Спектральная пирометрия Магунов. Оглавлениепредисловие Глава Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии
 Скачать 4.34 Mb.
|
|
Проверка независимым методом. Данные температурных измерений в экспериментальных и технологических установках почти никогда не проверяются не только другим методом, но попросту двумя датчиками одновременно (например, двумя разными пирометрами. Когда используются два разных пирометра (полного излучения и спектрального отношения, результаты измерений в сложных условиях (производство цемента, присутствуют пыль и пламя) отличаются на 150–270 К при температуре около 2300 КВ обширной литературе по оптической пирометрии удается найти единичные упоминания о применении дополнительных независимых методов. Например, в [1.68] совместно применены методы пирометрии и дифракции быстрых электронов на кристаллической решетке, постоянная которой зависит от температуры; в [1.69] одновременно спирометрией железа измерено чувствительное к температуре отношение интенсивностей стоксовой и антистоксовой линий рассеянного рентгеновского излучения с энергией 14 кэВ для измерения температуры тепловых кремниевых микроизлучателей в области К одновременно применены оптический и контактный методы [1.70]; для измерения температуры наночастиц использованы методы пирометрии и дифракции рентгеновских лучей [1.14]. Некоторые дополнительные методы, применяемые для контроля результатов пирометрии, являются сложными и трудоемкими, они недоступны большинству лабораторий. Особенности технологического контроля. В технологических установках бывает важно неточное измерение температуры процесса, а точное поддержания одних и тех же условий в течение длительного времени и сохранение температурного режима от одного включения к другому. Даже если выход на необходимый режим обеспечивался с помощью метода, дающего систематическую ошибку (из-за незнания излучательной способности объекта, присутствия постороннего излучения и оптических окон установки, для достижения желаемых ре 1.4. Постановка задачи 29 зультатов необходимо постоянно воспроизводить тот же режим (он выбирается по выходу продукции оптимального качества. Для этого требуется невысокая точность измерения температуры, а лишь достаточно высокая чувствительность прибора к изменениям температуры. При замене измерительного прибора или переносе технологии в другие установки отладка процесса происходит заново. Применение условной температурной шкалы приводит к тому, что перенос технологии чаще всего связан с трудностями, особенно при изменении масштабов процесса. Постановка задачи Для увеличения достоверности результатов и расширения области применения оптической пирометрии необходимо: а) исключить (или существенно снизить) влияние неопределенности коэффициента излучения на результат измерения; б) непосредственно наблюдать равновесное распределение, параметром которого является искомая температура. Последнее условие давно применяется в физике газоразрядной плазмы. В случае, когда наблюдаемое распределение имеет вид функции Максвелла или Больцмана, никаких подгоночных коэффициентов не надо находить для определения температуры, те. метод становится первичным. Наблюдаемость распределения делает результат измерения более надежным, поскольку устраняет некоторые систематические ошибки. Известен метод измерения температуры газа в разряде по наблюдаемому распределению интенсивности во вращательной структуре электронных спектров излучения двухатомных молекул В этом случае интенсивность излучения измеряется в достаточно большом числе точек спектра (например, регистрируется интервал спектра шириной 10–20 нм с разрешением 0,01 нм, это соответствует измерению на 1000–2000 длинах волн, что позволяет проверить основную гипотезу метода — наличие равновесного (больцмановского) распределения по энергии в подсистеме вращательных степеней свободы молекул, и др. Другой метод предназначен для определения температуры электронов в горячей плазме, он состоит в регистрации и обработке спектра тормозного континуума спектр излучения плазмы в широком интервале спектра представляют в виде зависимости логарифма интенсивности от частоты (lg I от hν), спрямление графика происходит в случае максвеловского распределения электронов по энергиям, наклон прямой линии дает электронную температуру Разработан ряд методов лазерной спектроскопии плазмы и газов, в которых с помощью внешнего излучения возбуждают люминесценцию молекул, регистрируют ее спектр и определяют распределение частиц по энергетическим состояниям (параметром распределения является Гл. 1. Задачи, методы и проблемы оптической пирометрии температура) [1.6]. В случае, когда в исследуемой системе отсутствует тепловое равновесие, на это сразу указывает вид построенного распределения (наблюдаются отклонения от равновесной формы, изломы и участки с разными «температурами»). Спектральные методы термометрии имеют важное преимущество перед традиционными методами (контактными и бесконтактными), которые не дают возможности наблюдать распределение. Установить отсутствие теплового равновесия с помощью традиционной яркостной пирометрии можно только тогда, когда измеренная температура выглядит неправдоподобно высокой. Например, яркостная температура пульсара в радиодиапазоне (на длине волны 3,5 м) составляет 10 26 К, яркостная температура радиоизлучения активного Солнца достигает 10 КВ этих случаях ясно, что излучение в радиодиапазоне обусловлено неравновесными процессами. Измерение цветовой температуры продуктов химической реакции в порошковых смесях, Ti–CuO, и др) на длинах волн 530 и 650 нм показало, что примерное равенство цветовой и действительной температур достигается только после окончания инициирующего мощного СВЧ-импульса (при этом спектр излучения становится серым, тогда как вовремя импульса цветовая температура достигает 100 000 К, т. е. превышает действительную температуру примерно враз, из-за того, что в полосе коротковолнового канала присутствует излучение сильных атомарных линий испаренных металлов. Такую цветовую температуру нельзя сопоставлять с термодинамической температурой, поскольку возбуждение атомарных линий связано с неравновесными процессами в плазме поверхностного СВЧ-разряда. В последние десятилетия появилась возможность непосредственно наблюдать в каждом эксперименте распределение интенсивности в спектрах теплового излучения многих объектов. Это связано с широким распространением малогабаритных оптических спектрометров с ПЗС-линейками фотоприемников. Такие приборы позволяют за время порядка 1 мс зарегистрировать спектр излучения даже слабосветящих- ся объектов (пламя свечи и др. В спектре излучения содержатся данные о свойствах объекта и его температуре. Отсутствие данных об излучательной способности) во многих случаях компенсируется обширной спектральной информацией. Спомощью такого подхода удалось показать, что серые тела существуют и, более того, весьма многочисленны. Большинство исследованных нагретых излучающих объектов являются серыми телами в каких-то спектральных диапазонах. Чтобы найти эти диапазоны и использовать их для определения температуры, необходимо в каждом эксперименте регистрировать достаточно широкий спектр излучения каждого объекта и сравнивать его с планковским спектром Глава ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО НЕПРЕРЫВНОМУ ТЕПЛОВОМУ СПЕКТРУ В данной главе обсуждается модификация метода пирометрии, основанная на регистрации широкого спектра излучения и определении температуры без привлечения экспериментальных данных или модельных представлений о коэффициенте излучения. Основной экспериментальный факт, лежащий в основе спектральной пирометрии, заключается в том, что в излучении многих объектов наблюдаются спектральные участки, где распределение интенсивности имеет туже форму, что ив излучении черного тела. В последние десятилетия появилась возможность в каждом эксперименте непосредственно наблюдать распределение интенсивности в спектре теплового излучения с помощью системы, включающей спектрометр на ПЗС-линейке и компьютер. Регистрация оптического спектра в широком интервале длин волн позволяет в каждом измерении проверить соответствие (хотя бы в отдельных диапазонах) наблюдаемого спектра планковскому спектру теплового излучения и определить температуру излучения, как параметр равновесного распреде- ления. Первые работы этого направления, в которых использовались многоканальные фотоприемники или проводилось быстрое сканирование по спектру, появились примерно 30 лет назад [2.1–2.4]. 2.1. Метод измерений Определение температуры методом спектральной пирометрии основано на относительных измерениях интенсивности в широком спектре излучения светящегося объекта. Отличием от цветовой пирометрии является не только использование большого числа длин волн (фоточувствительные линейки содержат от 500 до 3600 пикселов), но и обязательная проверка подобия зарегистрированного спектра и спектра черного тела. ОбластьВина. На рис. 2.1 показано, что модель Вина (C 2 /λT с высокой точностью совпадает с формулой Планка вплоть до длин волн в 3–4 раза меньших, чем = C 2 /T , те. примерно до длины Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру Рис. 2.1. Интенсивность излучения по моделям Планка (1) и Вина (2) при температуре = 2000 Ка) и T = 20000 К (б. Отношение интенсивностей, вычисленных по этим моделям (3). Вертикальная линия обозначает длину волны = C 2 /T ≈ 7,2 мкм аи мкм (б) волны λ ≈ 0,25C 2 /T. Максимум интенсивности в планковском спектре при 2898/T всегда находится в области Вина (выполняется соотношение ≈ 5λ m ). Область Вина доступна для регистрации оптическим спектрометром видимого диапазона в тех случаях, когда температура объекта не слишком велика весь регистрируемый спектр лежит в области Вина, если 0,25C 2 /λ ≈ 4800 К (при этом длинноволновый край чувствительности ПЗС-линейки совпадает с границей видимого света ≈ 750 нм). В области Вина имеются сильные и различные зависимости интенсивности излучения от длины волны и температуры, это различие проявляется в том, что параллельный перенос кривых вдоль оси ординат не приводит к их совпадению (рис. 2.2). Именно это свойство спектров излучения в области Вина позволяет с высокой точностью измерять температуру множества объектов методом спектральной пи 2.1. Метод измерений 33 Рис. 2.2. Спектры черного тела при температурах (снизу вверх 2000, 2200, 2400, 2600, 2800 и 3000 К. Интенсивность при = 1000 нм для всех температур принята равной единице рометрии. Проводя аппроксимацию экспериментального спектра план- ковской функцией, определяют температуру объекта. Применяется и другой способ нахождения температуры. После преобразования формулы Планка получаем для области Вина ln (λ 5 I) − ln (εC 1 ) = В случае серого тела, когда) = const, выражение (2.1) описывает прямую в координатах = C 2 /λ и y = ln (λ 5 I). Наклон прямой определяется температурой. На рис. 2.3 показаны в виновских координатах те же спектры, что и на рис. Рис. 2.3. Спектры черного тела в виновских координатах в интервале длин волн 200–1000 нм при температурах (снизу вверх) 2000, 2200, 2400, 2600, и 3000 К Приемники с переносом заряда регистрируют не интенсивность света (Вт/см 2 ), а полное число фотоэлектронов за время накопления сигнала Δ t. Полное число электронов (N) в каждом пикселе связано АН. Магунов Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру с интенсивностью в выражении (2.1) соотношением = N(hν), где — энергия кванта, h — постоянная Планка, частота ν = c/λ (c скорость света. Поэтому формула Планка для числа квантов принимает вид = C 1 Δt hc λ −4 exp C 2 λT − Выражение (2.1) принимает вид ln (λ 4 N) − ln εC 1 Δt hc = при этом спрямление планковского спектра происходит в координатах = C 2 /λ и y = ln (Построив экспериментальный спектр в виновских координатах, y), можно определить температуру объекта без привлечения гипотез о величине коэффициента излучения. Влияние коэффициента излучения проявляется лишь в параллельном переносе прямой по оси ординат, но наклон остается неизменным. В литературе встречаются оба варианты построения графиков либо с = ln (λ 5 I), либо св зависимости оттого, какой фотоприемник применяется для регистрации света, и как проводилась калибровка спектрометра. При использовании фотоприемников стоковым сигналом (ФЭУ, фотодиод) применяется первый вариант. Он же применяется и для представления расчетных тепловых спектров. Построение спектра в виновских координатах имеет преимущества перед подгонкой спектра с помощью планковской функции. В первом случае отчетливо видны отклонения спектра от прямолинейности, обусловленные особенностями исследуемого объекта (пространственной неоднородностью температуры, спектральной зависимостью коэффициента излучения). Если имеется спектральная зависимость коэффициента излучения, ее влияние на наклон зависимости y(x) проявляется лишь логарифмически, те. намного слабее, чем. Это особенность области Вина, где интенсивность излучения экспоненциально зависит от температуры. Влияние зависимости) на результат измерений температуры снижается при переходе в коротковолновую область спектра. Таким образом, если в спектре излучения объекта имеются спектральные участки, где распределение интенсивности ведет себя подобно функции Планка (те. спрямляется в соответствующих координатах, возможно определение температуры по наклону полученного отрезка прямой. Если полученная зависимость заметно отклоняется от прямой, те. проявляется зависимость ln ε(λ), приближенное определение температуры необходимо проводить на коротковолновом участке графика, при этом погрешность уменьшается с уменьшением длин волн Δ T/T = (Δε/ε)(C 2 /λT ) −1 . Поскольку для определения темпера 2.1. Метод измерений 35 туры необходимо регистрировать лишь относительную интенсивность излучения на разных длинах волн, геометрические факторы (размеры объекта, расстояние до него) не влияют на результат. В пирометрии отношения температуру определяют, основываясь на гипотезе об отношении коэффициентов излучения на двух длинах волн. Отличием спектральной пирометрии от пирометрии отношения является то, что априорная гипотеза об отношении ε 1 /ε 2 отсутствует, а подобие регистрируемого спектра и спектра черного тела выявляется в эксперименте потому, что спектр в координатах Вина спрямляется с высокой точностью. Переходная область. Если температура исследуемого объекта составляет кК, тов спектральный диапазон 300–1000 нм, доступный обычно для регистрации, попадает участок спектра, лежащий между областями Вина и Рэлея–Джинса (рис. 2.1 б и 2.4). В этой Рис. 2.4. Интенсивность излучения по моделям Планка (1) и Рэлея–Джинса (2) при температуре = 20000 К. Отношение интенсивностей, вычисленных по этим моделям (3). Вертикальная линия обозначает длину волны = C 2 /T ≈ ≈ 0,72 мкм переходной области, при ∼ C 2 /T , зависимости I(λ) имеют форму, зависящую от температуры. Спектры, полученные в этой области при разных температурах, не совмещаются друг с другом при параллельном переносе по оси ординат и при изменении масштаба по этой оси. Вследствие этого возможно, как ив области Вина, определение температуры путем подгонки экспериментального спектра планковской кривой, при варьировании температуры как свободного параметра. В работе [2.5] проведено определение температуры по распределению интенсивности в непрерывном спектре, относящемся к переходной области. Проводилось облучение поверхности кварцевого стекла импульсным неодимовым лазером в режиме свободной генерации (длина Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру волны 1,06 мкм, длительность импульса 1 мс, энергия 400 Дж, при этом вблизи поверхности возникал факела в кварце формировался кратер. Оптические спектры в диапазоне 400–700 нм регистрировали на фотопленку. Спектр излучения факела содержит континуум и линии ионов Si II, Si III и O II. В спектре излучения кратера имеется только континуум. После фотометрирования были построены континуумы (рис. 2.5). Найденная температура кратера, образующегося в плавленом Рис. 2.5. Спектры излучения кратера (1) и факела (2) при воздействии лазерного излучения на поверхность кварцевого стекла [4]. Температура 20 (и 10 кК (кварце при воздействии лазерного излучения, составляет 20 кК, температура плазмы факела 10 кК. Для спектра излучения кратера величина 1, для спектра факела C 2 /λT 2, те. оба спектра относятся к переходной области. На рисунке видно, что совмещение двух кривых водной точке не ведет к их совпадению в остальных точках, когда кривые относятся к переходной области (в отличие от кривых в области Рэлея–Джинса). В ряде работ по пирометрии газовых пузырьков, сжимаемых звуковой волной, регистрируемые спектры излучения также относится к переходной области, при этом измеряемые температуры достигают 20–40 кК [2.6, Для длинноволнового края переходной области, при ≈ чувствительность формы спектра к температуре невелика (по сравнению с областью Вина, поэтому высокую точность спектральной пирометрии трудно обеспечить в этой области. На рис. 2.6 показаны спектры излучения черного тела при температурах от 10 до 70 кК. Видно, что при увеличении температуры форма спектров изменяется все меньше. При наличии шумов трудно различить высокотемпературные спектры в переходной области 2.1. Метод измерений 37 Рис. 2.6. Спектры черного тела при температурах (снизу вверх) 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 70 кК. Интенсивность при = 1000 нм принята одинаковой для всех температур ОбластьРэлея–Джинса. Из (1.1) получаем для области Рэлея– Джинса (при 1) I = Относительное распределение интенсивности в спектре одинаково ∼ λ −4 ) для любой температуры, и по наклону зависимости (в координатах = ln λ и y = ln I температуру не определить, поскольку зависимости не имеют в этой области индивидуальных особенностей, связанных с температурой. При параллельном переносе по оси ординат все зависимости совпадают друг с другом. Таким образом, при очень высоких температурах ( T > 10C 2 /λ ≈ 2 · 10 К, спектральная пирометрия в видимом диапазоне длин волн не может применяться. В ИК-диапазоне неразличимость формы спектров достигается при меньших температурах, при этом и верхняя граница температур, измеряемых методом спектральной пирометрии, снижается. Для фотоприемной линейки с диапазоном чувствительности Δ λ = 3–5 мкм область Рэлея–Джинса находится при температурах > 10C 2 /λ ≈ 5 · 10 4 К, где проведение измерений температуры по спектру излучения становится невозможным. Можно отметить, что и традиционный метод цветовой пирометрии на двух длинах волн не позволяет измерять температуру в области Рэлея Джинса, так как отношение двух интенсивностей в этой области не зависит от температуры. На рис. 2.7 показаны отношения интенсивностей для двух длин волн при разных температурах. Видно, что отношение I 1 /I 2 очень чувствительно к температуре в области Вина (она расположена при 2, если λ 2 /λ 1 = 2 и при I 1 /I 2 < 1, если 1,5), но при дальнейшем увеличении температуры отношение Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру Рис. 2.7. Отношение интенсивностей излучения черного тела а — на длинах волн 100 и 200 нм (1), 400 и 800 нм (2), 2000 и 4000 нм (3); б — на длинах волн 3 и 4,5 мкм (1), 8 и 12 мкм (интенсивностей стремится к пределу (λ 2 /λ 1 ) 4 , достигаемому в области Рэлея–Джинса. При этом чувствительность отношения I 1 /I 2 к изменению температуры асимптотически стремится к нулю. Для пирометрии на длинах волн 8 и 12 мкм измерения цветовой температуры практически возможны только в диапазоне < 500 К, тогда как на длинах волн 100 и 200 нм — в диапазоне < 30000 К. Итак, в области Рэлея–Джинса определять температуру можно только с помощью яркостной пирометрии, которая предполагает знание коэффициента излучения объекта. На рис. 2.8 показаны спектральные границы областей Вина и Рэлея Джинса при изменении температуры в диапазоне от 500 К до кК. Видно, что в диапазоне температур 5000 К весь видимый спектр лежит в области Вина при > 10000 Кон попадает в пе- Рис. 2.8. Область Вина ( C 2 /(λT ) 1) расположена ниже прямой 1; область Рэлея–Джинса ( C 2 /(λT ) 1) расположена выше прямой 2; между прямыми и 2 — переходная область. Прямая 3 показывает положение максимума интенсивности в спектре излучения АЧТ. Горизонтальные прямые обозначают границы видимого спектра 2.2. Регистрация и обработка спектра 39 реходную область для ближнего УФ-спектра ( λ = 200–400 нм) измерения в области Вина можно проводить в диапазоне температур, не превышающих 10 кК. При температурах вблизи 300 Кв область Вина попадает интервал длин волн 8–12 мкм, этот интервал перспективен для спектральной пирометрии многих объектов, температура которых не превосходит 300–350 К. Регистрация и обработка спектра Измерительная процедура спектральной пирометрии включает следующие этапы регистрацию и коррекцию спектра излучения (рис. 2.9 а); Рис. 2.9. а — спектр газового пламени (пропан–воздух) дои после (коррекции. б — спектр пламени ( λ = 400–860 нм) и спектры черного тела при температурах (снизу вверх) 1880, 1900 и 1920 Кв спектр пламени в координатах Вина. Вертикальными отрезками обозначены длины волн (нм (1), 495 (2), 760 (3). Температура = 1960 ± 4 К (по интервалу и = 1899 ± 2 К (по интервалу 2–3) — подгонку полученного спектра (дискретного или непрерывного) функцией Планка с двумя свободными параметрами — температурой T и коэффициентом, позволяющим изменять масштаб по оси ординат (влияние масштабного коэффициента такое же, как и постоянного коэффициента излучения результат подгонки показан на рис. 2.9 б Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру из возможных кривых с близкими температурами выбирается та, для которой достигается наименьшее среднеквадратичное отклонение. Необходимость коррекции первичного спектра обусловлена тем, что его форма искажена вследствие падения чувствительности фотоприемника как в области коротковолнового, таки в области длинноволнового края. Относительную спектральную чувствительность фотоприемника определяют с помощью источника света с известным распределением интенсивности по спектру. Отличие первичного и скорректированного спектров, как показано на риса, весьма существенно. Для определения температуры обычно используется участок спектра с низкой интенсивностью шумов, достаточно удаленный как от коротковолнового, таки от длинноволнового края чувствительности. На рис. 2.9 б видно, что экспериментальный спектр газового пламени полностью (за исключением сильных спектральных линий) заключен между двумя планковскими спектрами с температурами, отличающимися на 40 К. Таким образом, даже без применения методов обработки данных можно получить удовлетворительную точность. Подгонка с помощью метода наименьших квадратов позволяет уменьшить неопределенность температуры еще примерно на порядок. В ряде работ определение температуры проводится иначе спектр после коррекции строится в координатной плоскости, в которой виновская область планковской кривой спрямляется (рис. 2.9 в искомая температура определяется по наклону прямой, для этого проводят подгонку полученной зависимости линейной функцией методом наименьших квадратов. На рис. 2.9 в построение проведено для участка спектра пламени нм, на фоточувствительной линейке участок регистрируется с помощью 1005 пикселов. Для этого интервала получено значение температуры = 1960 ± 4 К. Определение температуры проведено также для интервала спектра 495–760 нм, занимающего 830 пикселов, получена температура = 1899 ± 2 К. При расширении в коротковолновую область интервала, по которому определяется температура пламени, появляются интенсивные спектральные полосы (в интервале длин волн 435–490 нм наблюдаются полосы, обусловленные хемилюминесценцией молекул CN, CO, и C 2 ), при этом изменяется результат и растет среднеквадратичное отклонение. Сильные полосы, расположенные на самом краю интервала, заметно влияют на параметры аппроксимации (в случае равномерного расположения полос в спектре их влияние на результат проявляется слабее. Среднеквадратичное отклонение от среднего характеризует близость точек экспериментального спектра и планковской функции. Практически всегда при вычислении температуры по зарегистрированному спектру надо принимать решения — использовать ли для 2.2. Регистрация и обработка спектра 41 вычисления весь полученный спектр или какой-то его интервал отбрасывать ли участки с сильными шумами и спектральными линиями, или надо включать их в вычисления. В некоторых случаях удается определить, с чем связаны различия в значениях температуры, вычисленной по разным интервалам спектра, и какой интервал более предпочтителен. Однако в ряде случаев трудно обосновать выбор спектрального интервала, используемого для вычисления температуры, и этот выбор приходится делать интуитивно, те. без количественно оцениваемых критериев. При этом даже для сходных объектов не всегда удается проводить выбор единообразно. Например, на рис. 2.10 показано, как Рис. 2.10. а — спектр излучения продуктов химической реакции в порошковой смеси Ti–CuO дои после (2) коррекции, время накопления спектра мс б — участок спектра ( λ = 450–860 нм) в координатной плоскости Вина. Вертикальные отрезками обозначен интервал = 500–720 нм, по которому определена температура планковского излучателя = 2336 ± 3 К выбран интервал спектра для определения температуры в зоне экзотермической реакции самоподдерживающегося высокотемпературного синтеза в порошковой смеси Ti–CuO. Отброшены зашумленные края спектра, а также участки, заметно отклоняющиеся от прямолинейности в координатах Вина. Поиск количественных критериев, позволяющих обосновать выбор, в данном случае, как и во многих других работах, не проводился. Формализация критериев, с помощью которых можно обоснованно выбирать участки спектра для наиболее точного определения температуры каждого объекта, требует дальнейших исследований. Если спектр исследуемого объекта отклоняется от точного подобия планковскому спектру, то вычисляемые по разным спектральным интервалам температуры различаются. В главах 3, 7 и 8 приведены результаты изучения причин, приводящих к существенному отклонению регистрируемого спектра от планковской формы. Эти причины обусловлены широко распространенными особенностями множества объектов — неоднородностью температуры в области визирования Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру и получу зрения и изменением температуры во времени. В некоторых случаях (например, при пирометрии металлов) к отклонению регистрируемого спектра от планковского может приводить сильная зависимость. Схема спектрального пирометра Для использования преимуществ термометрии в области Вина необходимо применять чувствительные фотоприемники, так как интенсивность излучения в этой области быстро падает с уменьшением длины волны. Поэтому использование коротковолнового ив частности, УФ-диапазона для термометрии возможно лишь в случае, когда применяется фотоприемник, регистрирующий полное число фотоэлектронов. Возможность накопления сигнала в ПЗС-фотоприемниках позволяет регистрировать чрезвычайно слабые световые потоки. На рис. 2.11 показана схема спектральной пирометрии. Для определения температуры используют чаще всего малогабаритные дифрак- Рис. 2.11. Схема спектральной пирометрии нагретый объект (1), собирающая линза (2), оптическое волокно (3), спектрометр (4), компьютер (5) ционные спектрометры (Ocean Optics, Avantes и др) с кремниевыми ПЗС-линейками, диапазон чувствительности которых включает ближнее УФ, видимое и ближнее ИК-излучение (200–1100 нм. Кремниевая линейка имеет обычно 1024, 2048 или 3648 пикселов. Иногда используются двух, трех- или четырехканальные спектрометры, где каждым каналом регистрируется спектральный интервал шириной примерно нм, при этом спектральное разрешение составляет порядка нм/пиксел. В ПЗС-спектрометре отсутствует какое-либо сканирование, спектр регистрируется одновременно на всех длинах волн из области чувствительности. Такие спектрометры дают возможность за время 0,1–10 мс зарегистрировать излучение, те. накопить сигнал в большинстве пик- селов и получить практически непрерывный спектр, ширина которого составляет по порядку величины сотни нанометров. Это позволяет в каждом эксперименте проверять подобие регистрируемого и планков- 2.3. Схема спектрального пирометра 43 ского спектров и находить участки спектра, в которых имеется подобие. Для оптической пирометрии применением этих простых и удобных приборов были открыты качественно новые измерительные возмож- ности. При использовании волоконно-оптической линии без дополнительных фокусирующих оптических элементов в спектрометр попадает излучение из телесного угла, составляющего примерно 20 ◦ . При этом пространственное разрешение Δ R в плоскости изучаемого объекта является низким (Δ R ≈ L · tg ϕ, где L — расстояние до объекта) или совсем отсутствует (если объект занимает меньший телесный угол). Фокусирующая линза или зеркало позволяют уменьшить поперечный размер области, из которой принимается излучение протяженного объекта, до долей миллиметра, а иногда и до микронного размера Недостатком линз является искажение регистрируемого спектра вследствие хроматической аберрации, что затрудняет использование широкого интервала длин волн для определения температуры. Иногда вместо ПЗС-линейки используется ПЗС-матрица фотоприемников. При этом можно одновременно регистрировать спектры во многих точках объекта вдоль выбранного направления, каждая строка соответствует одной пространственной точке [2.9]. Кроме того, при использовании матрицы можно с большой скоростью несколько раз последовательно во времени регистрировать спектры водной точке объекта, для этого используется одна строка матрицы, а накопленные спектры сдвигают в следующие строки, освобождая строку, принимающую излучение. Сдвиг в соседнюю строку требует меньшего времени, чем считывание с переносом заряда вдоль всей строки. Таким образом организована работа оптического спектрометра на стеллараторе Л-2М (ИОФ РАН) Еще один вариант спектральной пирометрии заключается в измерении с помощью фотодиодов или фотоумножителей интенсивности излучения на нескольких дискретных длинах волн и подгонке полученных дискретных данных функцией Планка. Например, применяется 6 спектральных каналов пропускания по 20 нм ( λ = 340, 400, 450, 500, и 700 нм) [2.11], 6 каналов с полосой пропускания по 5 нм ( λ = 451, 556, 604, 662, 748 и 904 нм) [2.12] и 12 каналов с полосой пропускания по 10 нм в диапазоне длин волн от 400 до 1050 нм [2.13]. Причина, по которой в некоторых измерениях не используются ПЗС-линейки фотоприемников, связана с необходимостью обеспечить более высокое быстродействие (порядка 1 нс. На рис. 2.12 показано, как выглядит результат измерения интенсивности с помощью двенадцати каналов и подгонки полученных данных планковской кривой. В ранних работах непрерывный спектр излучения в видимой области регистрировали с помощью фотопленки [2.5, 2.14], иногда для Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру Рис. 2.12. а — подгонка дискретных значений интенсивности света с помощью планковской кривой ( T = 5150 К б — подгонка прямой в координатах Вина = 5150 К) считывания сигнала с ПЗС-линейки (500 пикселов, интервал длин волн от 406 до 821 нм) использовали электронный пучок В некоторых работах по спектральной пирометрии применяются фотоприемники, позволяющие регистрировать спектры не только в видимом, но ив ближнем и среднем ИК-диапазонах. Например, регистрируется излучение в спектральных интервалах 0,5–2,5, и 1,5–14,5 мкм [2.15], в интервале 1,2–3,4 мкм [2.16]. Широкий интервал спектра — от 0,3 до 11 мкм — регистрируют одновременно на дискретных длинах волн в Для регистрации спектра излучения возможно применение спектрометров не только с ПЗС-линейкой, но и с одноэлементным фотоприемником. Создан компактный спектрометр на основе акустооптического дифракционного фильтра [2.18]: с помощью динамической дифракционной решетки, создаваемой ультразвуком в кварце, осуществляется перестройка полосы пропускания в диапазоне 1–1,7 мкм. В этом приборе спектр регистрируется не параллельно, а последовательно, поэтому для изучения быстрых процессов он не подходит, но его можно использовать для регистрации спектров в достаточно медленных или стационарных процессах. Калибровка спектрометра Первичный спектр, регистрируемый в эксперименте, требует коррекции, поскольку чувствительность фотоприемника к разным длинам волн неодинакова. Чувствительность ПЗС-линейки имеет максимум в средней области (для некоторых моделей кремниевых линеек чувствительность максимальна в диапазоне 500–600 нм) и падает как в коротковолновой, таки в длинноволновой области спектра. Поскольку в большинстве спектрометров с ПЗС-линейкой отсутствует перестройка по длинам волн, каждый пиксел всегда регистрирует излучение с одной и той же длиной волны. Чтобы получить спектр, не искажен 2.4. Калибровка спектрометра 45 ный неоднородной чувствительностью спектрометра, необходимо определить коэффициент относительной спектральной чувствительности для каждого пиксела и учитывать эти коэффициенты при обработке данных. Калибровка спектрометра проводится с помощью эталонного излучателя например, модели черного тела с заданной температурой и, тем самым, известной формой спектра излучения. Коэффициент излучения таких моделей обычно превышает 0,95 и не зависит от длины волны. Для спектрометров с ПЗС-линейкой, чувствительной в диапазоне нм, достаточна температура модели 2000–2200 К, для спектрометров с чувствительностью в диапазоне 200–400 нм, необходима температура модели 2500–2700 К. Разработаны малогабаритные модели абсолютно черного тела с температурой до 3200 К [2.19, Часто для калибровки используются также лампы накаливания, для которых известна связь тока через вольфрамовую ленту (шириной мм и длиной примерно 1 см) с температурой этой ленты. Для вольфрама известны коэффициенты излучения в широком диапазоне длин волн и температур [2.21], для видимого диапазона они составляют 0,4–0,5. По известному спектральному распределению интенсивности света, излучаемого источником, и полученному с помощью спектрометра первичному спектру) или N(λ) определяются коэффициенты чувствительности фотоприемника) = I(λ)/εR(λ) и обратные им коэффициенты) = 1/s(λ), на которые необходимо домножить экспериментально полученный спектр, чтобы восстановить его истинную форму. Калибровку необходимо проводить с использованием всех оптических элементов, которые будут применяться в эксперименте (линзы, фильтры и т. д.). На рис. 2.13 показан результат калибровки в видимой и ближней ИК-области спектра для системы кварцевое оптическое волокно спектрометр HR 2000 + (Ocean Optics) — кремниевая ПЗС-ли- нейка. Для калибровки использована эталонная вольфрамовая лампас известным спектром излучения. Видно, что калибровка позволяет учесть индивидуальные особенности каждого спектрометра, в том числе ПЗС-линейки и оптического волокна, по которому распространяется свет. Интенсивность излучения, измеренная разными спектрометрами, совпадает в области перекрытия (для интервала длин волн 650–790 нм. При этом по оси ординат откладывается не число N, пропорциональное числу фотоэлектронов в пикселе, а плотность мощности, выраженная в мкВт/(см 2 · нм). Кроме относительной спектральной чувствительности, при калибровке иногда для каждого пиксела определяют диапазон линейности, среднеквадратическую величину шума, темновой сигнал [2.22]. Регистрация спектра вне области линейности приводит к его искаже- Гл. 2. Измерение температуры по непрерывному тепловому спектру Рис. 2.13. Спектры галогенной лампы LS-1–CAL до коррекции чувствительности (аи после коррекции (б. Излучение регистрируется одновременно двумя спектрометрами HR 2000+ в интервалах длин волн 350–790 и 650–1050 нм (данные получены АО. Захаровым) нию и неверному определению температуры, поскольку нарушается истинное соотношение сигналов между участками малой и большой интенсивности излучения. Например, если первые регистрируются без искажений, то интенсивность вторых уменьшается. При регистрации спектров теплового излучения в области Вина, где зависимость интенсивности от длины волны экспоненциальна, большой динамический диапазон фотоприемника позволяет получать неискаженные спектры в широком интервале длин волн. Проверка работы спектрального пирометра осуществляется путем определения температуры различных материалов в точках плавления, либо при измерении температуры объекта двумя независимыми методами. Результаты таких проверок будут рассмотрены в п. 2.7. |