Например, Бобцов

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПИРОМЕТРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОМЕХ НЕОДНОРОДНОГО ФОНА

Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 78
УДК 519.8; 536.521

В. М. ТЫМКУЛ, Д. С. ШЕЛКОВОЙ
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПИРОМЕТРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОМЕХ НЕОДНОРОДНОГО ФОНА

Предлагается методика и приводятся результаты расчета температурной чувствительности пирометра, при работе которого учитывается влияние в качестве помехи неоднородного поля излучения фона, отраженного от поверхности исследуемых объектов. Результаты расчета температурной чувствительности пирометра приведены в функции значений неоднородности температуры окружающей среды (фона).

Ключевые слова: пирометр, температурная чувствительность, энергетическая светимость, фоновое излучение.

В работах [1, 2] приведены математическая модель и методика расчета температурной

чувствительности пирометра, учитывающая собственное излучение объектов и влияние от-

раженного излучения окружающего фона и излучения оптических элементов схемы как од-

нородных помех. Температурная чувствительность описывается следующим выражением:

( )∆Tпор

= πµKэт

1+Uо

Uп.э + Uфон AωD * B

U п.э

ab∆f ;

(1)

B

=

c2

⎡ ⎢

1

⎣⎢T 2

λ2

λ1

S

(λ) τoб

( λ ) τa

(λ) τф

(λ) ε (λ)λ−1Me

(λ,T

)dλ

+

( )∫+

1 Tфон2

λ2 λ1

S

(λ) τoб

( λ ) τa

(λ) τф

( λ ) ρ ( λ ) λ−1M e

λ,Tфон

⎤ dλ⎥,
⎦⎥

где µ — отношение сигнал/шум; Kэт — коэффициент использования приемником излучения эта-

лонного источника; Uп.э — сигнал помехи, эквивалентный электрическому шуму; Uо и Uфон —

интегральные сигналы, обусловленные внутренней оптической и внешней фоновой помехами;

a , b — линейные размеры чувствительной площадки приемника излучения; ∆f — полоса час-

тот электрической схемы включения приемника излучения; A — площадь входного зрачка объ-

ектива пирометра; ω — телесный угол поля зрения объектива; D * — удельная „обнаружитель-

ная“ способность приемника излучения; c2 — вторая постоянная формулы Планка; T — термо-

динамическая (абсолютная) температура поверхности объекта; S (λ) — относительная спек-

тральная чувствительность приемника излучения; τoб (λ), τа (λ), τф (λ) — спектральные коэф-
фициенты пропускания соответственно объектива, слоя атмосферы и спектрального фильтра;
ε (λ) — спектральный коэффициент теплового излучения поверхности объекта; λ — длина вол-

ны; λ1 , λ2 — длины волн, соответствующие границам чувствительности приемника излучения;
Me (λ,T ) — спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела (АЧТ); Tфон — абсолютная температура окружающей среды (фона); ρ(λ) — спектральный коэффици-
( )ент отражения поверхности исследуемого объекта; Me λ,Tфон — спектральная плотность энер-
гетической светимости фона.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 1

Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 79

В случае когда поле температур излучения фона неоднородно, в формуле (1) под величиной Uфон следует понимать среднеквадратическое значение сигнала помехи ∆Uфон , а ве-
( )личины Tфон и Me λ,Tфон будут иметь смысл математического ожидания соответственно

поля температур Tфон и функции Планка для светимости АЧТ с температурой Tфон .
Рассмотрим методику расчета температурной чувствительности пирометра истинной температуры с учетом влияния неоднородности фонового теплового излучения [3].
Допустим, что функция распределения поля температур излучения фона есть некоторая
( )функция P Tфон . Тогда для математического ожидания поля температур Tфон и его диспер-

сии σ2 справедливы следующие соотношения:

Tфон2

∫ ( )Tфон =

Tфон P Tфон dTфон ;

Tфон1

( ) ∫ ( ) ( )σ2 =

Tфон − Tфон

2 Tфон2
=

Tфон − Tфон

2 P Tфон

dTфон ,

Tфон1

∆Tфон = σ .

(2) (3)

В свою очередь, среднеквадратическое значение сигнала помехи ∆Uфон представим как

( )∆Uфон = Uфон Тфон + δUфон ,

(4)

( )где Uфон Тфон и δUфон — постоянная и переменная составляющие сигнала помехи соот-

ветственно, равные:

( ) ( )∫Uфон Tфон

=

Uп.э AωD * Kэт π ab∆f

λ2
S (λ) τoб (λ) τa
λ1

(λ) τф (λ)ρ(λ) Me

λ,Tфон

dλ,

(5)

∫ ( )δUфон

=

Uп.э AωD * Kэт π ab∆f

⎛ ⎜

c2

∆Tфон

⎜ ⎝

Tфон 2

⎞ λ2

⎟ ⎟

S (λ) τoб

⎠ λ1

( λ ) τa

(λ) τф (λ)ρ(λ) λ−1Me

λ, Tфон

dλ .

(6)

В результате, по аналогии с формулой (1), выражение для температурной чувствитель-

ности пирометра истинной температуры при наличии неоднородности поля температур излу-

чения фона приобретает следующий вид:

( )∆Tп(онр)

πµKэт =

1 + Uо

Uп.э + ∆Uфон AωD * B

Uп.э

ab∆f ;

(7)

B

=

c2

⎡ ⎢

1

⎣⎢T 2

λ2

λ1

S

(λ) τoб

( λ ) τa

(λ) τф

(λ) ε (λ)λ−1Me

(λ,T

)dλ

+

( )∫+

1 Tфон2

λ2 λ1

S

(λ) τoб

( λ ) τa

(λ) τф

( λ ) ρ ( λ ) λ −1M e

λ,Tфон

⎤ dλ⎥.
⎥ ⎦

В общем случае методика расчета температурной чувствительности пирометров при на-

личии неоднородного поля теплового излучения фона согласно предлагаемой математиче-

ской модели [4] содержит следующие этапы.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 1

80 В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой

1. Задаются диапазон изменения температур ∆Tфон = Tфон2 − Tфон1 и функция распреде-
( )ления P Tфон .

( )2. По формуле (2) с учетом конкретной функции P Tфон вычисляется математическое

ожидание поля температур Tфон . 3. По формуле (3) вычисляется дисперсия σ2 значений температуры Tфон .

4. Полученное значение Tфон подставляется в выражение для светимости фона со спек-

тральным коэффициентом теплового излучения εфон (λ) :

( )Me

λ,Tфон

=

εфон

(λ) с1λ−5

1 eс2 / λTфон

. −1

( )5. По формулам (5) и (6) вычисляются значения сигналов Uфон Тфон и δUфон .

6. По формуле (4) определяется среднеквадратическое значение сигнала помехи ∆Uфон .
7. По формуле (7) с учетом данных, приведенных в работах [1, 2], и данных, полученных в пп. 1—6, определяется значение ∆Tп(онр) .
Для оценки влияния неоднородности поля теплового излучения окружающего фона на значение температурной чувствительности пирометра истинной температуры [3] рассмотрим следующее приближение.
Представим значение ∆Tп(онр) формулой

∆Tп(онр)

=

∆Tпор

⎛ ⎝⎜⎜

1+Uо 1+Uо

Uп.э + ∆Uфон Uп.э + Uфон

Uп.э Uп.э

⎞ ⎟⎟⎠

.

С учетом формулы (4) выражение (8) запишем в следующем виде:

( ( ) )∆Tп(онр)

=

∆Tпор

⎡1 ⎢

+





⎣⎢

Uп.э + Uфон Тфон Uп.э + δUфон 1 + Uо Uп.э + Uфон Uп.э

U п.э



⎥ ⎥

.

⎦⎥

Допустим, что справедливы соотношения

( )Uфон Тфон ≈ Uфон ; ∆Uфон Uп.э >> (1 + Uо Uп.э ) , Uфон Uп.э >> (1 + Uо Uп.э ) .

(8) (9)

Тогда, пренебрегая в формулах (8) и (9) выражением (1 + Uо Uп.э ) , соотношение (9) за-
пишем в виде

( )∆Tп(онр)

=

∆Tпор

⎡ ⎢1 +

δUфон

⎢ ⎣

Uфон Тфон

⎤ ⎥ ⎥ ⎦

и обозначим выражение в квадратных скобках следующим образом:

(10)

( ) ( )F

∆Tфон , Тфон

= 1 + δUфон Uфон Тфон

.

(11)

( )Тогда на основе выражений (5), (6) и (11) можно отметить, что функция F ∆Tфон , Тфон

физически характеризует влияние параметров неоднородности поля температур излучения фона на значение температурной чувствительности пирометра.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 1

Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона 81 Применительно к схеме пирометра истинной температуры с использованием параметров оптической схемы и приемника излучения [1, 2] с помощью программы MathCad был
( )произведен расчет функции F ∆Tфон , Тфон в зависимости от параметра ∆Tфон . Результаты
расчета графически представлены на рис. 1. На рис. 2 приведены полученные ранее графики зависимости температурной чувствительности ∆Tпор пирометра от температуры объекта T при различных значениях Tфон и Tо (Tо — температура оптических элементов схемы) [1].
F(∆Tфон, Tфон)
1,4

1,3 1,2

1,1
1 0,9
024
∆Tпор, К 1,6 1,4

— Tфон=253 К — Tфон=273 К — Tфон=293 К

6 8 10 12 14 Рис. 1

16 ∆Tфон, К

— Tфон=243 К, То=253 К — Tфон=273 К, То=263 К
— Tфон=293 К, То=273 К

1,2 1

0,8
0,6
0,4 240 250 260 270 280 290 300 310 Т, К Рис. 2
На основе полученных результатов (см. рис. 1, 2) и соотношений (10), (11) были определены значения температурной чувствительности пирометра истинной температуры ∆Tп(онр) при воздействии неоднородного поля теплового излучения окружающего фона.
Анализ изложенной методики и результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы:
— при воздействии неоднородного поля теплового излучения фона как помехи на работу пирометра его температурная чувствительность ухудшается;
— физически природа снижения чувствительности пирометра объясняется двумя факторами: первый фактор заключается в „засветке“ приемника излучения пирометра постоянной

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 1

82 В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой
составляющей фонового излучения, второй фактор связан с увеличением сигнала, обусловленного помехой за счет переменной составляющей излучения фона;
— температурная чувствительность пирометра при воздействии неоднородного поля теплового излучения фона уменьшается в 1,4 раза при увеличении значений ∆Tфон до 20 К;
средние значения Tфон при этом составляют от 253 до 293 К.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тымкул В. М., Шелковой Д. С., Лебедев Н. С. К расчету температурной чувствительности пирометра с учетом собственного излучения объекта // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 12. С. 48—52.

2. Тымкул В. М., Тымкул Л. В., Шелковой Д. С., Лебедев Н. С. Математическая модель температурной чувствительности пирометра истинной температуры // Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Сб. материалов Междунар. науч. конгресса „ГЕО — Сибирь — 2006“, 24—28 апр. 2006 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2006. Т. 4. С. 148.

3. Пат. 2219504 РФ, МКИ G 01 J 5/00. Пирометр истинной температуры / В. М. Тымкул, Н. С. Лебедев, Д. С. Шелковой, С. А. Воронин. № 2002104325/28; опубл. 20.12.2003; Бюл. № 35.

4. Тымкул В. М., Шелковой Д. С., Слюсарев Д. С. Математическая модель чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона // Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника: Сб. материалов Междунар. науч. конгресса „ГЕО — Сибирь — 2006“, 25—27 апр. 2007 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 4, ч. 2. С. 6.

Василий Михайлович Тымкул Денис Сергеевич Шелковой

Сведения об авторах — канд. техн. наук; Сибирская государственная геодезическая академия,
кафедра оптико-электронных приборов, Новосибирск; профессор; E-mail: oep@ssga.ru — НПО „Сибирский арсенал“, Новосибирск; нач. испытательной лаборатории; E-mail: shelden@ngs.ru

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов СГГА

Поступила в редакцию 01.10.07 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 1