На правах рукописи

УДК 533.9.082.5

Лебедев Сергей Владимирович

СПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ

ПИРОМЕТРИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.11.07 –"Оптические и оптико-электронные

приборы и комплексы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2013 Диссертация выполнена на кафедре Электронные приборы факультета электронной техники "Национального исследовательского университета "МЭИ".

Кандидат технических наук, профессор

Научный руководитель:

Бодров Владимир Николаевич.

Доктор технических наук, профессор, веОфициальные оппонендущий инженер "ФГУП ПО "Маяк" Коноты:

нов Александр Николаевич Кандидат технических наук, доцент кафедры Физика-2 ФБГОУ ВПО "НИУ "МЭИ" Малахов Юрий Ильич, Федеральное государственное унитарное

Ведущая организация:

предприятие "Московское орденов Октябрьской революции и Трудового Красного знамени конструкторское бюро "Электрон" (ФГУП МКБ "Электрон")

Защита диссертации состоится "6" июня 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 в Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13 корпус "Е", ауд. Е-511. тел: (495) 362-7385.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан 6 мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета Д 212.157. к.т.н., доцент Т.В. Ремизевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Разработка новых материалов, методов их получения, изучение их свойств, а также технологические процессы, связанные с контролем температуры в условиях вакуума, агрессивных сред и сверхвысоких температур требуют разработки новых бесконтактных методов определения температуры. При этом важно иметь достоверную информацию не только о температуре нагретых тел, но и об их излучательной способности непосредственно в процессе эксперимента в условиях изменяющихся физико-химических и оптических характеристик пирометрируемой поверхности. Одновременно, как правило, требуется обеспечить достаточно высокое быстродействие измерителя температуры.

Развитие пирометрии как науки привело к появлению большого количества методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности с использованием ее собственного теплового излучения. Однако основная проблема пирометрии остается по-прежнему нерешенной. Отсутствие достоверной информации о величине и характере спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности непосредственно в момент определения температуры препятствует получению точных значений термодинамической температуры, что обусловлено, главным образом, появлением неконтролируемых методических систематических ошибок.

Прогресс в разработке новых типов многоэлементных высокочувствительных матричных фотоприемников, способных работать как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра оптического излучения, открывает новые перспективы для дальнейшего развития методов полихроматической пирометрии. Сочетание нового поколения матричных приемников оптического излучения и современных эффективных диспергирующих элементов делает возможным создание нового поколения спектральных устройств для определения температуры, которые обладали бы одновременно высокой чувствительностью, близкой к теоретическому пределу и высоким быстродействием - порядка 500 – 1000 отсчетов в секунду.

Появление новейших микропроцессорных устройства, средств обработки сигналов реального времени, а также новых комбинированных аналого-цифровых преобразователей в сочетании с новым поколением программных средств привели к появлению приборов и устройств, способных анализировать большие объемы информации. Такие устройства могут быть использованы при обработке информации о спектре собственного теплового излучения нагретого объекта и получать информацию о термодинамической температуре, излучательной способности пирометрируемой поверхности и их динамике в реальном масштабе времени.

Появление первых работ, в которых были предприняты попытки извлечь информацию о температуре непосредственно из спектра собственного теплового излучения пирометрируемой поверхности, относится к середине 90-х годов. Одной из последних отечественных работ, в которой наиболее полно рассматриваются эти вопросы, является монография Магунова А. М. "Спектральная пирометрия". Известны зарубежные работы по спектральной пирометрии, которые ведутся на протяжении последних лет. Это указывает на актуальность направления работ, развиваемых в рамках диссертации.

Однако большинство работ по спектральной пирометрии концентрируют свое внимание на проблеме определения термодинамической температуры в предположении близости спектра собственного теплового излучения к спектру так называемых «серых» тел. Это обстоятельство существенно сужает область применения результатов таких работ и, практически, исключает возможность определения температуры пирометрируемой поверхности «окрашенных» тел. В этих работах не затрагиваются вопросы одновременного определения спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности.

Целью диссертационной работы является исследование методов и путей построения спектральных измерителей температуры, обеспечивающих одновременное получение информации о термодинамической температуре и спектральной зависимости излучательной способности не только в случае серых тел, но и для тел, которые в пирометрии известны, как "окрашенные" тела.

Основной особенностью разрабатываемого подхода состоит в том, что на первых этапах не используется априорная информация об излучательных свойствах пирометрируемой поверхности, а значение температуры и вид спектральной зависимости излучательной способности поверхности определяются непосредственно в процессе эксперимента путем извлечения необходимой информации из спектра собственного излучения пирометрируемого объекта.

Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо было решить следующие задачи:

- проанализировать существующие полихроматические методы измерения температуры на предмет минимизации значений методических и инструментальных погрешностей определения температуры;

- определить место спектрального метода, разрабатываемого в "НИУ "МЭИ", среди существующих полихроматических методов;

- найти пути, позволяющие минимизировать инструментальные и методические ошибки разрабатываемого спектрального метода измерения температуры пирометрируемой поверхности серых и окрашенных тел;

-провести выбор оптической схемы построения измерителя, компонентной базы и микропроцессорных средств, позволяющих решать задачи получения и анализа спектральной информации;

-разработать и создать экспериментальный макет спектрального измерителя температуры;

-провести экспериментальные исследования, подтверждающие возможность измерения температуры поверхности спектральным методом при произвольном характере спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности;

-выработать рекомендации и предложения по применению спектрального измерителя температуры;

Методы исследования:

В основу теоретических исследований положен анализ и использование фундаментальных соотношений теоретической теплофизики, термодинамики, пирометрии, методов математической статистики и теории вероятностей.

Экспериментальные макеты и установки были созданы с использованием новейших многоэлементных матричных фотоприемников, с применением элементов аналоговой и цифровой схемотехники, элементов и методов оптоэлектроники, а также новейших микропроцессорных и компьютерных технологий, с широким использованием, пакетов прикладных программ ведущих мировых производителей, таких как "Mathcad", "TracePro", а также "MATLAB" фирмы "The MathWorks Inc".

Верификация экспериментальных результатов и отработка методики определения температуры, а также при проверка достоверности полученных результатов по определению температуры осуществлялась методом имитации теплового излучения окрашенных тел с использованием модели АЧТ и оптических фильтров с известными спектральными характеристиками.

При одновременном определении температуры и спектральной зависимости коэффициента излучения пирометрируемой поверхности использовался нетрадиционный подход, в основу которого были положены ранее не применявшиеся в пирометрии методы статистического анализа и обработки экспериментальных данных о полученных значениях температуры.

Достоверность полученных результатов достигается:

- использованием в качестве окрашенных тел имитаторов, в состав которых входит прецизионная модель АЧТ, обеспечивающая стабильную работу и высокую точность установки температуры, и позволяющая проводить сопоставление получаемых результатов с термодинамическими значениями температуры и спектральными характеристиками используемых в имитаторах эталонных светофильтров;

- сопоставлением спектральной зависимости коэффициента излучения имитаторов, получаемой в ходе экспериментов по определению температуры, со спектральными характеристиками оптических фильтров, используемых в составе имитаторов окрашенных тел;

- компьютерным моделированием расчетных методик, оптических схем спектрального измерителя температуры, его элементов и устройств используемых в работе;

- использованием оборудования и измерительных приборов ведущих мировых производителей, таких, как: "Hamamatsu", "Sony", "Mikron Infrared", "Texas Instruments", "Altera", а также применением новейших методических и программных средств "Matlab", "TracePro".

- Результатами теоретического анализа и экспериментальных исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и хоздоговорных НИР шифр "Сабельник", выполненных по заказу Секции прикладных проблем (СПП) при Президиуме РАН, а также в ходе выполнения НИР шифр "Обзор", проводимой совместно с ФГБУН "Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН".

На защиту выносятся следующие положения:

- принцип построения пассивных спектральных оптикоэлектронных устройств для одновременного определения температуры и спектральной характеристики коэффициента излучения нагретой поверхности, обеспечивающих получение достоверных данных о термодинамической температуре при отсутствии априорной информации об излучательной способности поверхности и в отсутствии прямого оптического доступа к пирометрируемой поверхности;

- методика одновременного определения по спектру собственного теплового излучения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности при неизвестных оптических свойствах пирометрируемой поверхности;

- методика минимизации инструментальной и методической погрешностей результатов определения температуры и спектральной зависимости излучательной способности путем статистической обработки температурных данных, включающей оптимальную группировку полученных спектральных составляющих собственного теплового излучения;

- методика минимизации систематических ошибок результатов измерения температуры, обусловленных монотонным характером спектральной зависимости излучательной способности путем определения параметров функции, аппроксимирующей спектральную зависимость коэффициента излучения пирометрируемой поверхности;

Научная новизна диссертации заключается в том, что:

Впервые разработана методика одновременного определения значения термодинамической температуры и спектральной зависимости излучательной способности пирометрируемой поверхности по спектру собственного теплового излучения в отсутствии данных об излучательной способности, подтвержденная экспериментально.

Разработан метод минимизации систематических ошибок, обусловленных монотонным характером спектральной излучательной способности пирометрируемой поверхности, обеспечивающий существенно повысить точность определения температуры.

Предложена методика минимизации методической погрешности определения температуры, основанная на анализе характера спектральной зависимости излучательной способности.

Практическая значимость:

- Предложен принцип построения нового типа спектральных оптико-электронных устройств, позволяющих одновременно определять термодинамическую температуру и спектральную зависимость излучательной способности пирометрируемой поверхности.

- Разработана методика и указаны пути определения термодинамической температуры и излучательной способности поверхности в условиях изменяющихся оптических параметров и характеристик поверхности пирометрируемого объекта.

- Результаты проведенной работы использованы в ходе реализации хоздоговорной НИР шифр "Сабельник", выполненной кафедрой Электронные приборы "МЭИ (ТУ)" по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, а также в рамках хоздоговорной НИР шифр "Обзор", выполненной кафедрой Электронные приборы "НИУ "МЭИ", по заказу ФБГУН "Межведомственного центра аналитических исследований в области физики, химии и биологи при Президиуме РАН".

- Результаты работы положены в основу опытно конструкторской работы по теме "Разработка и создание спектрозонального комплекса для измерения температуры теплоносителя реакторной установки", проводимой в настоящее время на кафедре Электронные приборы "НИУ "МЭИ" по заказу ОАО "Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля".

Личный вклад соискателя и апробация работы.

Цели и задачи настоящей диссертационной работы были поставлены руководителем диссертационной работы В.Н. Бодровым.

Работа выполнялась под руководством профессора кафедры Электронные приборы Бодрова В.Н.

По результатам диссертационной работы было опубликовано научно-технических работ, в том числе статья в издании, рекомендованном ВАК [1], сделаны доклады на научно технических конференциях [2-13]. Результаты диссертации докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2008.

2. Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2009 г.

3. Семнадцатая международная конференция «Современное телевидение», 2009 г.

4. Восемнадцатая международная конференция «Современное телевидение», 2010 г.

5. Девятнадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», 2011 г.

6. Четвертая всероссийская и стран-участниц КООМЕТ конференция по проблемам термометрии «Температура-2011», 2011.

7. Двадцатая международная научно-техническая конференция «Современное телевидение и радиоэлектроника», 2012 г.

Структура и объем диссертации.

Рукопись диссертации содержит 166 страниц, 78 иллюстраций, 8 таблиц, 48 библиографических источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, описаны поставленные задачи, сформулирована научная новизна работы и положения, выносимые на защиту, рассмотрено практическое значение полученных результатов.

В первой главе приведены некоторые факты из истории пирометрии.

Проводится анализ современного состояния методов яркостной, активной пирометрии, полихроматической пирометрии, основное внимание уделено методам спектральной пирометрии.

Анализируются наиболее значимые результаты, полученные в спектральной пирометрии за последнее десятилетие. Особое внимание уделяется работам Магунова А.Н.(Россия), Р. Фелиса (США), работам, проводимым в Принстонском университете и в НАСА, США. Проведенный анализ показывает, что основная проблема пирометрии, а именно, измерение температуры без знания спектральной зависимости коэффициента излучения остается нерешенной.

Во второй главе представлено описание спектральной установки для дистанционного измерения температуры. Дано описание модели АЧТ, обоснование выбора оптической системы, диспергирующего элемента, матричного фотоприемника и ТВ-камеры на его основе. На рис. представлена схема спектральной установки для дистанционного измерения температуры.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для дистанционного измерения температуры по спектру собственного теплового излучения нагретого объекта.

Оптическое звено спектральной установки представляет собой телескопическую систему, состоящую из двух объективов, и камерный объектив, формирующий изображение спектра на ПЗС-матрице.

Приводится обоснование выбора типа оптической системы, матричного фотоприемника, а также обоснование выбора рабочего спектрального диапазона.

Выходной сигнал ТВ спектра, пропорционален произведению функций: кривой Планка и спектральной зависи-имости квантового выхода ПЗС-приемника.

кривая Планка при тем-мпературе 1000К, а также кривая квантового выхоо- да ПЗС-матрицы, ис- спользуемой на установке по измерению темпера- атуры. Из рисунка видно, что величина произведе-ения максимальна в спектральном диапазоне 0,7-1 мкм. Рабочий спектральный диапазон, таким образом, выбран 0,7 0,9 мкм.

Далее приводится расчет инструментальной погрешности измизмерения спектральной плотности потока фотонов при использовании маматричного ПЗС-приемника фирмы Sony, используемого в составе уст Вычисляется отношение сигнал шум, получаемое в условиях р вид:

Qe·P/(R2+T2+Ф2)1/2=Qe·P/(R2+D·t+cic2+Qe·P)1/2, где Qe – квантовая эффективность ПЗС дисперсия сигнала, обусловленная шумом считывания D·t – дисперсия, обусловленная шумом термогенерации приемника cic2 – дисперсия н На основе рассчитанного отношения сигнал шум делается вывод об относительной среднеквадратичной погрешности измерения плотн оценка общей погрешности измернеия Рассматриваются также вопросы влияния аппаратного контура спектральной установки на результат определения температуры. Делается оценка ширины полуширины аппаратного контура на длине волны излучения гелий-неонового лазера, проводится процедура исключения влияния аппаратной функции на форму измеряемого спектра теплового излучения. На основе результатов расчета можно сделать вывод о незначительном влиянии аппаратного контура на форму спектра излучения в лабораторных условиях.

В третьей главе дано описание методики обработки спектральных данных, поступающих с матричного фотоприемника, методики определения значений температуры, построения гистограмм и их анализа.

Проводится анализ инструментальной погрешности статистического метода спектральных отношений (СО). В основе метода СО лежит бихроматический метод, согласно которому значение температуры вычисляется по формуле:

тонов, испускаемых поверхностью исследуемого объекта; - значение температуры, вычисляемое по двум спектральным составляющим при длинах волн J и K;

- вторая пирометрическая возможные значения длин волн J, K, по формуле (3), получаем массив значений температуры Тjk. Количество возможных сочетаний длин волн по 2 при использовании мегапиксельного матричного приемника соРис. 3. Гистограмма распределения плотноставляет, оценочно, 500000.

Полученная совокуп- сти вероятности значений температуры TJK.

ность значений разбивается на равные интервалы температур, вычисляется значение плотности вероятности в каждом интервале и строится температурная гистограмма.

На рис. 3 представлен типичный вид температурной гистограммы, полученной по методу СО. По вертикальной оси отложены значения плотности вероятности, по горизонтальной оси – значения температуры. Также на рисунке показаны математическое ожидание массива значений температуры Тjk, а также дисперсия массива.

Гистограммы, получаемые методом спектральных отношений, подвергаются проверке на соответствие закона распределения температурных данных нормальному закону распределения. Проверка производится на основе критерия согласия Пирсона при уровне значимости = 0,05. Анализ совокупностей температурных данных показывает, что в отсутствии систематической погрешности гистограммы имеют нормальный закон распределения.

В четвертой главе диссертации оценивается влияние случайной погрешности измерения на результат определения температуры. В соответствии с формулой для косвенных измерений, случайная погрешность одного значения температуры бихроматическим методом может быть оценена по формуле:

где: - относительная инструментальная погрешность измерения температуры; - относительная инструментальная погрешность измерения волновой координаты ; - относительная погрешность измерения одного значения интенсивности излучения; - эффективная длина волны.

При использовании метода спектральных отношений значение эффективной длины волны может быть велико и меняться в рабочей спектральной области в пределах от 1·10-3 до 3·10-6м. Вследствие этого, значения коэффициентов передачи инструментальной погрешности в рабочей области спектра оказывается значительно больше единицы (может достигать 100 и более). Это приводит к тому, что в отсутствии статистической обработки точность измерения температуры, которая может быть оценена по значению среднеквадратической погрешности или величине доверительного интервала, оказывается достаточно низкой.

В главе предлагается методика минимизации влияния случайной погрешности на точность получаемого значения температуры. Методика основана на использовании значений температуры, полученных при минимальном значении эквивалентной длины волны.

Полученные температурные значения сортируются и объединяются в группы с близкими значениями эквивалентной длины волны.

Для каждой группы вычисляется значение математического ожидания и дисперсии. Затем вычисляется математическое ожидание массива значений групповых математических ожиданий. На рис. 4 представлены гистограммы до и после статистической обработки температурных значений.

Рис. 4. Иллюстрация влияния оптимальной группировки данных при статистической обработке; а) без использования оптимальной группировки б) с использованием оптимальной группировки.

Из рисунка видно, что значение дисперсии и соответствующие оценки точности определения наиболее вероятного значения температуры значительно повышаются после статистической обработки.

В пятой главе рассматриваются вопросы методической погрешности спектрального метода определения температуры.

Методическая погрешность измерения согласно определению обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели.

Методическую погрешность определения термодинамической температуры при использовании различных условных температур удобно характеризовать разностью обратной условной Ту и термодинамической Т температур:

Tу - измеренная условная температура, TТ - термодинамическая температура исследуемого объекта.

- значение методической погрешности Формула для методической погрешности метода спектральных отношений имеет вид:

При использовании метода спектральных отношений было обнаружено, что в ряде случаев получаемое значение температуры достаточно сильно отличается от термодинамического (отличие составляло порядка 20%).

Различие между измеренным и термодинамическим значениями температуры возникает в случае монотонной спектральной зависимости коэффициента излучения. Такой характер спектральной зависимости коэффициента излучения является наиболее сложным с точки зрения спектрального измерения температуры. При расчете температуры по методу спектральных отношений каждое из значений температуры Tjk, вычисленных по формуле (3), имеет погрешность одинакового знака, который зависит от наклона кривой спектрально зависимости коэффициента излучения. При этом температурная гистограмма сдвигается по температурной оси, и значение математического ожидания вычисляется неверно.

Аналитическое решение проблемы минимизации методической погрешности измерения получить удается лишь в случае использования ряда предположений, которые не всегда выполняются.

В главе предложен способ минимизации методической погрешности, основанный на поиске оптимальных параметров функции, аппроксимирующей экспериментальное спектральное распределение плотности потока фотонов с использованием метода наименьших квадратов. Применяются два типа аппроксимации спектральной зависимости коэффициента излучения: линейная и экспоненциальная.

Рассмотрим пример решения задачи минимизации методической погрешности в случае линейного характера спектральной зависимости коэффициента излучения. В качестве критерия оптимального подбора параметров использовалось значение суммы квадратов отклонений искомой функции в узлах от экспериментальных значений.

Таким образом, при использовании метода наименьших квадратов функционал, подлежащий минимизации имеет вид:

щая распределение спектральных отношений R(, ) и являющаяся решением рассматриваемой задачи, зависящая от параметров ;

, - экспериментальные значения функции распределения ЭКСП спектральных отношений.

Наиболее простым методом поиска глобального экстремума (о (оптимизации) функции является метод перебора. Подбор компенс линейной функции и T. Когда сочетание параметров а и b обеспечивало наименьшее отклонение (a,b,Т), полагали, что подобраны значения параметров, при которых компенсирующая функция достаточно близка к реальной спектральной зависимости (), а полученное при этом значение температуры Т считали найденным решением задачи Варьирование параметров а и b линейной функции при заданной параметре Т определяло трехмерный рельеф с минимумом, предста при заданном значении Т.

Рис. 5. Трехмерный рельеф знач щий при варьировании параметров при варьировании параметра Т.

а и b, значение Т - постоянно.

Затем варьировал варьировалось первоначальное значение температуры Т и находили температуру Т, при которой реализовывалось минимальное значение функции (a,b,T). Полученные результаты представлены на рис.6. Результаты оп деления температуры имитатора АЧТ+НС7 при других температурах предста казаны результаты расчета температуры данного имитатора методом СО.

Видно, что значение систематической погрешности определения температуры удается существенно снизить. Аналогичные результаты достигаются и при использовании экспоненциальной аппроксимации спектральной зависимости коэффициента излучения.

представляет рассмотрение случаев, когда спектральная зависимость ко- Рис. 7. Сопоставление результатов измерения излучения температуры имитатора окрашенного излучения эффициента представляет сложную кривую, которая плохо аппроксимируется линейной, либо экспоненциальной зависимостью.

В таких случаях при необходимости точность получаемых значений температуры может быть повышена с помощью разбиения всего рабочего спектрального диапазона на участки, на которых производится вычисление температуры с исполь- Рис. 8. Схема построения спектрометра на "круге экспоненциально аппроксимации.

В шестой главе диссертации рассматриваются пути/способы построения/ создания оптико-электронного устройства, способного решать задачи одновременного определения температуры и излучательной способности пирометрируемой поверхности - спектропирометра.

Выдвигаются требования к устройству в части спектрального разрешения, рабочего спектрального диапазона, количества элементов матричного приемника излучения. В качестве основных конструктивного требования к прибору выдвигаются: небольшие габариты, а также наличие оптоволоконного зонда для работы в труднодоступных условиях.

В настоящее время большое распространение получили т.н. "миниспектрометры" - достаточно малогабаритные спектрометры, комплектуемые оптоволоконными зондами для проведения измерения в труднодоступных местах (или в жестких условиях эксплуатации).

Ход лучей в спектрометре, построенном с использованием решетки Роуланда, показан на рис 8.

В отличие от спектрометров ведущих западных фирм, в оптических схемах которых используется либо плоская решётка с коллиматорным и фокусирующим зеркалами, либо вогнутая решётка с искривлёнными неравноотстоящими штрихами, в настоящем приборе без потери качества спектрального изображения удалось ограничиться единственным простым в изготовлении оптическим элементом - вогнутой классической решёткой. Достоинством такой схемы является отсутствие меридиональной комы и составляющих аберраций 2-го порядка по высоте щели, что позволяет получить достаточно высокие характеристики в этом классе приборов при невысокой стоимости оптической системы прибора.

В качестве фотоприемника используется ПЗС-линейка фирмы Samsung, имеющая 3096 элементов.

Модуль обработки данных и управления обеспечивает оцифровку сигнала ПЗС-линейки, запись его во внутреннюю память микроконтроллера для последующей передачи на ПК посредством протокола USB.

Структурная схема блока представлена на рис. 9.

Рис. 9 Блок-схема приема и предварительно обработки спектральных данных измерителя температуры.

В конце каждой главы приведены основные выводы по соответствующей главе.

Заключение представляет собой основные выводы по диссертационной работе.

Основные выводы из диссертационной работы.

Результаты проделанной работы могут быть сведены к следующему:

• Проведен анализ принципов и схем построения полихроматических и спектральных измерителей температуры, пригодных для построения устройств нового поколения. Приведены перспективные схемы построения, а также макеты спектрального измерителя температуры, построенные на базе пропускающих и отражательных дифракционных решеток.

• Указаны пути построения малогабаритных устройств, позволяющих измерять температуру в условиях затрудненного доступа к пирометрируемой поверхности, в агрессивных средах, а также при наличии интенсивного радиационного облучения.

• Проведен анализ современного состояния и методов дистанционного определения температуры нагретой поверхности и, в частности, спектральных методов. Показано, что на сегодняшний день не существует методик, позволяющих дистанционно (пассивно) измерять термодинамическую температуру нагретой поверхности без априорной информации об излучательной способности пирометрируемой поверхности.

• Рассмотрены вопросы оценки погрешностей амплитудной градуировки измерителя температуры, погрешности измерения спектральной плотности потока фотонов и градуировки шкалы длин волн спектрального измерителя температуры.

• Разработанная методика получения температурных данных методом статистической обработки показала, что при отсутствии систематической методической погрешности температурные данные подчиняются нормальному закону распределения. Указаны способы определения погрешности при измерении температуры с использованием методов математической статистики.

• Проведен анализ инструментальной погрешности бихроматического метода, который показал, что собственная инструментальная погрешность бихроматического метода может достигать значительных величин. Именно это обстоятельство и препятствовало получению достоверных данных при традиционном использовании бихроматического метода.

• Разработана методика получения и статистической обработки температурных данных, позволяющая минимизировать инструментальную погрешность определения температуры разрабатываемым спектральным методом. Показано, что получаемая при этом вероятностная оценка значений температуры становится более устойчивой к наличию в генеральной выборке случайных выбросов, влияющих на величину математического ожидания.

• Проведен анализ методической погрешности спектрального метода измерения температуры. Показано, что методическая погрешность в случаях, монотонного характера спектральной зависимости коэффициента излучения, может достигать значительных величин и трудно минимизируется методами математической статистики.

• Проведено моделирование и анализ наименее благоприятных случаев, когда во всем рабочем диапазоне спектральная зависимость коэффициента излучения носит монотонный характер. Показано, что включение процедуры поиска параметров функций аппроксимирующих монотонную спектральную зависимость коэффициента излучения позволяет радикально снизить систематическую ошибку, возникающую при определении температуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бодров В.Н., Лебедев С.В. //Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучательной способности// журнал "Приборы", №11, 2011 г стр. 51-55.

2. Бодров В.Н., Лебедев С.В. //Определение температуры по спектру излучения при монотонной характеристике излучательной способности// Сборник тезисов 4-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «Температура-2011», 2011.

3. Лебедев С. В. // Исследование первой и второй производной при дистанционном определении температуры. // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2008. Москва. Т.1., стр.194–195.

4. Лебедев С. В. // Спектральный метод определения температуры черных и серых тел. // Тезисы докладов пятнадцатой международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2009. Москва. Т.1., стр.183.

5. Лебедев С. В., Бодров В.Н. //Бихроматические методы определения температуры телевизионным спектропирометром. // Труды семнадцатой международной научно-технической конференции «Современное телевидение», 2009, Москва, стр. 82.

6. Бодров В.Н., Лебедев С.В., Бесчастный М.А. //К вопросу о возможности определения температуры телевизионным спектропирометром при линейном характере спектральной зависимости коэффициента излучения//.

7. Бодров В.Н, Князев А.М., Лебедев С.В. //Функциональные возможности фоточувствительных ПЗС-матриц с внутренним электронным умножением// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 98-103.

8. Лебедев С.В., Князев А.М, Рыков А.Н. //Некоторые проблемы отладки видеокамеры на базе матрицы с внутренним электронным умножением// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 130-106.

9. Лебедев С.В., Бодров В.Н., Курносова Н.В. //Определение температуры движущихся объектов с использованием ТВ-матриц цветного изображения// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 106-111.

10.Казаков В.А., Лебедев С.В., Бодров В.Н. //О возможности измерения температурного распределения с помощью ТВспектропирометра// Труды 19-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2011, стр. 114-119.

11.Бодров В.Н. Лебедев С.В. //О возможности применения спектрального метода ля измерения температуры в условиях повышенной радиации// Тезисы докладов восемнадцатой международная научнотехническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2012., Издательский дом МЭИ, Москва.

Т.1., стр.221.

12. Бодров В.Н., Бесчастный М.А., Лебедев С.В. // О возможности использования телевизионного метода определения температуры для построения измерителе сверхвысоких температур// Труды 20-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2012, стр. 83-87.

13. Лебедев С.В., Бодров В.Н. // О возможности применения телевизионного метода определения температуры по спектру при высоких уровнях радиации// Труды 20-й международной научно-технической конференции "Современное телевидение", Москва, ФГУП МКБ "Электрон", 2012, стр. 100-103.

Полиграфический центр ФБГОУ ВПО "НИУ "МЭИ" Красноказарменная улица, д. 13.