способ определения температуры, коэффициента излучения и среднего диаметра частиц дисперсной среды

Формула изобретения

1. Способ определения температуры, коэффициента излучения и среднего диаметра частиц дисперсной среды, включающий регистрацию сигналов u_i, пропорциональных яркости излучения b_i среды на множестве длин волн _i, определение предварительного значения температуры Т среды, определение предварительного значения коэффициента излучения ( _i) по нескольким формулам, выбор формулы ( _i) путем сравнения сигналов пирометра u_i= ·b_i, с сигналами u* _i, ожидаемыми на основании принимаемого коэффициента излучения, и расчет искомой температуры с учетом величины коэффициента излучения, отличающийся тем, что значения коэффициента излучения предварительно рассчитывают по теории Ми в виде зависимостей _j( ) для нескольких значений среднего диаметра частиц d _j, включающих ожидаемое значение d_o , с шагом, не превышающим величину допустимой погрешности определения диаметра, по виду зависимости _j( ), рассчитанной для d_o, выбирают два участка спектра ( _а и _b) с одинаковыми коэффициентами излучения и по сигналам пирометра на выбранных длинах волн методом пирометрии спектрального отношения определяют предварительное значение температуры среды Т_п, для каждой зависимости _j( ) рассчитывают ожидаемые сигналы пирометра u* _j( ) по предварительной температуре и коэффициенту _j( ), определяют вид зависимости , выбирают такой номер j, при котором зависимость K _j( ) аппроксимируется моделью минимального порядка при заданной погрешности аппроксимации, определяют коэффициент излучения среды как произведение K_j( )* _j( ), истинную температуру, используя закон Вина-Планка и произведение выбранных зависимостей _j( )*K_j( ), а средний диаметр частиц d_cp считают равным тому, что был использован при расчете выбранной зависимости _j( ).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения точности определения величин Т, и d_cp все действия повторяют как цикл, используя в качестве ожидаемого диаметра частиц величину d_cp из предыдущего цикла.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при наличии в дисперсной среде излучающего или поглощающего газа, величины _а и _b выбирают за пределами спектральных полос излучения этого газа, а температуру газа оценивают по яркости и коэффициенту излучения на длинах волн, расположенных внутри этих спектральных полос.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к пирометрии излучения, и предназначено для измерения параметров дисперсных (мутных) сред, в частности, твердых частиц и капель жидкости в энергетических установках, при производстве новых материалов и нанесении покрытий.

Известны способы получения информации о коэффициенте излучения исследуемого объекта, основанные на нелинейных преобразованиях сигналов пирометра, полученных для нескольких длин волн теплового излучения объекта [1]. Они заключаются в получении электрических сигналов, пропорциональных яркости теплового излучения объекта в нескольких участках спектра, преобразовании полученных сигналов таким образом, что результат становится однозначной функцией коэффициента излучения, и определении этого коэффициента для выбранных участков спектра. В частности, преобразованиям могут быть подвергнуты условные температуры [2].

Недостатками этих способов, в случае применения к дисперсным средам, являются наложение ограничений на значения используемых длин волн и высокие требования к точности температурных измерений, влияющих на погрешность определения коэффициента излучения. Кроме того, определение вида зависимости ( ) этими способами проблематично, поскольку для этого используется ограниченное количество довольно широких спектральных интервалов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ измерения температуры и коэффициента излучения поверхности [3, прототип]. Он включает регистрацию пирометром яркости излучения объекта b _i на нескольких длинах волн _i, определение предварительного значения температуры Т_п объекта с помощью закона Вина-Планка в предположении, что объект является абсолютно черным телом, расчет по величинам Т_п и b _i значений коэффициента излучения объекта _i, аппроксимацию ( ) несколькими зависимостями, расчет ожидаемых сигналов пирометра для каждой аппроксимирующей зависимости, выбор зависимости ( ), для которой сумма квадратов разностей минимальна, определение с учетом выбранной зависимости уточненного значения температуры и коэффициента излучения. В случае, когда материал поверхности известен, предусмотрен выбор величины из банка данных.

Недостатком этого способа является существенная погрешность определения температуры и невозможность определения вида зависимости ( ) в случае его применения для дисперсных сред. Причина в том, что спектр излучения дисперсной среды, в результате рассеяния излучения на частицах, существенно отличается от спектра абсолютно черного тела: может содержать несколько экстремумов [4] и не являться гладкой кривой [5]. Поэтому получить вид зависимости ( ) путем аппроксимации нескольких экспериментально полученных значений _i в принципе невозможно, а определение уточненного значения температуры по неправильно определенной зависимости ( ) теряет смысл. Результат определения предварительного значения температуры в предположении, что объект является абсолютно черным телом, будет неверным, так как неверно предположение. В результате описанный способ оказывается неприемлемым для диагностики дисперсных сред. Кроме того, способ-прототип не позволяет измерять средний размер частиц среды, а в случае определения температуры с использованием значений из банка данных оставляет открытым вопрос определения .

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа, обеспечивающего возможность комплексной диагностики дисперсной среды за счет определения трех взаимосвязанных параметров: температуры, коэффициента излучения и среднего размера частиц.

Предлагаемый способ определения температуры, коэффициента излучения и среднего диаметра частиц дисперсной среды включает: регистрацию пирометром сигналов u_i, пропорциональных яркости излучения b_i дисперсной среды на множестве длин волн _i, расчет вида зависимости коэффициента излучения _j( ) по теории Ми для нескольких значений среднего диаметра частиц d_j, включающих ожидаемое значение, с шагом, не превышающим величину допустимой погрешности определения диаметра частиц, выбор по виду зависимости _j( ) двух длин волн _a и _b с одинаковыми коэффициентами излучения, определение предварительного значения температуры среды Т _п методом пирометрии спектрального отношения по сигналам пирометра u( _a), u( _b), расчет по предварительным значениям Т_п и _j( ) для каждого диаметра d_j множества ожидаемых сигналов пирометра соответствующего множеству длин волн _i, определение вида зависимости , выбор такого номера диаметра j, при котором зависимость K_j( ) аппроксимируется моделью минимального порядка при заданной погрешности аппроксимации, определение по выбранному номеру j среднего диаметра частиц d_ср=d _j, поправки к предварительному значению температуры по отношению _j( _a)/ _j( _b), коэффициента излучения среды ( ) как произведения _j( )·K_j( ).

Предложенное техническое решение, прежде всего, отличается от прототипа способом определения вида зависимости ( ), при котором основные закономерности этой зависимости учитываются расчетным путем, аппроксимируются не экспериментальные данные u_j( ), а их отличие от расчетных К_j( ) - в качестве критерия отбора подходящей зависимости ( ) используется порядок аппроксимирующей функции.

Благодаря расчетному определению вида ( ) удается установить зависимость между , и d, то есть извлечь информацию о размере частиц из экспериментальных данных о яркости излучения. Аппроксимация отличий экспериментальных данных от расчетных, вместо аппроксимации самих экспериментальных данных, исключает из способа некорректную операцию восстановления сложной функции ( ) по ограниченному количеству экспериментальных точек и повышает точность определения зависимости ( ). Критерий «минимальный порядок модели» позволяет отобрать функции с одинаковым расположением экстремумов, без чего определение размера частиц было бы невозможным.

Описанный порядок взаимосвязанных действий позволяет использовать результаты определения одного параметра для повышения точности определения другого: расчет ( ) по ожидаемому диаметру частиц позволяет выбрать подходящие длины волн для измерения температуры, используя данные о температуре и яркости, корректируют вид зависимости ( ), по виду этой зависимости уточняют диаметр частиц. Возможно повторение этого цикла для повышения точности конечных результатов.

Предложенный способ осуществляется с помощью многоканального пирометра собственной разработки, калибруемого по эталонной температурной лампе СИ 10-300.

Способ применяется в лабораторных условиях для диагностики продуктов сгорания.

Источники информации

1. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. - 296 с.

2. Авторское свидетельство 476464 (СССР).

3. Патент 2083961 (Россия), прототип.

4. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 332 с.

5. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978. - 400 с.