eng
Метрология пирометрических измерений температуры реальных объектов, например в металлургии, по-прежнему не свободна от ряда ошибок. Они, в конечном счете, становятся причиной крупных техногенных аварий. В статье дан анализ метрологических проблем метода энергетической пирометрии.
Теги: objects spectrographic radiation efficiency pyrometry temperature measurement измерение температур пирометрия спектральная излучательная способность
Множественность значений коэффициента излучения для энергетических пирометров вследствие зависимости спектральной излучательной способности от температуры объекта
Из работ [4, 5] известно, что спектральная излучательная способность объекта часто является функцией температуры. На рис.4 приведены графики зависимостей для динамной стали при нагреве в азотно-водородной атмосфере для температур 427, 527, 627, 727, 827 и 927°С [2]. Очевидно, что найденный для пирометра, к примеру, со спектральной характеристикой коэффициент излучения для 927°С отличается от коэффициента излучения для 427°С почти в два раза.
Практически то же самое можно сказать и об изменении коэффициента излучения для пирометров спектрального диапазона 1–1,5 мкм (со спектральной характеристикой ) и для пирометров, работающих в длинноволновой части спектра (8–14 мкм).
Описанная температурная зависимость излучательной способности также приводит к появлению дополнительной систематической методической погрешности измерений за счет ошибочного ввода коэффициента излучения. Для оценки этой погрешности предположим, что мы нашли точное значение коэффициента излучения для яркостного пирометра при температуре объекта (см. рис.4), равной 627°С, и ввели его в пирометр. Какова будет погрешность измерения объекта при температурах 427 и 927°С?
Вначале рассчитаем погрешность измерения для коротковолнового яркостного пирометра (λ = 0,6 мкм). Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,5, = +0,15, λ = 10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,5, = -0,15, λ = 10-6 м, получим, что . То есть в обоих случаях дополнительная систематическая методическая погрешность имеет величину примерно 2%.
Далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 1,5 мкм. Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,48, = +0,19, λ = 1,5*10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,48, = -0,14, λ = 1,5 · 10-6 м, получим, что . То есть дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 2,5 до 4%.
И далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 12 мкм. Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,20, = +0,08, λ = 12∙10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,20, = –0,5, λ = 12∙10-6 м, получим, что . То есть дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 20 до 25%.
Необходимо отметить, что для пирометров частичного излучения с широкополосными приемниками соотношение (1) неприменимо. Один из вариантов возможного расчета получаемой дополнительной методической погрешности описан в [7] и состоит в следующем. Вначале рассчитывают градуировочную характеристику пирометра:
,
где и – соответственно нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности соответствующего приемника, – планковская функция, – спектральная характеристика чувствительности приемника, α – размерный коэффициент пропорциональности. После этого находят функцию, обратную градуировочной . Погрешность ввода коэффициента излучения приводит к изменению сигнала на выходе приемника с на . Эти величины с помощью функции, обратной градуировочной, пересчитываются в значения температуры и . Проведенный для пирометра с характеристикой расчет показал, что если пользователь методом "подкручивания" или любым другим методом подберет значение коэффициента излучения на температуре 727°С такое, что пирометр на этой температуре будет измерять наш объект с минимальной погрешностью, то при измерении 427-градусного объекта с этим подобранным значением коэффициента излучения результат окажется заниженным на 19,7%, а при измерении 927-градусного объекта – завышенным на 18%!
Таким образом, за счет температурной зависимости излучательной способности измеряемого объекта даже при правильно введенном в пирометр коэффициенте излучения для определенной температуры дополнительная методическая погрешность при измерении других температур может достигать 20%-нойй величины. Но то, как ведет себя спектральная излучательная способность динамной стали (объект с рис.4) с изменением температуры, мы, благодаря [2], знаем и можем это как-то учесть. А если речь идет о материале, о котором подобная информация отсутствует, мы ничего не можем сказать о величине этой дополнительной погрешности. И реальная погрешность измерения может оказаться не то что в разы, а на порядок-полтора превосходящей инструментальную погрешность пирометра (сегодня эти погрешности – от 0,2–0,3% до 1–2%).
Возвращаясь к недопустимости упомянутого выше метода "подкручивания" коэффициента излучения под правильный результат, отметим, что температурная зависимость излучательной способности – главная причина метрологической несостоятельности такого метода определения коэффициента излучения. Если мы используем "подкрученный" при определенной температуре под правильный результат коэффициент излучения, то полученный с этим коэффициентом результат измерения при иной температуре объекта может иметь дополнительную методическую погрешность неопределенной величины, от единиц до десятков процентов.
То есть при измерении температуры объекта энергетическим пирометром практически всегда существует вероятность появления неучтенной дополнительной погрешности неопределенной величины, обусловленной ошибками в выборе коэффициента излучения.
Проблема неопределенности погрешности при определении значений коэффициента излучения для энергетических пирометров
Предположим, однако, что с первой проблемой пользователь справился и ввел в пирометр значение коэффициента излучения, соответствующее измеряемому материалу и используемому пирометру. Значение коэффициента излучения по-прежнему взято из справочных источников или из руководства по эксплуатации пирометра. Но анализ этих данных показывает, что погрешности приводимых там значений коэффициентов излучения в подавляющем большинстве случаев не определены, их там просто нет. А если так, то и сами измерения пирометрами, опирающиеся на эти значения ε, в полном соответствии с правилами метрологии тоже должны быть признаны имеющими неопределенную погрешность.
И вот в этом суть второй серьезнейшей метрологической проблемы, связанной с использованием значений коэффициентов излучения, взятых из литературных и справочных материалов. Она также, сознательно или бессознательно, игнорируется метрологами и специалистами по пирометрии.
То есть, даже если коэффициент излучения выбран правильно, с учетом и спектральной излучательной способности материала, и спектральных характеристик пирометра, в подавляющем большинстве случаев значение погрешности определения этого коэффициента отсутствует. В итоге обе упомянутые причины делают погрешность измерения температуры энергетическим пирометром неопределенной, причем в ряде случаев эта погрешность может оказаться очень большой, до десятков процентов.
Метрологи же в качестве погрешности результата измерения выставляют в данном случае либо основную погрешность СИ (средства измерения), либо общую погрешность (с учетом случайной и неисключенной систематической составляющих), при этом в качестве неисключенной систематической составляющей используется лишь основная погрешность СИ. Вследствие этого происходит потеря значимых составляющих систематической погрешности, которая и ведет к описанному выше кажущемуся нарушению базового принципа единства измерений.
Таким образом, перед пирометрией для приведения в соответствие с требованиями современной метрологии стоит задача научиться определять метрологически значимое значение коэффициента излучения ε для любого объекта, измерение температуры которого может быть востребовано, и для любого из представленных на рынке пирометров.
Поэтому необходима разработка новых способов получения значений коэффициентов излучения ε измеряемых объектов, которые могут обеспечить метрологическую значимость полученного результата измерения температуры.
Математическое соотношение для нахождения коэффициента излучения ε
Возвратимся к рисункам 1 и 2. Нетрудно показать, что значение коэффициента излучения, которое надо ввести в пирометр для того, чтобы он правильно измерил температуру такого "несерого объекта", определяется соотношением:
, (2)
где – спектральная излучательная способность измеряемого объекта (в данном случае из рис.1), – спектральная характеристика чувствительности конкретного приемника (в рассматриваемом случае – , или из рис.2), – функция Планка.
Расчет, проведенный в соответствии с (2) для температуры 1000°С, а также для , приведенной на рис.1, и , и (рис. 2) дает следующие результаты:
= 0,695; = 0,634; = 0,251,
где определялся с использованием , – с использованием , – с использованием . Отметим, что значения , и соответствуют средним значениям в диапазонах спектральной чувствительности соответствующих приемников – это хорошо подтверждается сравнением результатов расчета с рис.3, где спектральные чувствительности приемников наложены на .
Проблема нарушения цепи прослеживаемости энергетических пирометров к Первичному эталону единицы температуры при измерении реальных объектов
О том, что в энергетических пирометрах при измерении температуры реальных объектов, когда вводимый в пирометр коэффициент излучения отличен от единицы, нарушается цепь прослеживаемости к Первичному эталону единицы температуры, говорилось в [6, 7]. Этот факт метрологами и пирометристами в полной мере еще не осознан.
Чтобы понять причину этого, нужно принять во внимание следующее. Калибровка и поверка пирометров осуществляется на МЧТ (модель "черного тела"), излучательная способность которых отличается от единицы обычно на доли процента. Поэтому при калибровке и поверке в энергетический пирометр вводят коэффициент коррекции, равный единице (или 0,99–0,999, что в данном случае то же самое). То есть, метрологические параметры пирометров, и в первую очередь их основная погрешность, определены и подтверждены при введенном в пирометр единичном коэффициенте коррекции.
Когда мы этим же пирометром измеряем температуру реального объекта, мы вводим в него отличный от 1 коэффициент коррекции, так как излучательная способность подавляющего большинства реальных объектов лежит в пределах от 0,02 до 0,95. В свете этого возникает законный вопрос – как связаны между собой основная погрешность пирометра при введенном в него единичном коэффициенте коррекции, и при коэффициенте коррекции, отличном от 1?
Ответ такой – расчетным путем найти эту связь невозможно. Погрешность при отличном от единицы коэффициенте коррекции может быть и меньше погрешности при единичном коэффициенте коррекции, и больше ее, причем насколько больше или меньше – сказать заранее невозможно, и это неприемлемо с точки зрения правил метрологии.
Почему это происходит? Дело в том, что когда пирометр осуществляет коррекцию, и в ней существует ряд операций, в которых производители могут допустить те или иные ошибки, и которые приведут к появлению неконтролируемых дополнительных погрешностей. Вот некоторые из возможных ошибок.
1.Известны алгоритмы коррекции для яркостных пирометров и для радиационных пирометров. Производитель может корректировать яркостной пирометр соотношением для радиационного, и наоборот. Это очень распространенная ошибка. К чему это приводит, показано в [7].
2.Далее, ни то, ни другое соотношение не подходит для пирометров частичного излучения. Их надо корректировать, корректируя величину потока, как это неявно следует из [8]. Мы не знаем, пирометр частичного излучения корректируется по потоку или гораздо более простым соотношением для пирометра полного излучения.
3.В упомянутых выше соотношениях для коррекции значения температуры должны быть в кельвинах. Но программист может ошибочно использовать для коррекции результатов значения температуры в градусах Цельсия, без перевода в кельвины. То есть алгоритм может быть правильным, но использован с ошибкой.
4.Наконец, при реализации алгоритма в микропроцессоре могут быть просто обычные программистские ошибки типа переполнения или антипереполнения какого-либо регистра. Такие ошибки опасны тем, что на одних комплектах данных они могут не сказываться, а на других – приводить к заметным погрешностям. В свете этого они не всегда обнаруживаются в процессе тестирования программ, и проявятся лишь в дальнейшем, на этапе эксплуатации изделия.
5.Различные нелинейные эффекты в аналоговой схемотехнике. Наглядный пример того, что такое возможно, и оценка вызываемой этим погрешности приведены в [9].
Таким образом, есть ряд причин, которые могут привести к неконтролируемому росту погрешности при коэффициенте коррекции, отличном от 1. Определить же, произошел этот рост погрешности или нет, можно только экспериментально. Но оборудования, поверочных схем и методик для этого сегодня нет, что и позволяет говорить о разрыве цепи прослеживаемости для энергетических пирометров при измерении ими температуры реальных объектов.
Для восстановления прослеживаемости, как отмечалось в [6,7], необходим эталон излучательной способности, который будет воспроизводить, хранить и передавать монохроматическую, полосовую и интегральную излучательную способность. Нужны рабочие эталонные средства излучательной способности, воспроизводящие наряду с температурой различные значения излучательной способности. И погрешности пирометров должны определяться и нормироваться не только при различных значениях температуры, но и при различных значениях излучательной способности при каждой из упомянутых температур.
Заключение
Подведем итог. До настоящего времени метрология в пирометрии рассматривала только вопросы, связанные с созданием эталонов температуры, уточнением температур фазовых переходов, выбранных в качестве реперных, передачей размера единицы от первичного эталона к рабочим эталонам более низких разрядов, конструированием и аттестацией эталонных излучателей и эталонных пирометров, поверочными схемами, с методиками поверок и калибровок. То есть метрология обслуживала только эталонно-поверочную область пирометрии. В то же время метрология пирометрических измерений температуры реальных объектов, у которых излучательная способность отлична от единицы, в том числе и "несерых объектов", находится в зачаточном состоянии и, по сути, не разрабатывалась. В связи с этим в практической пирометрии за последние 50 лет накопилось огромное количество нерешенных проблем. Предлагаемые потребителям средства измерений уже более десяти лет характеризуются основными погрешностями в доли процента, но при этом измеряют температуру реальных объектов с погрешностью, на порядок-полтора (!) большей, чем приписанная им основная погрешность. Этот факт всем известен и никого не удивляет, но внимание на ненормальность этого никто не обращает.
В дальнейшем мы рассмотрим метрологические проблемы остальных методов пирометрии, а также их возможные решения.
ЛИТЕРАТУРА
1.Рибо Г. Оптическая пирометрия / Пер. с французского. – М.: ГТТИ, 1934. – 343 с.
2.Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г. и др. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.2. – М.: Теплотехник, 2007.
3.Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. Т.1. – М.: Наука, 1965.
4.Излучательные свойства твердых материалов/ Под ред. А.Е.Шейндлина – М.: Энергия, 1974.
5.Лисиенко В.Г., Шлеймович Е.М., Ладыгичев М.Г. и др. Температура: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.1, кн. 2. Методы контроля температуры. – М.: Теплотехник, 2009.
6.Крутиков В.Н., Фрунзе А.В. О прослеживаемости современных пирометров к первичному эталону единицы температуры и о классификации методов пирометрии. – Измерительная техника, 2012, №2,с.32–37.
7.Фрунзе А.В. О необходимости создания первичного эталона излучательной способности. – Метрология, 2012, №6 , с.22–27.
8.Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. – М.: Мир, 1964.
9.Фрунзе А.В. Пирометры семейства "ДИЭЛТЕСТ-ТА" для измерения температуры алюминия и других цветных металлов, а также сплавов на их основе. – Труды IV МНТК Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении. – МИСиС, 2008, с. 380–384.
Из работ [4, 5] известно, что спектральная излучательная способность объекта часто является функцией температуры. На рис.4 приведены графики зависимостей для динамной стали при нагреве в азотно-водородной атмосфере для температур 427, 527, 627, 727, 827 и 927°С [2]. Очевидно, что найденный для пирометра, к примеру, со спектральной характеристикой коэффициент излучения для 927°С отличается от коэффициента излучения для 427°С почти в два раза.
Практически то же самое можно сказать и об изменении коэффициента излучения для пирометров спектрального диапазона 1–1,5 мкм (со спектральной характеристикой ) и для пирометров, работающих в длинноволновой части спектра (8–14 мкм).
Описанная температурная зависимость излучательной способности также приводит к появлению дополнительной систематической методической погрешности измерений за счет ошибочного ввода коэффициента излучения. Для оценки этой погрешности предположим, что мы нашли точное значение коэффициента излучения для яркостного пирометра при температуре объекта (см. рис.4), равной 627°С, и ввели его в пирометр. Какова будет погрешность измерения объекта при температурах 427 и 927°С?
Вначале рассчитаем погрешность измерения для коротковолнового яркостного пирометра (λ = 0,6 мкм). Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,5, = +0,15, λ = 10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,5, = -0,15, λ = 10-6 м, получим, что . То есть в обоих случаях дополнительная систематическая методическая погрешность имеет величину примерно 2%.
Далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 1,5 мкм. Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,48, = +0,19, λ = 1,5*10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,48, = -0,14, λ = 1,5 · 10-6 м, получим, что . То есть дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 2,5 до 4%.
И далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 12 мкм. Подставив в (1) значения Тд = 1200К, = 0,20, = +0,08, λ = 12∙10-6 м, получим, что . Подставляя Тд = 700К, = 0,20, = –0,5, λ = 12∙10-6 м, получим, что . То есть дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 20 до 25%.
Необходимо отметить, что для пирометров частичного излучения с широкополосными приемниками соотношение (1) неприменимо. Один из вариантов возможного расчета получаемой дополнительной методической погрешности описан в [7] и состоит в следующем. Вначале рассчитывают градуировочную характеристику пирометра:
,
где и – соответственно нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности соответствующего приемника, – планковская функция, – спектральная характеристика чувствительности приемника, α – размерный коэффициент пропорциональности. После этого находят функцию, обратную градуировочной . Погрешность ввода коэффициента излучения приводит к изменению сигнала на выходе приемника с на . Эти величины с помощью функции, обратной градуировочной, пересчитываются в значения температуры и . Проведенный для пирометра с характеристикой расчет показал, что если пользователь методом "подкручивания" или любым другим методом подберет значение коэффициента излучения на температуре 727°С такое, что пирометр на этой температуре будет измерять наш объект с минимальной погрешностью, то при измерении 427-градусного объекта с этим подобранным значением коэффициента излучения результат окажется заниженным на 19,7%, а при измерении 927-градусного объекта – завышенным на 18%!
Таким образом, за счет температурной зависимости излучательной способности измеряемого объекта даже при правильно введенном в пирометр коэффициенте излучения для определенной температуры дополнительная методическая погрешность при измерении других температур может достигать 20%-нойй величины. Но то, как ведет себя спектральная излучательная способность динамной стали (объект с рис.4) с изменением температуры, мы, благодаря [2], знаем и можем это как-то учесть. А если речь идет о материале, о котором подобная информация отсутствует, мы ничего не можем сказать о величине этой дополнительной погрешности. И реальная погрешность измерения может оказаться не то что в разы, а на порядок-полтора превосходящей инструментальную погрешность пирометра (сегодня эти погрешности – от 0,2–0,3% до 1–2%).
Возвращаясь к недопустимости упомянутого выше метода "подкручивания" коэффициента излучения под правильный результат, отметим, что температурная зависимость излучательной способности – главная причина метрологической несостоятельности такого метода определения коэффициента излучения. Если мы используем "подкрученный" при определенной температуре под правильный результат коэффициент излучения, то полученный с этим коэффициентом результат измерения при иной температуре объекта может иметь дополнительную методическую погрешность неопределенной величины, от единиц до десятков процентов.
То есть при измерении температуры объекта энергетическим пирометром практически всегда существует вероятность появления неучтенной дополнительной погрешности неопределенной величины, обусловленной ошибками в выборе коэффициента излучения.
Проблема неопределенности погрешности при определении значений коэффициента излучения для энергетических пирометров
Предположим, однако, что с первой проблемой пользователь справился и ввел в пирометр значение коэффициента излучения, соответствующее измеряемому материалу и используемому пирометру. Значение коэффициента излучения по-прежнему взято из справочных источников или из руководства по эксплуатации пирометра. Но анализ этих данных показывает, что погрешности приводимых там значений коэффициентов излучения в подавляющем большинстве случаев не определены, их там просто нет. А если так, то и сами измерения пирометрами, опирающиеся на эти значения ε, в полном соответствии с правилами метрологии тоже должны быть признаны имеющими неопределенную погрешность.
И вот в этом суть второй серьезнейшей метрологической проблемы, связанной с использованием значений коэффициентов излучения, взятых из литературных и справочных материалов. Она также, сознательно или бессознательно, игнорируется метрологами и специалистами по пирометрии.
То есть, даже если коэффициент излучения выбран правильно, с учетом и спектральной излучательной способности материала, и спектральных характеристик пирометра, в подавляющем большинстве случаев значение погрешности определения этого коэффициента отсутствует. В итоге обе упомянутые причины делают погрешность измерения температуры энергетическим пирометром неопределенной, причем в ряде случаев эта погрешность может оказаться очень большой, до десятков процентов.
Метрологи же в качестве погрешности результата измерения выставляют в данном случае либо основную погрешность СИ (средства измерения), либо общую погрешность (с учетом случайной и неисключенной систематической составляющих), при этом в качестве неисключенной систематической составляющей используется лишь основная погрешность СИ. Вследствие этого происходит потеря значимых составляющих систематической погрешности, которая и ведет к описанному выше кажущемуся нарушению базового принципа единства измерений.
Таким образом, перед пирометрией для приведения в соответствие с требованиями современной метрологии стоит задача научиться определять метрологически значимое значение коэффициента излучения ε для любого объекта, измерение температуры которого может быть востребовано, и для любого из представленных на рынке пирометров.
Поэтому необходима разработка новых способов получения значений коэффициентов излучения ε измеряемых объектов, которые могут обеспечить метрологическую значимость полученного результата измерения температуры.
Математическое соотношение для нахождения коэффициента излучения ε
Возвратимся к рисункам 1 и 2. Нетрудно показать, что значение коэффициента излучения, которое надо ввести в пирометр для того, чтобы он правильно измерил температуру такого "несерого объекта", определяется соотношением:
, (2)
где – спектральная излучательная способность измеряемого объекта (в данном случае из рис.1), – спектральная характеристика чувствительности конкретного приемника (в рассматриваемом случае – , или из рис.2), – функция Планка.
Расчет, проведенный в соответствии с (2) для температуры 1000°С, а также для , приведенной на рис.1, и , и (рис. 2) дает следующие результаты:
= 0,695; = 0,634; = 0,251,
где определялся с использованием , – с использованием , – с использованием . Отметим, что значения , и соответствуют средним значениям в диапазонах спектральной чувствительности соответствующих приемников – это хорошо подтверждается сравнением результатов расчета с рис.3, где спектральные чувствительности приемников наложены на .
Проблема нарушения цепи прослеживаемости энергетических пирометров к Первичному эталону единицы температуры при измерении реальных объектов
О том, что в энергетических пирометрах при измерении температуры реальных объектов, когда вводимый в пирометр коэффициент излучения отличен от единицы, нарушается цепь прослеживаемости к Первичному эталону единицы температуры, говорилось в [6, 7]. Этот факт метрологами и пирометристами в полной мере еще не осознан.
Чтобы понять причину этого, нужно принять во внимание следующее. Калибровка и поверка пирометров осуществляется на МЧТ (модель "черного тела"), излучательная способность которых отличается от единицы обычно на доли процента. Поэтому при калибровке и поверке в энергетический пирометр вводят коэффициент коррекции, равный единице (или 0,99–0,999, что в данном случае то же самое). То есть, метрологические параметры пирометров, и в первую очередь их основная погрешность, определены и подтверждены при введенном в пирометр единичном коэффициенте коррекции.
Когда мы этим же пирометром измеряем температуру реального объекта, мы вводим в него отличный от 1 коэффициент коррекции, так как излучательная способность подавляющего большинства реальных объектов лежит в пределах от 0,02 до 0,95. В свете этого возникает законный вопрос – как связаны между собой основная погрешность пирометра при введенном в него единичном коэффициенте коррекции, и при коэффициенте коррекции, отличном от 1?
Ответ такой – расчетным путем найти эту связь невозможно. Погрешность при отличном от единицы коэффициенте коррекции может быть и меньше погрешности при единичном коэффициенте коррекции, и больше ее, причем насколько больше или меньше – сказать заранее невозможно, и это неприемлемо с точки зрения правил метрологии.
Почему это происходит? Дело в том, что когда пирометр осуществляет коррекцию, и в ней существует ряд операций, в которых производители могут допустить те или иные ошибки, и которые приведут к появлению неконтролируемых дополнительных погрешностей. Вот некоторые из возможных ошибок.
1.Известны алгоритмы коррекции для яркостных пирометров и для радиационных пирометров. Производитель может корректировать яркостной пирометр соотношением для радиационного, и наоборот. Это очень распространенная ошибка. К чему это приводит, показано в [7].
2.Далее, ни то, ни другое соотношение не подходит для пирометров частичного излучения. Их надо корректировать, корректируя величину потока, как это неявно следует из [8]. Мы не знаем, пирометр частичного излучения корректируется по потоку или гораздо более простым соотношением для пирометра полного излучения.
3.В упомянутых выше соотношениях для коррекции значения температуры должны быть в кельвинах. Но программист может ошибочно использовать для коррекции результатов значения температуры в градусах Цельсия, без перевода в кельвины. То есть алгоритм может быть правильным, но использован с ошибкой.
4.Наконец, при реализации алгоритма в микропроцессоре могут быть просто обычные программистские ошибки типа переполнения или антипереполнения какого-либо регистра. Такие ошибки опасны тем, что на одних комплектах данных они могут не сказываться, а на других – приводить к заметным погрешностям. В свете этого они не всегда обнаруживаются в процессе тестирования программ, и проявятся лишь в дальнейшем, на этапе эксплуатации изделия.
5.Различные нелинейные эффекты в аналоговой схемотехнике. Наглядный пример того, что такое возможно, и оценка вызываемой этим погрешности приведены в [9].
Таким образом, есть ряд причин, которые могут привести к неконтролируемому росту погрешности при коэффициенте коррекции, отличном от 1. Определить же, произошел этот рост погрешности или нет, можно только экспериментально. Но оборудования, поверочных схем и методик для этого сегодня нет, что и позволяет говорить о разрыве цепи прослеживаемости для энергетических пирометров при измерении ими температуры реальных объектов.
Для восстановления прослеживаемости, как отмечалось в [6,7], необходим эталон излучательной способности, который будет воспроизводить, хранить и передавать монохроматическую, полосовую и интегральную излучательную способность. Нужны рабочие эталонные средства излучательной способности, воспроизводящие наряду с температурой различные значения излучательной способности. И погрешности пирометров должны определяться и нормироваться не только при различных значениях температуры, но и при различных значениях излучательной способности при каждой из упомянутых температур.
Заключение
Подведем итог. До настоящего времени метрология в пирометрии рассматривала только вопросы, связанные с созданием эталонов температуры, уточнением температур фазовых переходов, выбранных в качестве реперных, передачей размера единицы от первичного эталона к рабочим эталонам более низких разрядов, конструированием и аттестацией эталонных излучателей и эталонных пирометров, поверочными схемами, с методиками поверок и калибровок. То есть метрология обслуживала только эталонно-поверочную область пирометрии. В то же время метрология пирометрических измерений температуры реальных объектов, у которых излучательная способность отлична от единицы, в том числе и "несерых объектов", находится в зачаточном состоянии и, по сути, не разрабатывалась. В связи с этим в практической пирометрии за последние 50 лет накопилось огромное количество нерешенных проблем. Предлагаемые потребителям средства измерений уже более десяти лет характеризуются основными погрешностями в доли процента, но при этом измеряют температуру реальных объектов с погрешностью, на порядок-полтора (!) большей, чем приписанная им основная погрешность. Этот факт всем известен и никого не удивляет, но внимание на ненормальность этого никто не обращает.
В дальнейшем мы рассмотрим метрологические проблемы остальных методов пирометрии, а также их возможные решения.
ЛИТЕРАТУРА
1.Рибо Г. Оптическая пирометрия / Пер. с французского. – М.: ГТТИ, 1934. – 343 с.
2.Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г. и др. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.2. – М.: Теплотехник, 2007.
3.Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. Т.1. – М.: Наука, 1965.
4.Излучательные свойства твердых материалов/ Под ред. А.Е.Шейндлина – М.: Энергия, 1974.
5.Лисиенко В.Г., Шлеймович Е.М., Ладыгичев М.Г. и др. Температура: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.1, кн. 2. Методы контроля температуры. – М.: Теплотехник, 2009.
6.Крутиков В.Н., Фрунзе А.В. О прослеживаемости современных пирометров к первичному эталону единицы температуры и о классификации методов пирометрии. – Измерительная техника, 2012, №2,с.32–37.
7.Фрунзе А.В. О необходимости создания первичного эталона излучательной способности. – Метрология, 2012, №6 , с.22–27.
8.Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. – М.: Мир, 1964.
9.Фрунзе А.В. Пирометры семейства "ДИЭЛТЕСТ-ТА" для измерения температуры алюминия и других цветных металлов, а также сплавов на их основе. – Труды IV МНТК Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении. – МИСиС, 2008, с. 380–384.
Отзывы читателей
