Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
МЕТРОЛОГІЇ
Сергієнко Римма Петрівна
УДК 536.521
ПОБУДОВА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІАЦІЙНОЇ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ШКАЛИ
05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2003
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Харківському державному науково-дослідному інституті метрології Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики
Науковий керівник – Доктор технічних наук, професор
Назаренко Леонід Андрійович,
начальник науково-дослідного відділу температурних та теплофізичних вимірювань Харківського державного науково-дослідного інституту метрології
Офіційні опоненти – Доктор технічних наук, професор
Симбірський Дмитро Федорович,
професор кафедри конструкції авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету „ХАІ”
Доктор технічних наук, професор
Павловський Валерій Гаврилович,
завідувач кафедрою теплотехніки Національного технічного університету „ХПІ”
Провідна установа - Національний університет „Львівська політехніка”, кафедра інформаційно-вимірювальної техніки
Захист дисертації відбудеться 04.07.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.827.01 у Харківському державному науково-дослідному інституті метрології за адресою: 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного науково-дослідного інституту метрології за адресою: 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.
Автореферат розіслано 02.06.2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доц., к. т. н. Дем`янков І.Ф
Актуальність теми. Вимірювання температури речовин за випроміненням широко використовується у сучасній науці, техніці, промисловості. Якість продукції таких галузей народного господарства України як металургія, нафтова та газова промисловість, енергетика, будівництво, машино- та приладобудування, хімічна та харчова промисловість, транспорт, сільське господарство нерозривно пов’язана з необхідністю температурного контролю технологічних теплотехнічних процесів, у яких використовуються матеріали, інструменти, деталі технічного устаткування, нагріті до високих температур.
Незаперечною перевагою безконтактної термометрії (оптичної пірометрії) є й те, що вона дає можливість виконувати безперервні та швидкі вимірювання, а також вимірювання температури у важкодоступних місцях розташування важливих технологічних вузлів промислового устаткування або у небезпечних для людини техногенних ситуаціях.
Безконтактний моніторинг теплового стану об’єктів грає також надзвичайно важливу роль у забезпеченні техніки безпеки праці та у медицині.
У наш час безконтактні (пірометричні) методи вимірювання температур знаходять застосування при вирішенні актуальних задач прецизійних технологій і наукового експерименту, в тому числі й в області космічних досліджень.
Сучасний стан оптичної пірометрії характеризується підвищенням точності вимірювань, розширенням спектральних зон реєстрації та діапазону вимірюваних температур.
Значний прогрес у розвитку пірометрії спостерігається в останні двадцять років, що пов’язано з підвищенням чутливості та лінійності приймачів випромінення, удосконаленням методів безконтактної пірометрії. Це призвело до того, що радіаційна термометрія як первинна по суті стала конкурентноздатною порівняно з раніше безальтернативною газовою термометрією при уточненні Міжнародної температурної шкали. Так, зокрема, при підготовці нової редакції Міжнародної температурної шкали (МТШ-90) вперше як реперні значення були прийняті результати пірометричних досліджень за температур нижче 100 0С. Куінн Т. і Мартін Д. провели вимірювання термодинамічної температури прямим вимірюванням відношення повних потоків теплового випромінення від чорних тіл, одне з яких перебувало при температурі потрійної точки води 273,16 К, а друге – при невідомій температурі Т. Точність, яку досягнуто в цій області, відповідає точності класичної газової термометрії, тобто приблизно ±3 мК в області від мінус 40 до 100 0С.
Слід також відмітити, що стан еталонної бази в області радіаційної термометрії впливає і на стан еталонної бази у фотометрії і радіометрії. Ще до недавнього часу точність відтворення фотометричних і радіометричних одиниць у значній мірі залежала від точності вимірювання температури абсолютно чорного тіла (АЧТ). В наш час ситуація дещо змінилася, однак залишився істотним взаємовплив одиниць радіаційної температури, фотометрії і радіометрії.
Таким чином, однією з найважливіших проблем національної метрології стає завдання забезпечення єдності, достовірності та точності пірометричних вимірювань в Україні, що неможливо без розробки відповідної еталонної бази – Державного первинного пірометричного еталона, який є головною ланкою Державної повірочної схеми для засобів вимірювання температури за випроміненням.
Завдання створення еталонних засобів набуває особливої актуальності й у зв’язку з тим, що Україна має розвинену промислову інфраструктуру (Кам’янець-Подільський приладобудівний завод, Львівське НВО „Термоприлад”) в області виробництва засобів безконтактного вимірювання температури (пірометрів).
Реалізація і можливість відтворення температурної шкали за випроміненням стане основою для існуючого потенціалу термометричного приладобудування, підвищення конкурентноздатності вітчизняної продукції, розробки робочих еталонних засобів нового покоління.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з Державною програмою „Створення еталонної бази України” (реєстраційний № 08.05-МВ/01-93 ДКНТП) за темою 06.01.08.05. „Створення Державного первинного еталона температури в діапазоні вище 1084,62 0С“ (1992-1994, №№ держреєстрації UА01006770Р, 0295U003345, виконавець); за темою 06.14.06.03. „Створення взірцевого фотоелектричного пірометра” (1993-1995, №№ держреєстрації UА01934033653, 0295U003339, виконавець).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка еталонних засобів, які призначені для реалізації радіаційної температурної шкали на основі реперної точки міді; дослідження методу побудови температурної шкали та оцінка похибки її реалізації; розробка і впровадження державної повірочної схеми для засобів вимірювання температури за випроміненням.
Об’єктом дослідження є похибка методу реалізації радіаційної температурної шкали.
Предметом дослідження є апаратура, яка призначена для реалізації температурної шкали за випроміненням: еталонний оптичний пірометр (спектрокомпаратор); випромінювач АЧТ з реперною точкою міді; еталонні температурні стрічкові вольфрамові лампи.
Задачі дослідження.
1. Розробити еталонний фотоелектричний пірометр та виконати оцінку його метрологічних характеристик.
2. Реалізувати фазовий перехід тверднення реперної точки міді та визначити похибки його відтворення.
3. Провести експериментальні дослідження еквівалентності прямого і непрямого методів визначення коефіцієнта ефекту розміру джерела.
4. Розробити методику врахування впливу ефекту розміру джерела при реалізації температурної шкали за випроміненням і визначити похибку вимірювання температури у реперній точці.
5. Провести теоретичні та експериментальні дослідження температурної залежності ефективної довжини хвилі еталонного пірометра.
6. Визначити температурний коефіцієнт еталонних температурних ламп та виконати оцінку його впливу на відтворюваність градуювальної характеристики ламп.
7. Побудувати температурну шкалу на базі реперної точки міді та визначити метрологічні характеристики первинного еталона одиниці температури, що вимірюється за випроміненням.
8. Розробити повірочну схему, що забезпечує необхідні значення точності для вторинних і робочих еталонів, а також робочих засобів вимірювальної техніки (ЗВТ).
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням методів математичного моделювання зі застосуванням обчислювальної техніки. Експериментальні дослідження проводилися з використанням оптичних, електричних і температурних методів вимірювань, високоточної апаратури і засобів обчислювальної техніки. Експериментальні результати оброблялися з використанням методів математичної статистики.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Вперше реалізовано та досліджено відтворення і передачу одиниці температури Кельвіна радіаційним методом на базі реперної точки міді.
2. Отримано результати метрологічного дослідження побудови радіаційної температурної шкали.
3. Теоретично та експериментально досліджено температурну залежність ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, який побудовано за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу кремнієвого фотодіода ФД-288 з використанням як системи монохроматизації інтерференційного фільтра з max в області 660 нм.
4. Досліджено вплив ефекту розміру джерела на бюджет похибок вимірювання температури еталонним пірометром.
5. Досліджено залежність відтворюваності температури еталонних температурних ламп від температури їх цоколя.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі розроблених еталонних засобів, досліджень методу побудови температурної шкали на базі реперної точки міді та аналізу похибок реалізації шкали створено та затверджено Державний первинний еталон одиниці температури за випроміненням в діапазоні 1357,77-2800 К. Даний еталон в Україні є головною ланкою в інфраструктурі безконтактних засобів вимірювань температури, очолюючи розроблену та затверджену Державну повірочну схему для засобів вимірювання температури за випроміненням (термометрів випромінення). Впровадження даного еталона та повірочної схеми є запорукою єдності, достовірності та точності передачі одиниці температури за випроміненням в Україні.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно.
Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві:
1. Виконано розробку, проведено теоретичні та експериментальні дослідження метрологічних характеристик еталонного пірометра, який побудовано за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу кремнієвого фотодіода [7, 9, 18, 19].
2. Побудовано температурну шкалу на базі реперної точки міді та проведено дослідження похибок реалізації шкали [8, 16, 20].
3. Проведено дослідження метрологічних характеристик еталонного пірометра, що працює в режимі частотно-часового виходу [10, 21].
4. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження температурної залежності ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, який має кремнієвий фотодіод у сукупності з інтерференційним фільтром [17, 22].
5. Проведено дослідження лінійності вихідної характеристики еталонного пірометра зі застосуванням методу послідовного подвоєння світлового потоку та принципу постійної добавки [6].
6. Виконано експериментальне відпрацювання методик реалізації прямого і непрямого методів вимірювання коефіцієнта ефекту розміру джерела (ЕРД), запропоновано і виконано конструктивне удосконалення джерела випромінення для дослідження непрямого методу визначення коефіцієнта ЕРД, проведено розрахунки і аналіз похибок визначення коефіцієнта ЕРД [11-14].
7. Розроблено і реалізовано методику метрологічної атестації еталонних пірометрів типу ЕОП як вторинних еталонів одиниці температури, проведено порівняльний аналіз метрологічних характеристик візуального та фотоелектричного еталонних пірометрів – вторинних еталонів [15].
Апробація результатів дисертації
Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на: 4-й Всесоюзній науково-технічній конференції „Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур” (Харків, 1990 р); 7-й Міжнародній науково-технічній конференції „Електричні методи та засоби вимірювання температури” (Львів, 1992 р.); 5-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань” (Харків, 1994 р.); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 1999 р.); 8-у Міжнародному симпозіумі “Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science ‘Tempmeko-2001’” (Німеччина, Берлін, 2001 р.); 1-й Всеросійській науково-технічній конференції “Температура-2001” (Подольськ, 2001 р.); 3-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 2002 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 22 наукові роботи, з яких 5 опубліковано в тезах науково-технічних конференцій; 1 – у збірнику наукових праць ВНДІМ ім. Д.І.Мендєлєєва; 4 – у збірниках наукових праць Міжнародних науково-технічних конференцій; 2 - у збірниках наукових праць NPL (National Physical Laboratory) і 10 - у спеціалізованих наукових виданнях (5 робіт без співавторів).
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4-х розділів, основних висновків по роботі, переліку використаних джерел та 6 додатків.
Обсяг роботи, який становить основний зміст, складає 162 сторінки, крім того на окремих 5 сторінках наведено 5 рисунків; на 4 сторінках – 4 таблиці; на 12 сторінках - перелік використаних джерел із 123 бібліографічних посилань; на 17 сторінках - 6 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 206 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі наведено загальну характеристику дисертаційної роботи; обґрунтовано актуальність теми; показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; сформульовано мету та задачі досліджень; наукову новизну; подано характеристику практичного значення одержаних результатів; оцінено особистий внесок здобувача у публікаціях, які написані у співавторстві.
У першому розділі проведено аналіз методів та засобів, що застосовуються для реалізації радіаційної температурної шкали, практично, в історичній послідовності. Основоположним рівнянням для побудови температурної шкали безконтактними засобами є наступне співвідношення, що випливає із закону Планка:
, (1)
яке й визначає зміст необхідних при побудові радіаційної температурної шкали експериментальних процедур, а саме: здійснення фазового переходу тверднення однієї з реперних точок - Т90(Ag), Т90(Au) або Т90(Сu), К; вимірювання відношення спектральних густин енергетичної яскравості Lλ(T90)/Lλ(T90(x)) за умови забезпечення достатньої монохроматизації випромінення, що використовується в спектральному інтервалі поблизу пікового значення довжини хвилі , м. При цьому Т90 – невідома (шукана) температура, а с2 = 0,014388 м·К.
Для реєстрації потоку випромінення, спектральна густина енергетичної яскравості котрого Lλ однозначно пов’язана з температурою Т90(х) реперної точки в момент фазового переходу, а також для наступної процедури екстраполяції (редуціювання) шкали від даної температури Т90(х) в область більш високих температур необхідно застосовувати безконтактний термометричний інструмент, принцип дії якого у сукупності з обраною системою екстраполяції дозволяє трансформувати величину відношення монохроматичних яскравостей, що вимірюються (ліва частина рівності (1)), в температурний еквівалент. Розглянуто принципи дії візуальних і фотоелектричних еталонних пірометрів. Аналіз схемних рішень еталонних фотоелектричних установок (спектропірометрів) з різними типами фотоприймальних пристроїв дозволяє виділити два принципові методи при їх розробці, перший з яких засновано на нульовому модуляційному режимі роботи фотоприймача, а другий полягає в прямому вимірюванні вихідного сигналу приймача випромінення. Виконано оцінку переваг і недоліків кожного з методів.
Під час розробки еталонного устаткування в провідних світових метрологічних лабораторіях у період дії положень про МПТШ-48 (Міжнародна практична температурна шкала, яку прийнято в 1948 р.) та МПТШ-68 основною тенденцією разом з реалізацією методу прямого вимірювання сигналу приймача було використання опорного джерела випромінення – зовнішнього або внутрішнього, стаціонарно закріпленого в оптичному каналі пірометра, - котре після градуювання за умови температури Т90(х) реперної точки виконує функції зберігання і відтворення температурної шкали.
Етап підготовки і впровадження МТШ-90 характеризується широким застосуванням у конструкціях пірометрів кремнієвих фотодіодів, лінійність і стабільність характеристик котрих дозволяє відмовитись від необхідності застосування вбудованого опорного випромінювача та дає можливість таким чином використати власне фотодіод із вимірювальною системою як інструмент для зберігання та відтворення температурної шкали.
Внаслідок проведеного аналізу показано, що розробка одноканального еталонного оптичного пірометра (ЕОП), який містить кремнієвий фотодіод як приймач випромінення та працює за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, є найбільш перспективною, оскільки, по-перше, дозволяє реалізувати температурну шкалу як зі застосуванням систем екстраполяції, так і на основі лінійності вихідної характеристики ЕОП; а, по-друге, що зі систем екстраполяції температурної шкали від реперної точки в область більш високих температур найбільш практичним з точки зору точності побудови шкали, яка досягається в процесі екстраполяції, є пристрій для подвоєння яскравостей (монохроматичних світлових потоків) у сукупності з неселективними поглинаючими фільтрами.
У другому розділі описано складові елементи розробленої еталонної апаратури, що призначена для побудови температурної шкали безконтактними засобами на базі фазового переходу тверднення реперної точки міді. Основними елементами наведеної в дисертації структурної схеми первинного еталона одиниці температури за випроміненням у діапазоні вище 1357,77 К, являються: модель АЧТ з реперною точкою міді; еталонний оптичний пірометр; подвоювач яскравості (екстраполятор) і група температурних ламп.
Наведено функціональну, оптичну та електричну схеми ЕОП, що працює за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, котрим як таким використовується кремнієвий фотодіод ФД-288. Для перетворення оптичного сигналу в електричну напругу в пірометрі здійснюється модуляція вхідного світлового потоку. Для виділення спектральної області застосовується багатошаровий інтерференційний фільтр з піковим пропусканням в області 660 нм і напівшириною смуги пропускання 14,5 нм. Наведено результати теоретичної оцінки порогу чутливості ЕОП без урахування шумів фотоприймача, яка для =660 нм і Т=1357,77 К склала 0,001 К.
Графітова ампула випромінювача типу АЧТ містить 510 г міді чистотою 99,996 %. Реалізація режиму охолодження з автоматичним відслідкуванням градієнту температур між центральною та бічною ділянками робочого простору печі дозволила забезпечити під час остигання металу однорідність температурного поля в межах 1 0С на ділянці 155 мм центральної області печі.
Описано методику реалізації температурної шкали від реперної точки в область більш високих температур на основі суперпозиції світлових пучків і на принципі лінійності вихідної характеристики ЕОП.
Метод побудови шкали на основі суперпозиції світлових пучків описується формулою:
, (2)
де k – число кроків подвоєння яскравостей, і реалізується зі застосуванням пристрою для подвоєння яскравостей (екстраполятора), що складається з двох температурних ламп, двох заслонок і напівпрозорого дзеркала (рис. 1, в).
Рис. 1. Порядок операцій при побудові температурної шкали:
1 – АЧТ; 2 – ЕОП; 3, 4, 5 – лампи; 6 – поглинач
У випадку використання наближення Віна вираз (2) набуває вид:
, звідки