РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ І АНАЛІЗ ФАКТОРІВ, ЯКІ СПРИЧИНЮЮТЬ МЕТОДИЧНУ ПОХИБКУ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ЗА ВИПРОМІНЕННЯМ ПОВЕРХНІ ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ОБЕРТОВИХ ОБ?ЄКТІВ
В даному розділі проведено дослідження і аналіз факторів, які впливають на точність вимірювання температури за випроміненням великогабаритного об'єкту та визначають методичну похибку вимірювання.
Розглянуті можливі способи визначення розглянутих впливних факторів з врахуванням специфіки застосування пірометра та сформульовані вимоги до способу одночасного їх визначення.
Оцінено значення методичної похибки, спричиненої дією впливних факторів на потік випромінення від досліджуваного об'єкта.
В зв'язку з тим, що найбільш проблематичним є вимірювання температури поверхні великогабаритних об'єктів типу обертових печей, то в подальшому робиться наголос саме на вимірювання температури об'єктів на зразок обертових печей.
2.1. Фактори, які спричинюють методичну похибку вимірювання температури за випроміненням
Функціональна залежність густини потоку випромінення об'єкта від температури його поверхні визначається законом Планка, [14]. Необхідно відмітити, що формула Планка справедлива для вакууму. При випроміненні тіла в середовищі з коефіцієнтом заломлення n швидкість світла, а відповідно і довжина хвилі будуть змінюватися відповідно в n разів. В додатку А представлені розрахунки значень спектральної густини потоку випромінення для температур від -20 до 470 °С. Розрахунки проведені за допомогою програми MathCad 2000 Professional за формулою Планка для середовища (2.1), яким є шар повітря з коефіцієнтом заломлення n = 1,00028, [23]:
, (2.1)
де С1=3,7417749 10-16 Вт?м2 ; С2=0,01438769 мК, [54]; ?1 - ?2 - інтервал довжин хвиль, розрахунки проводились в спектральному інтервалі 8-14 мкм.
В умовах виробництва при вимірюванні температури пірометром на потік випромінення ділянки поверхні ОП діє ряд факторів, представлених на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема дії на потік випромінення ділянки поверхні ОП, який сприймається пірометром, впливних факторів: 1 -великогабаритний об'єкт дослідження з коефіцієнтом випромінення поверхні ?; 2 - пірометр випромінення; 3 - сторонні об'єкти, які створюють фонове випромінення; 4 - проміжне середовище між ОП та пірометром; 5 - потік випромінення від ОП; 6 - потік відбитого від ОП фонового випромінення; 7 - власне випромінення проміжного середовища.
На основі принципу дії пірометра та особливостей вимірювання температури за випроміненням поверхні ОП в умовах виробництва, можна виділити фактори, які спричинюють виникнення методичної похибки вимірювання температури випромінення поверхні ОП:
* залежність потоку випромінення обертової печі від коефіцієнта випромінення поверхні;
* вплив на потік випромінення поверхні ОД відбитого фонового випромінення сторонніх об'єктів, таких як Сонце, оточуючі будівлі та встановлені паралельно обертові цементні печі;
* вплив на потік випромінення від ОД проміжного середовища, зокрема навколоземного шару атмосфери з присутніми в ньому домішками у вигляді часточок промислового пилу та атмосферних опадів.
В нормативній документації до пірометрів надається перелік умов, розглянутих в розділі 1, дотримання яких дозволяє в тій чи іншій мірі зменшити методичну похибку вимірювання температури за випроміненням, [13]. Дотримання цих умов не завжди можливо і не завжди приводить до бажаного результату.
Тому виникає необхідність проведення дослідження впливних факторів та аналізу їх дії на потік випромінення поверхні ОД.
2.2. Вплив коефіцієнта випромінення поверхні на потік випромінення досліджуваного об'єкта
Потік випромінення поверхні досліджуваного об'єкта є функцією трьох основних взаємозалежних величин - температури, довжини хвилі та випромінювальної здатності. Випромінювальна здатність - це міра кількості енергії випромінення, яке випромінюється даною поверхнею, порівняно з енергією випромінення, що випромінюється абсолютно чорним тілом при тій самій температурі. Вона характеризується коефіцієнтом випромінення (КВ) поверхні, значення якого для поверхні кожного конкретного об'єкта індивідуальне, залежне від ряду факторів (довжини хвилі, кута випромінення, стану поверхні) та знаходиться в межах 0 < ? < 1. Ускладнює це питання також і взаємна функціональна залежність температури та коефіцієнта випромінення об'єкта - оцінка значення одного параметра вимагає інформації про значення іншого. Тому точне визначення дійсної температури об'єкта неможливе без достовірної інформації про коефіцієнт випромінення його поверхні.
2.2.1. Аналіз факторів, які впливають на значення коефіцієнта випромінення поверхні. Для вимірювання температури за випроміненням великогабаритних об'єктів необхідно визначити, який вид коефіцієнта випромінення найповніше характеризує випромінювальні властивості поверхні. Класифікація видів КВ наведена в таблиці 2.1, [55, 56]:
Табл. 2.1.
Класифікація видів КВ
Класифікаційна ознакаВиди КВЗа робочим спектральним діапазономСпектральний (для довжини хвилі )Сумарний (для спектрального інтервалу )Інтегральний
За напрямком випромінення Нормальний Направлений Просторовий КВ Півсферичний По відношенню до ОД та сторонніх об'єктівВласний КВ об'єкта випроміненняЕфективний КВ об'єкта випромінення в присутності стороннього джерела випроміненняЗа розмірами об'єкта візування відносно загальних розмірів ОДТочковий КВКВ усього тілаЗа формою і матеріалом поверхні об'єкта КВ речовини об'єкта Усереднений КВ по площі
З даних таблиці можна зробити висновок про те, що точковий нормальний, в тому числі точковий направлений, коефіцієнт випромінення найповніше характеризує випромінення ділянки великогабаритного об'єкта з точки зору складності його геометричної форми та хімічного складу.
На КВ поверхні непрозорого тіла впливають наступні фактори, [57, 58, 59]:
* агрегатний стан речовини досліджув