuring the true temperature in the form T = f (T ^), where is the conditional temperature, which is taken directly from the calibration characteristic U = f (T) (figure 2).

Снятие градуировочной характеристики U = f(T^ ) и определение зависимости Т = ⁼f(Tj ) производится в каждом температурном диапазоне, отличающемся спектральной характеристикой фильтра. При большом количестве диапазонов процесс градуировки становится достаточно трудоемким. Кроме этого, для проведения измерений во всем температурном диапазоне необходимо хранить характеристики Т ' = f(T) для каждого спектрального диапазона, что при табличном описании данной характеристики требует наличия значительного объема памяти для .их хранения; аналитическое же описание данных характеристик.с достаточной точностью не всегда эффективно, т.к. зависимость U = f(T ) ) определяется совокупностью таких характеристик, как зависимость эффективной освещенности фотоп'риемника пирометра от температуры объекта Е_Эф = f(T), описываемой законом Планка, и характеристикой свет-сигнал пирометра ύ=ί(Ε3φ). которая включает в себя световую характеристику приемника излучения, имеющую .для некоторых датчиков форму, трудно поддающуюся описанию, и передаточную характеристику всего электронного тракта пирометра.Removal calibration curve U = f (T ^) and determination of the dependence of T ⁼ = f (Tj) produced at each temperature range other than a spectral filter characteristic. With a large number of ranges, the calibration process becomes quite time-consuming. In addition, for carrying out measurements in the entire temperature range, it is necessary to store the characteristics T '= f (T) for each spectral range, which in the table description of this characteristic requires a significant amount of memory for their storage; the analytical description of these characteristics. with sufficient accuracy is not always effective, because the dependence U = f (T)) is determined by a combination of such characteristics as the dependence of the effective illumination of the pyrometer photodetector on the temperature of the object _E ф f = f (T), described by Planck’s law, and the pyrometer light-signal characteristic ύ = ί (Ε3φ). which includes the light characteristic of the radiation receiver, having a shape that is difficult to describe for some sensors, and the transfer characteristic of the entire electronic path of the pyrometer.

Целью изобретения является ускорение процесса градуировки.The aim of the invention is to accelerate the calibration process.

Цель достигается тем, что в способе градуировки пирометра излучения и измерения температуры объекта, заключающемся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталонного излучателя U=f(T ), запоминании полученных зависимостей и определении истинной температу- 5 ры, в первом диапазоне определяют зависимость эффективной освещенности pt температуры Έ₃φ=ί(Τ), и на оснований её и зависимости U=f(T) рассчитывают зависимость сигнала пирометра от освещённости 10 его фотоприемника ΙΙ=ί(Ε₃φ), а для остальных диапазонов определяют только зависи- мость Е_Эф=Т(Т), используя при этом единую для всех диапазонов характеристику ύ=ΐ(Ε₃φ), на основании которых Определяют 15 истинную температуру объекта.The goal is achieved by the fact that in the method of calibrating the radiation pyrometer and measuring the temperature of the object, which consists in obtaining the dependences of the pyrometer signal on the temperature of the reference emitter U = f (T), storing the obtained dependences and determining the true temperature 5, the dependence of the effective illumination is determined in the first range pt temperature Έ ₃ φ = ί (Τ), and at its base and dependence U = f (T) is calculated from the dependence of the signal of the pyrometer 10 of its light photodetector ΙΙ = ί (Ε ₃ φ), while for other ranges define only Axle avisi- E T = _E f (T), using the same for all bands characteristic ύ = ΐ (Ε ₃ φ), which is determined on the basis of the true temperature of the object 15.

. В данном способе предлагается вместо зависимостей T=f(T^ ) в каждом спектральном диапазоне определять зависимость Ε₃φ“ί(Τ), а зависимость U=f(T^) определять 20 только для одного диапазона, по которой рассчитывают зависимость U-Г(Е_Эф), используя ее при градуировке остальных диапазо- Мён-г градуировки, нов и измерениях истинной температуры (фиг.З). На основании этого можно сделать 25 (фиг.З). На основании этого можно сделать вывод, что заявляемый способ удовлетворяет критерию новизна.. In this method, instead of the dependences T = f (T ^) in each spectral range, it is proposed to determine the dependence Ε ₃ φ “ί (Τ), and the dependence U = f (T ^) to determine 20 for only one range from which the dependence U- G (E _E f), using it for graduation of the rest of the range of Mon-g graduations, is new and measurements of the true temperature (Fig. C). Based on this, you can make 25 (Fig.Z). Based on this, we can conclude that the claimed method meets the criterion of novelty.

Использование в качестве градуировочной зависимости и=Г(Е₃ф) вместо U=f(T) позволяет применять ее во всех спектральных диапазонах, т.к. она содержит в себе только энергетические характеристики пирометра: световую характеристику приемника Излучения, передаточную характеристику тракта усиления и не зависит от спектрального диапазона,' в котором производится 'измерение, поэтому отпадает необходимость снятия и хранения Множества градуировочных характеристик. Зависимость же температуры Ът эффективной Освещённости и коэффициента черноты объекта поддаётся .’ достаточно точно аналогическому описанию, т.к. она основана на законе Планка.Using as the calibration dependence u = G (E ₃ f) instead of U = f (T) allows you to use it in all spectral ranges, because it contains only the energy characteristics of the pyrometer: the light characteristic of the Radiation receiver, the transfer characteristic of the amplification path and does not depend on the spectral range in which the measurement is made, so there is no need to remove and store Many calibration characteristics. The dependence of the temperature bm of the effective Illumination and the black factor of the object lends itself. quite accurately analogous to the description, because it is based on the Planck law.

При определении температуры по определенному Е_Эф с помощью характеристики Ε₃φ=ί(Τ) используют формулу / . ^п.-_т , k — in Д' где η, m, к- постоянные для данного диапазона коэффициенты, рассчитанные в процессе градуировки пирометра по трем точкам зависимости.Ε₃φ=ί(Τ): ε-коэффициент черноты объекта.When determining the temperature by a certain E _E f using the characteristics Ε ₃ φ = ί (Τ), use the formula /. ^p. _t , k - in D 'where η, m, k are the coefficients constant for a given range, calculated during the calibration of the pyrometer using three points of dependence. Ε ₃ φ = ί (Τ): ε-factor of the object blackness.

.: Данная формула, связывающая значения эффективной освещенности Е_Эф, коэффициента черноты ε с температурой, наряду с простотой обладает высокой точ55 ностью описания. Дополнительным достоинством формулы является то, что ее коэффициенты т, пик могут быть получены из градуировочных характеристик..: This formula, which relates the values of effective illumination E _Э f, blackness coefficient ε with temperature, along with simplicity has a high accuracy of description. An additional advantage of the formula is that its coefficients m, peak can be obtained from calibration characteristics.

Для учета характеристик объектива, расстояния от объекта, коэффициента пропускания промежуточной среды, отличных от значений соответствующих параметров в момент градуировки, расчет действитель- . ной температуры можно производить по формулеTo take into account the characteristics of the lens, the distance from the object, the transmittance of the intermediate medium other than the values of the corresponding parameters at the time of calibration, the calculation is valid. temperature can be produced by the formula

- Т = —-----:— ------“·-·— -т,- T = —-----: - ------ “· - · - -t,

Е_ЭфН₀(1 -/тЧ² Го k - In ——----H(1 —ί·γτε где I I, F, а, τ, Н_о, F_o, а_о, т₀ - соответственно светосила объектива, фокусное расстояние объекгова, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды во 'гремя измёрёнйя'теМПёра'гуры'и 'в моНа фиг.1 представлены градуировочные характеристики пирометров; на фиг.2 - ал- го ритм градуировки с Запоминанием U=f(T^) и <5 T=f( ε ); на фиг.З - алгоритм градуировки· пирометра и измерения температуры по предлагаемому способу; на фиг.4 - типовая относительная спектраль30 ная характеристика пирометра; на фиг.5 три градуировочные характеристики пирометра для однбгО фильтра при различных значениях светосилы Объектива Н, на фиг.6 - градуировочная характеристика и три точки, используемые длй'Определения зависимости Ε₃φ=ί(Τ) для температурных диапазонов,кроме первого.Е _Э фН ₀ (1 - / тЧ ² Го k - In ——---- H (1 —ί · γτε where II, F, а, τ, Н _о , F _o , and _о , т ₀ - respectively aperture the lens, the focal length of the lens, the distance to the object, the transmittance of the intermediate medium during the “rattling” TEMPERA “GURAI” in FIG. 1 shows the calibration characteristics of the pyrometers; FIG. 2 - the calibration rhythm with Memory U = f (T ^) and <5 T = f (ε); in Fig. 3, an algorithm for calibrating a pyrometer and measuring temperature according to the proposed method; in Fig. 4, a typical relative spectral characteristic of the pyrometer; in Fig. 5, three g aduirovochnye characteristics of pyrometer filter odnbgO at different values of luminosity Lens H 6 - calibration characteristic and the three points used depending dly'Opredeleniya Ε ₃ φ = ί (Τ) for temperature ranges other than the first.

Опишем реализацию способа, прёдва40 рител ьно раскрыв методику получения зависимостей при градуировке пирометра.Let us describe the implementation of the method, firstly revealing the procedure for obtaining the dependences during the calibration of the pyrometer.

Сигнал на выходе пирометра можно описать выражением '' υ=ί(Ε₃φ), где U - выходной сигнал;The signal at the output of the pyrometer can be described by the expression '' υ = ί (Ε ₃ φ), where U is the output signal;

Е_Эф - эффективная освещенность, создаваемая на приемной площадке пирометра;' ' ΐ(Ε₃φ) - функция преобразования свет -сигнал, включающая в себя световую характеристику приемника излучения и передаточную характеристику тракта усиления, ‘E _E f - the effective illumination created at the receiving site of the pyrometer; ''ΐ (Ε ₃ φ) is the light-signal conversion function, which includes the light characteristic of the radiation receiver and the transfer characteristic of the amplification path,'

Эффективная освещенность на фотоприёмнике пирометра описывается формулой [3] Е_Эф=|н (1--)²reJr(AT)S(A)dA а ₀ (2)The effective illumination at the photodetector of the pyrometer is described by the formula [3] Е _Э ф = | н (1--) ² reJr (AT) S (A) dA а ₀ (2)

0)0)

Ί где Η, F, а, г, ε - соответственно светосила объектива, фокусное расстояние объектива, расстояние до объектива, коэффициент пропускания промежуточной среды, коэффициент излучения объекта. В общем случае г и ε являются функциями от длины волны, но в пирометрических расчетах их обычно заменяют интегральными эквивалентами:Ί where Η, F, a, g, ε are the lens aperture, the focal length of the lens, the distance to the lens, the transmittance of the intermediate medium, and the emissivity of the object. In the general case, r and ε are functions of the wavelength, but in pyrometric calculations they are usually replaced by integral equivalents:

г( λ, Т) - спектральная энергетическая светимость абсолютно черного тела, описываемая законом Планка, но для Л · Т<3000 К мкм данная зависимость с достаточной точностью описывается законом Вина -5 ^С2 γ(Λ,Τ) = Οι Л е^, (з) где Ci и С₂ - постоянные Планка;g (λ, T) is the spectral energy luminosity of a completely black body, described by Planck's law, but for Л · Т <3000 K μm this dependence is described with sufficient accuracy by the Wien law -5 ^C2 γ (Λ, Τ) = Οι Ле ^, (h) where Ci and C ₂ are Planck's constants;

Л-длина волны излучения;L is the radiation wavelength;

Т - температура тела;T - body temperature;

S( Л) - относительная спектральная характеристика системы, характеризующая спектральные избирательные свойства всего оптического тракта: объектив, фильтры, приемник излучения. Экспериментал ьно установлено, что относительная спектральная характеристика приемников излучения, в частности видиконов, достаточно точно описывается функцией вида [3] κι -^К2 S (L) is the relative spectral characteristic of the system, which characterizes the spectral selective properties of the entire optical path: lens, filters, radiation receiver. It has been experimentally established that the relative spectral characteristic of radiation receivers, in particular vidicons, is rather accurately described by a function of the form [3] κι - ^К2

S(A>K_OЛ е (4)S (A> K _O L e (4)

Значения К_о, Κι и Кг функционально связаны со значением Si относительной спектральной характеристики (фиг.4) по следующим формулам (математический вывод данных соотношений дан в приложенииThe values of K _o , Κι and Kg are functionally related to the value of Si relative spectral characteristics (figure 4) according to the following formulas (the mathematical derivation of these relations is given in the appendix

Κι = ® * . ι_ ЛтахЛтах + In —п----1--AiAiΚι = ® *. ι_ LtahLtah + In —p ---- 1 - AiAi

Кг = Κι Лтах.(6)Kg = Κι Ltah. (6)

К1 ЛКо = Лтах е Лтах,(7).K1 LKo = Ltakh e Ltakh, (7).

где Лтах - длина волны максимальной спектральной чувствительности;where Ltakh is the wavelength of maximum spectral sensitivity;

Λι - длина волны на длинноволновой ветви спектральной характеристики, на которой спектральная чувствительность равна St.Λι is the wavelength on the long-wavelength branch of the spectral characteristic at which the spectral sensitivity is St.

С учетом этого формула (2) запишется в видеWith this in mind, formula (2) can be written as

М0“4н(1 -^)²тгС1Ко7л^_^^К5+5)х а оM0 ⁴ 4H (1 -)) ² г C1Ko7l ^_ ^ ^{K5 + 5)}

- Т ( ητ + Кг ) хе ^{λ т} бЛ. (8)- Т (ητ + Кг) хе ^{λ t} bL. (8)

После раскрытия интеграла, используя преобразования Лапласа, выражение принимает вид — ( «1 +4 )After the expansion of the integral, using the Laplace transforms, the expression takes the form - ("1 +4)

К₂) Γ(Κι +4). (9) где Γ(Κι+4) -- гамма функция, которая для целых Κι может быть записана формулой (Κι+3)Ι. ОбозначивK ₂ ) Γ (Κι +4). (9) where Γ (Κι + 4) is the gamma function, which for integer Κι can be written as (Κι + 3) Ι. Marking

Кз= |Н(1 --freCi Ко. (10) эффективную освещенность можно выразить формулойKz = | H (1 --freCi Co. (10) effective illumination can be expressed by the formula

Гл -(К1 +4) Еэф=Кз(^+К₂) 'Γ(Κι+4).Гл - (К1 +4) Eef = Кз (^ + К ₂ ) 'Γ (Κι + 4).

(11) Данная формула точно описывает зависимость эффективной освещенности от температуры, но значения Κι и К₂ должны быть заранее определены по спектральным характеристикам приемника излучения, оптики и промежуточных фильтров. В большинстве случаев не имеется точных данных обо всех спектральных характеристиках, а решение системы из трех уравнений (11) для трех температур, при их практическом определении из градуировочных характеристик с целью нахождения Κι, Кг и Кз, приводит к трансцедентному уравнению.(11) This formula accurately describes the temperature dependence of the effective illumination, but the values of Κι and K ₂ must be determined in advance from the spectral characteristics of the radiation receiver, optics, and intermediate filters. In most cases, there is no exact data on all spectral characteristics, and the solution of the system of three equations (11) for three temperatures, when they are practically determined from the calibration characteristics in order to find Κι, Kr and Kz, leads to a transcendental equation.

Эффективная освещенность для различных видов спектральных характеристик может быть описана также формулойThe effective illumination for various types of spectral characteristics can also be described by the formula

Е_Эф = е ^т+т (12) одним из достоинств которой является то, что ее коэффициенты rn, η и к могут быть получены практическим путем из градуировочных характеристик по трем точкам.E _E f = et ^t + m (12) one of the advantages of which is that its coefficients rn, η and k can be obtained in practice from calibration characteristics at three points.

Достоверность выражения (12) можно доказать путем сравнения выражений (11) и (12). Приравнивая правые части уравнений (11) и (12), а также выражений их первых и вторых производных и решив систему из трех уравнений, находим зависимости коэффициентов m и η от Κι и К₂ (13) n = 2m(1+ φχΚι+1), (14)The reliability of expression (12) can be proved by comparing expressions (11) and (12). Equating the right-hand sides of equations (11) and (12), as well as the expressions of their first and second derivatives and solving a system of three equations, we find the dependences of the coefficients m and η on Κι and К ₂ (13) n = 2m (1+ φχΚι + 1 ), (14)

Коэффициент к является масштабным и определяется отдельно.The coefficient k is large-scale and is determined separately.

Коэффициенты тип зависят от темпе- 5 ратуры - это означает, что выражение (12) аппроксимирует выражение (11) с достаточной точностью в некотором температурном диапазоне. По практическим расчетам точность соответствия формулы (12) формуле 10 (11) достаточно высокая.Coefficients type depend on temperature 5 - this means that expression (12) approximates expression (11) with sufficient accuracy in a certain temperature range. According to practical calculations, the accuracy of the correspondence of formula (12) to formula 10 (11) is quite high.

Коэффициенты m, η и к определяются из градуировочных характеристик по трём точкам.The coefficients m, η and k are determined from the calibration characteristics at three points.

Значение эффективной освещенности 15 Е_Эф, как видно из формулы (9), пропорционально светосиле объектива Н, поэтому зависимость эффективной освещенности от температуры можно определить из зависимости температуры от светосилы объектива 20 на одном уровне выходного сигнала пирометра.The effective illumination 15 E _eff, as can be seen from formula (9) is proportional to H of the lens aperture ratio, however the effective illuminance dependence on temperature can be determined from the temperature dependence of the aperture of the lens 20 on one level of the output signal of the pyrometer.

Ниже рассматривается последовательность операций при реализаций способа градуировки пирометра. 25The following describes the sequence of operations when implementing the method of calibrating the pyrometer. 25

1, Путем полного открытия диафрагмы светосила объектива Н устанавливается на максимальное значение, равное Ж. Затем постепенно увеличивая температуру эталонного излучателя, точку за точкой, снима- 30 ется зависимость выходного сигнала U от температуры Т во всем динамическом диапазоне пирометра. Из данной характеристики берется точка на уровне сигнала U_o. для которой определяется Τι. После этого 35 диафрагма прикрывается до значения, соответствующего Н₂, и температура эталонного излучателя увеличивается до тех пор, пока выходной сигнал не станет равным U_o. Данное значение температуры обозначается Т₂. 40 Температура Тз получается аналогичным образом для светосилы объектива Нз. На фиг.5 представлены три зависимости U=f(T), полученные при разных значениях светосилы объектива Н. Снятие двух полных кривых 45 для Н₂ и Нз необязательно. Достаточно определить температуры Т₂ и Тз при одинаковых уровнях выходного сигнала пирометра Uo, соответствующего температурной точке Τι на градуировке Ж. Необходимость про- 50 ведения измерений на одном уровне сигнала Uo, для трех градуировок, а не трех U на одной градуировке, вызвана тем, что Для пирометров функция преобразования с.ветсигнал Ее(Еэф) в формуле (1) является в боль- 55 шинстве случаев нелинейной и, вообще не известной. Для исключения влияния этой нелинейности на результат градуировки из- . мерения Τι, Т₂, Тз необходимо производить на постоянном уровне U_o.· _____1, By fully opening the aperture of the lens aperture N, it is set to a maximum value equal to J. Then, gradually increasing the temperature of the reference emitter, point by point, the dependence of the output signal U on temperature T is removed 30 over the entire dynamic range of the pyrometer. From this characteristic, a point is taken at the signal level U _o . for which Τι is defined. After that, the 35 diaphragm is covered to a value corresponding to H ₂ , and the temperature of the reference emitter increases until the output signal becomes equal to U _o . This temperature value is indicated by T ₂ . 40 The temperature Тз is obtained in a similar way for the lens aperture Нз. Figure 5 shows three dependencies U = f (T) obtained at different values of the aperture of the lens N. The removal of two complete curves 45 for H ₂ and H3 is optional. It is enough to determine the temperatures T ₂ and T ₃ at the same output signal level of the pyrometer Uo, corresponding to the temperature point наι on the calibration J. The need for measurements at the same signal level Uo, for three calibrations, and not three U for one calibration, is caused by that for pyrometers, the conversion function s.will signal Ee (Eef) in formula (1) is in most cases nonlinear and not known at all. To exclude the influence of this nonlinearity on the result of the calibration of -. Τι, Т ₂ , Тз measurements must be carried out at a constant level U _o . · _____

2. Имея три температуры Τι, Т₂, Тз и три значения светосилы объектива Hi, Н₂, Нз. с учетом выражений (12) вычисляют значения m, η и к по следующим формулам:2. Having three temperatures Τι, Т ₂ , Тз and three values of the lens aperture Hi, Н ₂ , Нз. taking into account expressions (12), the values of m, η and k are calculated by the following formulas:

q Тз -Т₂ q Tz -T ₂

1-q ' т = (15)1-q 't = (15)

Мг ( Ti + m ) ( Т₂ + m )Mg (Ti + m) (T ₂ + m) (16) (16) (Tr-T₂)(Tr-T ₂ ) ι._ η ι._ η (17) (17) Ti + m ’ Ti + m ’ где ^л Ι_₁₂(Τι-Τ₃) ⁴ Li₃(Ti-T₂)’where ^l Ι_ ₁₂ (Τι-Τ ₃ ) ⁴ Li ₃ (Ti-T ₂ ) ' (18) (18)

Li₂ = InLi ₂ = In

Е_Эф (Τι )E _e f (Τι)

Еэф(Т₂)Eef (T ₂ )

L13 = In §>φ(Τι) ₌|π J±L Е_Эф(Тз) Нз’ (19) (20)L13 = In §> φ (Τι) ₌ | π J ± L _Э ф Φ (T3) H3 '(19) (20)

Эффективная освещенность точки Еэф(Т1) приниМается равной 1 для расчета к из условия нормировки.The effective illumination of the point Eef (T1) is assumed to be 1 for calculating k from the normalization condition.

Таким образом, в результате этих вь/ числений определяется градуировочная зависимость Ε₃φ=ί(Τ) для первого спект рального диапазона описывается выражением (12) с учетом данных коэффициентов га, η и к, которые заносятся в память пирометрической системы.Thus, as a result of these numbers, the calibration dependence Ε ₃ φ = ί (Τ) for the first spectral range is determined by expression (12) taking into account the given coefficients m, η and k, which are stored in the memory of the pyrometric system.

3. Для определения зависимости выходного сигнала от температуры необходимо определить функцию преобразования светсигнал в формуле (1). Данная функция определяется из снятой по п.1 характеристики U=f(T) путем пересчета значений температуры Т на этой кривой в эффективность освещенность по формуле (12) с учетом рассчитанных по п.2 коэффициентов m, η и к. Полученная таким образом градуировочная зависимость ϋ=ί(Ε₃φ) записывается в память пирометра.3. To determine the dependence of the output signal on temperature, it is necessary to determine the light signal conversion function in formula (1). This function is determined from the characteristic U = f (T) taken according to claim 1 by converting the values of temperature T on this curve to the illumination efficiency according to formula (12), taking into account the coefficients m, η, and k calculated according to clause 2. The calibration result obtained in this way the dependence ϋ = ί (Ε ₃ φ) is written to the pyrometer memory.

4, Зависимость υ=ί(Ε₃ψ) является постоянной для данного пирометра. Поэтому при градуировке пирометра в остальных спектральных диапазонах нет необходимости повторного снятия данной характеристики.4, The dependence υ = ί (Ε ₃ ψ) is constant for a given pyrometer. Therefore, when calibrating the pyrometer in the remaining spectral ranges, there is no need to re-take this characteristic.

Расчет значений n, m и к для других спектральных диапазонов выполняется также по формулам (15-17), но при этом расчет производится по точкам Τι, Т₂ и Тз, взятым на одной температурной кривой U=f(T) (фиг.6), а не на одном уровне трех характеристик Ж, Н₂ и Нз, как в первом диапазоне. Это позволяет ускорить и упростить про11 цесс градуировки во всех последующих спектральных диапазонах.The calculation of the values of n, m and k for other spectral ranges is also carried out according to the formulas (15-17), but the calculation is made according to the points Τι, Т ₂ and Тз taken on the same temperature curve U = f (T) (Fig. 6 ), and not at the same level of the three characteristics W, H ₂ and H3, as in the first range. This allows one to accelerate and simplify the calibration process in all subsequent spectral ranges.

Для этого в оптическую систему пирометра устанавливается соответствующий данному диапазону светофильтр и повторяется процесс снятия зависимости U=f(T), аналогично описанному в п.1. Для ускорения процесса градуировки достаточно определить только три точки этой характеристики U(Ti), и(Тг) и и(Тз). По градуировочной зависимости υ=ί(Ε₃ψ) для этих точек определяются соответствующие Ε₃φ(Τι), Е₃ф(Тг) и Е_Эф(Тз). которые и используются для перерасчета спектральных коэффициентов т, п и к по формулам (15)-(20). Рассчитанные коэффициенты m, η и к записываются в память и фактически описывают соответствующую градуировочную зависимость Е₃фН(Т) с помощью выражения (12).To do this, the optical filter corresponding to this range is installed in the pyrometer optical system and the process of removing the dependence U = f (T) is repeated, similar to that described in paragraph 1. To accelerate the calibration process, it is sufficient to determine only three points of this characteristic U (Ti), and (Tg) and u (T3). According to the calibration dependence υ = ί (Ε ₃ ψ) for these points, the corresponding Ε ₃ φ (Τι), Е ₃ ф (Тг) and Е _Э ф (Тз) are determined. which are used to recalculate the spectral coefficients m, n, and k according to formulas (15) - (20). The calculated coefficients m, η, and k are written into memory and actually describe the corresponding calibration dependence E ₃ fN (T) using expression (12).

Таким образом, результатом процесса градуировки является запись в память пирометрической системы в табличном виде по точкам одной градуировочной зависимости υ=ί(Ε₃φ) и трех числовых коэффициентов m, η и к для всех спектральных диапазонов, необходимых для описания соответствующих градуировочных зависимостей Ε₃ψ=ί(Τ).Thus, the result of the calibration process is to write in the memory of the pyrometric system in tabular form at the points of one calibration dependence υ = ί (Ε ₃ φ) and three numerical coefficients m, η and k for all spectral ranges necessary to describe the corresponding calibration dependences Ε ₃ ψ = ί (Τ).

Реализацияописываемого способа в процессе измерения температура при определении истинной температуры по полученным градуировкам производится в следующей последовательности: 'The implementation of the described method in the process of measuring temperature in determining the true temperature from the obtained calibrations is carried out in the following sequence:

а) по полученному значению выходного сигнала U, через хранящуюся в памяти градуировочную зависимость 1М(Е₃ф), определяют значение эффективной освещенности Е_Эф: ',··'·a) from the obtained value of the output signal U, through the calibration curve 1M (E ₃ f) stored in the memory, determine the value of the effective illumination E _E f: ', ··' ·

б) полученное значение освещенности корректируется по коэффициенту черноты объекта измеренияb) the obtained illumination value is adjusted by the black factor of the measurement object

Е_и=-^- . (21) или, если характеристики объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды в процессе измерений отличается от соответствующих параметров в процессе градуировки, то необходимо корректировать по формуле . Е_и = (22)E _and = - ^ -. (21) or, if the characteristics of the lens, the distance to the object, the transmittance of the intermediate medium during the measurement process differs from the corresponding parameters during the calibration process, then it is necessary to adjust by the formula. E _and = (22)

Τ' где Тоъ ^_ определяется по коэффициентам в. момент градуировки и в момент измерения температуры по формулеT ^'_ To which is determined by the coefficients in. the moment of calibration and at the time of temperature measurement by the formula

Γ = Η(1-|)²τε: (23) dΓ = Η (1- |) ² τε: (23) d

в) по скорректированному значению Ей определяется температура с учетом хранящихся в памяти расчитанных в процессе градуировки в конкретном спектральном диапазоне коэффициентов т, пикc) according to the adjusted value of E, the temperature is determined taking into account the coefficients m calculated during calibration in a specific spectral range, peak

Заявляемый способ может быть реализован в любых пирометрах, осуществляющих градуировку и измерение температуры под управлением ЭВМ, например, в тепловизионном пирометре ИИ-42Т [5].The inventive method can be implemented in any pyrometers that perform calibration and temperature measurement under computer control, for example, in a thermal imaging pyrometer II-42T [5].

Таким образом, из вышерассмотренного можно заключить, что использование в качестве градуировочной зависимости υ=ί(Ε₃φ) вместо U=f(T) позволяет использовать ее во всех спектральных диапазонах, тем самым сокращая количество хранимых’ полных градуировочных характеристик до одной. Кроме этого, упрощается процесс определения зависимости измеряемой температуры от коэффициента черноты для остальных диапазонов, отличающихся спектральными характеристиками фильтров: вместо снятия трёх градуировок снимаются только три точки на одной градуировке.Thus, from the foregoing, we can conclude that the use of υ = ί (φ ₃ φ) instead of U = f (T) as a calibration dependence allows it to be used in all spectral ranges, thereby reducing the number of stored 'complete calibration characteristics to one. In addition, the process of determining the dependence of the measured temperature on the black factor for the other ranges that differ in the spectral characteristics of the filters is simplified: instead of taking three calibrations, only three points are taken on one calibration.

Формула, используемая для расчета температуры по определенному значению Е₃ф, имея довольно простое написание, обладает высокой точностью. Так, по практическим расчетам при использовании в качестве датчика в тепловизионной пирометрической системе видикона ЛИ-421 с максимумом спектральной чувствительности на Amax=580 нм и с полушириной Δλ=180 нм (Κι=70, К2=40,5), максимальная погрешность описания эффективной осве. щенности формулой (12) в диапазоне температур 800....2000 К составляет 0,43 %. Данная погрешность уменьшается при увеличении Т, а также коэффициента Кг, который увеличивается при уменьшении ширины спектральной характеристики. Для широко распространенных узкополосных пирометров (Ятах = 650 нм и ΔΛ=10 нм) максимальная погрешность для того же температурного диапазона равна 0,000014%.The formula used to calculate the temperature for a specific value of E ₃ f, having a fairly simple spelling, has high accuracy. Thus, according to practical calculations, when using the VIDICON LI-421 as a sensor in a thermal imaging pyrometric system with a maximum spectral sensitivity at Amax = 580 nm and with a half-width Δλ = 180 nm (Κι = 70, K2 = 40.5), the maximum error in the description of the effective to the light. in the temperature range 800 .... 2000 K is 0.43%. This error decreases with increasing T, as well as the coefficient Kg, which increases with decreasing width of the spectral characteristic. For widespread narrow-band pyrometers (Yatah = 650 nm and ΔΛ = 10 nm), the maximum error for the same temperature range is 0.000014%.

Расширенная формула позволяет при измерении температуры также учесть характеристики объектива, расстояние до объекта,коэффициент пропускания промежуточной среды.The extended formula allows, when measuring temperature, to take into account the characteristics of the lens, the distance to the object, and the transmittance of the intermediate medium.

Claims (3)

Формула изобретенияClaim 1. Способ градуировки пирометра излучения и. измерения температуры объекта, заключающийся в получении зависимостей сигнала пирометра от температуры эталон-1. The method of calibration of the radiation pyrometer and. measuring the temperature of an object, which consists in obtaining the dependences of the pyrometer signal on the temperature of the reference H0ro излучателя U=f(T), запоминании полученных зависимостей и определении истинной температуры, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса градуировки, в первом диапазоне определяют зависимость эффективной освещенности от температуры Ε₃ψ=ί(Τ) и на основании ее и зависимости U=f(T) рассчитывают зависимость Сигнала пирометра от освещенности его фотоприемника υ=ί(Ε₃φ). а для остальных диапазонов определяют только зависимость Ε₃φ=ί(Τ). используя при этом единую для всех диапазонов характеристику и=Т(Е_Эф). на основании которых определяют истинную температуру объекта.H0ro of the emitter U = f (T), storing the obtained dependences and determining the true temperature, characterized in that, in order to accelerate the calibration process, in the first range, the dependence of the effective illumination on temperature is determined Ε ₃ ψ = ί (Τ) and based on it and dependences U = f (T) calculate the dependence of the Pyrometer signal on the illumination of its photodetector υ = ί (Ε ₃ φ). and for the remaining ranges, only the dependence Ε ₃ φ = ί (Τ) is determined. using the same characteristic for all ranges and = T (E _E f). on the basis of which determine the true temperature of the object. 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что расчет истинной температуры Т объекта при использовании пирометра частичного излучения производят по формуле.2. The method according to claim 1, with the fact that the calculation of the true temperature T of the object when using a partial radiation pyrometer is performed according to the formula. k - In—-Ф- / где n, т, к - постоянные для данного диапазона коэффициенты, рассчитанные в про цессе градуировки пирометра по трем точкам зависимости Ε₃φ=ί(Τ):k - In —- Ф- / where n, t, k are the coefficients constant for a given range, calculated during the calibration of the pyrometer by three points of the dependence Ε ₃ φ = ί (Τ): ε - коэффициент черноты объекта.ε is the black factor of the object. 5 3. Способ по пп.1, отличающийся тем, что, с целью учета характеристик объектива, расстояния до объекта, коэффициента пропускания промежуточной среды, отличных от значений соответствующих парамет10 ров, в момент градуировки расчет истинной температуры производят по формуле5 3. The method according to claim 1, characterized in that, in order to take into account the characteristics of the lens, the distance to the object, the transmittance of the intermediate medium other than the values of the corresponding parameters, at the time of calibration, the calculation of the true temperature is carried out according to the formula Т = -с-----—---—---г-—--пл,T = -c -----—---—--- r -—-- pl, -|к Еэф Но ( 1 —Υ То k - In----------Η(1 -~Ϋτε ⁴ а ⁷ где Н, F, а, т, Н_о, F_o, а₀. т~ соответственно 20 светосила объектива, фокусное расстояние объектива, расстояние до объекта, коэффициент пропускания промежуточной среды во время измерения температуры и в момент градуировки.- | to Eef No (1 - Υ That k - In ---------- Η (1 - ~ Ϋτε ⁴ а ⁷ where Н, F, а, т, Н _о , F _o , а ₀ . t ~ 20, respectively, the lens aperture, the focal length of the lens, the distance to the object, the transmittance of the intermediate medium during temperature measurement and at the time of calibration.