close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13991

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01J 5/00
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
НЕРАВНОМЕРНО НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА
(21) Номер заявки: a 20090377
(22) 2009.03.13
(43) 2009.08.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Фираго Владимир Александрович; Сеньков Андрей Григорьевич (BY)
BY 13991 C1 2011.02.28
BY (11) 13991
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) US 4687344, 1987.
BY 6736 C1, 2004.
RU 2247339 C2, 2005.
UA 73231 C2, 2005.
JP 2008292324 A, 2008.
JP 2298830 A, 1990.
(57)
Способ определения максимальной температуры неравномерно нагретой поверхности
металла, в котором с помощью матрицы фотоприемников измеряют интенсивность теплового излучения контролируемой поверхности, строят гистограмму зарегистрированных
значений интенсивности, выделяют в ней участок, верхнюю границу которого выбирают
по положению элемента гистограммы, ближайшего к максимальному полученному значению интенсивности и содержащего не менее тридцати отсчетов, а нижнюю - вычитанием
из верхней границы шести величин среднеквадратичного отклонения значения интенсивности излучения относительно верхней границы участка, находят его среднее значение,
которое нормируют на эффективный коэффициент излучения контролируемой поверхности в рабочем участке спектра, и определяют искомую максимальную температуру по
температурной зависимости интенсивности излучения, построенной заранее при градуировке по модели абсолютно черного тела.
Изобретение относится к области пирометрии и может использоваться в устройствах
непрерывного бесконтактного определения и регулирования температуры при обработке
горячих металлов.
BY 13991 C1 2011.02.28
Известен пирометрический способ определения термодинамической температуры тел,
основанный на измерении интегральной интенсивности их собственного теплового излучения в используемом участке спектра от λ1 до λ2 оптического диапазона [1, 2]. При известном эффективном коэффициенте излучения поверхности тела в этом участке спектра
ε∆λ, нормируя получаемые значения интенсивности излучения на ε∆λ, определяют термодинамическую температуру путем сопоставления получаемых нормированных значений с
зарегистрированной при проведении градуировки пирометра зависимостью интенсивности излучения модели абсолютно черного тела от температуры.
Недостатком этого способа при необходимости определять максимальную температуру поверхности металла с неравномерным прогревом или наличием участков, покрытых
окалиной или шлаком, является необходимость сканирования по двум координатам для
нахождения участка тела с максимальной температурой. Если для исключения сканирования расширять поле зрения пирометра, чтобы в него попадала вся подлежащая контролю
область поверхности, то вследствие меньшего вклада в суммарную интенсивность излучения участков с окалиной или шлаком, имеющих из-за низкой теплопроводности меньшую температуру, результаты определения температуры поверхности металла будут
заниженными, что в ряде технологических процессов недопустимо.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения температурного поля горячих объектов по величине видеосигнала U, формируемого матрицей монохромных фотоприемников [3]:
A
U=
+C,
(1)
exp(B / T) − 1
где T - температура модели абсолютно черного тела, используемой при калибровке пирометра, A, B и C - константы, определяемые при калибровке. При формировании изображения температурного поля нормируют получаемые значения видеосигнала на
эффективный коэффициент излучения контролируемой поверхности и с использованием
отношения (1) определяют яркость точек формируемого изображения, которая пропорциональна температуре. Далее строят монохромные или палитровые изображения полученного температурного поля, по которым визуально определяют участки с максимальной
температурой, величину которой определяют сопоставлением с монохромной или палитровой температурной шкалой. Недостатком этого способа определения максимальной
температуры является большое количество необходимых операций и участие в определении максимальной температуры оператора.
Задачей изобретения является уменьшение количества операций и повышение точности пирометрического определения максимальной температуры неравномерно нагретой
поверхности горячего металла с неоднородным прогревом или имеющего участки с окалиной или шлаком.
Сущность изобретения заключается в том, что при проведении непрерывного контроля используют способ определения максимальной температуры неравномерно нагретой поверхности металла, в котором с помощью матрицы фотоприемников измеряют
интенсивность теплового излучения контролируемой поверхности, строят гистограмму
зарегистрированных значений интенсивности, выделяют в ней участок, верхнюю границу
которого выбирают по положению элемента гистограммы, ближайшего к максимальному
полученному значению интенсивности и содержащего не менее тридцати отсчетов, а
нижнюю - вычитанием из верхней границы шести величин среднеквадратичного отклонения значения интенсивности излучения относительно верхней границы участка, находят
его среднее значение, которое нормируют на эффективный коэффициент излучения контролируемой поверхности в рабочем участке спектра, и определяют искомую максимальную температуру по температурной зависимости интенсивности излучения, построенной
заранее при градуировке по модели абсолютно черного тела.
2
BY 13991 C1 2011.02.28
Поставленная задача решается путем использования при определении максимальной
температуры только тех областей поверхности металла, которые имеют наибольшую интенсивность излучения. При построении гистограммы зарегистрированные значения интенсивности излучения этих областей попадают в диапазон наибольших интенсивностей
теплового излучения, что позволяет выделить в полученной гистограмме участок усреднения и найти среднюю интенсивность излучения этих областей. При нахождении границ
этого участка гистограммы используют распределение Пуассона, которым описывается
распределение количества фотонов, испускаемых каждым участком поверхности горячего
металла. Далее нормируют полученное усредненное значение интенсивности на эффективный коэффициент излучения ε∆λ и по градуировочной зависимости интенсивности излучения модели абсолютно черного тела от температуры находят максимальную
температуру контролируемой поверхности.
Полезное свойство, появляющееся у заявляемого технического решения, - уменьшение количества операций и повышение точности определения максимальной температуры
поверхности горячего металла, имеющего неравномерный нагрев. Использование получаемой усредненной интенсивности позволяет избавиться от необходимости построения
всего температурного поля.
Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой представлены изображения
интенсивности теплового излучения торца нагреваемой в индукционной печи заготовки
при равномерном ее прогреве и отсутствии окалины (а) и неравномерном прогреве и
наличии окалины (в), а также соответствующие этим изображениям гистограммы (б, г)
при использовании 10-разрядного квантования получаемых сигналов и размере изображения 320 × 240 пикселей.
Поверхность черных металлов при нагревании окисляется неравномерно, что приводит к нарастанию неоднородности коэффициента излучения. Одновременно при нарастании окисной пленки развивается и неоднородность температуры тонкого излучающего
слоя поверхности. Поэтому в массе производственных задач для правильного определения
максимальной температуры приходится решать проблему выбора областей изображения с
наибольшей яркостью, пирометрические сигналы которых не искажаются влиянием диэлектрической пленки окислов. Сильно окисленные участки поверхности вследствие низкой теплопроводности толстой пленки окисла быстрее охлаждаются конвекционными
потоками воздуха и их яркость становится меньше. Как видно из рисунка б, при равномерно нагретой поверхности гистограмма интенсивности излучения имеет явно выраженный двухмодовый характер. Участок гистограммы со значениями сигнала от 800 до 950
отсчетов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) соответствует интенсивности излучения горячей поверхности, а около 50 отсчетов АЦП - фону. При неравномерном распределении температуры и наличии сильно окисленных участков поверхности, температура
которых заметно ниже температуры слабо окисленной поверхности (рисунок в), картина
усложняется: участок гистограммы, соответствующий излучению объекта, растягивается
в сторону низких значений интенсивности излучения (рисунок г).
При равномерном прогреве тела усреднение ведут по всей площади изображения интенсивности его излучения, используя для усреднения те пиксели, яркость которых попадает в
правую моду гистограммы на рисунке б. Для определения максимальной температуры при
неоднородном нагреве необходимо выбирать для усреднения элементы его изображения с
адресами пикселей, яркость которых (пропорциональная интенсивности излучения или пирометрическим сигналам U) лежит в диапазоне U h − 3σ U h , U h + 3σ U h , где U h - усреднен-
[
]
ная зарегистрированная интенсивность излучения участков с максимальной яркостью,
σ U h - среднеквадратичное отклонение пространственных флуктуаций интенсивности излучения, которые наблюдаются при равномерно прогретой поверхности, излучающей с
интенсивностью U h .
3
BY 13991 C1 2011.02.28
Поскольку площадь светочувствительных элементов матрицы фотоприемников небольшая (от 10 до 100 мкм2), число накапливаемых в них зарядов (электронов) флуктуирует возле среднего значения N . Флуктуации вызываются следующими процессами [4]:
фотогенерацией в светочувствительных элементах матрицы зарядов, которые образуются в процессе поглощения фотонов теплового излучения. Этот процесс подчиняется закону Пуассона и при накоплении в светочувствительном элементе более 30 электронов,
т.е. N f > 30 , может приблизительно описываться нормальным распределением с математическим ожиданием N f и среднеквадратичным отклонением (СКО), равным σf = N f ;
термогенерацией зарядов - этот процесс также подчиняется распределению Пуассона
и при больших временах накопления также может описываться нормальным распределением с математическим ожиданием N d и СКО, равным σd = N d ;
шумом считывания зарядов - процесс имеет нормальное распределение с математичеким ожиданием, равным нулю, и СКО σr.
При чтении кадра накопленные в светочувствительных элементах заряды
NΣe = (Nf + Nd)e преобразуются узлом чтения матрицы в напряжение и далее с помощью
АЦП в цифровой вид
(2)
UΣ = kQUNΣe,
где kQU - коэффициент преобразования заряда в напряжение. Таким образом, суммарный
сигнал UΣ также флуктуирует возле среднего значения U Σ , и его СКО определяется выражением
(3)
σU = kQUσΣe,
где σ∑ = σf2 + σd2 + σ2r .
Преобразуя выражение (3), получим
2
2
σ U = k QU e N f + σ d2 + σ 2r = k QU
e 2 N f + σ 2Ud + σ 2Ur = k QU
e 2 N f + σ 2Udr ,
где σ 2Udr - суммарная дисперсия флуктуаций напряжения сигнала, вызываемых шумами
термогенерации и считывания. Величину σ 2Udr определяют по СКО сигналов элементов
матрицы, закрытых от внешнего излучения слоем нанесенного на их поверхность алюминия.
Таким образом, напряжение зарегистрированного сигнала можно описать нормальным
2
e 2 N f + σ 2Udr . После
распределением с математическим ожиданием U ∑ и СКО σ U = k QU
вычитания из зарегистрированных сигналов U = k QU N ∑ e среднего значения термогенерированных сигналов U d = k QU N d e получают пирометрические сигналы, среднее значение которых при наблюдении однородно излучающей поверхности равно U = k QU N f e , а
СКО определяется по формуле
σ U = k QU e U + σ 2Udr .
(4)
При определении максимальной температуры объекта необходимо учитывать только
те точки, интенсивность излучения которых попадает в интервал [U h − 3σ U ; U h + 3σ U ] ,
где U h - средняя величина пирометрического сигнала от участка объекта с максимальной
температурой. Так как в матрице фотоприемников всегда присутствует небольшое количество сбойных и "горячих" элементов, верхнюю границу диапазона значений сигналов
U max ≈ U h + 3σ U , участвующих в усреднении, выбирают при попадании в интервал гистограммы хотя бы тридцати элементов, причем изображение объекта должно занимать
4
BY 13991 C1 2011.02.28
большую часть кадра. В результате, учитывая (4), для нахождения U h получают уравнение
U max ≈ U h + 3 k QU e U h + σ 2Udr ,
решение которого имеет вид
Uh =
2U max + 9k QU e −
(5)
(2U max + 9k QUe)2 − 4(U 2max − 9σ2Udr )
(6)
.
2
Соответствующее значение СКО σU определяется по (4). Для определения температуры объекта при усреднении пирометрических сигналов учитываются только те элементы
изображения, для которых значение сигнала попадает в участок гистограммы с диапазоном значений [U h − 3σ U ; U h + 3σ U ] .
Вследствие попадания в выбранный участок гистограммы и элементов областей изображения объекта с более низкой температурой, что вызывает несимметричность выделяемого участка гистограммы (рисунок г), вычисленное таким способом значение
температуры, как показывают расчеты, будет ниже истинного максимального значения
примерно на 1 %. Устранение этой методической погрешности для конкретных видов неоднородности температурного поля осуществляется соответствующим сдвигом левой границы участка гистограммы [U h − 3σ U ; U h + 3σ U ] вправо.
Таким образом, предлагаемый способ определения максимальной температуры неравномерно нагретой поверхности горячих металлических тел позволяет с минимальным количеством операций определять искомую температуру, что уменьшает время, необходимое на определение максимальной температуры, и дает возможность проведения
непрерывного технологического контроля температуры нагреваемых металлических тел
без участия человека. При этом исключается влияние на результат определения максимальной температуры неравномерности нагрева и неоднородности излучательной способности, так как излучение менее нагретых и окислившихся участков поверхности не
учитывается при определении температуры.
Источники информации:
1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: Учебное
пособие для вузов. - Л.: Машиностроение, 1977.
2. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М.: Наука, 1982.
3. Патент США 4,687,344 B1, МПК G 01J 5/02, опубл. 18.08.1987.
4. Фираго В.А. Приемники излучения: Конспект лекций / В.А. Фираго. - Минск: БГУ,
2005.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
194 Кб
Теги
патент, by13991
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа