Разработка пирометра, измеряющего истинное температурное поле двумерной решетки ЧАСТЬ 1

Радиационная термометрия [ 1 , 2 , 3 ] часто использует многоволновой пирометр (MWP) [ 4 , 5 , 6 ] для преодоления ограничений, связанных с неизвестной излучательной способностью традиционных одноцветных пирометров и постоянной излучательной способностью в зависимости от длины волны для двухцветных пирометров [ 7 , 8 ]. Многоволновой пирометр может получить истинную температуру цели без информации об излучательной способности, используя принцип многоволновой радиационной термометрии [ 9 ]. Гарднер и др. разработали шестиволновой пирометр с матрицами фильтров для приложений плавления металлов [ 10 ]. Хиерно и др. разработали шестицветный пирометр с волоконно-оптическим жгутом [ 11 ]. Радоуски и Митчел разработали ультрафиолетовый пирометр для измерения ударных температур с полупрозрачным и полуотражающим зеркалом в 1989 году [ 12 ]. Левендис и др. разработали трехцветный пирометр, который использовал одну видимую и две ближние инфракрасные длины волн для измерения температуры поверхности горящих углеродистых частиц [ 13 ]. Нг и Фралик исследовали многоволновой пирометр со спектрометром для измерения истинной температуры прозрачных веществ и газообразных продуктов сгорания [ 14 ]. В 2017 году Мэй и др. разработали многоволновой пирометр дальнего действия [ 15 ], который поместил ядро ​​прибора на расстоянии 100 м от зонда.

Современные многоволновые радиационные пирометры [ 16 , 17 ] разработаны для одноточечных или многоточечных целей. В этой статье разрабатывается многоволновой радиационный пирометр, который можно использовать для измерения истинного температурного поля двумерного массива. Он состоит из оптической части, схемной части и программной части. В оптической части данные двумерного массива достигаются путем объединения продольного сканирования вращающимся зеркалом с методом поперечных многоцелевых точек. Таким образом, ресурсы аппаратного пространства экономятся, а процесс сбора данных упрощается одновременно, иллюстрируя, что аппаратные ресурсы и скорость измерения учитываются. Схемная часть включает в себя схему преобразования I/V, схему усиления V/V и карту сбора данных. Схема преобразования I/V использует AD820 для преобразования сигнала в сигнал напряжения. Схема усиления V/V использует OP07 для усиления сигнала напряжения. Наконец, пирометр использует карту сбора данных USB5630 для получения сигнала напряжения, чтобы реализовать информационное взаимодействие между аппаратной схемой и верхним компьютером. Программная часть скомпилирована с использованием Visual Studio в качестве среды разработки и с использованием C# в качестве языка, в основном включая функции калибровки пирометра, сбора данных и обработки данных. Обработка данных использует вторичный метод измерения для расчета истинных температур [ 18 ] и использует многопоточный метод для повышения эффективности работы.

После разработки пирометра в данной работе проводится анализ неопределенности и эксперимент по измерению истинной температуры двумерной матрицы, и в конечном итоге получается неопределенность двумерного матричного пирометра.

2. Принципы измерения

Согласно ссылке [18], блок-схема метода вторичных измерений представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема метода вторичных измерений (надеемся, что читатель либо самостоятельно переведёт тексты в рамках, либо сделает это через Интернет-ресурсы).

Принципы измерения следующие [ 18 ]:

На основе приведенных выше формул можно получить оптимальное решение истинных температур.

3. Конструкция пирометра

Структурная схема и физическое изображение двумерного матричного пирометра показаны на Рисуннке 2 и Рисуннке 3 соответственно. Пирометр в основном состоит из оптической части, схемной части и программной части. Энергия излучения цели сначала будет передаваться вращающемуся зеркалу оптической части. Оптическая часть использует десять расположенных рядом оптических волокон для передачи излучаемого сигнала цели. Схемная часть получает сигналы от оптической части для преобразования и усиления сигнала, а затем использует карту сбора данных USB5630 для сбора данных. Наконец, USB5630 передает данные на ПК для хранения, обработки и отображения. Пирометр имеет диапазон измерения температуры 1100–3000 К, диапазон спектра измерения 0,525–0,980 мкм и скорость сбора данных по одному каналу 100 кГц.

Рисунок 2. Структурная схема двумерного матричного пирометра.

Рисунок 3. Физическое изображение двумерного матричного пирометра: ( а ) передняя часть и ( б ) задняя часть.

3.1 Конструкция оптической части

В оптической части аппаратные ресурсы будут сэкономлены, но скорость измерения будет серьезно снижена, если будет принята схема сканирования одной точки, тогда как скорость измерения будет увеличена, но требования к аппаратным ресурсам будут слишком большими, если будет принята схема многоточечного сканирования. Таким образом, функция сбора данных двумерного пирометра массива реализуется путем взаимодействия продольного сканирования вращающимся зеркалом и метода поперечных многоцелевых точек. Целевая информация двумерного массива состоит из десяти одномерных поперечных целевых точек, расположенных рядом (черные пятна на рисунке 2 ), и вращающегося зеркала, изменяющего продольное положение, чтобы оптимизировать скорость измерения и использование аппаратных ресурсов.

3.1.1 

Энергия излучения мишени сначала передается вращающемуся зеркалу. Структурная принципиальная схема вращающегося зеркала показана на рисунке 4 , а физическая фигура показана на рисунке 5 .

Рисунок 4. Структурная схема вращающегося зеркала. 

Рисунок 5. Физическая схема вращающегося зеркала.

Двигатель приводит в движение двухстороннее зеркало, вращаясь по часовой стрелке через конвейерную ленту, и реализует функцию продольного сканирования цели посредством вращения зеркала. Модель двигателя — WS2845-24-250-1, а скорость — 25 000 об/мин. Окуляр над вращающимся зеркалом используется для фокусировки и точного наблюдения.

3.1.2 Оптическое волокно и фильтр

Энергия излучения цели попадает в область приема света оптоволоконного зонда после прохождения через вращающееся зеркало, объектив и растр. Область приема света разделена на 10 целей, и имеется 10 каналов пучков оптоволокна, подключенных позади оптоволоконного зонда для передачи энергии излучения под различные цели. Соответственно, 6-пучковые оптоволокна подключены к каждому каналу для разделения энергии излучения каждого канала на шесть каналов, и шесть каналов энергии излучения соответственно оснащены фильтрами различных эффективных длин волн для получения информации об энергии на определенных длинах волн. Принципиальная схема структуры передачи оптоволокна с 10 каналами на 60 каналов показана на рисунке 6. Эффективные длины волн каждого канала показаны в таблице 1 .

Рисунок 6. Принципиальная схема структуры передачи оптического волокна.

Таблица 1. Эффективная длина волны каждого канала. (https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2888#:~:text=Table%201.,0.980) 

3.2 Проектирование части схемы

Функция части схемы заключается в преобразовании энергии излучения, полученной оптической частью, в сигнал напряжения. После прохождения через оптоволокно и фильтр сигнал энергии поступает в фотоэлектрический детектор, а затем использует схему преобразования I/V и схему усиления V/V для усиления сигнала. Наконец, пирометр использует высокоскоростную систему сбора данных для сбора данных. Конструкция части схемы показана на рисунке 7 .

Рисунок 7. Конструкция части схемы.

3.2.1.Матричная фотоэлектрическая детекторная система

Фотоэлектрический детектор использует матрицу кремниевых фотоэлектрических детекторов. Каждый канал 60-канального оптического волокна соединен с одним кремниевым фотодиодом сзади, т.е. всего используется 60 кремниевых фотоэлектрических детекторов. Модель кремниевого фотоэлектрического детектора — S1336-5BK, со спектральным диапазоном чувствительности 0,320–1,100μμм. Зависимость фото чувствительности от длины волны S1336-5BK показана на рисунке 8 [ 19 ].

Рисунок 8. Зависимость фото чувствительности от длины волны S1336-5BK.

3.2.2 Схема преобразования I/V и схема усиления V/V

Структурная схема схемы преобразования I/V и схемы усиления V/V показана на рисунке 9. Диапазон выбора сопротивления обратной связи R2 схемы преобразования I/V составляет 1–10 МОм, а диапазон выбора емкости обратной связи Cf составляет 1–10 пФ. Выбранная модель операционного усилителя схемы преобразования I/V — AD820. Схема усиления V/V в 10 раз построена после схемы преобразования I/V, а выбранная модель операционного усилителя схемы усиления V/V — OP07.

Рисунок 9. Структурная схема схемы преобразования I/V и схемы усиления V/V.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик пирометров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry