close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Специализированные пирометрические средства теплового контроля и их метрологическое обеспечение

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Пономарев Дмитрий Борисович
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПИРОМЕТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ И ИХ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Омск – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Омский
государственный технический университет» (ОмГТУ)
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Владимир Андреевич Захаренко
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, ведущий
специалист ФГАУ «НУЦ «Сварка
иконтроль» при МГТУ им. Н.Э. Баумана»
Елена Вячеславовна Абрамова;
доктор технических наук,
профессор Новосибирского филиала
ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации,
метрологии и сертификации»
Сергей Борисович Данилевич
Ведущая организация: ФГУП «СНИИМ», г. Новосибирск
Защита состоится 7 июня 2018 г. в 14:00 на заседании
диссертационного совета Д 212.178.01 на базе Федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Омский государственный технический университет»
(ОмГТУ) по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 8, ауд. 8-421.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«ОмГТУ» и на сайте www.omgtu.ru.
Автореферат разослан «___» _________ 2018 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск,
пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет,
ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.
Тел./факс: (3812) 65-24-79; e-mail: asp_omgtu@omgtu.ru.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.178.01
доктор технических наук
В.Л. Хазан
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационных исследований.
В задачах теплового неразрушающего контроля особый
практический интерес представляют методы и средства бесконтактных
измерений температуры, адаптированные для использования в
различных
производственных процессах и обеспечивающие
достоверность результатов теплового контроля.
Например, в задачах низкотемпературного теплового контроля
(ТК) металлических поверхностей, в частности при ТК качества
электрических контактных соединений (ЭКС), стоит проблема учета
коэффициента излучения в реальных условиях при изменении
температуры среды и переизлучений, соизмеримых с температурой
объекта контроля (ОК). В настоящее время для решения этой задачи
используются тепловизоры в основном иностранного производства,
имеющие более высокую стоимость в сравнении с переносными
пирометрами. Разработка для этих целей специализированного
пирометра позволит снизить затраты на оперативный контроль качества
ЭКС.
При измерениях температуры трения в триботехнических
исследованиях также основной проблемой снижения погрешностей
измерений является учет коэффициентов излучения в условиях
проведения экспериментов. Вопросы подбора коэффициентов излучения
и введения поправок на отраженную температуру рассматривались в
трудах В.П. Вавилова, Е.В. Абрамовой, однако применение
предложенных алгоритмов в реальных условиях затруднительно из-за
сложностей учёта геометрических параметров при ТК.
При применении пирометрических средств в производственных
условиях
требуются инструментальные
рабочие средства для
элиминирования неопределенностей, связанных с неизвестными
значениями коэффициентов излучения. По этим причинам обеспечение
необходимой точности ТК на уровне инструментальной погрешности,
заявленной производителями пирометров, затруднено. В связи с этим
представляются перспективными и необходимыми разработки методик и
калибраторов,
снижающих
погрешности
вызванные
неопределённостями значений коэффициентов черноты. Следует
отметить, что проблема коэффициента излучения существует при любом
пирометрическом контроле и даже её частичное решение актуально для
снижения погрешностей при бесконтактном ТК.
3
В производствах асфальтобетонных смесей, при их отгрузке из-за
изменений уровней поверхностей смесей, задачи теплового контроля
требуют применения пирометров показания которых бы не зависели от
расстояния до контролируемых поверхностей и загрязнений оптических
узлов, что требует разработки пирометров, специализированных под эту
задачу, т. к. измерение температур отгружаемого сырья в настоящее
время производят контактными термометрами.
В задаче высокотемпературного теплового контроля в
технологическом процессе пиролиза технического углерода измерения
производятся через смотровые окна реакторов, на которые оседают
частицы продуктов горения. В настоящее время температура в реакторах
контролируется с помощью пирометрических преобразователей
суммарного излучения типа ТЕРА. Производство приборов ТЕРА
осталось за границей (Украина). Для ТК в этой задаче целесообразно
применение
пирометров
спектрального
отношения
(ПСО).
Использование ПСО известных моделей (в основном зарубежных
производителей),
удовлетворяющих
требованиям
эксплуатации,
затруднено или невозможно в связи с трудностями учёта спектральной
прозрачности смотрового стекла, высокой стоимостью пирометров и их
низкой эксплуатационной надёжностью, обусловленными значительной
сложностью моделей ПСО, представленных на рынке.
Таким
образом,
разработка
специализированных,
адаптированных
под
конкретные
технологические
процессы
пирометрических средств теплового контроля и средств их
метрологического обеспечения, решающих задачи уменьшения
неопределённостей при ТК и импортозамещения, является актуальной
задачей.
Степень разработанности проблемы.
Существенный вклад в решении проблем, связанных с
разработкой отечественных пирометрических средств теплового
контроля и их метрологического обеспечения, сделан в работах А.И.
Гордова, Д.Я. Света, В.П. Вавилова, О.Н. Будадина, А.Е. Шейндлина,
А.А. Поскачей, Е.П. Чубарова, А.И. Походуна, И.Я. Орлова, В.И. Курта,
В.М. Тымкул, В.Я. Черепанова, Е.В. Абрамовой, А.Н. Магунова, В.А.
Захаренко, А.В. Фрунзе, и других. Однако широкий круг задач,
связанный с адаптацией средств пирометрического контроля под
индивидуальные условия их применения и необходимостью создания
специализированных пирометров для конкретных условий их
4
эксплуатации требует как создания пирометров с улучшенными
техническими параметрами, так и средств их метрологического
обеспечения.
Основная идея работы состоит в создании специализированных
пирометров и пирометров нового типа, разработке методических
рекомендаций по особенностям их применения и метрологическому
обеспечению, позволяющих уменьшить погрешности при бесконтактном
тепловом контроле.
Цель диссертационной работы - разработка и исследования
специализированных устройств бесконтактного контроля температуры
для ряда технологических процессов, средств и методик их
метрологического обеспечения.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведёние анализа специфики теплового контроля для ряда
технологических процессов и характеристик современных средств
теплового контроля. Определение технических требований к
специализированным пирометрам.
2. Разработка конструкций и схемотехнических решений
создания специализированных пирометров, учитывающих при ТК
влияние температуры среды и изменения коэффициентов черноты.
3. Проведение
расчётно-экспериментальных
исследований
погрешностей пирометрического контроля в реальных условиях.
4.
Обоснование
требований
к
метрологическому
обеспечению разрабатываемых приборов и разработка методов и средств
их метрологического обеспечения.
Область исследования – методы и средства бесконтактного
теплового радиационного контроля и средства их метрологического
обеспечения.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач в работе проводились
расчетные и экспериментальные исследования с применением
математического моделирования и моделей абсолютно чёрного тела. В
исследованиях применялись классические законы распространения
тепловых излучений, теории теплопередачи, метод конечных элементов,
статистической обработки экспериментальных данных с применением
ПК и стандартных пакетов программ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые обоснован способ реализации пирометра
спектрального отношения на одном фотодиоде, исключающий
5
применение оптических фильтров или нескольких фотоприёмников, что
существенно упрощает конструктивное исполнение ПСО и уменьшает
методические погрешности при ТК.
2. На основе результатов теоретических и экспериментальных
исследований разработаны новые технические средства повышения
достоверности теплового контроля:
- обосновано применение пирометрических калибраторов как
средств метрологического обеспечения, позволяющих уменьшить
погрешность измерений в реальных условиях. Экспериментально
доказано, что при этом методическая погрешность уменьшается на 3% и
более.
- впервые обоснована возможность создания пирометра
компенсационного типа со встроенным калибратором, в котором
компенсируются температурные изменения коэффициентов излучения
поверхностей, что в разы уменьшает погрешности при бесконтактном
ТК.
Практическая значимость работы и внедрение:
1. Стационарный пирометр спектрального отношения внедрен в
опытную эксплуатацию на ОАО «ОмскТехуглерод». Пирометр
адаптирован для измерений через защитное стекло и уменьшает
погрешности, связанные с его загрязнением. Разработанное техническое
решение защищено патентом РФ №2485458 «Пирометр спектрального
отношения» от 20.06.2013 г.
2. Методика проектирования низкотемпературных пирометров
использована для разработки средств теплового контроля. На её основе
созданы переносные специализированные приборы, внедренные в ООО
«Лаборатория-131», ООО «НТК «Интекс», ООО «НПЦ Термаль».
3. Пирометрический
калибратор,
модель
протяжённого
излучателя и пирометра компенсационного типа со встроенным
калибратором внедрены в ООО «НПЦ Термаль» и учебный процесс в
ОмГТУ при обучении студентов по направлениям 11.03.04 и 11.04.04 –
«Электроника и наноэлектроника».
4. Методика и технические решения измерения температуры
поверхности трения, учитывающие эффективный коэффициент
излучения, внедрены в лабораторной установке кафедры «Холодильная и
компрессорная техника и технологии» ОмГТУ и позволили получить
новые знания в области триботехники, опубликованные в печати.
6
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Представленная диссертация удовлетворяет п.2, п.3 и п.5
паспорта специальности 05.11.13.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ реализации пирометра спектрального отношения на
одном фотодиоде, использующий эффект смещения спектрального
максимума чувствительности от обратного напряжения, результаты
расчетно-теоретических обоснований принципа его работы.
2. Результаты расчетов погрешностей пирометра спектрального
отношения нового типа.
3. Технические решения и алгоритмы работы разработанных
пирометров и калибраторов.
4. Разработанные методы и средства уменьшения методических
погрешностей, связанных с неопределенностями коэффициентов
излучений поверхностей объектов контроля.
5.
Результаты
экспериментальных
исследований,
подтверждающие работоспособность и преимущества разработанных
средств теплового контроля.
Достоверность
полученных
в
работе
результатов
подтверждена
соответствием
результатов
имитационного
математического моделирования и экспериментальных данных,
отсутствием противоречий между полученными результатами и
выводами исследований, описанными в научной литературе. Все
экспериментальные данные были получены на сертифицированной
аппаратуре.
Апробация работы
Основные положения и выводы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на: региональной научно-технической
конференции «Омское время – взгляд в будущее» (Омск, 2010);
Ежегодных Российских семинарах «Практическое применение
контактных и пирометрических средств температурных измерений и
средств их метрологического обеспечения» (Омск, 2010-2017);
всероссийской научно-технической конференции «Наука и молодежь в
XXI веке» (Омск, 2017); всероссийской научной конференции «Наука.
Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2006); всероссийских научнотехнических конференциях «Россия молодая: передовые технологии в
промышленность» (Омск, 2008, 2009, 2013, 2015); всероссийской
научной конференции «Проблемы разработки, изготовления и
7
эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных
кадров для авиакосмической отрасли» (Омск, 2006); всероссийских
научно-технических конференциях «Стандартизация, метрология и
управление качеством» (Омск, 2015, 2017); всероссийской конференции
по проблемам термометрии «Температура 2011» (Подольск, 2011);
всероссийской и стран участниц КООМЕТ конференции по проблемам
термометрии «Температура 2015» (С-Петербург, 2015); всероссийской
научно-практической конференции с международным участием
«Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве»
(Екатеринбург,
2015);
международных
научно-технических
конференциях «Измерение, контроль, автоматизация» (Барнаул, 2006,
2011, 2012, 2014); международной научно-технической конференции
«Наука, Техника, Инновации 2014» (Брянск, 2014); международных
научно-технических конференциях «Динамика систем, механизмов и
машин» (Омск, 2007, 2009, 2014, 2016).
Работа
получила
поддержку
Российского
фонда
фундаментальных исследований в рамках гранта по теме «Разработка
новых пирометрических средств для задач энергосбережения» (договор
№011-010/2 от 25.05.2010).
Публикации
Результаты диссертационного исследования опубликованы в 30
печатных работах, из них 4 статьи опубликованы в изданиях,
рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 3 в журналах, входящих в базу
Scopus, 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора
Все основные теоретические результаты и положения,
выносимые на защиту, выполнены лично автором. Автором выполнены
экспериментальные исследования, разработаны и реализованы
схемотехнические решения, алгоритмическое и программно-техническое
обеспечение для разработанных пирометров и пирометрических
калибраторов. Постановка целей и задач исследования, планирование
экспериментов осуществлялось совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа
состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
Диссертация изложена на 174 листах основного текста, содержит 88
рисунков, 8 таблиц и 4 приложения.
8
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проводимых
исследований, сформулированы цели и задачи работы, научная
новизна и практическая значимость результатов, представлены
структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ и обоснование
целесообразности
создания
специализированных
средств
пирометрического контроля для задач теплового контроля в
промышленности. Рассмотрены задачи низкотемпературного и
высокотемпературного пирометрического контроля, проведен обзор
пирометров, представленных на отечественном рынке. Проведен
анализ современного состояния обеспечения единства измерений в
пирометрии и обзор технических средств метрологического
обеспечения.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию
специализированных пирометрических приборов.
Приведена разработанная методика энергетического расчета
низкотемпературного пирометра. Получено выражение изменения
лучистого потока на входе пирометра при изменении температуры
объекта контроля, которое позволяет находить изменение потока при
изменении ΔТ температуры ОК:
Фe ( , T ) 
2
 T S ОК S ИП
 ( ) o ( )R( , T )  R( , T  T )d
 L2  c
(1)
Это выражения позволило найти величины порогового потока
для приемника излучения (ПИ) разрабатываемых пирометров.
Приведены
расчетные
методические
рекомендации
проектирования пирометров диафрагменного типа и с оптической
схемой Кассегрена.
Конструктивные параметры пирометров диафрагменного типа
проводились на основе выражения, полученного из геометрических
представлений:
L
(2)
D2  ( Dd  D p )  Dd ,
l
где D2 – диаметр измерительного поля, l – расстояние между
поверхностью чувствительного элемента ПИ и диафрагмой, L –
1
9
расстояние от плоскости ОК до диафрагмы, Dp – диаметр площадки
чувствительного элемента ПИ, Dd – диаметр отверстия диафрагмы.
Методика разработки пирометров с оптической системой по
схеме Кассегрена для низкотемпературного пирометра основана на
классических представлениях оптико-электронного приборостроения.
Предложены специализированные решения учета влияния
коэффициента излучения, переизлучений оптической системы и
температуры окружающей среды.
Предложена следующая методика учёта фоновых излучений:
поправка
на
излучение
оптической
системы
пирометра(εф1,ТФ1) закладывается в программное обеспечение
пирометра при градуировке по модели АЧТ.
- поправка на излучение фона (εф,ТФ) вводится оперативно при
калибровке пирометра в лабораторных или полевых условиях.
На основе полученных решений по проектированию
пирометров были разработаны функциональная и электрическая
схемы низкотемпературного пирометра. Алгоритм работы пирометра
учитывает влияния окружающей температуры и фонового излучения.
В конструкции пирометра предусмотрены контактные датчики
температуры оптической системы. Для задачи контроля качества
электрических контактных соединений разработана подпрограмма
вычисления переходного сопротивления контактов RП, позволившая
решить поставленной задачу создания специализированного
пирометра контроля качества ЭКС.
По результатам исследований макета низкотемпературного
пирометра на установке для поверки пирометров в соответствии с
ГОСТ 8.558-2009
получена градуировочная характеристика
пирометра по модели излучателя АЧТ (АЧТ-165/40/100).
Практическое
исследование
характеристики
направленности
оптической системы пирометра проводилось с помощью специально
изготовленной
лабораторной модели точечного инфракрасного
излучателя, с микропроцессорным терморегулятором.
На рис. 1
представлена экспериментальная зависимость выходного кода
аналого-цифрового преобразователя от перемещения точечного
источника вдоль и перпендикулярно оптической оси пирометра. На
расстоянии 6 метров величина показателя визирования пирометра
составила 1:240, что подтвердило результаты приведённых в работе
расчетов.
10
Акоордината
точечного
источника излучения в плоскости
перпендикулярной
главной
оптической оси, L- расстояние до
точечного
источника
по
оптической оси
Рис. 1. Характеристика направленности двухзеркальной
оптической системы пирометра
Исследования совокупного влияния коэффициента излучения
поверхности
и
окружающей
температуры
на
результаты
бесконтактного измерения температуры проводились посредством
протяженного излучателя, разработанного при выполнении настоящей
работы. По результатам экспериментов, представленным на рис. 2а, с
введением алгоритма коррекции методическая погрешность измерения
температуры, на примере поверхности с коэффициентом излучения ε =
0.55, уменьшена в 3 раза. Погрешности измерений при влиянии
фоновых излучений приведены на рис. 2б.
На основании рис. 2.б получен вывод, что разработанный
алгоритм коррекции позволяет уменьшить методическую погрешность
в 3 раза.
В разделе 2.2 проведен
анализ технических решений
применяемых в пирометрах на основе фотодиодов.
Tизл,°С
Tизл,°С
а)
б)
Рис. 2. Зависимости измеренной пирометром температуры Тизм
от температуры поверхности излучателя Тизл (а) и методической
погрешности измерений (б), связанной с фоновым излучением: 1- без
алгоритма коррекции, 2 – с алгоритмом коррекции
11
Описан предложенный в работе новый способ создания
пирометров спектрального отношения (ПСО) на одном фотодиоде.
Представлены результаты теоретических и экспериментальных
исследований,
доказывающих
работоспособность
нового
технического решения.
Предложение
основано
на
изменении спектральной
чувствительности кремниевых фотодиодов в зависимости от
приложенного обратного напряжения (рис. 3). При этом выходной
сигнал пирометра формируется как отношение выходных сигналов,
полученных при разных режимах включения.
Отношение выходных сигналов пирометра в соответствии с
функцией Планка представляется как
2
I f 1 (T )
SR(T ) 
I f 2 (T )
,
  ( )S  r  , T d
(3)
1

1
4
  ( )S  r  , T d
2
3
гдеr(λ,Т) - функция Планка; If1(Т) и If2(Т)-фототоки для разных
включений фотодиода; S1(λ) и S2(λ) - функции спектральной
чувствительности фотоприёмника в спектральных интервалах 1 -2и
3-4.
В соответствии с выражением (3) были получены расчетные
зависимости фототока от температуры излучающей полости АЧТ для
кремниевого фотодиода ФД-256, представленные на рисунке 4.
3
0.55
S,
А/Вт
0.44
S_sh (  )
I, А
100 В
10 В
0.33
Ikz( T)
0В
S_fd (  )
310
100 В
3
210
10 В
Ifd( T)
S_fd100(  )
Ifd100( T)
0.22
3
110
0В
0.11
0
7
410
7
510
7
610
7
710
7
810
7
910
6
110
6
1.110
0
6
1.210
3
110

3
1.510
T273
Рис. 3. Изменения спектральной
чувствительности кремниевого
фотодиода ФД-256 от
приложенного напряжения: S_kz –
при напряжении на фотодиоде
Upn=0 В в режиме КЗ; S_fd – при
Upn= 10 В, S_fd100 – при Upn= 100 В
3
210
Рис. 4. Графики зависимостей
выходных сигналов от
температуры полости АЧТ: Ikz –
фототок при напряжении на
фотодиоде Upn=0 В; Ifd – фототок
при Upn= 10 В; Ifd100 – фототок
при Upn= 100 В.
В
12
Функциональная
схема
фотодиодного
спектрального отношения представлена на рис. 5
3
Ф
О – объектив; 1 – фотодиод; 2 –
электронный ключ; 3 – усилитель
преобразователь ток-напряжение;
4
–
микроконтроллер
со
встроенным АЦП; 5 - источник
питания; 6 – индикатор; ПК –
персональный компьютер
1
О
2
а
4
б
ПК
5
пирометра
6
Рис. 5. Функциональная схема фотодиодного пирометра
спектрального отношения
На рис. 6. приведена экспериментальная (—) и расчетная (- - -)
нормированные зависимости выходного сигнала разработанного
пирометра.
Проведены
расчётные
исследования
погрешностей
предложенного пирометра спектрального отношения.
Зависимость инструментальной погрешности ПСО на одном
фотодиоде от измеряемой температуры получена в соответствии с
выражением:
2
2
 I kz (Tmax )   Ifd (Tmax )  (4)
ne
ne
2q f
2q f
Ti(T )  kp  ( kp 
е
I kz (T )  IТ

Результаты аналитических
представлены на рисунке 7.
Рис. 6. Зависимости выходного
сигнала пирометра на основе
кремниевого фотодиода ФД-256 от
температуры: расчет (- -),
эксперимент (—).
е
Ifd (T )  IТ
)2  


расчетов
2  
I kz (T )  
 
по
2 
Ifd (T ) 

формуле
Рис. 7. Расчетные зависимости
относительной инструментальной
погрешности δTi от температуры
полости АЧТ при ne=16: δTi(Т) –
при Upn= 10 В, δTi100(Т) – при
Upn= 100 В
13
(4)
По данным проведенных расчетов, инструментальная
погрешность δTi соизмерима с расчетными значениями погрешности,
приведёнными
в работах других авторов для пирометров
использующих оптические узкополосные фильтры или приемники
излучения
с
различными
спектральными
диапазонами
чувствительности, «тандемного» и мозаичного типов. При этом
методическая погрешность δTe меньше в 1,5-2 раза.
В третьей главе приведены результаты разработок и
исследований средств метрологического обеспечения.
На рис. 8. представлена функциональная схема предлагаемой
модели пирометрического калибратора (МПК).
ОКП
ДТ
Н
РТ
И
ЗТ
МПК
ОКП – образец контролируемой
поверхности
объекта
контроля,
идентичного
материалу
объекта
контроля; Н – нагреватель; РТ –
регулятор температуры; ДТ – датчик
температуры;
И
–
измеритель
температуры;
ЗТ – задатчик
температуры
Рис. 8. Функциональная схема модели пирометрического
калибратора
Представленные в работе расчётные исследования позволили
сделать вывод о том, что при условии неопределенности (, Т)
градуировку пирометров целесообразно производить не по
излучателю типа модели АЧТ, а по МПК. Так как при этом
градуировка пирометра производится по лучистому потоку Ф(Т) с
учетом неоднозначной зависимости эффективного коэффициента
излучения от измеряемой температуры, фактуры поверхности и
спектрального диапазона чувствительности конкретного типа
пирометра.
На рис. 9а. представлены расчётные зависимости эф(Т) для
поверхности из алюминия при температурах фонового источника
излучения 60 и -20 °С для приемника излучения со спектральными
диапазоном чувствительности Δ  = 7-14 мкм. Относительные
погрешности измерений, рассчитанные при тех же условиях, для
пирометра имеющего коррекцию показаний на излучательную
способность алюминия в зависимости от температуры А(,Т)
представлены рис. 9б.
14
5
0.3
δ,%
4
a i
0.25
+60 °С
dTs( T )
0.01T
af60 i
3
+60 °С
 dTf ( T )
afm20 i
0.2
0.01T 2
- 20 °С
1
- 20 °С
0.15
100
200
300
400
500
Tизл,°С
0
0
100
200
300
T  273
400
500
600
Tизл,°С
а) T 273
б) 60 (——) и -20 °С (- - -)
Рис. 9. Расчетные значения А(,Т) и δ,% для алюминия в
диапазоне температур 100-500 °С при температурах фона Т О = 60
и -20 °С:
а) зависимость эффективного коэффициента излучения эф(Т)
б) относительной погрешности δ,% определения температуры
алюминия пирометром имеющим коррекцию А(,Т)
i
Полученные результаты исследований позволили сделать
вывод о том, что в цеховых условиях при наличии отраженных
фоновых излучений окружающей среды методическая погрешность
измерений будет более 1% в диапазоне до 200 °С для пирометра со
спектральной чувствительностью Δ  = 7-14 мкм. А коррекцию
погрешности, вносимой фоновым излучением целесообразно
осуществлять экспериментальным определением зависимоси эф(,Tр)
при постоянной To посредством модели пирометрического
калибратора.
Для практической реализации устройства была разработана
МПК на основе конструкции термопары. Конструктивно калибратор
представляет собой хромель-копелевую термопару ТХК-0179, на
чехол которой намотан нагреватель из нихрома, помещённый в
теплоизоляцию. В торце чехла термопары смонтирован держатель, в
который устанавливаются образцы материалов деталей или
фрагменты контролируемых поверхностей ОК.
В диссертации приведены теплофизические расчеты,
позволившие устанавливать однозначную связь между температурами
внутренней и внешней (излучающей) поверхностями калибратора.
Функциональная схема разработанного калибратора приведена
на рис. 10.
15
МПК
УИ
ТП
ОКП
Ф
НУ
Т
НЭ
~ 220 В
ИОН
ТР
СС
УВ
МК
АС
INT0
БУ
ПК
Рис. 10. Функциональная схема МПК
МПК – модель пирометрического калибратора, Ф – лучистый
поток, ОКП – образец материала контролируемой поверхности, ТП –
термопара, НЭ – нагревательный элемент, НУ – нормирующий
усилитель, МК – микроконтроллер, УИ – устройство индикации, УВ –
устройство ввода, АС – адаптер связи, ПК – персональный компьютер,
ИОН – источник опорного напряжения, БУ – буферный усилитель, ТР
– твердотельное реле, СС – схема синхронизации с сетью, Т –
трансформатор
На основе предложенной модели калибратора создан опытный
образец компенсационного пирометра со встроенным образцом
излучающей поверхности и проведены его экспериментальные
исследования. Пирометр реализован по функциональной схеме со
следящим уравновешиванием, где приемник излучения представляет
собой «нуль» индикатор и является измерительным средством для
уравновешивания двух потоков: от объекта контроля и от встроенного
в пирометр источника излучения. Этот техническое решение
позволяет отстроиться от
температурной и временной
нестабильностей параметров приемника излучения и схемы усиления
пирометра.
Проведённые экспериментальные исследования абсолютной
погрешности измерения температуры поверхности алюминия
пирометром, функционирующим по предложенному способу,
составила 3,5°C. При определении температуры алюминиевого
образца с использованием коэффициента черноты взятого из
справочных табличных данных, при параметрической ошибке
введения коэффициента Δε=0.05, расчетная абсолютная погрешность
составила 7.5°C.
16
Следует отметить, что предложенное техническое решение
автоматически учитывает зависимость коэффициента излучения
поверхности ОК от температуры.
В главе также представлены
результаты исследований
опытного образца высокотемпературного протяженного излучателя
на
основе
никелевой
электронагревательной
пластины
с
максимальной рабочей температурой до 1000 °C с размерами
поверхности 150x150 мм. Такой излучатель предлагается
использовать
для
поверки
показателя
визирования
высокотемпературных пирометров.
В четвёртой главе представлена методика измерения
температуры трения. Блок-схема экспериментальной установки для
трибоисследований
приведена
на
рис.11.Средняя
величина
погрешности при пирометрических измерениях в диапазоне 30-150 оС
температуры поверхности трения по приведённой методике не
превышает 2.6%.
ПК
ЭБП
Тгп
БП
ТР
ГП
Ф
БД
ЗТ
ЭП
В
В
Рис. 11. Блок-схема испытательного стенда измерения
температуры трения:
ПК – персональный компьютер; ЭБП – электронный блок
пирометра; ГП – головка пирометра; БД – блок диафрагм; ЗТ – зона
трения; ЭП – элемент Пельтье; В – вентилятор; ТР – терморегулятор;
БП – блок питания; Ф – суммарный поток излучения на ГП; Тгп –
аналоговый сигнал, соответствующий температуре головки пирометра
Описано применение разработанных специализированных
пирометров в различных производствах. На рис. 12 приведена
фотография диафрагменного пирометра, установленного на весовой
асфальтобетонного завода в п. Николаевка (г.Омск). Его показания не
зависят от расстояний до поверхностей и отсутствуют погрешности,
17
связанные с загрязнениями оптики. Пирометр имеет следующие
основные технические характеристики: показатель визирования - 1:20;
диапазон измерения температур, от 20С до +160С; погрешность
измерений ±2С; рабочий диапазон температур окружающей среды, 40- +55.
Рис. 12. Пирометр
диафрагменного типа для
контроля температуры
асфальта
Рис. 13. Пирометр с
оптической системой по схеме
Кассегрена для контроля
качества контактов
Фотография переносного пирометра контроля электрических
контактных соединений, используемого предприятием ООО
«Лаборатория-131» приведена на рис. 13. Пирометр имеет следующие
основные технические характеристики: показатель визирования 1:240; диапазон измерения температур, от -10С до +200С;
погрешность измерений ±2С; температурную чувствительность - 1,0
°С; спектральный диапазон – 7…14 мкм; рабочий диапазон
температур окружающей среды, - 5- +40; оптический лазер наведения;
в пирометре имеется возможность коррекции фонового излучения.
Фотография
пирометра
спектрального
отношения,
внедрённого в технологический процесс производства техуглерода
ОАО «ОмскТехуглерод», приведена на рис. 14.Пирометр адаптирован
для теплового контроля в реакторе производства углерода через
загрязняющееся стекло.
В заключении сформулированы основные результаты
диссертационной работы и подведены итоги.
18
Технические
характеристики:
показатель визирования - 1:150;
диапазон измерения температур, от
1200С
до
2000С;
основная
приведенная погрешность измерений,
1%; спектральный диапазон – 0,4…1,2
мкм; рабочий диапазон температур
окружающей среды, - 40- +55
Рис. 14. Пирометр спектрального отношения
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ
1.
Сделан
вывод
о
целесообразности
разработки
специализированных пирометрических средств теплового контроля и
их метрологического обеспечения в задачах контроля качества
контактных соединений, в производстве и транспортировке асфальта,
производстве технического углерода, в триботехнике.
2. Разработана методика проектирования низкотемпературного
пирометра с малым показателем визирования, позволившая создать
специализированный пирометр контроля качества электрических
контактных соединений.
3. Обоснован новый способ создания пирометра спектрального
отношения на одном фотодиоде путем управления режимами его
работы. Техническая реализация предложенного пирометра
существенно проще исполнения аналогов, представленных на рынке.
4. Разработанный
специализированный
пирометр
диафрагменного типа адаптирован под тепловой контроль асфальтобетонных смесей, его показания не зависят от расстояний до
поверхностей и у него исключаются погрешности, связанные с
загрязнениями оптических систем, в сравнении с пирометрами других
конструкций.
5. Представленные разработки и исследования пирометра
нового типа со встроенным калибратором позволяют решать задачу
учёта температурных изменений коэффициентов излучения, что в
разы уменьшит погрешности в ТК.
6. Получен
вывод
о
целесообразности
применения
пирометрических
калибраторов
для
учёта
эффективных
коэффициентов излучения при ТК в условиях производства.
19
7. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для
работы пирометров и калибраторов, позволили адаптировать
пирометрические измерения под различные задачи: производства
технического углерода, производства асфальта, контроля качества
электрических контактных соединений.
8.
Разработанные устройства и методики внедрены в
промышленность, научно-исследовательский и учебный процессы
подготовки бакалавров, магистров и аспирантов.
9. Получен патент на изобретение, использованный в
пирометре спектрального отношения.
Выполненные исследования позволили предложить решения
научно-технической задачи, имеющей важное значение в области
пирометрического теплового контроля, и на основе представленных в
работе
предложений
уменьшать
погрешности
измерений,
проектировать специализированные под производственные и
исследовательские цели пирометры и средства их метрологического
обеспечения.
Список публикаций автора по теме диссертации:
Научные
работы,
опубликованные
в
изданиях,
рекомендованных ВАК:
1. Гошля, Р.Ю. Датчики теплового контроля на основе
пьезоэлектрического кварца/Р.Ю. Гошля,В.А. Захаренко, Д.Б. Пономарев
// Датчики и системы. – 2011. -№3. - С. 18-22.
2. Юша,
В.Л.
Методика
бесконтактного
измерения
температуры поверхности вращающегося вала бессмазочного
подшипника/В.Л. Юша, Н.А. Райковский, В.А. Захаренко, Д.Б.
Пономарев// Вестник машиностроения. – 2012. -№3. - С. 50-51.
3. Захаренко, В.А. Пирометры компенсационного типа / В.А.
Захаренко, Ю.Н. Кликушин, Д.Б. Пономарев // Метрология. - 2014. - №4.
- С. 25-31.
4. Захаренко, В.А. Фотодиодный пирометр спектрального
отношения / В.А. Захаренко, Ю.Н. Кликушин, Д.Б. Пономарев //
Приборы. - 2014. - №8. - С. 1-4.
Патенты:
5. Пат. 2485458 Российская Федерация, МКИ G 01 J 05/60.
Пирометр спектрального отношения / В.А.Захаренко, Д.Г.Лобов,
Д.Б.Пономарев, А.Г.Шкаев - опубл. 20.06.2013 г, Бюл. №17.
20
Научные работы, опубликованные в изданиях, индексируемых
в международной реферативной базе данных Scopus:
6. Yusha, V. L. Contactless surface-temperature measurement for
the rotating shaft of an unlubricated bearing / V. L. Yusha, N. A. Raikovskii,
V.A Zakharenko., D.B. Ponomarev // Russian Engineering Research - New
York: Allerton Press, Inc., 2012, Vol. 32, No. 3, pp. 242–243. DOI:
10.3103/S1068798X12030264.
7. Zakharenko, V.A. A Compensation-Type Pyrometer / V.A.
Zakharenko, Yu.N. Klikushin, D.B.Ponomarev // Measurement Techniques:
Vol. 57, Issue 6 (2014), Page 679-683.DOI: 10.1007/s11018-014-0518-9.
8. Ponomarev, D.B. Silicon photodiode as the two-color detector /
D.B. Ponomarev, V.A. Zakharenko // Journal of Physics: Conference Series
643 (2015) 012030 DOI: 10.1088/1742-6596/643/1/012030.
Научные работы, опубликованные в других изданиях:
9. Захаренко, В.А. Прецизионный терморегулятор на основе
микроконтроллера ADUC824/ В.А. Захаренко, Д.Г. Лобов,
Д.Б.Пономарев // Измерение, контроль, инфор-матизация: Материалы
шестой между-нар. науч.-техн. конф.– Барнаул, 2006.- С. 109-114.
10. Захаренко, В.А. Терморегулируемый калибратор для
пирометрии / В.А. Захаренко, Д.Б. Пономарев // Наука. Технологии.
Инновации: Материалы всерос. науч. конф. молодых ученых в 7-ми
частях. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – Ч. 2, С. 17 -19.
11. Захаренко, В.А. Учет температуры окружающей среды при
градуировке пирометров / В.А. Захаренко, Д.Б. Пономарев // Динамика
систем, механизмов и машин: Материалы VIМеждунар. науч.-техн. конф.
– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. Кн. 1. – С. 302 -305.
12. Пономарев, Д.Б. Метрологические средства для пирометрии
/ Д.Б. Пономарев // Россия молодая: передовые технологии в
промышленность: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2008. - Кн. 1. – С. 220 -224.
13. Пономарев, Д.Б. Установка метрологического обеспечения
тепловизоров / Д.Б. Пономарев // Россия молодая: передовые технологии
в промышленность: Материалы IIВсерос. науч.-техн. конф. – Омск: Издво ОмГТУ, 2009. - Кн. 1. – С. 213 -215.
14. Захаренко, В.А. Модель пирометрического калибратора /
В.А. Захаренко, Д.Б.Пономарев// Динамика систем, механизмов и машин:
Материалы VIIМеждунар. науч.-техн. конф. – Омск: Изд-во ОмГТУ,
2009. - Кн. 1. – С. 409 -412.
21
15. Захаренко, В.А. Пирометрия для задач энергосбережения /
В.А. Захаренко, Д.В. Кузнецов, Д.Б. Пономарев // Омское время – взгляд
в будущее: материалы регион. молодеж. науч.-техн. конф. – Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2010. - Кн. 1. – С. 132 -135.
16. Захаренко,
В.А.
Компенсационный
пирометр
/
В.А.Захаренко, Ю.Н.Кликушин, А.Г.Шкаев, Д.Б.Пономарев //
Измерение, контроль, инфор-матизация: Материалы двенадцатой
междунар. науч.-техн. конф. – Барнаул, АлтГТУ, 2011.- С. 109-112.
17. Захаренко, В.А. Бесконтактное измерение температуры при
трибоисследованиях / В.А. Захаренко, Н.А. Райковский, В.Л. Юша, Д.Б.
Пономарев // Измерение, контроль, информатизация: Материалы
двенадцатой междунар. науч.-техн. конф.– Барнаул, АлтГТУ, 2011.- С.
112-115.
18. Захаренко, В.А. Пирометры компенсационного типа / В.А.
Захаренко, Ю.Н. Кликушин, С.А. Орлов, Д.Б. Пономарев // Температура
2011: Тез. докл. Четвертой всеросс. конф. по проблемам термометрии. –
Подольск: НПО «ЛУЧ», 2011. – С. 56 – 58.
19. Захаренко, В.А. Пирометр спектрального отношения / В.А.
Захаренко, А.Г. Шкаев, Д.Б. Пономарев // Измерение, контроль,
информатизация: Материалы Тринадцатой междунар. науч.-техн. конф.
Том 1 / Под ред. Л.И. Сучковой. - Барнаул: АлтГТУ, 2012. – С. 161-163.
20. Пономарев, Д.Б. Исследование протяженного излучателя /
Д.Б. Пономарев // Россия молодая: передовые технологии в
промышленность. Материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Омск: ОмГТУ,
2013. - Кн. 1. – С. 228 -231.
21. Захаренко, В.А. Двухспектральный пирометр на одном
фотодиоде / В.А. Захаренко, Д.Б. Пономарев // Наука, Техника,
Инновации 2014: сборник статей Междунар. науч.- тех. конф. – Брянск:
НДМ, 2014. – C. 64-67.
22. Захаренко, В.А. Способ бесконтактного измерения
температуры с элиминированием коэффициента черноты / В.А.
Захаренко, А.Г. Шкаев, Д.Б. Пономарев // Измерение, контроль,
информатизация: Материалы Пятнадцатой междунар. науч.-техн. конф.
Том 1 / Под ред. Л.И. Сучковой. - Барнаул: АлтГТУ, 2014. – С. 62-63.
23. Захаренко, В.А. Пирометрический контроль качества
электрических контактных соединений / В.А. Захаренко, А.В. Баталова,
Д.Б. Пономарев // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы
IXМеждунар. науч.-техн. конф. – Омск: ОмГТУ, 2014. Кн. 2. – С. 26-29.
22
24. Захаренко, В.А. Пирометр спектрального отношения на
основе кремниевого фотодиода (тезисы) / В.А. Захаренко, Д.Б.
Пономарев // Температура-2015: Материалы 5-ой Всерос. и стран
участниц КООМЕТ конф. по проблемам термометрии. – Спб., ООО
«Бреза» 2015 г. – С. 84-87.
25. Пономарев, Д.Б. Методическая погрешность пирометра
спектрального отношения на кремниевом фотодиоде / Д.Б. Пономарев //
Стандартизация, метрология и управление качеством: Материалы
Всеросс. науч.-техн. конф., посвящ. 90-летию Росстандарта и 170-летию
метрол. службы России. – Омск: ОмГТУ, 2015. – C. 135-139.
26. Пономарев, Д.Б. Способ уменьшения погрешности
высокотемпературныхпирометров / Д.Б. Пономарев // Теплотехника и
информатика в образовании, науке и производстве: cборник докладов IV
Всеросс. науч.- практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных
(TИМ’2015) c международным участием. - Екатеринбург: УрФУ, 2015. –
C. 302-305.
27. Пономарев,
Д.Б.
Радиационный
пирометр
для
низкотемпературных процессов напыления / Д.Б. Пономарев //
Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетнокосмической техники и подготовки инженерных кадров для
авиакосмической отрасли: материалы IX Всерос. науч. конф., посвящ.
памяти гл. конструктора ПО «Полёт» А. С. Клинышкова - Омск :
ОмГТУ, 2015. – C. 294-301.
28. Пономарев,
Д.Б.
Источник
питания
пирометра
спектрального отношения / В.В.Зенков, Д.Б.Пономарев // Россия
молодая: передовые технологии в промышленность: Материалы Всерос.
науч.-техн. конф. - Омск : ОмГТУ, 2015. Кн. 2. – C. 61-63.
29. Захаренко, В.А. Исследование погрешности пирометра с
встроенным калибратором / В.А. Захаренко, А.Г. Шкаев, Д.Б. Пономарев
// Стандартизация, метрология и управление качеством: Материалы
IIВсеросс. науч.-техн. конф. – Омск: ОмГТУ, 2017. – C. 19-21.
30. Пономарев, Д.Б., Котышков Е.Ю. Модель инфракрасного
излучателя / Д.Б. Пономарев, Е.Ю. Котышков // Материалы IIIВсерос.
Науч.-техн. конф. «Наука и молодеж в XXI веке»– Омск: Изд-во ОмГТУ,
2017.– C. 107-110.
23
Справка о личном участии автора диссертации в опубликованных
работах
Работы [12,13,20,25-27] написаны без соавторов.
В работе [1] участие автора выражается в подготовке и проведении
эксперимента c использованием пирометрического калибратора, анализе
результатов эксперимента.
В работах [3,7,18,19,28] участие автора выражается в участии в
разработке схемотехнических решений, подготовке и проведении эксперимента
и анализе его результатов.
В работах [2,6,17] содержится описание методики бесконтактного
измерения температуры поверхности трения и технических решений,
разработанных при непосредственном участии автора.
В работах [4, 8, 21, 24] при участии автора разработаны
функциональные схемы пирометра спектрального отношения на одном
фотодиоде, непосредственно автором проведены необходимые математические
расчеты, подготовлен и проведен эксперимент, обработаны полученные данные
и проведен анализ результатов.
В работах [9, 10, 14, 15] при непосредственном участии автора
разработаны функциональная схема и конструкция пирометрического
калибратора, автором представлено обоснование разработки, подготовка и
проведение эксперимента, разработан алгоритм работы устройства.
В работе [11] автором проведены исследования влияния температуры
среды на погрешность градуировки пирометрических преобразователей и
представлены результаты математических расчетов.
В работе [23] содержится описание математической модели для задач
бесконтактного теплового контроля качества электрических контактных
соединений, совершенствование которой проходило при непосредственном
участии автора.
В работах [16, 22, 29] при непосредственном участии автора
разработаны функциональная схема, алгоритм работы и конструкция пирометра,
автором подготовлены и проведены эксперименты с последующим анализом
результатов.
Патент РФ [5] содержит описание технической реализации пирометра
спектрального отношения, разработанного при активном участии автора.
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
700 Кб
Теги
метрологические, обеспечение, контроля, специализированное, средств, пирометрический, теплового
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа