Телевізійна система для дослідження температури зони плавки

В більшості важливих випадків (науково-дослідна лабораторія, чисті виробництва, робота у  так званих «вікнах прозорості») заміна значень коефіцієнту пропускання  можна нехтувати. Якщо це можливо, то для компенсації похибок використовується метод еталонного джерела, яке розміщується в полі зору і має характеристики випромінювання близькі до діапазону зміни характеристик об’єкту.

 

Набагато  складніша ситуація з впливом  випромінювання сторонніх джерел.

Справа  в тому, що в потоці випромінювання, який потрапляє на СЕП, може бути також  і випромінювання сторонніх джерел, відбите від поверхні об’єкту. За певних умов(наприклад, температура  стороннього джерела значно вища за температуру об’єкта або об’єкт характеризується великим коефіцієнтом відбиття), частка стороннього випромінювання може бути досить значною. В цьому випадку при дослідженні процесу формування вимірювального сигналу використовують термін ефективної яскравості, який характеризує випромінювання об’єкту з температурної сторони і визначається як сума яскравостей власного випромінювання об’єкту з температурою Т1 та відбитого випромінювання стороннього джерела з температурою Т2. При цьому можуть застосовуватись розрахункові чи апараті методи чи їх комбінації (2).

Вплив випромінювання стороннії джерел на результати досліджень температурних полів та відповідні аналітичні методи його врахування розглядаються в (2.3).

 

В цих роботах відзначено, що складність практичного використання методик  полягає в тому, що вони розроблені для типових конфігурацій (об'єкт - стороннє джерело) і дозволяють отримати достовірні результати при постійних значеннях яскравості стороннього джерела та коефіцієнту випромінювальної здатності цього джерела і об'єкту, а також - за умови, шо геометрія системи « Об'єкт - стороннє джерело» не змінюються (4).

Отже, проблема впливу відбитого випромінювання на похибку у вимірюваннях температури  є надзвичайно складною.

Щодо  впливу шумів електронних блоків на роботу ТЗВ, то можна скористатись результатами (1).

Доцільно  проаналізувати також вплив можливих змін коефіцієнту випромінювальної здатності на похибку вимірювання температури. Теоретично у методі пірометрії спектрального відношення він має бути скомпенсований, і це спостерігається для більшості прикладних задач.

Але внаслідок того, що при розробці БСП значення і фіксуються, не виключається можливість, що для певного об'єкту саме в цьому спектральному діапазоні не дорівнює .

З урахування цих застережень при  аналізі похибок біспектрального пірометра будемо розглядати залежність 1 в такому вигляді

 

     (5.2)

 

5.1 Похибка вимірювання  температури обумовлена нерівномірністю  чутливості СЕП

 

Визначимо характерну похибку вимірювання  температури, що обумовлена нерівномірністю чутливості СЕП для телевізійної пірометри взагалі і для біспектральної телевізійної пірометрії, (літ. 5)

 

Розглянемо  температуру,  визначену раніше, як функцію аргументів і , які є монохроматичними сигналами.

 

     (5.3)

 

Перейшовши  після диференціювання (5.3) від нескінченних приростів до скінченних, отримаємо

 

    (5.4)

 

Остаточно,

 

   (5.5)

 

В формулі (5.5) врахували, що

 

      (5.6)

 

Де N – геометричний шум

Тоді, відносна похибка

      (5.7)

Отже, відносна похибка вимірювання температури  в методі телевізійної пірометрії пропорційна  температурі і геометричному  шумі.

Рис. 1 Залежність похибки вимірювань від СЕП

 

Рисунок 1 ілюструє залежність похибки вимірювання  температури від нерівномірності  чутливості СЕП для різних температур.

Слід  відзначити, що нерівномірність чутливості СЕП до 0,05 більшість випадків є  скомпенсованою ще на етапі вибору камери, оскільки всі сучасні телевізійні  камери враховують наявність геометричного  шуму.

Як  видно з рисунку, зі збільшенням  вимірюваних температур вплив похибки, зумовлений нерівномірністю чутливості СЕП, також збільшується.

Як  видно, з (5.7) випливає аналітична залежність, яку можна покласти в умову  критерію вибору телевізійної камери за значення геометричного шуму при заданих значеннях похибки і діапазону вимірювання температур.

      (5.8)

Зокрема, якщо при вимірюванні температури  рідкої фази кремнію (Т=1685К) за допомогою  БСП з  мкм похибка вимірювання повинна

 

 

 

бути не більше ЗК , то підставивши в (5.8) відповідні числові

значення, отримаємо  .

На  сьогодні ПЗЗ матриці з таким значенням нерівномірності чутливості відсутні в серійному виробництві, тому необхідно застосовувати програмну корекцію.

В той же час, в трубопрокатному виробництві при вимірюванні температури труби за допомогою БСП з мкм в діапазоні від 1300 К до 1400К похибка не повинна перевищувати 1%. Підставивши в (5.8) значення та тримаємо .

Отже, в цьому випадку для заданого набору параметрів можна обмежитись вибором серійної камери з .

Теоретично, можна отримати будь-яке значеним компенсації нерівномірності чутливості СЕП. Але практично забезпечити таке дуже складно і дорого, бо потребує створення складних пристроїв формування поля освітленості із заданою рівномірністю, а також метрологічних засобів для перевірки.

Тому  отримана нами (5,8), яка дозволяє отримати критерій вибору камери за паспортним значенням нерівномірності чутливості є надзвичайно важливою.

 

5.2 Вплив похибки визначення еквівалентної довжини хвилі на похибку вимірювання температури

 

Скориставшись (5.3) отримаємо формулу ДЛЯ визначення еквівалентної довжини хвилі

 

 

 

 

     (5.9)

Для експериментального визначення використовують формулу (5.3) за умови, що температура об'єкта Т0 відома, а сигнали і виміряні експериментально.

      (5.10)

Оскільки , і виміряні з похибкою , то очевидно, що і значення отримано з певною похибкою.

Для скінченних приростів аргументів та функції 

   (5.11)

Дія похідних отримаємо

     (5.12)

     (5.13)

Значення похідних підставимо в (5.11) і отримаємо формулу, яка визначає похибку вимірювання ЕкДХ, що обумовлена похибками вимірювання еталонних сигналів.

     (5.14)

Дія відносної похибки

 

 

 

Висновок

 

На  даний час в наукових дослідженнях, технології очищення кристалів, металів, напівпровідників, органічних речовин  та при створенні металів із заданим розподілом домішок все ширше використовується електронно- променева безтигельна зонна плавка.

При отриманні матеріалів із заданими властивостями  необхідно забезпечення постійного температурного контролю поля зони плавки.

Сучасні телевізійні прилади серед усіх інших засобів можуть одночасно забезпечити найвищі показники щодо просторового розрізнення, формату та часу формування виборки, що надає істотні переваги при вимірюванні температури ЗР, у тому числі і в плані точності вимірювань.

Отже, впровадження та застосування телевізійних засобів та спеціально розроблених методів у технології контролю зонної плавки дозволяє в цілому вирішити проблему вимірювання температури ЗР.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список посилань

1. Порєв В.А. До питання про вимірювання температури стержня, оточеного яскравим джерелом випромінювання кільцеподібної форми/ В.А. Порєв, В.О. Кулікова// Наукові Вісті НТУУ КПІ 1998- №3 с. 122-124.
2. Маркін М.О. Біспектральний телевізійний засіб вимірювання параметрів бетгигельної зонної плавки. Київ 2011.
3. Порєв В.А. Телевізійна пірометрія К.: Аверс, 2002. С. 196.
4. Згуровський Г.М «Вимірювання температури зонної плавки розплаву в електронно-променевій технології безгигельної зонної плавки»// Наукові Вісті НТУУ КПІ. №3.2003. С.93 - 97.
5. Маркін М.О. «Метрологічні аспекти мультиспектральної телевізійної пірометрії»// Компютерний моніторинг та інформаційні техн.. V всеукр. науко, техн. конф. студ., аспір та молодих наук. 11 — 15 2009 Донецьк.
6. Киреньков И.И. «Метрологические основи оптической пирометрии»/ И.И. Киреньков - М. Издательство стандартов, 1976 - 140с.
7. Порєв В.А. «Теорія процесу формування поля яскравості зони плавки кремнію (ЕПБЗП)»// Звіт про НДР. Київ 2001.
8. Паскачев А.А «Измерение температури пирометрами с учётом стороннего излучения»/ А.А. Паскачёв, А.Д, Свеичанский// Электротехническая промышленность. 1978. М3(187), С. 3-4
9. Ранцевич В. Б. «Пирометрия при посторонних источниках излучения»/ В.Б. Ранцевич - Мн.: Наука и техника, 1989 - 104с,

 

 

 

 

 

 

unit umain;

 

{$mode objfpc}{$H+}

 

interface

 

uses

  Classes, SysUtils, FileUtil, Forms, Controls, Graphics, Dialogs, ExtCtrls,

  StdCtrls;

 

type

 

  { TForm1 }

 

  TForm1 = class(TForm)

    Button1: TButton;

    Image1: TImage;

    Timer1: TTimer;

    procedure Button1Click(Sender: TObject);

  private

    { private declarations }

  public

    { public declarations }

  end;

 

var

  Form1: TForm1;

 

implementation

 

{$R *.lfm}

 

{ TForm1 }

 

const ImgWidth = 352;

      ImgHeight = 288;

      ImgSize = ImgWidth*ImgHeight;

 

type TCamPixel = record

      R,G,B : Byte;

     end;

 

{

GBGBGBGB

RGRGRGRG

GBGBGBGB

RGRGRGRG

 

http://pastebin.com/EYWXvnBt

 

}

 

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

var f: file;

    ch : array [1..ImgHeight,1..ImgWidth] of byte;

    ci : array [1..ImgHeight,1..ImgWidth] of TCamPixel;

    x,y,i  : Integer;

    v : Byte;

begin

 AssignFile(f,'/dev/video1');

 Reset (f,1);

 BlockRead(f,ch,ImgSize,i);

Image1.Canvas.Clear;

 FillChar(ci,SizeOf(ci),0);

 if (i=ImgSize) then

  begin

   for x:=1 to ImgWidth do

    for y:=1 to ImgHeight do

     begin

      if (((x mod 2) <> 0) and ((y mod 2) <> 0)) or (((x mod 2) = 0) and((y mod 2) = 0))  then ci[y,x].G:=ch[y,x];

      if ((x mod 2) = 0) and((y mod 2) <> 0) then ci[y,x].B:=ch[y,x];

      if ((x mod 2) <> 0) and((y mod 2) = 0) then ci[y,x].R:=ch[y,x];

 

     end;

   for x:=2 to ImgWidth-1 do

    for y:=2 to ImgHeight-1 do

     begin

      if ((x mod 2) = 0) and((y mod 2) = 0)  then

       begin

        ci[y,x].R:= (ci[y,x-1].R+ci[y,x+1].R) div 2;

        ci[y,x].B:= (ci[y-1,x].B+ci[y+1,x].B) div 2;

       end;

      if ((x mod 2) <> 0) and((y mod 2) <> 0)  then

       begin

        ci[y,x].B:= (ci[y,x-1].B+ci[y,x+1].B) div 2;

        ci[y,x].R:= (ci[y-1,x].R+ci[y+1,x].R) div 2;

       end;

      if ((x mod 2) = 0) and((y mod 2) <> 0) then

       begin

        ci[y,x].G:= (ci[y,x-1].G+ci[y,x+1].G+ci[y-1,x].G+ci[y+1,x].G) div 4;

        ci[y,x].R:= (ci[y-1,x-1].R+ci[y+1,x+1].R+ci[y-1,x+1].R+ci[y+1,x-1].R) div 4;

       end;

      if ((x mod 2) <> 0) and((y mod 2) = 0) then

       begin

        ci[y,x].G:= (ci[y,x-1].G+ci[y,x+1].G+ci[y-1,x].G+ci[y+1,x].G) div 4;

        ci[y,x].B:= (ci[y-1,x-1].B+ci[y+1,x+1].B+ci[y-1,x+1].B+ci[y+1,x-1].B) div 4;

       end;

      Image1.Canvas.Pixels[x,y]:=ci[y,x].R or (ci[y,x].G shl 8) or (ci[y,x].B shl 16);

     end;

  end;

 CloseFile(f);

end;

end.