НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Гоц Наталія Євгенівна

УДК 536.521.2

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ЗА ВИПРОМІНЕННЯМ ПОВЕРХНІ ОБЕРТОВИХ ОБЄ’КТІВ

05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Засименко Віктор Михайлович, професор кафедри “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор Назаренко Леонід Андрійович, начальник відділу термометрії ДНВО “Метрологія”, м. Харків

2. Кандидат технічних наук, доцент Ванкевич Петро Іванович завідуючий кафедри “Механіка, переробка та зберігання сільськогосподарської продукції” Львівського Державного аграрного університету, м. Дубляни

Провідна установа : Державний науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем (ДНДІ “Система”) науково-дослідний відділ розробки теоретичних та науково-методологічних основ метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами, м. Львів.

Захист відбудеться 28 листопада 2003 р. о 16 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів – 13, віл. С. Бандери 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.. Професорська 1)

Автореферат розісланий “ 28 ” жовтня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах становлення економіки України розвиток промислового виробництва значною мірою залежить від стану технічного устаткування, що визначає якість, конкурентоспроможність та собівартість продукції. В процесі функціонування сучасне обладнання і особливо діюче застаріле обладнання потребує постійного контролю режимів роботи. Одним з визначальних параметрів технологічних процесів є температура.

У промисловості існує необхідність високоточного безконтактного вимірювання температури поверхні великогабаритних обертових об’єктів (ВОО), прикладами яких є обертові печі (ОП) для виробництва цементу та керамзиту. За температурою поверхні ОП можна контролювати процес випалювання сировини в технологічному об’ємі печі та визначати прогари футеровки. Вихід температури поверхні печі за межі допустимих значень призводить до збоїв в технологічному процесі, передаварійних ситуацій та позапланових зупинок на довготривалий та трудомісткий ремонт. Це зумовлює зниження якості та зростання собівартості кінцевої продукції. Своєчасна інформація про температурний стан поверхні запобігає цьому.

У зв’язку з цим необхідне постійне вимірювання температури поверхні обертових печей під час експлуатації.

Інформацію про значення температури на поверхні великогабаритного обертового об’єкта доцільно отримувати безконтактним оптичним методом за допомогою тепловізора або пірометра випромінення.

Однак однією з основних проблем точності вимірювання температури за випроміненням є методична похибка вимірювання, яка в десятки разів може перевищувати основну похибку самого засобу вимірювань. Методична похибка зумовлена відсутністю в реальних умовах вимірювань достовірної інформації про значення коефіцієнта випромінення об’єкта та нехтуванням впливом фонового випромінення і пропусканням проміжного середовища на вихідний сигнал приймача випромінення, що впливає на точність вимірювання температури за випроміненням.

Для зменшення методичної похибки необхідно вимірювати значення цих факторів та вводити поправки при опрацюванні вихідного сигналу пірометричного перетворювача (ПП), що дозволить підвищити точність вимірювання температури за випроміненням.

Існують способи визначення впливних факторів, які ґрунтуються на теоретичній оцінці, використанні табличних даних, вимірюванні у “зручний” час та експериментальному визначенні кожного з них в лабораторних умовах. Ці способи недоцільно застосовувати при вимірюванні температури обертових печей в умовах виробництва.

Отже, проблема зменшення методичної похибки при вимірюванні температури за оптичним випроміненням залишається актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає проблемам, над розв’язанням яких працює кафедра, а саме забезпеченню якості засобами вимірювальної техніки. Працівники кафедри займаються розробкою оптимальних засобів для безконтактного вимірювання температури, дослідженням теплових явищ, контролем та діагностикою температурних режимів технологічних процесів. Основні результати роботи були використані при розробці держбюджетних тем “Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів для обліку та регулювання спожитої теплової енергії індивідуальними споживачами” держреєстрація № 100U000487, та “Розроблення теоретичних засад оцінки якості енергоносіїв та створення на цій основі нових методів та засобів для індивідуального обліку спожитого тепла, води, газу та електроенергії” держреєстрація № 0102U001189.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення теоретичних, конструктивних та метрологічних засад для підвищення точності вимірювання температури за випроміненням поверхні великогабаритних обертових об’єктів в умовах виробництва шляхом розробки способу вимірювання дійсної температури.

Відповідно до поставленої мети в роботі вирішувались такі задачі:

1. Аналіз основних технологічних параметрів обертових печей для виробництва цементу та керамзиту, особливостей їх функціонування та ремонту, що дозволить визначити методику та вибрати засоби для вимірювання температури за випроміненням поверхні ВОО.

2. Дослідження основних факторів, які зумовлюють методичну похибку безконтактного вимірювання температури поверхні за випроміненням, та аналіз їхньої дії на результат вимірювання температури ВОО в умовах виробництва.

3. Розробка способу вимірювання температури за випроміненням поверхні, застосування якого дозволило би підвищити точність вимірювання температури за випроміненням поверхні обертових печей в процесі виробництва.

4. Синтез структурної та функціональної схеми засобу вимірювання для реалізації запропонованого способу з практичною його реалізацією.

5. Проведення експериментальних досліджень з використанням розробленого способу вимірювання температури.

Об’єктом дослідження є безконтактний оптичний метод вимірювання температури поверхні об’єкта за випроміненням.

Предметом дослідження є фактори, що спричинюють методичну похибку вимірювання температури за випроміненням, та спосіб, який дозволяє вимірювати та компенсувати ці фактори в умовах виробництва.

Методи дослідження ґрунтуються на використанні матеріалів технологічного процесу виробництва цементу та керамзиту в обертових печах; основних положень пірометрії випромінення; числових методів; теорії похибок; теорії планування експерименту; прикладної програми Mathсad 2000 Professional.

Достовірність теоретичних досліджень підтверджена результатами експериментальних досліджень та математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримано такі наукові результати:

1. Розвинуто напрям комплексного дослідження впливу випромінювальної здатності, параметрів фонового випромінення та проміжного середовища на потік випромінення поверхні досліджуваного об’єкта, що дозволило провести оцінку та аналіз методичної похибки вимірювання температури за випроміненням.

2. Вперше запропоновано спосіб вимірювання температури, коефіцієнта випромінення, параметрів фонового випромінення та проміжного середовища для об’єктів в умовах їх експлуатації, який дозволяє отримати залежність вихідного сигналу пірометричного перетворювача пропорційного дійсній температурі та коефіцієнту випромінення поверхні об’єкта в умовах дії випромінення фону з урахуванням впливу проміжного середовища.

3. Запропоновано методику вибору тестових та початкових значень параметрів випромінення, встановлені кількісні співвідношення між ними, що забезпечує збіжність процесу знаходження параметрів математичної моделі вимірювання температури запропонованим способом та дозволяє оцінити границі похибки їх визначення.

4. Розроблено методику вимірювання температури поверхні великогабаритних обертових об’єктів, яка дозволяє підвищити точність вимірювання температури поверхні обертових печей в реальному масштабі часу в умовах виробництва.

5. Створено математичну модель вихідного сигналу сканувального пірометра, яка дозволяє описати вихідний сигнал пірометричного перетворювача, пропорційний температурі ділянки досліджуваного об’єкта, в залежності від координат місцезнаходження на поверхні великогабаритного обертового об’єкта.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

· отримані залежності методичної похибки дозволяють визначити характер впливу кожного неінформативного параметра та оцінити значення похибки в умовах виробництва;

· розроблений спосіб дає можливість отримати значення коефіцієнта випромінення поверхні об’єкта з похибкою до 1%, що покращує точність його визначення порівняно з існуючими способами;

· введення поправок на значення впливних факторів, отриманих запропонованим способом, при опрацюванні вихідного сигналу пірометричного перетворювача дозволяє в умовах виробництва підвищити точність вимірювання температури поверхні обертових печей за рахунок зменшення методичної похибки;

· використання запропонованої методики вимірювання температури для контролю та діагностування стану обертових печей дозволяє покращити технологічний процес виробництва цементу.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, окремі одержані у співавторстві з науковим керівником та працівниками кафедри. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачу належить: [2] – вибір пірометрів для конкретного технологічного процесу за диференційованими показниками призначення; [3] – структурна схема сканувального пірометра та введення поняття “одноточковий” пірометр; [4] – функціональна схема сканувального пірометра із структурним введенням поправки; [5] - дослідження впливу фонового випромінення на вихідний сигнал пірометра; [6] – математична модель вихідних сигналів сканувального пірометра; [7] – спосіб визначення температури за випроміненням поверхні великогабаритних обертових об’єктів та варіант розв’язання системи нелінійних рівнянь, отриманих згідно із запропонованим способом; [8] – сформульована умова можливості нехтування багатократними відбиваннями випромінення; [9] – розроблений спосіб визначення температури за випроміненням та коефіцієнта випромінення поверхні об’єктів в умовах виробництва; [10] – використання методу інтегруючого аналого-цифрового перетворення вихідного сигналу сінус-косинусного обертового трансформатора при фазовому включенні для обертового пристрою сканувального пірометра; [11] –створення сканувального пірометра на основі промислової моделі пірометра та електромеханічного обертового пристрою.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові результати роботи доповідались і отримали схвалення на 3-х міжнародних науково-технічних конференціях та семінарах, а саме: на XVI Відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім.. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, Україна, 2001 р.; IX Miedzynarodowe seminarium metrologow “Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych”, Rzeszow, Polska, 2001; VI Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-2001)”, м. Вінниця, Україна, 2001р.

Публікації. За результатами виконаних робіт опубліковано 11 робіт, вісім з них у фахових журналах. Отримано 1 патент на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 94 найменувань та 3 додатків. Загальний обсяг роботи становить 174 сторінок, у тому числі 150 сторінок основного тексту, 47 рисунків, 23 таблиці.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі наведено загальну характеристику дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету досліджень, дано характеристику наукової новизни та практичної цінності одержаних результатів, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, оцінено особистий внесок здобувача.

У першому розділі подано характеристику інформативних параметрів великогабаритних обертових об’єктів дослідження (ОД) обертових печей для виробництва цементу те керамзиту. На основі аналізу особливостей їх функціонування та ремонту обґрунтовано необхідність вимірювання температури зовнішньої поверхні корпусу печі. За значенням температури поверхні можна визначити: відкладення зайвого шару обмазки у вигляді кілець; обриви кілець обмазки; порушення форми та довжини факелу полум’я палива; пошкодження внутрішньої поверхні та прогари футеровки.

У результаті порівняння особливостей контактного та безконтактного методів вимірювання температури показано, що задача вимірювання температури поверхні ОП оптимально вирішується безконтактним оптичним методом з використанням тепловізора або пірометра випромінення.

Тепловізор дає можливість охопити об’єктивом досить велику площу і отримати теплову картину об’єкта з інформацією про температуру в кожній точці. Але використання тепловізора як засобу вимірювання температури, обмежується таким фактом: в тепловізорів не нормується основна похибка вимірювання температури ділянок поверхні, а лише надається інформація про температурну чутливість.

Тому тепловізори необхідно використовувати не для вимірювання точкових температур теплового поля, а для реєстрації розподілу градієнтів температури на поверхні просторових об’єктів, а також для контролю та порівняльної характеристики теплових картин двох і більше однакових об’єктів з однаковими технічними характеристиками при збереженні кута візування.

Отже, для вимірювання температури поверхні ОП необхідно використовувати пірометр випромінення. В результаті огляду існуючих промислових моделей пірометрів можна сказати, що більшість пірометрів є одноточковими Ї тобто такими, які візують окрему ділянку об’єкта і для візування іншої його доводиться переміщати вручну. Тому для вимірювання температури поверхні ОП доцільно використовувати сканувальний пірометр, який би давав можливість автоматично вимірювати температуру різних точок поверхні в певній послідовності.

Основним недоліком вимірювання температури за випроміненням є наявність методичної похибки, зумовленої рядом факторів: відсутністю інформації про дійсне значення коефіцієнта випромінення поверхні досліджуваного об’єкта, наявністю відбитого фонового випромінення та впливом на теплове випромінення проміжного середовища. Існуючі способи не дозволяють комплексно визначити та врахувати значення впливних факторів. Тому метою роботи стало створення способу вимірювання температури за випроміненням, який би дозволяв оцінювати значення впливних факторів та вводити поправку під час опрацювання вихідного сигналу пірометричного перетворювача, пропорційного температурі. Це дасть змогу зменшити методичну похибку та підвищити точність вимірювання температури за випроміненням. Сформульовані вимоги до способу вимірювання температури та засобу для його реалізації.

Другий розділ присвячений дослідженню та аналізу впливу на потік випромінення від досліджуваного об’єкта впливних факторів, які зумовлюють виникнення методичної похибки вимірювання температури.

Першим фактором, який спричинює виникнення методичної похибки, є неврахування або відсутність інформації про дійсне значення коефіцієнта випромінення е, індивідуальне для кожної поверхні та залежне від довжини хвилі, кута випромінення, матеріалу, стану поверхні (0 < е < 1).

В результаті проведеного експериментального дослідження коефіцієнта випромінення поверхні ОП можна сказати:

· в умовах виробництва внаслідок осідання на окислену сталеву поверхню печі шару цементного пилу змінюється значення коефіцієнта випромінення поверхні до 2%;

· з ростом температури значення коефіцієнта випромінення поверхні ОП зменшується та становить е = 0,97 при 65 °С та е = 0,85 при температурі поверхні 210 °С;

· поверхня ОП має дифузновипромінюючий характер при кутах випромінення до 60 °.

Розраховані та представлені на рис.1 значення складової методичної похибки вимірювання температури за випроміненням, яка виникає в результаті неврахування різних значень коефіцієнта випромінення поверхні. Для зменшення методичної похибки необхідне експериментальне визначення коефіцієнта випромінення та введення поправки під час опрацювання вихідного сигналу ПП. Але існуючі способи визначення коефіцієнта випромінення придатні лише для лабораторних умов та не дозволяють врахувати присутнє фонове випромінення.

Другим фактором, який зумовлює методичну похибку вимірювання температури за випроміненням, є наявність відбитого фонового випромінення, яке складається з відбитого від досліджуваної ділянки об’єкта випромінення інших частин самого об’єкта, випромінення сторонніх об’єктів та навколишнього середовища.

Для визначення впливу багатократних відбивань на потік фонового випромінення запропоновано введення коефіцієнта багатократного відбивання kФ:

, (1)

де ф – коефіцієнт випромінення фону.

Введено поняття ефективного коефіцієнта випромінення фону ефф, який показує, яке загальне значення набуде коефіцієнт випромінення фону при наявності багатократних відбивань між об’єктом дослідження та об’єктами фону.

. (2)

Сформульовано умову можливості нехтування впливом багатократних відбивань фонового випромінення. На основі співвідношення (1) можна сказати, що багатократним відбиванням випромінення між об’єктами дослідження та фону можна нехтувати у тому випадку, коли коефіцієнт відбивання хоча б одного з них прямує до нуля.

Похибка, яка виникає в результаті неврахування багатократного відбивання фонового випромінення, може досягати 10°С. Оскільки при вимірювання температури поверхні обертових цементних печей в умовах виробництва об’єктами фону можуть виступати навколишні будівлі або паралельно встановлені печі, коефіцієнт випромінення поверхні яких знаходиться в межах 0,8-0,9, необхідне врахування багатократних відбивань випромінення.

При цьому ефективна густина потоку випромінення від ОД bеф з урахуванням багатократно відби-того фонового випромінення визначається за формулою:

, (3)

де bт – густина потоку випромінення абсолютно чорного тіла (АЧТ) при температурі ділянки об’єкта дослідження; bф – густина потоку випромінення АЧТ при температурі фону.

Досліджено вплив відбитого фонового випромінення на ефективний потік випромінення від ОД та значеннях методичної похибки, яка може становити десятки градусів.

На рис. 2 показаний вплив на потік випромінення від ОД відбитого фонового випромінення при різних значеннях температури фону. При наближенні температури фону до температури об’єкта дослідження залежності, які відповідають номінальній статичній характеристиці приймача випромінення та ефективного потоку випромінення, перетинаються. В околі цієї точки значення методичної похибки зменшується та наближається до нуля.

Існуючі шляхи зменшення фонового випромінення не дозволяють повністю виключити його вплив на ефективний потік випромінення ділянки ОД. Тому доцільне вимірювання параметрів фонового випромінення та введення поправки в алгоритм опрацювання вихідного сигналу ПП.

Третім фактором, який спричинює виникнення методичної похибки вимірювання температури за випроміненням, є вплив проміжного середовища, а саме: випромінення поглинається газами, що утворюють проміжне середовище; середовище послаблює випромінення від об’єкта внаслідок розсіювання на частинках, молекулах та аерозолях, присутніх в ньому; середовище додає власне випромінення. З урахуванням впливу проміжного середовища результуюча густина потоку випромінення bР визначатиметься як:

, (4)

де с – коефіцієнт пропускання проміжного середовища; bc – густина потоку випромінення проміжного середовища.

Залежності похибки визначення температури, яка виникає внаслідок послаблення ефективного потоку випромінення проміжним середовищем, представлені на рис.3. Оцінювання похибок проводились для максимально допустимої забрудненості середовища промисловим пилом (коефіцієнт пропускання фс=0,9) при різних значеннях температури фону та коефіцієнта випромінення ОД. При температурі ОД близько 300°С розглянута складова методичної похибки може досягати до 20°С.

На основі аналізу спектральної залежності коефіцієнта пропускання атмосфери, порівняльної характеристики значень густини потоків випромінення для ділянок довжин хвиль 3-5 мкм і 8-14 мкм та спектрального розподілу густини потоку сонячного випромінення вибрано робочий спектральний діапазон 8-14 мкм, в якому поглинальний вплив проміжного середовища мінімальний.

Проведені дослідження свідчать, що при вимірюванні температури за випроміненням в реальних умовах виробництва необхідне експериментальне визначення впливу середовища на потік випромінення від ОД.

Отже, внаслідок неадекватності моделі, прийнятої при вимірюванні, якою є потік випромінення ОД, пропорційний температурі АЧТ, та самого об’єкта вимірювання, яким є результуючий потік випромінення, методична похибка вимірювання bM, спричинена вищерозглянутими факторами, становить:

, (5)

де bвим – виміряне значення, якому відповідає густина потоку випромінення АЧТ при температурі ОД; bд – дійсне значення, якому відповідає результуюча густина потоку випромінення від ОД з врахуванням впливних факторів.

На рис. 4 представлені температурні залежності сумарної методичної похибки вимірювання температури за випроміненням, оціненої при різних значеннях коефіцієнтах випромінення поверхні та температури фону.

Сумарна методична похибка в розглянутому температурному діапазоні може перевищувати 100°С, що істотно впливає на точність вимірювання температури за випроміненням. Лише в окремих випадках, при наближенні температури ОД і фону, значення методичної похибки буде найменшим і може наближатися до нуля.

Реально досягнути зменшення методичної похибки вимірювання температури за випроміненням можна лише шляхом вимірювання значень всіх впливних факторів та внесення поправки під час опрацювання вихідного сигналу ПП. Для цього необхідно розробити спосіб, який би дозволяв вимірювати параметри випромінення об’єкта, фону, пропускання проміжного середовища в умовах виробництва.

У третьому розділі представлений новий тестовий спосіб вимірювання температури поверхні ОД за випроміненням та неінформативних параметрів, які зумовлюють методичну похибку вимірювання в реальних умовах роботи об’єкта. Спосіб дозволяє виключити вплив неінформативних параметрів завдяки реалізації ряду тестових вимірювань, функціонально пов’язаних з вимірюваною величиною, та опрацювання результатів вимірювань за заданим алгоритмом. Він складається з двох етапів:

1-й етап – визначення впливу проміжного середовища на ефективний потік випромінення від ОД. Спосіб реалізується наступним чином: в процесі п’яти вимірювань приймач випромінення почергово сприймає результуючі потоки випромінення від ОД b1-b5 в різних спектральних діапазонах, які належать ділянці спектра (8-14) мкм. Результати вимірювань представлені системою рівнянь:

(6)

,

де 1 - 5 - спектральні діапазони; 1 - 5 - ефективні довжини хвиль, які в достатньо вузькому спектральному діапазоні дорівнюють центральній довжині хвилі відповідного діапазону; bc(1,Тc) - bc(5,Тc) – густина потоку випромінення середовища у відповідному спектральному діапазоні; bo - густина потоку випромінення, пропорційна адитивній інструментальній похибці вимірювання.

Реалізувати вимірювання можна за допомогою пірометра часткового випромінення зі спектральним діапазоном 8-14 мкм, оснащеного інтерференційним диском з шістьма секторами з різним спектральним пропусканням.

При повороті диска спектральне пропускання ділянки фільтра, яка знаходиться перед приймачем випромінення, визначає робочий спектральний діапазон та змінюється із спектральною характеристикою.

Як основу інтерференційного диска доцільно взяти кристал Ge, область прозорості якого знаходиться в діапазоні (1,7ч23) мкм. З використанням програми проектування інтерференцій-них фільтрів VECTOR– 60 розраховані конструкції покрить кожного з фільтрів, які складаються з послідовно нанесених 32 шарів плівок різної товщини з Ge та ZnS. Розраховані спектральні ділянки пропускання кожного фільтра представлені на рис. 5. Значення параметрів фс, bеф, bс та b0 системи рівнянь (6) знаходять ітераційним методом Ньютона для наближеного розв’язку систем нелінійних рівнянь.

2-й етап – визначення температури, коефіцієнта випромінення поверхні досліджуваного об’єкта та параметрів фонового випромінення.

Для реалізації способу пірометр випромінення (ПВ) встановлюється (рис. 6) між об’єктом дослідження (1) та об’єктом фону (3) і має можливість обертатися на 360є навколо осі, перпендикулярної до оптичної осі пірометра (2). Екраном (4) слугує листовий об’єкт, який екранує випромінення від ОД або об’єкта фону (ОФ). При цьому реалізуються шість спостережень ефективних потоків випромінення з урахуванням багатократних відбивань випромінення між об’єктами спостереження, як показано на рис.6, а – е. На основі результатів спостережень складається система рівнянь, рішення якої дозволяє визначити всі шукані параметри:

(7)

,

де b0 ефективна густина потоку випромінення (ЕГПВ), спричинена випроміненням від об’єкта дослідження та багатократно відбитим від ОД випроміненням фону згідно з рис.6,а; b1 ЕГПВ, спричинена випроміненням фону та багатократно відбитим від ОФ випроміненням об’єкта дослідження згідно з рис. 6,б; b2 ЕГПВ, спричинена випроміненням об’єкта дослідження та багатократно відбитим від ОД випроміненням екрану згідно з рис. 6,в; b3 ЕГПВ, спричинена випроміненням фону та багатократно відбитим від фону випроміненням екрану згідно з рис.6,г; b4 ЕГПВ, спричинена випроміненням екрану та багатократно відбитим від екрану випроміненням фону згідно з рис.6,д; b5 ЕГПВ, спричинена випроміненням екрану та багатократно відбитим від екрану випроміненням об’єкта дослідження згідно з рис.6,е; bе густина потоку випромінення АЧТ при температурі екрану; ее —коефіцієнт випромінення екрану.

Значення параметрів bT, е, bф, еф, bе та ее обчислюють ітераційним методом Ньютона для систем нелінійних рівнянь. Шляхом імітаційного моделювання перевірена збіжність ітераційного процесу знаходження коренів системи рівнянь (7) та визначено граничне значення похибки вимірювання шуканих параметрів випромінення. Тестові значення вибирали з областей визначення відповідних параметрів.

Вибір значень початкових нульових наближень здійснювався з відповідних інтервалів варіювання від тестового з використанням функції генерації випадкових чисел з рівномірним розподілом в інтервалі [0;Y], де Y = 1, за формулою:

X0 = XТ + ( RND(1) –0,5 ) · 2 · двар · ХТ , (8)

де Х0 – значення початкового нульового наближення; ХТ – тестове значення відповідного параметра; RND(1) - функції генерації випадкових чисел з рівномірним розподілом в інтервалі [0;1]; двар – значення інтервалу варіювання від тестового значення параметра.

У результаті дослідження встановлено, що початкове наближення необхідно вибирати з похибкою не більше ±20% від фактичних значень параметрів. При випадковому виборі початкових наближень з 20 % - го інтервалу варіювання від тестових значень збіжність ітераційного процесу вже на третій ітерації становила 90 %, на п’ятій ітерації - 96 %, а на сьомій – 98 %. Це свідчить про збіжність ітераційного процесу пошуку коренів системи рівнянь. Похибка обчислення кожного кореня системи не перевищує 0,5 %.

При значенні інструментальної похибки 0,1 %, похибка визначення кореня не перевищує 1 %. Цей факт зумовлює необхідність використання високоточних засобів вимірювання для реалізації запропонованого способу.

Знаходження значень параметрів системи рівнянь (7) випромінення об’єкта, фону та проміжного середовища дає можливість ввести поправку при опрацюванні вихідного сигналу приймача випромінення, що дозволяє підвищити точність вимірювання температури за випроміненням.

Спосіб реалізується за допомогою сканувального пірометра (СП), показаного на рис.7, створеного на основі промислової моделі пірометра та електромеханічного пристрою сканування, структурна схема якого представлена на рис. 7.

Розроблена функціональна схема електромеханічного пристрою сканування. Розроблена функціональна схема СП із структурним введенням поправки на значення факторів, які зумовлюють методичну похибку вимірювання температури за випроміненням. Представлена функціональна схема СП на базі мікропроцесорного пірометра, яка дозволяє вводити значення U0, фат, Uc, е, еефф, Uф при опрацюванні вихідного сигналу приймача випромінення та отримувати значення вихідного сигналу, пропорційного дійсній температурі об’єкта дослідження:

, (9)

де Nд – цифрове значення дійсної температури ОД; Nр – цифрове значення результуючого вихідного сигналу пірометричного перетворювача (ВСПП); Nс –цифрове значення ВСПП, пропорційне власному випроміненню проміжного середовища; Nо – цифрове значення ВСПП, пропорційне адитивній похибці вимірювання; Nе –цифрове значення ВСПП, пропорційне коефіцієнту випромінення ОД; Nефф – цифрове значення ВСПП, пропорційне ефективному коефіцієнту випромінення фону; Nф – цифрове значення ВСПП, пропорційне температурі АЧТ при температурі фону; Nф – цифрове значення ВСПП, пропорційне коефіцієнту пропускання проміжного середовища.

Математична модель вихідного сигналу СП при дифузновипромінюючій поверхні ОД дає можливість описати вихідний сигнал ПП в залежності від температури досліджуваної ділянки з координатною прив’язкою до місця її розташування на поверхні досліджуваного великогабаритного об’єкта:

де U0 – ВСПП, пропорційний адитивній похибці вимірювання; Uс – ВСПП, пропорційний потоку випромінення проміжного середовища; k – показник візирування пірометра; D0 – діаметр оптичної системи; kп – коефіцієнт перетворення ПП; Sін – інтегральна чутливість приймача випромінення; - кут випромінення досліджуваної ділянки поверхні, який знаходять за значенням кута повороту обертового пристрою сканувального пірометра; Ri – коефіцієнт, значення якого залежить від відстані між візованою ділянкою і СП; 1-2 – спектральний діапазон приймача випромінення; () – апаратна функція пірометра; хі – координата місцезнаходження досліджуваної ділянки по горизонталі; уіm – координата місцезнаходження досліджуваної ділянки по горизонталі по довжині прольоту в момент часу m; L - відстань між сканувальним пірометром і ОД по нормалі до поверхні.

На основі запропонованого способу розроблений алгоритм діагностування працездатності ОП, використання якого дозволяє контролювати процес в технологічному об’ємі ОП та виявляти прогорання футеровки. Алгоритм вимірювання температури поверхні ОП включає такі операції:

1. Вимірювання коефіцієнта пропускання середовища.

2. Обчислення коефіцієнта пропускання середовища, сигналів, еквівалентних ефективній густині потоку випромінення та адитивній похибці вимірювання.

3. Введення поправки у вихідний сигнал ПП на значення коефіцієнта пропускання середовища та адитивної похибки вимірювання.

4. Вимірювання значення коефіцієнта випромінення ділянки поверхні ОД та параметрів фонового випромінення.

5. Обчислення коефіцієнта випромінення ділянки поверхні ОД та параметрів фонового випромінення.

6. Введення поправки у вихідний сигнал ПП на значення коефіцієнта випромінення та параметрів фонового випромінення.

7. Вимірювання температури поверхні печі сканувальним пірометром.

8. Визначення екстремальних значень температури по прольоту Tmin та Tmax..

9. Аналіз результатів вимірювання температур поверхні ОП.

На рис. 9 представлений варіант розташування в умовах виробництва сканувального пірометра для вимірювання температури поверхні обертових печей.

У четвертому розділі проведені експериментальні дослідження з вимірювання температури запропонованим способом. Досліджувалась температура сталевої поверхні ОП, вкритої цементним нашаруванням. Розбіжність результатів, отриманих розробленим способом та отриманих при контактному вимірюванні температури, не перевищує 2 %.

Загальна похибка вимірювання температури пірометром визначається як:

, (11)

- залишкова методична похибка, яка виникає в результаті зміни значень коефіцієнта випромінення поверхні об’єкта, параметрів випромінення фону та пропускання проміжного середовища за час між двома корекціями;

- основна похибка пірометра, значення якої наведене в нормативній документації до приладу;

- додаткова похибка, яка виникає в робочих умовах експлуатації та розрахована шляхом факторного експерименту:

Тд(Тн,V) = 0,308 + 0,043 Тн - 0,014 V 0,0008 ТнV , (12)

де Тн –температура навколишнього повітря; V – вологість повітря.

Експерименти підтвердили можливість використання розробленого способу для вимірювання температури поверхні обертових печей. Проведено ряд вимірювань температури поверхні ОП в умовах виробництва, результати яких дозволяють контролювати технологічний процес в печі та діагностувати прогари футеровки.

Сформульовані заходи щодо метрологічного забезпечення сканувального пірометра

ВИСНОВКИ

1. Обґрунтовано доцільність вимірювання температури поверхні обертових печей безконтактним оптичним методом з використанням сканувального пірометра шляхом визначення максимальної та мінімальної температури по кільцях обичайки обертової печі, що є необхідною і достатньою інформацією для контролю технологічного процесу та діагностування працездатності ОП.

2. На основі дослідженння залежності випромінювальної здатності поверхні ОП від виду матеріалу та кута випромінення встановлено дифузновипромінюючий характер поверхні.

3. На основі сформульованих умов нехтування багатократними відбиваннями фонового випромінення показано необхідність врахування багатократних відбивань при вимірюванні температури за випроміненням обертових печей в умовах виробництва.

4. Вибрано робочий спектральний діапазон (від 8 мкм до 14 мкм) вимірювання температури за випроміненням поверхні ОП, в якому вплив проміжного середовища на потік випромінення мінімальний .

5. Розраховані залежності методичної похибки вимірювання температури за випроміненням показали, що при наближенні температури фону до температури об’єкта дослідження значення методичної похибки зменшується і в окремих випадках може наближатися до нуля.

6. Визначення параметрів випромінення досліджуваного об’єкта, фону та пропускання проміжного середовища згідно із розробленим способом дозволяє вводити поправку на їхні значення при опрацюванні вихідного сигналу пірометричного перетворювача, що дає змогу зменшити методичну похибку вимірювання температури за випроміненням в умовах виробництва.

7. Шляхом імітаційного моделювання встановлено, що для забезпечення збіжності ітераційного процесу знаходження коренів системи рівнянь, отриманої запропонованим способом, початкове наближення необхідно вибирати з похибкою не більше ±20 % від фактичних значень. Похибка обчислення коренів системи рівнянь, отриманої в результаті реалізації запропонованого способу, не перевищує 0,5 %. При значенні інструментальної похибки 0,1 %, похибка визначення параметрів випромінення не перевищує 1 %.

6. Розроблено математичну модель вихідного сигналу сканувального пірометра, яка описує вихідний сигнал пірометричного перетворювача, пропорційний температурі ділянки досліджуваного об’єкта, в залежності від кута візування та координат місцезнаходження на поверхні великогабаритного обертового об’єкта.

8. Розроблений алгоритм вимірювання температури поверхні ОП дозволяє контролювати процес в технологічному об’ємі ОП та діагностувати стан футеровки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гоц Н.Є. Сканувальний пірометр на основі електромеханічного приводу // Вимірювальна техніка та метрологія. – Львів: видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 2002. - № 61. - С. 67-71.

2. Гриневич Б.Ю., Засименко В.М., Гоц Н.Є. Концепція раціонального вибору пірометрів випромінювання для машинобудівної галузі // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. – Львів: ВКП “ВМС”. - 2000. – Вип.3. – С. 48-52.

3. Засименко В.М., Гоц Н.Є. Перспективи та проблеми використання одно-точкових промислових пірометрів як скануючих // Вимірювальна техніка та метрологія. - Львів: видавництво Державного університету “Львівська політехніка”. - 2000.- № 57.- С. 56-58.

4. Гоц Н.Є. Засименко В.М. Сканувальна система температурного контролю стану обертових цементних печей // Вісник Вінницького політехнічного інституту. -2001. - № 6 (39). - С. 30-33.

5. Засименко В.М. Гоц Н.Є. Динамічна модель функції перетворення пірометричних перетворювачів для іонно-плазмових установок в умовах впливу промислових завад // Вісник Національного університету ”Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. - Львів: видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 2001. - № 420. -С. 117-125.

6. Гоц Н.Є. Засименко В.М. Математична модель функціонування скануючої системи для вимірювання температури рухомих об’єктів // Вимірювальна техніка та метрологія. - Львів: видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 2001.- №58. - С. 75-78.

7. Гоц Н.Є., Засименко В.М., Гриневич Б.Ю. Метод визначення випромінювальної здатності реальних об’єктів під час сканування їх температурного поля // Вісник Національного університету ”Львівська політехніка”, “Автоматика, вимірювання та керування”. - Львів: видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 2002. - №.. 445.- С. 66 – 71.

8. Гоц Н.Є., Гриневич Б.Ю., Засименко В.М. Умова нехтування впливом багатократних відбивань за наявності фонового випромінювання // Вимірювальна техніка та метрологія. – Львів: видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 2002. - №60. – С. 131-132.

9. Пат. 47169 А Україна, МКИ G01J5/00. Спосіб визначення випромінювальної здатності та радіаційної температури об’єкта / Гоц Н.Є., Засименко В.М. - № 2001085760; Заявл. 14.08 2001; Опубл.17.06 2002, бюл. № 6.

10. Гоц Н.Є., Засименко В.М. Методы повышения помехоустойчивости преобразователей фаза-код //_IX Miedzynarodowe seminarium metrologow “Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych”, Rzeszow, Polska, 2001.

11. Гоц Н.Є. Скануюча система вимірювання температури (ССВТ) // Матеріали конференції КМН. – Львів: ФМІ. - 2001.- .126-130.

АНОТАЦІЯ

Гоц Н.Є. Підвищення точності вимірювання температури за випроміненням поверхні обертових обєктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 – прилади та методи вимірювання теплових величин. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2003.Дисертацію присвячено проблемі підвищення точності вимірювання температури за випроміненням обертових об’єктів в умовах виробництва шляхом зменшення методичної похибки вимірювання. В дисертації розроблено новий спосіб вимірювання температури за випроміненням, який дозволяє вимірювати значення факторів, які зумовлюють виникнення методичної похибки вимірювання (коефіцієнта випромінення поверхні об’єкта, параметрів фонового випромінення та пропускання проміжного середовища) з похибкою, яка не перевищує 1%. Введення поправки на значення цих факторів в алгоритм опрацювання вихідного сигналу пірометричного перетворювача дозволяє отримати сигнал пірометричного перетворювача пропорційний дійсній температурі об’єкта вимірювання. Реалізується розроблений спосіб за допомогою сканувального пірометра, створеного на основі промислової моделі пірометра та електромеханічного обертового пристрою. Основні результати роботи пропонується використовувати при вимірюванні температури поверхні обертових цементних печей.

Ключові слова: температура за випроміненням, методична похибка вимірювання, коефіцієнт випромінення, фонове випромінення, спосіб, сканувальний пірометр, обертові цементні печі.

АННОТАЦИЯ

Гоц Н.Е. Повышение точности измерения температуры по излучению поверхности вращающихся объектов. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 – приборы и методы измерения тепловых величин. - Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2003.

Диссертация посвящена проблеме повышения точности измерения температуры по излучению вращающихся цементных печей в условиях производства путем уменьшения методической погрешности измерения. Проведены исследования влияния коэффициента излучения поверхности объекта, параметров фонового излучения и пропускания промежуточной среды на значение методической погрешности измерения температуры по излучению.

Сформулировано условие возможности учета лишь однократного отражения фонового излучения от поверхности объекта. Показана необходимость учета многократных отражений излучения между объектом исследования и фоном при измерении температуры по излучению поверхности вращающихся цементных печей. Введено понятие эффективного коэффициента излучения фона.

В диссертации разработан новый способ измерения температуры по излучению поверхности, который состоит из двух этапов.

На первом этапе в результате пяти измерений на пяти различных участках спектра, принадлежащих диапазону (8-12) мкм, приёмник излучения поочерёдно воспринимает результирующие потоки излучения участка поверхности исследуемого объекта. В результате измерения составляется система уравнений, решение которой даёт возможность определить значения коэффициента пропускания атмосферы в рабочей зоне и эффективного потока излучения.

На втором этапе на основе ряда измерений излучения исследуемого объекта, фона и экрана и их взаимного отраженного излучения составляется система нелинейных уравнений. В результате её решения итерационным методом Ньютона определяются значения коэффициента излучения исследуемой поверхности и выходные сигналы пирометрического преобразователя, пропорциональные истинной температуре и параметрам излучения фона.

При инструментальной погрешности измерения 0,1 % данный способ позволяет находить значения факторов, приводящих к возникновению методической погрешности измерения, с погрешностью до 1%. Введение поправки на значения этих факторов при обработке выходного сигнала пирометрического преобразователя позволяет получать сигнал, пропорциональный действительной температуре объекта измерения.

Реализуется разработанный способ при помощи сканирующего пирометра, разработанного на основе промышленной модели пирометра и электромеханического поворотного устройства.

Разработан алгоритм диагностирования работы цементной печи, применение которого позволяет контролировать процесс в технологическом объёме печи и выявлять прогары футеровки.

Основные результаты диссертационной работы предлагается использовать при измерении температуры поверхности вращающихся цементных печей.

Ключевые слова: температура по излучению, методическая погрешность измерения, коэффициент излучения, фоновое излучение, способ, сканирующий пирометр, вращающиеся цементные печи.

THE SUMMARY

Hots N.Е. Increase of accuracy of measurement of temperature on radiation of a surface of rotating objects. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.11.04 - gears and methods of measurement of thermal magnitudes. - National university " LVIV POLITECHNIC ", Lviv, 2003.

The dissertation is devoted to a problem of increase of accuracy of a measurement of temperature by radiation of rotating objects in conditions of manufacture by reduction of a error of method of measurement. In the dissertation the new way of measurement of temperature by radiation is developed which allows to determine meanings of the factors determining occurrence of a methodical error of measurement (coefficient of radiation of a surface of object, parameters of background radiation and transmission of intermediate environment) with an error which is not exceeding 1 %. The corrective action on meanings of these factors in algorithm of processing of a target signal pyrometric of the converter allows to receive a signal proportional to valid temperature of object of measurement. It is offered to realize the developed way through scanning by pyrometer, created on the