Метрологические вопросы измерения температуры поверхностей бесконтактным методом ИК пирометрии
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈÅ È ÒÅÕÍÎËÎÃÈß
ÓÄÊ 535.317.2
ÌÅÒÐÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÎÏÐÎÑÛ ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÛ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÅÉ ÁÅÑÊÎÍÒÀÊÒÍÛÌ ÌÅÒÎÄÎÌ ÈÊ ÏÈÐÎÌÅÒÐÈÈ
2009 ã.
Å. Ê. Ãàëàíîâ, äîêòîð òåõí. íàóê; Ì. Ê. Ôèëàòîâ Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò ïóòåé ñîîáùåíèÿ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: dou@pgups.edu
Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ðÿäà ìåòîäè÷åñêèõ è ìåòðîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòåé ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû ìåòàëëè÷åñêèõ øåðîõîâàòûõ ïîâåðõíîñòåé êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöîâ ñëåäóåò ñ÷èòàòü ýôôåêòèâíûì, òàê êàê îí çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû è àïåðòóðû ïèðîìåòðà. Ðàññìîòðåíî âëèÿíèå íà òî÷íîñòü èçìåðåíèé ïîãëîùåíèÿ èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ àòìîñôåðîé.
Êîäû OCIS: 110.0100.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 05.12.2008.
Ââåäåíèå
Èíôðàêðàñíûå ïèðîìåòðè÷åñêèå ìåòîäû íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòåé çäàíèé, ñîîðóæåíèé, ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ìåõàíè÷åñêèõ óçëîâ è äåòàëåé [1, 2]. Ýòè áåñêîíòàêòíûå ìåòîäû ýôôåêòèâíû ïðè êîíòðîëå òåìïåðàòóð îò – 30° äî + 600 °Ñ. Îíè ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äëÿ êîíòðîëÿ òðóäíîäîñòóïíûõ ïîâåðõíîñòåé, ýëåìåíòîâ è äåòàëåé, íàõîäÿùèõñÿ ïîä âûñîêèì íàïðÿæåíèåì, ïðè èññëåäîâàíèè áûñòðîïðîòåêàþùèõ ïðîöåññîâ è äâèæóùèõñÿ îáúåêòîâ.
Ðàñøèðåíèå ñôåðû ïðèìåíåíèÿ èíôðàêðàñíûõ (ÈÊ) ïèðîìåòðîâ ñâÿçàíî ñ ðåøåíèåì íåêîòîðûõ ìåòîäè÷åñêèõ è ìåòðîëîãè÷åñêèõ âîïðîñîâ. Òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòà çàâèñèò îò àëãîðèòìà, çàëîæåííîãî â îñíîâå îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé (èíôðàêðàñíîãî ïîòîêà èçëó÷åíèÿ èññëåäóåìîãî îáúåêòà), ââîäèìûõ êîíñòàíò, îñíîâíîé èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü îáúåêòà, â ñëó÷àå èçìåðåíèÿ íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ (l ≥ 2 ì) – îò êîíòðîëÿ ïîãëîùåíèÿ ÈÊ èçëó÷åíèÿ àòìîñôåðîé.
Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç ïåðå÷èñëåííûõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà òî÷íîñòü èçìåðåíèé.
Âëèÿíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÈÊ èçëó÷åíèÿ
ÈÊ îáëàñòü ñïåêòðà, â êîòîðîé èçìåðÿåòñÿ ïîòîê èçëó÷åíèÿ, îãðàíè÷åíà îïòèêîé ïðèáîðà è ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ôîòîïðèåìíèêà. Äëÿ ÈÊ
ïèðîìåòðîâ òèïà ST 25, ST 60, ÏÐÖ-Ì ðàáî÷àÿ îáëàñòü ñïåêòðà ïðèáîðà îãðàíè÷åíà äèàïàçîíîì 8–14 ìêì, 3–14 ìêì, è, ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè òåëà íåîáõîäèìî ïðîèçâåñòè èíòåãðèðîâàíèå ïîòîêà èçëó÷åíèÿ, ðåãèñòðèðóåìîãî ïèðîìåòðîì, â ñîîòâåòñòâóþùåé îáëàñòè ñïåêòðà
∫Rν1−ν2,T
ν2
=
ν1
Кν Sν εν
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν, −1
(1)
ãäå εν – èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü èññëåäóåìîãî îáúåêòà, Kν è Sν – ñïåêòðàëüíîå ïðîïóñêàíèå ïðèáîðà è ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîïðèåìíèêà, h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, k – ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, ν – ÷àñòîòà ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, Ò – òåìïåðàòóðà îáúåêòà.
Íàõîæäåíèå òåìïåðàòóðû èññëåäóåìîãî îáúåêòà íà îñíîâàíèè (1) áîëåå çàòðóäíèòåëüíî ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîäîáíûì ñîîòíîøåíèåì äëÿ ïðåäåëîâ èíòåãðèðîâàíèÿ ν = 0 äî ∞ (ïðè Kν = 1, Sν = 1, ε = 1)
R0 – ∞, T = σT 4,
(2)
σ – ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà–Áîëüöìàíà. Ïîðòàòèâíûå ÈÊ ïèðîìåòðû, ïîëó÷èâøèå íàèáî-
ëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå, èìåþò àâòîíîìíîå ïèòàíèå è îãðàíè÷åííûé ðåñóðñ â ÷àñòè ìàòåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé.
Ðàññìîòðèì ðàñõîæäåíèå ïîêàçàíèé èçìåðåíèé â ñëó÷àå, êîãäà â àëãîðèòì îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé Rν1 – ν2, T ïîëîæåíû ñîîòíîøåíèÿ (1) è (2) (ñ÷èòàåì ε = 1, Kν = 1, Sν = 1). Ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëüòàòîâ âû÷èñëåíèé ïî ôîðìóëàì (1) – R′ è (2) – R″ âàæíî èçìåíåíèå îòíîøåíèÿ âåëè÷èí (R′/R″) â øè-
44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
R′/R″
0,8
0,6 1
0,4 2
0,2
0 253 273 293 373 423 T, K
Ðèñ. 1. Îòíîøåíèå ïîòîêîâ èçëó÷åíèÿ R′ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà â îáëàñòè 1 – ν1 – ν2 è â îáëàñòè 2 – ν îò 0 äî ∞. I – îáëàñòü 1 îãðàíè÷åíà èíòåðâàëîì λ = 8– 14 ìèêðîí, II – îáëàñòü 1 îãðàíè÷åíà èíòåðâàëîì λ = 3–14 ìèêðîí.
ðîêîì òåìïåðàòóðíîì äèàïàçîíå. Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ýòè âåëè÷èíû. Êàê âèäíî èç ðèñ. 1, â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð 243–473 K îòíîøåíèå âåëè÷èí (R′/R″) èçìåíÿåòñÿ íà 100%, êîãäà â R′ ó÷èòûâàåòñÿ îáëàñòü ñïåêòðà λ = 3–14 ìêì, è íà 30% ïðè λ = 8–14 ìêì.
Äëÿ íàèáîëåå òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ ïîâåðõíîñòíîé òåìïåðàòóðû îáúåêòà ìåòîäîì ÈÊ ïèðîìåòðèè íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü ðàñ÷åòû èñõîäÿ èç ñîîòíîøåíèÿ (1), ñ ó÷åòîì ñïåêòðàëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ ïðèáîðà è ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà ïèðîìåòðà.
Âëèÿíèå øåðîõîâàòîñòè ïîâåðõíîñòè îáúåêòà íà òî÷íîñòü
ïèðîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé
Øåðîõîâàòîñòü èññëåäóåìîé ïîâåðõíîñòè ìîæåò ñòàòü âòîðûì èñòî÷íèêîì ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé. Äëÿ ìíîãèõ ìàòåðèàëîâ (ìåòàëëîâ, ïîëóïðîâîäíèêîâ è äèýëåêòðèêîâ) êîýôôèöèåíòû èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè èçâåñòíû èç ëèòåðàòóðû [1]. Íàèáîëüøèå òðóäíîñòè âîçíèêàþò ïðè çàäàíèè èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ìåòàëëîâ. Åñëè â ñëó÷àå áîëüøèíñòâà äèýëåêòðèêîâ êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè êàê ñïåêòðàëüíûé, òàê è èíòåãðàëüíûé áëèçêè ê åäèíèöå (0,8–0,95) è ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñÿò îò êà÷åñòâà îáðàáîòêè èçëó÷àþùåé ïîâåðõíîñòè, òî â ñëó÷àå ìåòàëëîâ âëèÿíèå ýòîãî ôàêòîðà âåëèêî. Äëÿ ïîâåðõíîñòè ëþáîãî ìåòàëëà êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ε èçìåíÿåòñÿ â ïðåäåëàõ 0,04–0,4 [1, 2]. Íàèìåíüøåå çíà÷åíèå ε èìåþò ïîëèðîâàííûå ïîâåðõíîñòè, è îíî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì øåðîõîâàòîñòè ïîâåðõíîñòè.
Èñòèííàÿ èçëó÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëîâ (â òîì ÷èñëå ìåòàëëîâ) îïðåäåëÿåòñÿ èõ îïòè÷åñêèìè ïîñòîÿííûìè
ελ = Aλ = 1 – Rλ.
(3)
Ïðîïóñêàíèå ÈÊ èçëó÷åíèÿ îáðàçöîì ñ÷èòàåì ðàâíûì íóëþ.
Aλ
=
Φïîãë Φ0
,
Rλ
=
(n (n
−1)2 +1)2
− +
k2 k2
,
(4)
n è k – ïîêàçàòåëè ïðåëîìëåíèÿ è ïîãëîùåíèÿ èññëåäóåìîãî îáðàçöà [3].
Èç âûðàæåíèé (3) è (4) ñëåäóåò
ε
=1−
(n (n
−1)2 +1)2
+ +
k k
2 2
.
(5)
Òàê êàê ó ìåòàëëîâ êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà (λ = 3–14 ìêì) íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ 0,85–0,95, òî êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè äîëæåí áûòü ðàâåí 0,15–0,05. Îòëè÷èå ε îò ðàñ÷åòíûõ çíà÷åíèé ïî (5) ÿâëÿåòñÿ ïðèáîðíî-ìåòîäè÷åñêèì ôàêòîðîì, ñâÿçàííûì ñ îòðàæåíèåì øåðîõîâàòîé ïîâåðõíîñòüþ îáðàçöà èçëó÷åíèÿ îêðóæàþùèõ îáúåêòîâ, êîòîðîå ïîñëå îòðàæåíèÿ îò ìåòàëëè÷åñêîãî îáðàçöà ïîïàäàåò â îáúåêòèâ ÈÊ ïèðîìåòðà.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû îöåíèòü âëèÿíèå ýòèõ îòðàæåííûõ ëó÷åé, êîòîðûå íå õàðàêòåðèçóþò èçëó÷àòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêîãî îáðàçöà, íî âëèÿþò íà ïîòîê èçëó÷åíèÿ, ïîïàäàþùåãî íà ôîòîïðèåìíèê ïèðîìåòðà, áûëè ïðîâåäåíû èçìåðåíèÿ ïî ñõåìå, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 2.
Èññëåäóåìûé îáðàçåö 1, èçãîòîâëåííûé èç íåðæàâåþùåé ñòàëè, èìåë øåðîõîâàòóþ ïîâåðõíîñòü (ìèêðîíåðîâíîñòè ≈ 100 ìêì). Ìåòàëëè÷åñêèé ýêðàí 4 îõëàæäàëñÿ. ÈÊ ïèðîìåòð èìåë òåìïåðàòóðó îêðóæàþùåé ñðåäû.
 òàáëèöå ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé êîýôôèöèåíòà èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ñòàëüíîé ïëàñòèíû, îïðåäåëåííûå ñ ïîìîùüþ ÈÊ ïèðîìåòðà ST 60. Îáðàçåö íàõîäèëñÿ â òåðìîñòàòå 2 (ïîãðåø-
34
5
1
2
Ðèñ. 2. Ñõåìà èçìåðèòåëüíîé óñòàíîâêè. 1 – öèëèíäðè÷åñêèé îáðàçåö, 2 – òåðìîñòàò, 3 – òåðìîïàðà, 4 – ýêðàí, 5 – ÈÊ ïèðîìåòð.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
45
Êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ε îáðàçöà èç íåðæàâåþùåé ñòàëè ñ øåðîõîâàòîé ïîâåðõíîñòüþ
(ñì. ðèñ. 2)
Òåìïåðàòóðà îáðàçöà Ò K
Òåìïåðàòóðà ýêðàíà Ò K
ε
353 293 0,34
353 195 0,11
353 77 0,06
373 293 0,34
373 195 0,10
373 77 0,05
íîñòü òåðìîñòàòèðîâàíèÿ 0,5 °Ñ), è åãî òåìïåðàòóðà êîíòðîëèðîâàëàñü òåðìîïàðîé 3. Îõëàæäåíèå ýêðàíà 4 îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ ñóõîãî ëüäà (òâåðäûé ÑÎ2 ) è æèäêîãî àçîòà (ýêðàí óñòàíàâëèâàëñÿ â ñõåìó íà 5–6 ñ â ïðîöåññå èçìåðåíèÿ).
Ïðè èçìåðåíèÿõ â ÈÊ ïèðîìåòðå ST 60 âûñòàâëÿëñÿ êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöà òàêèì, ÷òîáû ïîêàçàíèÿ ïðèáîðà ñîîòâåòñòâîâàëè èñòèííîé òåìïåðàòóðå îáðàçöà. Êàê âèäíî èç òàáëèöû, ïðè îõëàæäåíèè ýêðàíà 4 êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè øåðîõîâàòîãî îáðàçöà (åãî ìîæíî íàçâàòü ýôôåêòèâíûì êîýôôèöèåíòîì εýô) èç ñòàëè ïðèáëèæàåòñÿ ê êîýôôèöèåíòó èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ïîëèðîâàííîãî îáðàçöà ε ≈ 0,04 [2].
Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ïðè çàäàíèè ε ñ ïîãðåøíîñòüþ 0,01 (ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû îáúåêòà ñ ïîìîùüþ ÈÊ ïèðîìåòðà â ïðåäåëàõ îò – 30 äî + 600 °Ñ) ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ìîæåò äîñòèãàòü 1 °Ñ.
Òàêèì îáðàçîì, èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî íà ðåçóëüòàòû ïèðîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé òåìïåðàòóðû ìåòàëëè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé âëèÿåò êà÷åñòâî îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè îáðàçöà è àïåðòóðà ÈÊ ïèðîìåòðà. Êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöîâ, îïðåäåëåííûé ïî òàêîé ñõåìå, ñëåäóåò ñ÷èòàòü ýôôåêòèâíûì εýô, îòëè÷íûì îò èñòèííîãî êîýôôèöèåíòà èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè.
Âëèÿíèå àòìîñôåðû íà ïèðîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ
Íà ïèðîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ ïðè ðàññòîÿíèÿõ äî èññëåäóåìîãî îáðàçöà l ≥ 2 ì îêàçûâàåò âëèÿíèå ïîãëîùåíèå èçëó÷åíèÿ â ðàáî÷åé îáëàñòè ñïåêòðà àòìîñôåðíîé âîäîé (ýòî âëèÿíèå îñîáåííî ñóùåñòâåííî ïðè áîëüøîé ðàçíîñòè òåìïåðàòóð èññëåäóåìîãî îáðàçöà è àòìîñôåðû) [4–7].
 ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà 3–14 ìêì íàèáîëåå ñèëüíîé àòìîñôåðíîé ïîëîñîé ÿâëÿåòñÿ êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíàÿ ïîëîñà âîäû â îáëàñòè äåôîðìàöèîííûõ êîëåáàíèé Í2Î (λ = 5,2–7,3 ìêì) [4].
τ
1 0,9
0,8
0,7
02
3 5 10 l, ì
Ðèñ. 3. Èíòåãðàëüíîå ïðîïóñêàíèå àòìîñôåðû (âëàæíîñòü 60%) ÈÊ èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà (Ò = 373 K) â îáëàñòè ñïåêòðà λ = 3–14 ìèêðîí.
Èíòåãðàëüíûé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ àòìîñôåðíîé âîäîé ïðè âëàæíîñòè 60% â îáëàñòè ñïåêòðà λ = 5,2–7,3 ìêì ðàâåí α = 0,4 ì. Ïîòîê èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà, ïðîøåäøèé ðàññòîÿíèå l (àòìîñôåðà èìååò âëàæíîñòü 60%) ðàâåí
∫Rν1−ν2,T
ν2
=
ν1
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν+ −1
∫ν1′′
+ exp−αl
ν1′
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν+ −1
∫+
ν2 ν1′′
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
d ν. −1
(6)
Îáëàñòü ñïåêòðà ν1′–ν1″ ñîîòâåòñòâóåò ïîëîñå àòìîñôåðíîé âîäû (λ = 5,2–7,3 ìêì).
Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû äàííûå ðàñ÷åòà èíòåãðàëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ (τ) àòìîñôåðîé ïðè âëàæíîñòè 60% ÈÊ èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà
(Ò = 373 K) â îáëàñòè ñïåêòðà 3–14 ìêì. Êàê âèäíî èç ðèñ. 3, óæå ïðè ðàññòîÿíèÿõ l = 2 ì èíòåãðàëüíîå ïîãëîùåíèå ñîñòàâëÿåò 15%, ÷òî ìîæåò ïðèâîäèòü
ê îøèáêå îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòà â 10 K.
Âûâîäû
Ïîêàçàíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ òî÷íîñòè èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòîâ â 1 K ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè íåîáõîäèìî â àëãîðèòìå îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÈÊ ïîòîêà èçëó÷åíèÿ ó÷èòûâàòü ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïèðîìåòðà è ïðîïóñêàíèå àòìîñôåðû. Íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû
46 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
ìåòàëëè÷åñêèõ øåðîõîâàòûõ ïîâåðõíîñòåé âëèÿåò àïåðòóðà ÈÊ ïèðîìåòðà è òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ëåâèòèí È.Á. Èíôðàêðàñíàÿ òåõíèêà. Ë.: Ýíåðãèÿ, 1973. 156 ñ.
12. Ãàëàíîâ Å.Ê., Êîðíóõ À.Â. Êîíòðîëü òåìïåðàòóðû ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ìåõàíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è óçëîâ ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè // Èçâåñòèÿ Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà ïóòåé ñîîáùåíèÿ. 2005. ¹ 2. Ñ. 50–54.
13. Çîëîòàðåâ Â.Ì., Ìîðîçîâ Â.Í., Ñìèðíîâà Å.Ê. Îïòè÷åñêèå ïîñòîÿííûå ïðèðîäíûõ è òåõíè÷åñêèõ ñðåä. Ë.: Õèìèÿ, 1984. 350 ñ.
14. Áûêîâ À.Ä., Ìàêóøêèí Þ.Ñ., Óëåíèêîâ Î.Í. Êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ âîäÿíîãî ïàðà. Íîâîñèáèðñê. Íàóêà, Ñèá. îòä. 1989. 370 ñ.
15. Ãàëàíîâ Å.Ê. Äèôôåðåíöèàëüíûé èíôðàêðàñíûé ôîòîìåòð äëÿ êîíòðîëÿ ÑÎ2 â àòìîñôåðå // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 3. Ñ. 63–65.
16. Ìàðêèí Â.À. Ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíôðàêðàñíûõ ïðèáîðîâ, ïîñòðîåííûõ íà ìàòðè÷íûõ ôîòîïðèåìíèêàõ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 11. Ñ. 51–57.
17. Øèïóíîâ À.Ã., Ñåìàøêèí Å.Í., ×åðíîóñîâ À.À., Ãðîìîâ À.Í., Ðîìàíîâ À.Ð., Âîðîáüåâ Â.Â., Ìàòþøêèí À.Þ. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ äàëüíîñòè äåéñòâèÿ è âñåïîãîäíîñòè òåëåâèçèîííûõ è òåïëîâèçèîííûõ ïðèáîðîâ íàáëþäåíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. Ò. 74. ¹ 9. Ñ. 61–65.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
47
ÓÄÊ 535.317.2
ÌÅÒÐÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÎÏÐÎÑÛ ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÛ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÅÉ ÁÅÑÊÎÍÒÀÊÒÍÛÌ ÌÅÒÎÄÎÌ ÈÊ ÏÈÐÎÌÅÒÐÈÈ
2009 ã.
Å. Ê. Ãàëàíîâ, äîêòîð òåõí. íàóê; Ì. Ê. Ôèëàòîâ Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò ïóòåé ñîîáùåíèÿ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: dou@pgups.edu
Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ðÿäà ìåòîäè÷åñêèõ è ìåòðîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòåé ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû ìåòàëëè÷åñêèõ øåðîõîâàòûõ ïîâåðõíîñòåé êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöîâ ñëåäóåò ñ÷èòàòü ýôôåêòèâíûì, òàê êàê îí çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû è àïåðòóðû ïèðîìåòðà. Ðàññìîòðåíî âëèÿíèå íà òî÷íîñòü èçìåðåíèé ïîãëîùåíèÿ èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ àòìîñôåðîé.
Êîäû OCIS: 110.0100.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 05.12.2008.
Ââåäåíèå
Èíôðàêðàñíûå ïèðîìåòðè÷åñêèå ìåòîäû íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòåé çäàíèé, ñîîðóæåíèé, ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ìåõàíè÷åñêèõ óçëîâ è äåòàëåé [1, 2]. Ýòè áåñêîíòàêòíûå ìåòîäû ýôôåêòèâíû ïðè êîíòðîëå òåìïåðàòóð îò – 30° äî + 600 °Ñ. Îíè ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äëÿ êîíòðîëÿ òðóäíîäîñòóïíûõ ïîâåðõíîñòåé, ýëåìåíòîâ è äåòàëåé, íàõîäÿùèõñÿ ïîä âûñîêèì íàïðÿæåíèåì, ïðè èññëåäîâàíèè áûñòðîïðîòåêàþùèõ ïðîöåññîâ è äâèæóùèõñÿ îáúåêòîâ.
Ðàñøèðåíèå ñôåðû ïðèìåíåíèÿ èíôðàêðàñíûõ (ÈÊ) ïèðîìåòðîâ ñâÿçàíî ñ ðåøåíèåì íåêîòîðûõ ìåòîäè÷åñêèõ è ìåòðîëîãè÷åñêèõ âîïðîñîâ. Òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòà çàâèñèò îò àëãîðèòìà, çàëîæåííîãî â îñíîâå îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé (èíôðàêðàñíîãî ïîòîêà èçëó÷åíèÿ èññëåäóåìîãî îáúåêòà), ââîäèìûõ êîíñòàíò, îñíîâíîé èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü îáúåêòà, â ñëó÷àå èçìåðåíèÿ íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ (l ≥ 2 ì) – îò êîíòðîëÿ ïîãëîùåíèÿ ÈÊ èçëó÷åíèÿ àòìîñôåðîé.
Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç ïåðå÷èñëåííûõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà òî÷íîñòü èçìåðåíèé.
Âëèÿíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÈÊ èçëó÷åíèÿ
ÈÊ îáëàñòü ñïåêòðà, â êîòîðîé èçìåðÿåòñÿ ïîòîê èçëó÷åíèÿ, îãðàíè÷åíà îïòèêîé ïðèáîðà è ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ôîòîïðèåìíèêà. Äëÿ ÈÊ
ïèðîìåòðîâ òèïà ST 25, ST 60, ÏÐÖ-Ì ðàáî÷àÿ îáëàñòü ñïåêòðà ïðèáîðà îãðàíè÷åíà äèàïàçîíîì 8–14 ìêì, 3–14 ìêì, è, ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè òåëà íåîáõîäèìî ïðîèçâåñòè èíòåãðèðîâàíèå ïîòîêà èçëó÷åíèÿ, ðåãèñòðèðóåìîãî ïèðîìåòðîì, â ñîîòâåòñòâóþùåé îáëàñòè ñïåêòðà
∫Rν1−ν2,T
ν2
=
ν1
Кν Sν εν
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν, −1
(1)
ãäå εν – èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü èññëåäóåìîãî îáúåêòà, Kν è Sν – ñïåêòðàëüíîå ïðîïóñêàíèå ïðèáîðà è ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîïðèåìíèêà, h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, k – ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, ν – ÷àñòîòà ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, Ò – òåìïåðàòóðà îáúåêòà.
Íàõîæäåíèå òåìïåðàòóðû èññëåäóåìîãî îáúåêòà íà îñíîâàíèè (1) áîëåå çàòðóäíèòåëüíî ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîäîáíûì ñîîòíîøåíèåì äëÿ ïðåäåëîâ èíòåãðèðîâàíèÿ ν = 0 äî ∞ (ïðè Kν = 1, Sν = 1, ε = 1)
R0 – ∞, T = σT 4,
(2)
σ – ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà–Áîëüöìàíà. Ïîðòàòèâíûå ÈÊ ïèðîìåòðû, ïîëó÷èâøèå íàèáî-
ëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå, èìåþò àâòîíîìíîå ïèòàíèå è îãðàíè÷åííûé ðåñóðñ â ÷àñòè ìàòåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé.
Ðàññìîòðèì ðàñõîæäåíèå ïîêàçàíèé èçìåðåíèé â ñëó÷àå, êîãäà â àëãîðèòì îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé Rν1 – ν2, T ïîëîæåíû ñîîòíîøåíèÿ (1) è (2) (ñ÷èòàåì ε = 1, Kν = 1, Sν = 1). Ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëüòàòîâ âû÷èñëåíèé ïî ôîðìóëàì (1) – R′ è (2) – R″ âàæíî èçìåíåíèå îòíîøåíèÿ âåëè÷èí (R′/R″) â øè-
44 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
R′/R″
0,8
0,6 1
0,4 2
0,2
0 253 273 293 373 423 T, K
Ðèñ. 1. Îòíîøåíèå ïîòîêîâ èçëó÷åíèÿ R′ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà â îáëàñòè 1 – ν1 – ν2 è â îáëàñòè 2 – ν îò 0 äî ∞. I – îáëàñòü 1 îãðàíè÷åíà èíòåðâàëîì λ = 8– 14 ìèêðîí, II – îáëàñòü 1 îãðàíè÷åíà èíòåðâàëîì λ = 3–14 ìèêðîí.
ðîêîì òåìïåðàòóðíîì äèàïàçîíå. Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ýòè âåëè÷èíû. Êàê âèäíî èç ðèñ. 1, â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð 243–473 K îòíîøåíèå âåëè÷èí (R′/R″) èçìåíÿåòñÿ íà 100%, êîãäà â R′ ó÷èòûâàåòñÿ îáëàñòü ñïåêòðà λ = 3–14 ìêì, è íà 30% ïðè λ = 8–14 ìêì.
Äëÿ íàèáîëåå òî÷íîãî îïðåäåëåíèÿ ïîâåðõíîñòíîé òåìïåðàòóðû îáúåêòà ìåòîäîì ÈÊ ïèðîìåòðèè íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü ðàñ÷åòû èñõîäÿ èç ñîîòíîøåíèÿ (1), ñ ó÷åòîì ñïåêòðàëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ ïðèáîðà è ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà ïèðîìåòðà.
Âëèÿíèå øåðîõîâàòîñòè ïîâåðõíîñòè îáúåêòà íà òî÷íîñòü
ïèðîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé
Øåðîõîâàòîñòü èññëåäóåìîé ïîâåðõíîñòè ìîæåò ñòàòü âòîðûì èñòî÷íèêîì ïîãðåøíîñòè èçìåðåíèé. Äëÿ ìíîãèõ ìàòåðèàëîâ (ìåòàëëîâ, ïîëóïðîâîäíèêîâ è äèýëåêòðèêîâ) êîýôôèöèåíòû èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè èçâåñòíû èç ëèòåðàòóðû [1]. Íàèáîëüøèå òðóäíîñòè âîçíèêàþò ïðè çàäàíèè èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ìåòàëëîâ. Åñëè â ñëó÷àå áîëüøèíñòâà äèýëåêòðèêîâ êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè êàê ñïåêòðàëüíûé, òàê è èíòåãðàëüíûé áëèçêè ê åäèíèöå (0,8–0,95) è ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñÿò îò êà÷åñòâà îáðàáîòêè èçëó÷àþùåé ïîâåðõíîñòè, òî â ñëó÷àå ìåòàëëîâ âëèÿíèå ýòîãî ôàêòîðà âåëèêî. Äëÿ ïîâåðõíîñòè ëþáîãî ìåòàëëà êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ε èçìåíÿåòñÿ â ïðåäåëàõ 0,04–0,4 [1, 2]. Íàèìåíüøåå çíà÷åíèå ε èìåþò ïîëèðîâàííûå ïîâåðõíîñòè, è îíî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì øåðîõîâàòîñòè ïîâåðõíîñòè.
Èñòèííàÿ èçëó÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëîâ (â òîì ÷èñëå ìåòàëëîâ) îïðåäåëÿåòñÿ èõ îïòè÷åñêèìè ïîñòîÿííûìè
ελ = Aλ = 1 – Rλ.
(3)
Ïðîïóñêàíèå ÈÊ èçëó÷åíèÿ îáðàçöîì ñ÷èòàåì ðàâíûì íóëþ.
Aλ
=
Φïîãë Φ0
,
Rλ
=
(n (n
−1)2 +1)2
− +
k2 k2
,
(4)
n è k – ïîêàçàòåëè ïðåëîìëåíèÿ è ïîãëîùåíèÿ èññëåäóåìîãî îáðàçöà [3].
Èç âûðàæåíèé (3) è (4) ñëåäóåò
ε
=1−
(n (n
−1)2 +1)2
+ +
k k
2 2
.
(5)
Òàê êàê ó ìåòàëëîâ êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà (λ = 3–14 ìêì) íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ 0,85–0,95, òî êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè äîëæåí áûòü ðàâåí 0,15–0,05. Îòëè÷èå ε îò ðàñ÷åòíûõ çíà÷åíèé ïî (5) ÿâëÿåòñÿ ïðèáîðíî-ìåòîäè÷åñêèì ôàêòîðîì, ñâÿçàííûì ñ îòðàæåíèåì øåðîõîâàòîé ïîâåðõíîñòüþ îáðàçöà èçëó÷åíèÿ îêðóæàþùèõ îáúåêòîâ, êîòîðîå ïîñëå îòðàæåíèÿ îò ìåòàëëè÷åñêîãî îáðàçöà ïîïàäàåò â îáúåêòèâ ÈÊ ïèðîìåòðà.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû îöåíèòü âëèÿíèå ýòèõ îòðàæåííûõ ëó÷åé, êîòîðûå íå õàðàêòåðèçóþò èçëó÷àòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêîãî îáðàçöà, íî âëèÿþò íà ïîòîê èçëó÷åíèÿ, ïîïàäàþùåãî íà ôîòîïðèåìíèê ïèðîìåòðà, áûëè ïðîâåäåíû èçìåðåíèÿ ïî ñõåìå, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 2.
Èññëåäóåìûé îáðàçåö 1, èçãîòîâëåííûé èç íåðæàâåþùåé ñòàëè, èìåë øåðîõîâàòóþ ïîâåðõíîñòü (ìèêðîíåðîâíîñòè ≈ 100 ìêì). Ìåòàëëè÷åñêèé ýêðàí 4 îõëàæäàëñÿ. ÈÊ ïèðîìåòð èìåë òåìïåðàòóðó îêðóæàþùåé ñðåäû.
 òàáëèöå ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé êîýôôèöèåíòà èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ñòàëüíîé ïëàñòèíû, îïðåäåëåííûå ñ ïîìîùüþ ÈÊ ïèðîìåòðà ST 60. Îáðàçåö íàõîäèëñÿ â òåðìîñòàòå 2 (ïîãðåø-
34
5
1
2
Ðèñ. 2. Ñõåìà èçìåðèòåëüíîé óñòàíîâêè. 1 – öèëèíäðè÷åñêèé îáðàçåö, 2 – òåðìîñòàò, 3 – òåðìîïàðà, 4 – ýêðàí, 5 – ÈÊ ïèðîìåòð.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
45
Êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ε îáðàçöà èç íåðæàâåþùåé ñòàëè ñ øåðîõîâàòîé ïîâåðõíîñòüþ
(ñì. ðèñ. 2)
Òåìïåðàòóðà îáðàçöà Ò K
Òåìïåðàòóðà ýêðàíà Ò K
ε
353 293 0,34
353 195 0,11
353 77 0,06
373 293 0,34
373 195 0,10
373 77 0,05
íîñòü òåðìîñòàòèðîâàíèÿ 0,5 °Ñ), è åãî òåìïåðàòóðà êîíòðîëèðîâàëàñü òåðìîïàðîé 3. Îõëàæäåíèå ýêðàíà 4 îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ ñóõîãî ëüäà (òâåðäûé ÑÎ2 ) è æèäêîãî àçîòà (ýêðàí óñòàíàâëèâàëñÿ â ñõåìó íà 5–6 ñ â ïðîöåññå èçìåðåíèÿ).
Ïðè èçìåðåíèÿõ â ÈÊ ïèðîìåòðå ST 60 âûñòàâëÿëñÿ êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöà òàêèì, ÷òîáû ïîêàçàíèÿ ïðèáîðà ñîîòâåòñòâîâàëè èñòèííîé òåìïåðàòóðå îáðàçöà. Êàê âèäíî èç òàáëèöû, ïðè îõëàæäåíèè ýêðàíà 4 êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè øåðîõîâàòîãî îáðàçöà (åãî ìîæíî íàçâàòü ýôôåêòèâíûì êîýôôèöèåíòîì εýô) èç ñòàëè ïðèáëèæàåòñÿ ê êîýôôèöèåíòó èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè ïîëèðîâàííîãî îáðàçöà ε ≈ 0,04 [2].
Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ïðè çàäàíèè ε ñ ïîãðåøíîñòüþ 0,01 (ïðè èçìåðåíèè òåìïåðàòóðû îáúåêòà ñ ïîìîùüþ ÈÊ ïèðîìåòðà â ïðåäåëàõ îò – 30 äî + 600 °Ñ) ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ìîæåò äîñòèãàòü 1 °Ñ.
Òàêèì îáðàçîì, èññëåäîâàíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî íà ðåçóëüòàòû ïèðîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé òåìïåðàòóðû ìåòàëëè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé âëèÿåò êà÷åñòâî îáðàáîòêè ïîâåðõíîñòè îáðàçöà è àïåðòóðà ÈÊ ïèðîìåòðà. Êîýôôèöèåíò èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îáðàçöîâ, îïðåäåëåííûé ïî òàêîé ñõåìå, ñëåäóåò ñ÷èòàòü ýôôåêòèâíûì εýô, îòëè÷íûì îò èñòèííîãî êîýôôèöèåíòà èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè.
Âëèÿíèå àòìîñôåðû íà ïèðîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ
Íà ïèðîìåòðè÷åñêèå èçìåðåíèÿ ïðè ðàññòîÿíèÿõ äî èññëåäóåìîãî îáðàçöà l ≥ 2 ì îêàçûâàåò âëèÿíèå ïîãëîùåíèå èçëó÷åíèÿ â ðàáî÷åé îáëàñòè ñïåêòðà àòìîñôåðíîé âîäîé (ýòî âëèÿíèå îñîáåííî ñóùåñòâåííî ïðè áîëüøîé ðàçíîñòè òåìïåðàòóð èññëåäóåìîãî îáðàçöà è àòìîñôåðû) [4–7].
 ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà 3–14 ìêì íàèáîëåå ñèëüíîé àòìîñôåðíîé ïîëîñîé ÿâëÿåòñÿ êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíàÿ ïîëîñà âîäû â îáëàñòè äåôîðìàöèîííûõ êîëåáàíèé Í2Î (λ = 5,2–7,3 ìêì) [4].
τ
1 0,9
0,8
0,7
02
3 5 10 l, ì
Ðèñ. 3. Èíòåãðàëüíîå ïðîïóñêàíèå àòìîñôåðû (âëàæíîñòü 60%) ÈÊ èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà (Ò = 373 K) â îáëàñòè ñïåêòðà λ = 3–14 ìèêðîí.
Èíòåãðàëüíûé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ àòìîñôåðíîé âîäîé ïðè âëàæíîñòè 60% â îáëàñòè ñïåêòðà λ = 5,2–7,3 ìêì ðàâåí α = 0,4 ì. Ïîòîê èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà, ïðîøåäøèé ðàññòîÿíèå l (àòìîñôåðà èìååò âëàæíîñòü 60%) ðàâåí
∫Rν1−ν2,T
ν2
=
ν1
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν+ −1
∫ν1′′
+ exp−αl
ν1′
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
dν+ −1
∫+
ν2 ν1′′
2πhν3 c2
exp
1 hν kT
d ν. −1
(6)
Îáëàñòü ñïåêòðà ν1′–ν1″ ñîîòâåòñòâóåò ïîëîñå àòìîñôåðíîé âîäû (λ = 5,2–7,3 ìêì).
Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû äàííûå ðàñ÷åòà èíòåãðàëüíîãî ïðîïóñêàíèÿ (τ) àòìîñôåðîé ïðè âëàæíîñòè 60% ÈÊ èçëó÷åíèÿ àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà
(Ò = 373 K) â îáëàñòè ñïåêòðà 3–14 ìêì. Êàê âèäíî èç ðèñ. 3, óæå ïðè ðàññòîÿíèÿõ l = 2 ì èíòåãðàëüíîå ïîãëîùåíèå ñîñòàâëÿåò 15%, ÷òî ìîæåò ïðèâîäèòü
ê îøèáêå îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòà â 10 K.
Âûâîäû
Ïîêàçàíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ òî÷íîñòè èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè îáúåêòîâ â 1 K ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè íåîáõîäèìî â àëãîðèòìå îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ÈÊ ïîòîêà èçëó÷åíèÿ ó÷èòûâàòü ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïèðîìåòðà è ïðîïóñêàíèå àòìîñôåðû. Íà òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû
46 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
ìåòàëëè÷åñêèõ øåðîõîâàòûõ ïîâåðõíîñòåé âëèÿåò àïåðòóðà ÈÊ ïèðîìåòðà è òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ëåâèòèí È.Á. Èíôðàêðàñíàÿ òåõíèêà. Ë.: Ýíåðãèÿ, 1973. 156 ñ.
12. Ãàëàíîâ Å.Ê., Êîðíóõ À.Â. Êîíòðîëü òåìïåðàòóðû ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ìåõàíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ è óçëîâ ìåòîäàìè èíôðàêðàñíîé ïèðîìåòðèè // Èçâåñòèÿ Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà ïóòåé ñîîáùåíèÿ. 2005. ¹ 2. Ñ. 50–54.
13. Çîëîòàðåâ Â.Ì., Ìîðîçîâ Â.Í., Ñìèðíîâà Å.Ê. Îïòè÷åñêèå ïîñòîÿííûå ïðèðîäíûõ è òåõíè÷åñêèõ ñðåä. Ë.: Õèìèÿ, 1984. 350 ñ.
14. Áûêîâ À.Ä., Ìàêóøêèí Þ.Ñ., Óëåíèêîâ Î.Í. Êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ âîäÿíîãî ïàðà. Íîâîñèáèðñê. Íàóêà, Ñèá. îòä. 1989. 370 ñ.
15. Ãàëàíîâ Å.Ê. Äèôôåðåíöèàëüíûé èíôðàêðàñíûé ôîòîìåòð äëÿ êîíòðîëÿ ÑÎ2 â àòìîñôåðå // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 3. Ñ. 63–65.
16. Ìàðêèí Â.À. Ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè èíôðàêðàñíûõ ïðèáîðîâ, ïîñòðîåííûõ íà ìàòðè÷íûõ ôîòîïðèåìíèêàõ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2005. Ò. 72. ¹ 11. Ñ. 51–57.
17. Øèïóíîâ À.Ã., Ñåìàøêèí Å.Í., ×åðíîóñîâ À.À., Ãðîìîâ À.Í., Ðîìàíîâ À.Ð., Âîðîáüåâ Â.Â., Ìàòþøêèí À.Þ. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ äàëüíîñòè äåéñòâèÿ è âñåïîãîäíîñòè òåëåâèçèîííûõ è òåïëîâèçèîííûõ ïðèáîðîâ íàáëþäåíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2007. Ò. 74. ¹ 9. Ñ. 61–65.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 3, 2009
47