3 (71), 2013 - connecting repositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3...

8
/ 43 3 (71), 2013 УДК 536.521:621.039.564.3 Поступила 08.05.2013 е. и. мАрукОВич, итм нАн Беларуси, А. П. мАркОВ, Белорусско-российский университет, е. м. ПАтук, итм нАн Беларуси, с. с. серГееВ, А. Г. стАрОВОйтОВ, Белорусско-российский университет ОПТИКО-ВОЛОКОННАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ рассматриваются современные схемотехнические реализации оптико-волоконных структур бесконтактной пиро- метрии. Modern circuitry realizations of fider-optic structures of contactless pyrometry are considered. Введение. Для придания определенных свойств изделиям и соединениям деталей используется те- пловая энергия внешнего излучателя. Как электро- магнитное излучение поглощаемая или испускае- мая изделием внутренняя энергия через процессы нагревания или охлаждения отражает простран- ство состояний и свойств всей макроскопической системы. При этом посредством некоторых тепло- вых эффектов и соответствующих физических ве- личин косвенно оцениваются процессы нагрева- ния или охлаждения различных изделий и их не- однородности. Неоднородности быстропротекающих процессов в основном обусловлены металлурги- ческими и тепловыми явлениями при формиро- вании и кристаллизации структуры металлов в зо- нах энергетического воздействия и термического влияния. Эффективность операций термодинамического воздействия определяется структурой материала и его прочностными характеристиками. Формирова- ние качественного результата воздействия связано с некоторыми пространственно-временными дейст- виями как с физико-технической, так и информацион- но-физической сторон. Особый эффект быстродей- ствующего термического воздействия проявляется в получении требуемых свойств соединения с опре- деленными его параметрами и характеристиками. В интегральной оценке соединения методами нераз- рушающего контроля определяющее значение имеет дифференцированная первичная информация по каждому параметру в пространственно-временных координатах всего процесса. Для теплового излучения энергия излучения обусловлена только температурой и воспринима- ется как тепло нагреваемого или охлаждаемого тела. В реальных условиях в излучениях тел всег- да присутствует некоторая доля отраженного излу- чения. Зависимость спектрально-энергетического распределения излучения нагретого тела подчиня- ется закону Планка. При этом интенсивность из- лучения резко возрастает при увеличении темпе- ратуры. Каждой температуре соответствует такая длина волны, для которой интенсивность излуче- ния максимальна. Произведение абсолютной тем- пературы и длины волны, для которой интенсив- ность излучения максимальна, является постоян- ной величиной [1, 2]. Особенности фазовых изменений. В любом случае излучение светящегося тела слагается из волн, которые, возбуждаясь, налагаются одна на другую и образуют испускаемую световую волну. Фаза результирующей волны претерпевает скачко- образное случайное изменение, определяемое вре- менем когерентности. Всякое нагретое тело явля- ется излучателем некогерентным. Для получения когерентного излучения поток нагретого тела раз- деляют на две части и их раздельно модулируют. И если заставить эти две волны пройти разные оптические пути, а потом наложить их, то они бу- дут интерферировать. Если в радиационной пирометрии использует- ся полное излучение нагретого тела, то в оптиче- ской и оптико-волоконной – интенсивность излу- чения определенной длины волны λ, т. е. в некото- ром интервале λ 1 λ 2 . От температуры зависит отношение интенсивностей радиации для двух различных длин волн, поскольку интенсивность для меньших длин волн изменяется с температу- Репозиторий БНТУ

Upload: others

Post on 06-Jul-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

/ 43 3 (71), 2013

УДК 536.521:621.039.564.3 Поступила 08.05.2013

е. и. мАрукОВич, итм нАн Беларуси, А. П. мАркОВ, Белорусско-российский университет, е. м. ПАтук, итм нАн Беларуси, с. с. серГееВ, А. Г. стАрОВОйтОВ, Белорусско-российский университет

ОПТИКО-ВОЛОКОННАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

рассматриваются современные схемотехнические реализации оптико-волоконных структур бесконтактной пиро-метрии.

Modern circuitry realizations of fider-optic structures of contactless pyrometry are considered.

Введение. Для придания определенных свойств изделиям и соединениям деталей используется те-пловая энергия внешнего излучателя. Как электро-магнитное излучение поглощаемая или испускае-мая изделием внутренняя энергия через процессы нагревания или охлаждения отражает простран-ство состояний и свойств всей макроскопической системы. При этом посредством некоторых тепло-вых эффектов и соответствующих физических ве-личин косвенно оцениваются процессы нагрева-ния или охлаждения различных изделий и их не-однородности. Неоднородности быстропротекающих процессов в основном обусловлены металлурги- ческими и тепловыми явлениями при формиро- вании и кристаллизации структуры металлов в зо-нах энергетического воздействия и термического влияния.

Эффективность операций термодинамического воздействия определяется структурой материала и его прочностными характеристиками. Формирова-ние качественного результата воздействия связано с некоторыми пространственно-временными дейст-виями как с физико-технической, так и информа цион-но-физической сторон. Особый эффект быстродей-ствующего термического воздействия проявляется в получении требуемых свойств соединения с опре-деленными его параметрами и характеристиками. В интегральной оценке соединения методами нераз-рушающего контроля определяющее значение имеет дифференцированная первичная информация по каждому параметру в пространственно-временных координатах всего процесса.

Для теплового излучения энергия излучения обусловлена только температурой и воспринима-

ется как тепло нагреваемого или охлаждаемого тела. В реальных условиях в излучениях тел всег-да присутствует некоторая доля отраженного излу-чения. Зависимость спектрально-энергетического распределения излучения нагретого тела подчиня-ется закону Планка. При этом интенсивность из-лучения резко возрастает при увеличении темпе-ратуры. Каждой температуре соответствует такая длина волны, для которой интенсивность излуче-ния максимальна. Произведение абсолютной тем-пературы и длины волны, для которой интенсив-ность излучения максимальна, является постоян-ной величиной [1, 2].

Особенности фазовых изменений. В любом случае излучение светящегося тела слагается из волн, которые, возбуждаясь, налагаются одна на другую и образуют испускаемую световую волну. Фаза результирующей волны претерпевает скачко-образное случайное изменение, определяемое вре-менем когерентности. Всякое нагретое тело явля-ется излучателем некогерентным. Для получения когерентного излучения поток нагретого тела раз-деляют на две части и их раздельно модулируют. И если заставить эти две волны пройти разные оптические пути, а потом наложить их, то они бу-дут интерферировать.

Если в радиационной пирометрии использует-ся полное излучение нагретого тела, то в оптиче-ской и оптико-волоконной – интенсивность излу-чения определенной длины волны λ, т. е. в некото-ром интервале λ1 – λ2. От температуры зависит отношение интенсивностей радиации для двух различных длин волн, поскольку интенсивность для меньших длин волн изменяется с температу-

Репозиторий БНТУ

Page 2: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

44 / 3 (71), 2013

рой сильнее, чем у излучения с более длинными волнами. Такая особенность сказывается на изме-нении цвета, что используется в цветовой пиро- метрии.

Информационное моделирование и инфор-ма тивные параметры. Для быстропротекающих процессов термодинамического взаимодействия ха-рактерно пространственно-временное распределе-ние теплофизических воздействий с соответствую-щими операциями, случайно распределенными информативными параметрами термодинамиче-ского влияния и зонами. При своем кратковре-менном проявлении особую сложность представ-ляет выявление функциональных зависимостей и корреляционных связей между первичными признаками (эффектами) и информативными па-раметрами.

Особую проблему составляют многопараме-тровые взаимодействия с разноуровневым слу-чайным распределением текущего состояния и свойств нагретых тел. В пассивном режиме функционирования технологическая проявляе-мость первичных факторов и информативных параметров ограничивает их информационную выявляемость в момент взаимодействия в еди-ных пространственно-временных координатах первичного отображения. В нем заложены ин-формационные особенности термодинамическо-го взаимодействия нагревателя и объекта.

Принципиальную основу формирования пер-вичного отображения о тепловом состоянии по-верхности составляет эффект ее взаимодействия с оптическим изучением. При этом физико-тех-нические свойства отображаются в некотором ин-формационном поле с соответствующими им ха-рактеристиками. Качество информационного изо-бражения поверхности в основном определяется качеством формирования первичного отображения локализованного участка, генерирующего первич-ную информацию. Информативное излучение опти-ческого изображения формируется в виде распре-деления яркости, пропорционального квадрату ам-плитуды . С появлением неко- торой эквивалентной изменчивости изменяются характер и параметры первичного отображения. На промодулированный по амплитуде световой по-ток оказывает воздействие и рассеянное на участке поверхности излучение. По закону Лам-берта этот световой поток пропорционален площа-ди элементарного участка изменчивого теплового состояния (рис. 1). Рассеянное излучение особен-но значимо для слабо отражающей поверхности. Распределение яркости е′ в первом отражении F элементарного участка описывается функцией [2]:

где х0, у0 – координаты геометрической точки со-средоточения изменчивого участка dN поверхно-сти S .

В распределении яркости е(х, у) оптического изображения заложены признаки, характеризую-щие ее тепловую изменчивость.

Однако случайный характер их распределения приводит к большому разнообразию моделей описа-ния первичных отображений. Для детерминирован-ных и случайных распределений, преимущественно встречающихся в реальных условиях, изображения представляются ограниченным числом моделей. Ма-тематическая модель изображения представляется распределением яркости в пространственных коор-динатах х и Y или в области пространственных ча-стот В ( ,x yj jω ω ). При взаимодействии с приемни-ком излучения на яркость е′(х, у) накладывается функция, вид которой определяется индикатрисой рассеянного излучения, вследствие чего изменяется контрастность теплового отображения Э .

Для стабильного состояния нагретого тела кон-трастность к0 выражается формулой:

0

( , ) ( , ) ,( , ) ( , )

E x y E x x y yKE x y E x x y y

− + ∆ + ∆=

+ + ∆ + ∆ (1)

а при тепловой изменчивости элементарного участ ка контрастность в зоне S изменится и представится в виде зависимости:

(2)

Рис. 1. Модель формирования теплового отображения на-гретой поверхности

Репозиторий БНТУ

Page 3: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

/ 45 3 (71), 2013

Изменчивость γ контрастности в этой зоне определяется соотношением 0 / HK Kγ = . Для элементарной площадки поверхности с малы- ми приращениями координат ( 0, 0x y∆ → ∆ → ) основная составляющая в выражении для кн,

( , ) ( , )H HE x y E x x y y≈ + ∆ + ∆ и изменение контра-ста примет вид

( , )1 2 .( , ) ( , )

HE x yE x y E x x y y

γ = ++ + ∆ + ∆

(3)

Из этого следует, что при тепловой изменчиво-сти изделия соответственно изменяется контраст-ность первичного отображения. Оптический кон-траст позволяет локализовать и анализировать пер-вичные признаки. Выявление этих признаков изменчивого состояния поверхности позволяет устанавливать некоторые характеристики теплово-го отображения.

На основе простейших моделей и их комби-наций описываются различные случаи формиро-вания спектрально-энергетических изображений тепловой изменчивости нагретых тел. Рассматри-вая оптическую систему формирования и прие-ма первичной информации как линейную, можно эффективно применить принцип суперпозиции. Тогда формализованный процесс взаимодейст-вия и преобразования оптической информации можно анализировать поэлементно для отдель-ной пространственно-временной операции и на выходе отображения результатов представлять сум-марным действием отдельных элементов. Струк-турно любая система представляет собой объе- динение функционально связанных оптических элементов, объединенных единой целью: визуали-зировать тепловую изменчивость нагретой поверх-ности реального изделия.

Структуризация оптической трансформа-ции информативных излучений. Значительную перспективу открывают способы спектрально-энер-гетической термометрии со спектрально окрашен-ными информативными излучениями. Их преиму-щества особо проявляются в выявляемости и визу-ализации тепловой изменчивости нагретых тел. Цветная термометрия отображает все многообра-зие изменчивых свойств нагретой поверхности.

В спектрально-энергетической взаимосвязи оптических излучений и первичных отображений более комфортно и эргономично структуризирует-ся весь процесс информационных преобразований. В визуализации как информационно-преобра зова-тельном процессе реализуются две важнейшие функции: энергетическая и информационная. Как энергия, так и информация непосредственно связа-ны со средой. И для того чтобы пространственно-

временное отображение тепловой изменчивости «высветилось» и было воспринято всей структу-рой, необходимо системное объединение всех эле-ментов с согласованием уровней сигналов предше-ствующих и последующих преобразователей и их спектральных характеристик.

Для структур контроля быстропротекающих процессов характерно пространственно-временное распределение физико-технических и информа-ционно-физических операций и соответствующих теплофизических взаимодействий (рис. 2). Эффек-тивность операций термодинамического воздей-ствия определяется структурой материала и его прочностными характеристиками. Формирование качественного результата воздействия связано с не-которыми пространственно-временными действия-ми как с физико-технической, так и информа-ционно-физической сторон. Особый эффект бы-стродействующего термического воздействия проявляется в получении требуемых свойств сое-динения с определенными его характеристиками. К таким соединениям относятся неразъемные сое-динения типа сварных. Сложность при этом пред-ставляет выявление функциональных и/или корре-ляционных зависимостей между характеристиками и информативными параметрами соединения. Од-носторонний доступ и сложности ориентирован-ного приема информативных параметров ограни-чивают применимость абсолютных методов непо-средственной оценки характеристик соединения.

Рис. 2. Физико-техническая I и информационно-физическая II структура формирования качества соединения

Репозиторий БНТУ

Page 4: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

46 / 3 (71), 2013

Поэтому более рациональной является косвенная оценка характеристик соединения по абстрактным отображениям. Путем абстрагирования свойств материального объекта через совокупные инфор-мативные параметры осуществляется переход от реального теплового процесса к его формализован-ному отображению. При этом системное объеди-нение информационно-физических преобразова-ний позволяет формализовать и весь процесс тер-модинамического воздействия.

В таком формализованном представлении эф-фективно реализуется пооперационное воздей-ствие (коррекция, стабилизация и др.) по управле-нию тепловым процессом, его прогнозированию или принятию экстремальных воздействий (в кри-тических или аварийных ситуациях).

В большинстве случаев критерий качества сое-динения накладывает жесткие ограничения на ал-горитм и метод технологического контроля. Опре-деляющим условием выбора метода и схемы фор-мирования и выявления источников первичной информации является получение ее максимума при определенных энергоинформационных пара-метрах. А относительный минимум информации должен обеспечиваться с учетом всевозможных дестабилизирующих воздействий и искажений данных о фактических параметрах, полученных принятым методом.

Двустороннее расположение источника и при-емника излучений с учетом ограниченного досту-па, уровень аппаратного и методического обеспе-чения, комфортность и эргономика ограничивают применимость радиационных, электромагнитных, электрических и других традиционных методов неразрушающего контроля при решении операци-онных задач его совершенствования. Однако при любом методе неразрушающего контроля выявле-ние источников первичной информации определя-ется чувствительностью первичного преобразова-теля, основанного на определенном физическом эффекте взаимодействия, и эффективностью вто-ричных преобразований с помехозащищенной дис-танционной передачей. Последнее условие особо значимо для сварочных процессов с характерными электромагнитными, тепловыми и другими деста-билизирующими воздействиями.

Совершенствование контроля быстродейству-ющими сварочными процессами обусловливает некоторую специфику установления обратной связи. Как сложная быстродействующая технико-эконо-мическая система сварочное производство харак-теризуется многообразием свойств и параметров, в которых сосредоточены разные источники ин-формации. Сварочный процесс представляет собой

строго предопределенную последовательность фи-зических действий и одновременно сопровождает-ся информационными операциями, характерными для каждой стадии производства.

Статистические методы контроля обеспечива-ют отработку режимов сварки и способствуют уве-личению ресурса наработки. Но из-за случайных аномальных отклонений эти методы не исключают появления брака и аварийных ситуаций. Случайно распределенные по технологическим уровням ис-точники первичной информации усложняют сбор статических данных, а с ними и функциональное диагностирование и управление качеством соеди-нений. Разрыв во времени получения первичной информации и формированием управляющего воз-действия сварочным процессом снижает эффек-тивность производства.

Для получения прогнозируемого качества свар-ных изделий необходима достоверная первичная ин-формация о реальном ходе процесса. Оперативный контроль на всех этапах производственного процесса создает предпосылки для его оптимизации. При та-кой информационной избыточности появляется не-обходимость в многофункциональном дорогостоя-щем аппаратном обеспечении. Оптимизация струк-туры и состава ограничивается выбором критерия. В структуре многокритериального алгоритма с по-следовательным приближением к заданной цели определяющим критерием качества служит проч-ность соединения. Именно она является интеграль-ной оценкой качества сварки [3, 4].

Технология сварочного производства отличает-ся большим разнообразием исходных материалов, режимов, оборудования и других составляющих. Сварочный процесс, как последовательность от-дельных операций, сопровождается адекватным информационным процессом. В таком структурно-энергетическом единстве проявляются и их специ-фические противоречия. В сварке, как энергетическом процессе, определяющими являются теплофизи-ческие и временные параметры. Они предопреде-ляют и прочностные характеристики формируемо-го при энергетическом воздействии сварного сое-динения.

С информационной стороны носителем пер-вичной информации служат аномальные отклоне-ния в распределении теплового поля свариваемого соединения, т. е. изменение тепловой энергии яв-ляется тем информативным параметром, который отражает характерные особенности формируемого соединения. Собственное тепловое излучение кон-трастного участка сварного соединения − это ре-альное отображение его физико-технических свойств. В аномальных отклонениях теплового поля прояв-

Репозиторий БНТУ

Page 5: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

/ 47 3 (71), 2013

ляются дефекты формируемого соединения, про-являемость которых отображается в их видимости. Именно тепловой контраст, как источник первич-ной информации об аномальных отклонениях в формируемом соединении, характеризуется ви-димостью. Видимость, как соотношение фактиче-ского и минимального контраста, характеризует и информационную восприимчивость технической системы. При этом минимальная обнаруживаемая разность яркостей теплового поля и фона характе-ризуется контрастной чувствительностью.

Информативное излучение передает энергию источника первичной информации. А коэффици-ент пропускания соединения зависит от свойств нагретого ядра. Коэффициент собственного излу-чения контрастного участка по закону Кирхгоффа равен коэффициенту поглощения для всех нагре-тых тел. Для серых тел коэффициент излучения не зависит от температуры и длины волны излучения. В реальных условиях информативные излучатели сварного соединения могут рассматриваться как серые источники только в ограниченном спек-тральном диапазоне длин волн ИК излучения.

Ограниченный доступ к тепловому полю ядра усложняет реализацию технологического контро-ля прямыми методами. Существенное влияние оказывают тепловые помехи окружающей среды и массогабаритные параметры чувствительных элементов первичных преобразователей. С учетом этого перспективно применение спектрально-энергетических преобразователей излучения с пе-редачей информации по защищенным каналам.

Представленная структура (рис. 3) преобразо-вания первичной информации о качестве сварного соединения включает методы прямых и косвенных оценок сообщений генерируемых источниками информации. Совокупные информативные пара-метры объединяют механические, электрические и тепловые преобразования. Сложность реализа-ции абсолютных методов и схем измерений делает более эффективными относительные контрольно-измерительные преобразования.

Традиционно более освоенными являются электрические методы и средства контроля. Пер-вичные электрические преобразователи одновре-менно выполняют функции измерительных, что упрощает схемную реализацию обратных связей для управляющей части. Однако косвенная оценка качества (прочности) по таким схемам преобразо-вания не обеспечивает требуемой достоверности из-за наводок и гальванических связей.

При жесткой пространственно-временной по-следовательности технологических операций про-цесса сварки построение информационной цепи

преобразований по контролю качества представля-ет некоторые сложности. Во-первых, вся первич-ная информация о качественном соединении со-средоточена в труднодоступном ядре. Во-вторых, на первичном уровне технологические и информа-ционные операции взаимосвязаны, что представ-ляет определенные сложности в их разграничении для исключения взаимовлияний. Эта особенность в большей мере проявляется при косвенных оцен-ках посредством механических и электрических преобразований.

Для косвенных и совокупных измерений ин-формативных параметров важное значение имеет установление фиксированного начала отсчета. От-счет, как начало информационного процесса, дол-жен обеспечивать достоверную быстродействую-щую связь операций начала сварного процесса и считывание информации о его ходе. С учетом вспомогательных воздействий (предварительное сжатие, ультразвуковая обработка и т. д.) в форми-ровании измерительной информации должны иметь место такие физические эффекты, которые позво-ляли бы четко разграничить цепь прямых и обрат-ных преобразований (обратных связей).

Современное сварочное производство и его ап-паратное обеспечение использует преимуществен-но типовые электромагнитные (индукционные), резистивные, емкостные и другие параметриче-ские преобразователи. При этом предусматривает-ся электрический выход для электронной (микро-процессорной) обработки информации. Эти пре-образователи, как и любые другие параметрические устройства, подвержены влиянию электромагнит-ных и тепловых полей, нестабильности напряже-

Рис. 3. Схема распределения информационных операций по контролю качества сварки

Репозиторий БНТУ

Page 6: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

48 / 3 (71), 2013

ния и частоты источников питания, вибраций. На метрологические характеристики таких преобра-зователей оказывают влияние случайный характер распределения геометрических размеров сварива-емых деталей, качество поверхности и недостаточ-ная (ограниченная) жесткость сварочной машины. В средствах контроля с высокоточными фотоэлек-трическими преобразователями оптические пер-вичные преобразователи и оптико-электронные средства обработки функционируют непосред-ственно в условиях работы сварочной машины, что снижает их эксплуатационные и технические достоинства.

Контроль и управление по косвенным параме-трам прочности, определяемым технологией и тех-нологическим оборудованием, не отображают фак-тического энергетического состояния процесса сварки. Это обусловлено тем, что электромагнит-ные поля, присущие таким процессам, не облада-ют аддитивными свойствами и подвержены влия-нию различных помех.

Более динамичным и достоверным в струк-турно-алгоритмической реализации является опе-рационный контроль по теплофизическому состо-янию сварного соединения, так как микрострукту-ра и пространственные размеры ядра определяются величиной внутренней тепловой энергии. Динами-ка теплового поля, формируемого в процессе сварки, функционально отражает прогнозируемую прочность и учитывает характерные особенности изменения электрических, геометрических, меха-нических и других параметров. Моделирование процесса теплового излучения, распределенного по свариваемой поверхности, более эффективно при локализации и восприятии первичной инфор-мации непосредственно в зоне сварки [4]. При этом бесконтактный съем информации не оказыва-ет обратного воздействия преобразователя на те-плофизические характеристики информационного поля. Характерная связь теплофизических воздей-ствий и прочностных характеристик проявляется в диаграмме микроструктурных преобразований и формирования сварного соединения.

По быстродействию и помехозащищенности информационные операции, реализованные в ИК излучении, превосходят более инерционные те-пловые процессы, что создает принципиальные возможности контроля и управления контактной сваркой в реальном времени. Из-за специфичности температуропроводности нагреваемых деталей фор-мирование теплового поля четко обусловливает два характерных этапа. Вследствие различия фор-мирования теплового поля приэлектродной и око-лошовной зонах появляется некоторое время за-

паздывания, отличное от времени сварки. Однако на информативное ИК излучение влияет как повы-шение температуры околошовной зоны, так и уве-личение ее площади.

При выборе алгоритма, критерия и структуры важное значение имеет обеспечение достоверного соответствия совокупности физических свойств и признаков термодинамического процесса и фор-мализованной совокупности информативных сиг-налов. При этом оптика используется для форми-рования и разделения информативного излучения нагретого тела по многоканальным схемам, а опто-электроника и электротехника − для преобразова-ния и трансформации. В способах фотоэмиссион-ной пирометрии [5] излучение нагретой поверхно-сти с помощью формирующей оптики направлен-но воздействует на фотокатод ФЭУ, используемый в качестве фотоприемника. При некотором схемо-техническом усложнении фотоэмисcионная пиро-метрия отличается улучшенной метрологией и по-вышенной чувствительностью в помеховой обста-новке производственных условий.

В структурах с пространственно разделенной обработкой информативных излучений оценивает-ся распределение температуры в тепловом отобра-жении состояния нагретой поверхности. Путем вычисления температуры в каждом фрагменте ото-бражения на основе соотношения интенсивностей излучения в каждой паре смежных фрагментов на-ходится действительная температура. При этом яркости первого и второго фрагментов отображе-ния получены из соответствующих излучений для λ1 и λ2 длины волны [6]. На основе полученных зависимостей по соотношению интенсивностей рассчитывается пошагово действительная темпе-ратура распределения по поверхности нагретого тела. Все расчетные данные для каждого шага и каждого фрагмента «запоминаются» и при необ-ходимости распределение поверхностной темпе-ратуры нагретого тела показывается в определен-ных различных цветах.

В таком способе и устройствах простран-ственно-временное разделение информативного отображения и спектрально-энергетической обра-ботки существенно сказывается на быстродей-ствии и достоверности контроля.

Более эффективно пространственно-распреде-ленное восприятие и обработка первичных ото-бражений нагретого тела реализуется способами и средствами волоконной оптики.

Оптико-волоконные способы термометрии строятся на основе различных схемотехнических реализаций процесса трансформации восприни-маемого информативного излучения участка на-

Репозиторий БНТУ

Page 7: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

/ 49 3 (71), 2013

гретого тела. За счет преимуществ технологий во-локонной оптики более эффективно реализуются операции каналирования, направления и согласо-вания лучистых потоков.

Оптико-волоконная термометрия обеспечивает дистанционно-ориентированное восприятие ин-формативного излучения участка нагретой поверх-ности и дифференцированное сопоставление ин-тенсивностей на разных длинах волн, входящих в спектр излучения нагретого тела. По соотноше-нию этих интенсивностей определяется фактиче-ская температура.

В схемной реализации оптико-волоконной термо-метрии излучение нагретой поверхности с помощью волоконно-оптических адаптеров воспринимается и каналируется по локальным световодам. Выходы этих световодов объединяются в жгут, оптически связанный с коммутатором и блоком оптико-элект-ронной обработки, где осуществляются хранение, документирование и отображение результатов.

Исключительные возможности каналирования и смешивания элементарных лучистых потоков с помощью помехозащищенных светопроводящих сред создают колоссальные схемотехнические и информационные преимущества способам дис-танционной оптико-волоконной термометрии.

Однако при сравнительной помехозащищенно-сти и быстродействии такие способы прямого де-тектирования не отличаются улучшенными ин-формационными метрологическими показателями и требуют своего совершенствования.

Нелинейная зависимость и неопределенность в оценке излучательной способности поверхности в таких способах и устройствах прямых измере-ний температуры ограничивают достоверность и сужают диапазон, в том числе и динамический. Измерение температуры по методу двух, а также путем ограничения спектральной чувствительно-сти узким интервалом длин волн радикально не решает задачу повышения достоверности и точно-сти дистанционной оценки теплового состояния нагретой поверхности.

В известном способе дистанционного измерения температуры нагретой поверхности оптическая си-стема ориентированно и одновременно взаимодей-ствует с нагретой поверхностью и отражающими по-

верхностями образцов со слабой и сильной излуча-тельной способностью. Измерительная информация при этом формируется по соотношению спектрально-энергетических параметров излучения измеритель-ного и опорного излучателей в момент сканирования с последующим световодным каналированием, рас-пределением, преобразованием и оптико-электрон-ной обработкой в реальных пространственно-вре-менных параметрах [7, 8].

С помощью оптических моноволокон реализу-ется спектрально-энергетическое смешение и рас-пределение лучистых потоков, обеспечивая улуч-шенные информационно-метрологические харак-теристики дистанционной термометрии, в том числе и труднодоступных участков внутренних поверхностей.

По оптическим волокнам, сформированным в жгуты, излучение нагретой поверхности смеши-вается в световодном кол лекторе с опорным излу-чением поверхности с большим коэффициентом излучательной спо собности и отражательной по-верхности с малым коэффициентом излучательной способности в другом коллекторе-излучателе. При этом измеряется интенсив ность излучения контро-лируемой поверхности и отраженное излучение от поверхностей других с контрастной отражатель-ной способностью. По соотношению этих кон-трастных излучений, смешанных в коллекторах-излучателях, и информа тивного излучения жгута сигналы соответствующих выходов фотоприемни-ков обрабатываются в блоке первичной обработки. По результатам обработки идентифицируют изме-ряемую температуру.

В системной совокупности информационно-преобразовательных операций и световодных ка-налирующих, направляющих и смеши вающих лу-чистые потоки от контролируемой поверхности и опорных отражающих поверхностей с большим различием в излучательной способности поверх-ностей устройств улучша ются метрологические возможности и эргономика контроля (за счет дис-танцирования оператора и приемника непосред-ственно от нагретой поверхности). Такая особен-ность весьма значима для дистанционной термо-метрии быстропротекающих процессов нагрева-ния и охлаждения.

Литература

1. Г у с е в Г. В. Измерение высоких температур в промышленности бесконтактными термометрами (пирометрами излуче-ния) / Г. В. Гусев, В. Г. Хазаров // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. № 5. С. 47–51.

2. Измерения в промышленности: Справ. изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. П. Профоса. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия, 1990.

3. К л ю е в В. В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справ. / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, В. Н. Филинов и др. М.: Машиностроение, 1995.

Репозиторий БНТУ

Page 8: 3 (71), 2013 - COnnecting REpositories › download › pdf › 39686585.pdf · 2016-06-14 · 3 (71), 2013 рой сильнее, чем у излучения с более длинными

50 / 3 (71), 2013

4. Экспериментальный образец системы многопараметрического контроля дуговой сварки по электрическим параметрам дуги и тепловым параметрам околошовной зоны / Гос. науч. учрежд. «Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Белару-си // Приложение.

5. Пат. BY 10993. Фотоэмиссионный пирометр для измерения температуры поверхности нагретого тела. Заявка а20050749 от 21.07.2005.

6. Пат. US 6814484. Метод и устройство для исследования распределения температуры. Заявка 10/184957 от 01.07.2002. 7. Пат. BY 13276 С1. Способ дистанционного измерения температуры нагретой поверхности и устройство для его осущест-

вления. Заявка а20080389 от 30.06.2010.8. Пат. RU 2382340. Способ дистанционного измерения температуры и устройство для его осуществления. Заявка

№ 2008/28047/28 от 09.07.2008.

Уважаемые господа!Ежеквартальный научно-производственный журнал «Литье и металлургия» является

уникальным для Беларуси изданием, поскольку он единственный, издаваемый на ее тер-ритории, профессиональный журнал для литейщиков, металлургов и материаловедов.

Главный редактор журнала «Литье и металлургия» – Председатель Совета Ассоциации литейщиков и металлургов РБ, Лауреат Госпремии РБ, д-р техн. наук, профессор, заве-дующий кафедрой «Машины и технология литейного производства» БНТУ Кукуй Давыд Михайлович.

На его страницах опубликованы сотни научно-технических статей в области литейного производства и металлургии и смежных с ними отраслей, что способствует подготовке специалистов высшей квалификации, в том числе и новых руководителей производствен-ных подразделений. Журнал читается не только в Республике Беларусь, России, Украине, но и более чем в 20 странах мира. В течение последних пяти лет он признается одним из лучших в Европе специализированных изданий.

Редакция журнала связана тесными узами с европейскими, российскими и украин-скими литейными и металлургическими изданиями, печатает лучшее и актуальное над чем работают наши соседи по европейскому дому.

В период проведения Международной научно-технической конференции и выставки «Литейное производство и металлургия 2013. Беларусь» (23–25 октября) издается специ-альный выпуск журнала «Литье и металлургия», которые выдается всем делегатам конфе-ренции и выставки.

На основании вышеизложенного редакция журнала приглашает Ваше предприятие разместить свои рекламные материалы на страницах нашего журнала.

С прайс-листом Вы можете ознакомиться на нашем сайте www.limrb.by

С уважением и надеждойна плодотворное сотрудничество,

Пр-т Независимости, 65, г. Минск, 220013, Беларусьтел.(017)292–74–75, тел/факс (017) 331–11–16

факс (017) 292–50–60e-mail: [email protected]

Репозиторий БНТУ