Разработка пирометра, измеряющего истинное температурное поле двумерной решетки ЧАСТЬ 2

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой пирометров (ИК термометров), а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

3.2.3 Высокоскоростная система сбора данных

Пирометр с двумерной матрицей должен собирать информацию о температурном поле двумерной матрицы, включая десять целей, и каждая цель содержит шесть каналов. Каждый канал должен собирать двухступенчатые данные о напряжении (контур преобразования I/V и контур усиления V/V) одновременно, поэтому он должен удовлетворять требованию сбора 120 каналов сигналов одновременно. Максимальная скорость одного канала должна достигать 100 кГц в процессе сбора данных.

В этой работе две карты сбора данных USB5630 используются для создания высокоскоростной системы сбора данных. Одна карта сбора данных USB5630 имеет 64 доступных канала, и здесь мы используем метод 64 односторонних аналоговых входов. Максимальный диапазон напряжения сбора может быть ±10 В, ±5 В, ±2,5 В, 0~10 В и 0~5 В (здесь мы используем ±10 В), а скорость сбора одного канала может достигать 500 кГц. Здесь выборка мультиплексирована. Разрешение АЦП составляет 16 бит, а разрешение напряжения может быть 1216− 1∗ 20 В ≈ 1216−1∗20 В ≈0,3 мВ здесь. USB или Ethernet могут быть выбраны для передачи данных сбора для достижения функции сбора, хранения и обработки данных. В этой работе принята передача Ethernet, а максимальная скорость передачи составляет 100 Мбит/с.

Физическое изображение карты сбора данных USB5630 показано на рисунке 10 .

Рисунок 10. Физическое изображение карты сбора данных USB5630, ( а ) снаружи и ( б ) внутри.

3.3 Проектирование программной части

Программная часть использует Visual Studio 2015 в качестве платформы и C# в качестве языка программирования для разработки программного обеспечения. Все эксперименты в этой статье используют одну и ту же компьютерную среду: Intel (R) Core (TM) i7-7700Hp @ 2.80 GHz.

Основная цель программной системы — получение данных о напряжении, полученных картой сбора данных, и обработка данных для получения истинных температур цели в разное время. Программная часть в основном состоит из калибровки пирометра, сбора данных и обработки данных. Блок-схема программной части показана на рисунке 11 .

Рисунок 11. Блок-схема программной части.

Программная часть в основном включает три функции:

(1) Калибровка пирометра: В процессе калибровки вызывается база данных ACCESS для реализации хранения данных температур калибровки. Происходит процесс вызова основных операций ACCESS, таких как создание, проектирование, подключение, изменение в реальном времени, отключение, закрытие базы данных и т. д. Изменение базы данных в реальном времени включает в себя вставку, обновление, удаление, запрос и другие операции.

(2) Сбор данных: Когда высокоскоростная система сбора данных собирает данные, ей необходимо перенести данные о напряжении в буферной области в файл txt для хранения, чтобы предотвратить их перезапись следующими данными. Процесс внедрения включает создание, сохранение, изменение, удаление, выход и другие операции файла txt.

(3) Обработка данных: В процессе обработки данных из рассчитанных данных о напряжении и собранных данных о напряжении получается информация об эквиваленте энергии, а затем истинная температура двумерной целевого массива рассчитывается методом вторичного измерения.

4. Калибровка

Процедура калибровки следующая:

(1) Закройте крышку объектива пирометра;

(2) Возьмите 500 выборок данных выходного напряжения, возьмите среднее значение и получите нулевое напряжение;

(3) Откройте крышку объектива и направьте пирометр на окно высокотемпературной печи черного тела, в которой температура высокотемпературного черного тела измеряется стандартным пирометром;

(4) Когда температура постоянна, запишите значение выходного напряжения и вычтите нулевое напряжение;

(5) Запишите данные выходного напряжения (после вычитания нулевого напряжения) и измеренной температуры в ACCESS.

Сцена калибровки поля показана на рисунке 12. При вызове данных напряжения калибровки сначала вызываются данные второго этапа. Когда данные второго этапа превышают 9900 мВ, они рассматриваются как данные насыщения, а затем вызываются данные первого этапа. Благодаря процессу, упомянутому выше, пирометр может получить кривую напряжения в зависимости от температуры и сохранить параметры подгонки.

Рисунок 12. Полевая калибровка.

5. Неопределенность

Неопределенность двумерного матричного пирометра получается путем трехчастного синтеза: неопределенность схемы, неопределенность калибровки и неопределенность истинной температурной конструкции.

5.1 Неопределенность схемы

Неопределенность схемы в основном обусловлена температурным дрейфом и шумом кремниевого фотоэлектрического детектора, шумом схемы преобразования I/V и шумом схемы усиления V/V.

5.1.1 Неопределенность кремниевого фотоэлектрического детектора

Уравнение для расчета дрейфа кремниевого фотоэлектрического детектора составляет ± 0,10 %.

Шум кремниевого фотоэлектрического детектора в основном обусловлен дробовым шумом и тепловым шумом [ 18 , 20 ].

Дробовой шум генерируется случайным током PN-перехода кремниевого фотоэлектрического детектора и оценивается в соответствии сяэтцс=2qIсΔ ф √яэтцс=2qIсΔф(где q — электрический заряд1.6 ∗10− 191.6∗10−19C, рабочая полоса пропускания диода Δ фΔф= 1 МГц, ияс=10− 7Аяс=10−7А).

Тепловой шум генерируется свободным тепловым движением электронов кремниевого фотоэлектрического детектора и рассчитывается по формуле яэтзр=4 КТ Δ фРш √яэтзр=4КТΔфРш(где K — постоянная Больцмана, аРш=109Рш=109сопротивление байпаса).

Таким образом, неопределенность шума равна ≈ 0,17 %.

Неопределенность кремниевого фотоэлектрического детектора составляет ≈0.20%.

5.1.2 Неопределенность схемы преобразования I/V и схемы усиления V/V

Неопределенность схемы преобразования I/V основана на AD820, а ее температурный дрейф рассчитывается по формулетышт. 1= [ΔеосΔ Т(Рф1+РшРф1Рш) +ΔябΔ Т]Δ Тястыеа1=[ΔеосΔТ(Рф1+РшРф1Рш)+ΔябΔТ]ΔТяс (гдеΔеосΔ Т= 2 мкV/KΔеосΔТ=2μВ/Кдрейф напряжения при изменении температуры на 1 К, дрейф тока равенΔIбΔ Т= 2 пА / КΔябΔТ=2пА/К, а сопротивление обратной связи усилителя первого каскада Рф1= 10 МОм Рф1=10 МОм. Когдаяс=10− 8Аяс=10−8АиРш=109ОмРш=109Ом,тышт. 1≈ 0,04 %тые1≈0,04%.Неопределенность схемы усиления V/V основана на OP07, а ее температурный дрейф рассчитывается по формулетыеа 2= [ΔеосΔ Т(Рф2+Р2Рф2) +ΔябΔ ТР2]Δ ТВстыеа2=[ΔеосΔТ(Рф2+Р2Рф2)+ΔябΔТР2]ΔТVс где входное сопротивление второго каскада равно Р2= 50 кОм, входное напряжение равно Вс= 5 мВ, а сопротивление обратной связи равноРф2= 500 кОм Когда ΔеосΔ Т=1.3μV/KΔеосΔТ=1.3μВ/Ки неопределённость  ≈ 0,057 %.

По данным технического специалиста компании ART, неопределенность USB5630 составляет ОБЪЯВЛЕНИЕ=0.1%. В заключение, общая неопределенность схемы составляет ≈0,23%.

5.2 Неопределенность калибровки

Коэффициент излучения высокотемпературной печи черного тела в калибровочном эксперименте составляет 0,990. Отклонение температуры составляет менее 2 К. [ 18 ] В процессе калибровки используются стандартный пирометр и полостная печь черного тела, а погрешность квантования не превышает 0,3%. [ 21 ]

По результатам калибровки неопределенность калибровки составляет uс= 1,00 % 

5.3 Неопределенность истинной температурной конструкции

В этой работе метод, используемый при построении истинной температуры, является вторичным методом измерения. Согласно ссылке, неопределенность построения истинной температуры составляет =1,00%.

5.4. Комбинированная неопределенность

Все причины неопределенности, проанализированные выше, суммируются в квадратуре, что приводит к объединенной неопределенности двумерного матричного пирометра, составляющей ≈1.43%.

6. Фактический измерительный эксперимент

Двумерный пирометр с матрицей, разработанный в этой работе, используется для проведения фактического измерительного эксперимента на высокотемпературной печи. Температура высокотемпературной печи установлена на 1273 К. Сцена фактического измерительного эксперимента показана на рисунке 13. Данные двумерной мишени с матрицей (высокотемпературная печь) состоят из данных в общей сложности 100 целевых точек с десятью продольными осями (target1–target10) в десяти временных точках. Десять временных точек (time1–time10) составляют 49,46, 49,49, 49,53, 49,58, 49,61, 49,65, 49,68, 49,71, 49,75 и 49,81 с после начала измерения. Энергетический эквивалент, измеренный пирометром, показан на рисунке 14 . Истинная температура рассчитывается программной частью, а результаты измерения истинной температуры двумерной матрицы показаны в Таблице 2. Время работы двумерного матриценого пирометра при истинной температуре показано в Таблице 3 .

Рисунок 13. Фактический эксперимент по измерению.

Рисунок 14. Энергетический эквивалент высокотемпературной печи (a–j) соответственно для target1–target10.

Таблица 2. Результаты измерения истинной температуры

Таблица 3. Истинное время работы при заданной температуре (https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2888#table_body_display_applsci-10-02888-t003) 

Из таблицы 2 видно, что погрешность двумерного матричного пирометра может достигать 1,43%.

В этой статье программная часть обработки данных использует многопоточную параллельную обработку. 100 процессов истинной температуры выполняются одновременно. Таким образом, максимальное значение времени работы в Таблице 3 представляет собой общее время, необходимое для процесса истинной температуры двумерного матричного пирометра, которое составляет 304,769 мс, в то время как общее время истинной температуры 100 целевых точек с однопоточным методом составляет 1330,220 мс. Время, используемое многопоточным методом, на 77% меньше, чем время, используемое однопоточным методом. Кроме того, двумерный матричный пирометр может напрямую сканировать и измерять истинную температуру двумерной цели массива без сложных операций позиционирования, что значительно упрощает работу и повышает практичность двумерного матричного пирометра.

7. Выводы

Неопределенность двумерного пирометра с матрицей, разработанного в данной статье, составляет 1,43%. Пирометр использует комбинацию сканирования с несколькими целями и вращения зеркала для достижения быстрого получения данных двумерного массива. Во время получения данных пирометр не нужно перемещать. По сравнению с обычными одноцелевыми и многоцелевыми пирометрами рабочий процесс значительно упрощен. В то же время двумерный пирометр с матрицей использует многопоточную параллельную обработку, а время работы с истинной температурой сокращается на 77% по сравнению с однопоточным, что повышает эффективность работы программного обеспечения.

Вклады авторов

Концептуализация и написание — подготовка первоначального проекта, BS; методология, BS; программное обеспечение, BS; валидация, XS и JD; визуализация, ML и SC; получение финансирования, XS 

Финансирование

Данное исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC), номер гранта 61875046.

Ссылки

1. Cao, G.; Weber, S.; Martin, S.; Sridharan, K.; Anderson, M.; Allen, T. Спектральная излучательная способность сплавов-кандидатов для реакторов с очень высокой температурой в среде воздуха высокой температуры. J. Nucl. Mater. 2013 , 441 , 667–673. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

2. Jani, MA Измерение температуры материала с использованием бесконтактного метода. В Advanced Materials: Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications ; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, 2016; стр. 357–362. [ Google Scholar ]

3. Эсен, М.; Юксель, Т. Экспериментальная оценка использования различных возобновляемых источников энергии для отопления теплицы. Energy Build. 2013 , 65 , 340–351. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

4. Хан, MA; Аллеманд, C.; Игар, TW Бесконтактное измерение температуры. ii. Методы, основанные на наименьших квадратах. Rev. Sci. Instrum. 1991 , 62 , 403–409. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

5. Hagqvist, P.; Sikstrm, F.; Christiansson, A.-K.; Lennartson, B. Спектральная пирометрия с компенсацией излучательной способности и анализ чувствительности. Meas. Sci. Technol. 2014 , 25 , 025011. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

6. Xing, J.; Cui, S.; Qi, W.; Zhang, F.; Sun, X.; Sun, W. Алгоритм обработки данных для многоволновой пирометрии, который не требует предварительного предположения модели излучательной способности. Measurement 2015 , 67 , 92–98. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

7. Wang, H.; Chen, D.; Wang, G.; Long, Y.; Luo, J.; Liu, L.; Yang, Q. Технология измерения излучательной способности материалов в условиях высокотемпературного динамического нагрева. Measurement 2013 , 46 , 4023–4031. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

8. Fu, T.; Tan, P.; Pang, C.; Zhao, H.; Shen, Y. Быстрый волоконно-оптический многоволновой пирометр. Rev. Sci. Instrum. 2011 , 82 , 064902. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]

9. Fu, T.; Liu, J.; Duan, M.; Zong, A. Измерения температуры с использованием многоцветной пирометрии в средах с тепловым излучением. Rev. Sci. Instrum. 2014 , 85 , 044901. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ] [ Green Version ]

10. Гарднер, Дж.; Джонс, Т.; Дэвис, М. Шестиволновой радиационный пирометр. High Temp. High Press. 1981 , 13 , 459–466. [ Google Scholar ]

11. Hiernaut, J.-P.; Beukers, R.; Heinz, W.; Selfslag, R.; Hoch, M.; Ohse, R. Субмиллисекундный шестиволновой пирометр для высокотемпературных измерений в диапазоне от 2000 до 5000 К. Высокая температура. Высокое давление . 1986, 18, 617–625. [Google Scholar]

12. Радоуски, Х.; Митчелл, А. Быстрый УФ/видимый пирометр для измерения ударной температуры до 20 000 К. Rev. Sci. Instrum. 1989 , 60 , 3707–3710. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

13. Левендис, YA; Эстрада, KR; Хоттел, HC Разработка многоцветных пирометров для контроля переходного отклика горящих углеродистых частиц. Rev. Sci. Instrum. 1992 , 63 , 3608–3622. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

14. Ng, D.; Fralick, G. Использование многоволнового пирометра в нескольких аэрокосмических приложениях с повышенными температурами. Rev. Sci. Instrum. 2001 , 72 , 1522–1530. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ Green Version ]

15. Liang, M.; Sun, BJ; Sun, XG; Xie, JY; Yu, C. Разработка нового волоконно-оптического многоцелевого многоспектрального пирометра для достижимого истинного измерения температуры струи твердотопливного ракетного двигателя. Measurement 2017 , 95 , 239–245. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

16. Юань, Г.; Фань, З.; Сан, Х.; Дай, Дж. Метод приближения, основанный на яркостной температуре для многоспектрального термометра, в: Международный симпозиум по приборостроению и технологиям. Int. Soc. Opt. Photonics 2008 , 713309. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

17. Дай, Дж.; Сан, XG; Лу, XD; Конг, Д. Теория и практика многоспектральной термометрии ; Издательство высшего образования: Пекин, Китай, 2002; стр. 75. [ Google Scholar ]

18. Sun, XG; Yuan, GB; Dai, JM; Chu, ZX Метод обработки данных многоволнового пирометра для непрерывных измерений температуры. Int. J. Thermophys. 2005 , 26 , 1255–1261. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]

19. Hamamatsu. Технический паспорт S1336-5BK[DB/OL]. Доступно онлайн: http://www.hamamatsu.com.cn/product/17583.html (дата обращения: 5 марта 2019 г.).

20. Sun, X.; Zhao, W.; Yuan, G.; Dai, J. Методы обработки данных в многоволновой термометрии. J. Harbin Inst. Technol. 2006 , 13 , 421–426. [ Google Scholar ]

21. Sun, K.; Sun, X.; Yu, X. Разработка многоспектрального термометра для измерения истинной температуры пламени взрыва. Spectrosc. Spectr. Anal. 2013 , 33 , 1719. [ Go

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