Двухволновой пирометр, это серьёзно
Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest® с номенклатурой пирометров (ИК термометров), а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого раздела.
Общее
В статье представлено сравнение результатов измерений температуры поверхности, полученных с помощью тепловизионной камеры и скоростного пирометра при испытании на растяжение стальных образцов, приводящем к образованию шейки и разрушению.
Тепловизионная камера Inframetrics 760 с частотой кадров 50 Гц и системой высокоскоростного хранения данных, а также новый быстродействующий двухволновой пирометр со временем выборки 0,2 мс независимо использовались для измерения температуры.
Показано, что адекватная конструкция двухволнового пирометра обеспечивает более точные измерения температуры за счет компенсации изменений излучательной способности поверхности исследуемого материала. Данные, полученные с помощью пирометра, позволяют также лучше интерпретировать распределение температуры поверхности.
Введение
Исследования механических свойств металлов и их сплавов могут быть дополнены измерениями температуры. Типичным примером таких исследований являются испытания материалов, где изменения температуры, сопровождающие процесс деформации, несут информацию о трансформации микроструктуры материала и распределении напряжений.
При разрушении тепловые эффекты происходят быстро и за короткое время. Это требует применения измерителей температуры с минимальным временем измерения. Типичные тепловизионные камеры и пирометры не обеспечивают полного набора данных, необходимых для корректной интерпретации временных характеристик физических процессов. Поэтому возникает необходимость в разработке новых приборов, способных измерять температуру за очень короткое время.
Для измерения температуры независимо друг от друга использовались тепловизионная камера Inframetrics 760 и новый двухволновой пирометр со временем выборки 0,2 мс. Двухволновой пирометр был выбран потому, что его измерения не зависят от изменения излучательной способности поверхности образца. Кроме того, имеется возможность выбора оптимальной измерительной области относительно размеров исследуемого образца.
Исследование
Результаты измерений температуры, полученные с помощью тепловизионной камеры, сравнивались с результатами, полученными двухволновым пирометром. Схема пирометра представлена на рисунке 1. Это прибор, адаптированный для сверхбыстрых измерений.
В ходе эксперимента частота дискретизации примерно в 100 раз превышала частоту тепловизионной камеры и составляла около 5 кГц. Количество полученных данных позволяет проводить дополнительную обработку, например усреднение, без потери информации о быстрых изменениях.
Оптические рабочие полосы выбирались с учетом диапазона измеряемых температур от 50 °C до 150 °C. Разделение полос излучения обеспечивалось применением интерференционных фильтров: Фильтр I - 5,46 мкм и Фильтр II - 4,5 мкм. Использовались детекторы со спектральными характеристиками, обеспечивающими максимальный уровень сигнала. Детектор I относится к типу PDI и оптимизирован для длины волны 5,5 мкм.
Рис. 1. Схема двухволнового быстрого пирометра.
Детектор II представляет собой фотоприемник PbSe. Для получения требуемого отношения сигнал/шум использовались интерференционные фильтры с относительно широкой полосой пропускания. Например, для фильтра II с центральной длиной волны 5460 нм ширина полосы составляет 500 нм. Измерительная площадь пирометра составляла 1×1 мм.
Рис. 2. Температура образца, измеренная двухволновым пирометром и тепловизионной камерой.
Выводы
Результаты, полученные на начальном этапе эксперимента с помощью тепловизионной камеры, хорошо согласуются с результатами двухволнового пирометра, однако при более высоких температурах между ними появляются различия.
Разница возникает из-за того, что значение излучательной способности для тепловизионной камеры задавалось как постоянное, тогда как двухволновой пирометр измеряет температуру независимо от изменения этого параметра. Исследуемый образец не являлся серым телом в рассматриваемом диапазоне температур, а его излучательная способность изменяется в зависимости от температуры и состояния поверхности.
Например, для данного класса материалов увеличение среднеквадратичного отклонения шероховатости поверхности с 3 до 4 мкм приводит к изменению излучательной способности примерно на 20%.
Дополнительным преимуществом двухволнового пирометра является его низкая чувствительность к изменению состояния измеряемой поверхности. Благодаря этому измерения температуры, выполненные с помощью пирометра, более репрезентативны для конечной стадии эксперимента, чем данные тепловизионной камеры.
Было показано, что адекватная конструкция двухволнового пирометра обеспечивает более точные измерения температуры за счет компенсации изменений излучательной способности поверхности исследуемого материала. Данные, полученные с помощью пирометра, позволяют лучше интерпретировать распределение температуры поверхности.
