Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности
Предложена новая технология двухцветовой компенсационной термометрии, объединяющая преимущества многоцветовой термометрии по методическим погрешностям и классической спектрального отношения – по инструментальным. Установлен низкий уровень ее инструментальных погрешностей в условиях селективного изме...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Процессы литья |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167433 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности / Л.Ф. Жуков, Д.А. Петренко, А.Л. Корниенко // Процессы литья. — 2016. — № 5 (119). — С. 48-58. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167433 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1674332025-02-23T17:46:59Z Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности Двокольорова компенсаційна термометрія металевих сплавів та її інструментальні похибки Two-colour compensating thermometry of metal alloys and its instrumental errors Жуков, Л.Ф. Петренко, Д.А. Корниенко, А.Л. Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Предложена новая технология двухцветовой компенсационной термометрии, объединяющая преимущества многоцветовой термометрии по методическим погрешностям и классической спектрального отношения – по инструментальным. Установлен низкий уровень ее инструментальных погрешностей в условиях селективного изменения излучательной способности и поглощения промежуточной среды, а также отсутствие их зависимости от характера спектрального распределения излучательной способности термометрируемых сплавов. Запропоновано нову технологію двокольорової компенсаційної термометрії, яка поєднує переваги багатокольорової термометрії по методичним похибкам і класичної спектрального відношення – по інструментальним. Встановлено низький рівень її інструментальних похибок в умовах селективних змін випромінювальної здатності та поглинання проміжного середовища, а також відсутність їхньої залежності від характеру розподілу випромінювальної здатності сплавів, що термометруються. New technology of two colour compensating thermometry was proposed. It incorporates advantages of multicolour thermometry for methodical errors and advantages of classical spectral ratio pyrometry – for instrumental. It was proved that instrumental errors of this technology are low under conditions of selective сhanges of emissivity and absorptivity, as well as absence of errors dependences on character of emissivity spectral distributions of alloys to be measured. 2016 Article Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности / Л.Ф. Жуков, Д.А. Петренко, А.Л. Корниенко // Процессы литья. — 2016. — № 5 (119). — С. 48-58. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167433 536.521.3 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья |
| spellingShingle |
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Жуков, Л.Ф. Петренко, Д.А. Корниенко, А.Л. Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности Процессы литья |
| description |
Предложена новая технология двухцветовой компенсационной термометрии, объединяющая преимущества многоцветовой термометрии по методическим погрешностям и классической спектрального отношения – по инструментальным. Установлен низкий уровень ее инструментальных погрешностей в условиях селективного изменения излучательной способности и поглощения промежуточной среды, а также отсутствие их зависимости от характера спектрального распределения излучательной способности термометрируемых сплавов. |
| format |
Article |
| author |
Жуков, Л.Ф. Петренко, Д.А. Корниенко, А.Л. |
| author_facet |
Жуков, Л.Ф. Петренко, Д.А. Корниенко, А.Л. |
| author_sort |
Жуков, Л.Ф. |
| title |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| title_short |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| title_full |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| title_fullStr |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| title_full_unstemmed |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| title_sort |
двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167433 |
| citation_txt |
Двухцветовая компенсационная термометрия металлических сплавов и ее инструментальные погрешности / Л.Ф. Жуков, Д.А. Петренко, А.Л. Корниенко // Процессы литья. — 2016. — № 5 (119). — С. 48-58. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT žukovlf dvuhcvetovaâkompensacionnaâtermometriâmetalličeskihsplavovieeinstrumentalʹnyepogrešnosti AT petrenkoda dvuhcvetovaâkompensacionnaâtermometriâmetalličeskihsplavovieeinstrumentalʹnyepogrešnosti AT kornienkoal dvuhcvetovaâkompensacionnaâtermometriâmetalličeskihsplavovieeinstrumentalʹnyepogrešnosti AT žukovlf dvokolʹorovakompensacíjnatermometríâmetalevihsplavívtaííínstrumentalʹnípohibki AT petrenkoda dvokolʹorovakompensacíjnatermometríâmetalevihsplavívtaííínstrumentalʹnípohibki AT kornienkoal dvokolʹorovakompensacíjnatermometríâmetalevihsplavívtaííínstrumentalʹnípohibki AT žukovlf twocolourcompensatingthermometryofmetalalloysanditsinstrumentalerrors AT petrenkoda twocolourcompensatingthermometryofmetalalloysanditsinstrumentalerrors AT kornienkoal twocolourcompensatingthermometryofmetalalloysanditsinstrumentalerrors |
| first_indexed |
2025-11-24T04:55:00Z |
| last_indexed |
2025-11-24T04:55:00Z |
| _version_ |
1849646226358665216 |
| fulltext |
48 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации
и комПьютеризации Процессов литья
УДк 536.521.3
л. Ф. Жуков, Д. а. Петренко, а. л. корниенко
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ДвУхцветовая комПенсационная термометрия
металлических сПлавов и ее инстрУментальные
Погрешности
Предложена новая технология двухцветовой компенсационной термометрии, объединяющая
преимущества многоцветовой термометрии по методическим погрешностям и классической
спектрального отношения – по инструментальным. Установлен низкий уровень ее инстру-
ментальных погрешностей в условиях селективного изменения излучательной способно-
сти и поглощения промежуточной среды, а также отсутствие их зависимости от характера
спектрального распределения излучательной способности термометрируемых сплавов.
При одинаковых по знаку и равных по модулю инструментальных погрешностях измерений
одноцветовых температур излучения инструментальные погрешности новой технологии
практически совпадают с погрешностями классической двухцветовой термометрии, а при
различных знаках − становятся пренебрежимо малыми.
Ключевые слова: металлургия, многоцветовая, двухцветовая компенсационная и спек-
трального отношения термометрия, инструментальная погрешность, знак погрешности,
спектральное распределение излучательной способности, селективность, измеренные,
зеркальные и сопряженные температуры излучения.
Запропоновано нову технологію двокольорової компенсаційної термометрії, яка поєднує
переваги багатокольорової термометрії по методичним похибкам і класичної спектрального
відношення – по інструментальним. Встановлено низький рівень її інструментальних похибок в
умовах селективних змін випромінювальної здатності та поглинання проміжного середовища,
а також відсутність їхньої залежності від характеру розподілу випромінювальної здатності
сплавів, що термометруються. При однакових по знаку і рівних за модулем інструментальних
похибках вимірювань однокольорових температур випромінення інструментальні похибки
нової технології практично співпадають з похибками класичної двокольорової термометрії,
а при різних знаках − стають нехтовно малими.
Ключові слова: металургія, багатокольорова, двокольорова компенсаційна та спектрального
відношення термометрія, інструментальна похибка, знак похибки, cпектральний розподіл
випромінювальної здатності, селективність, виміряні, дзеркальні та спряжені температури
випромінення.
New technology of two colour compensating thermometry was proposed. It incorporates advan-
tages of multicolour thermometry for methodical errors and advantages of classical spectral ratio
pyrometry – for instrumental. It was proved that instrumental errors of this technology are low under
conditions of selective сhanges of emissivity and absorptivity, as well as absence of errors depen-
dences on character of emissivity spectral distributions of alloys to be measured. When instrumental
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119) 49
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
errors of one-colour temperatures have the same signs and absolute values, instrumental errors
of new technology are practically equal to errors of classical spectral ratio pyrometry, but when the
signs are different instrumental errors of proposed technology became negligible small.
Keywords: metallurgy, multicolour, two-colour compensating and spectral ratio thermometry,
instrumental error, sign of error, spectral distribution of emissivity, selectivity, measured and mirror
temperatures of emission.
Температурные режимы получения, обработки и разливки жидкого металла, при
заданном химическом составе сплава, футеровки и атмосферы, определяют
качество готовой металлопродукции и ресурсозатраты, в том числе энергозатра-
ты на ее производство [1]. Поэтому, на долю термоконтроля приходится 28,9 %
в структуре метрологического обеспечения металлургии, включающей также из-
мерения расхода (23,2 %), давления (18,8 %), уровня (10,1 %), химического со-
става (5,2 %), степени открытия (3,9 %), массы (3,6 %), вибрации (1,0 %) и других
параметров (5,3 %) [2]. Для измерений температуры в металлургии используются
преимущественно бесконтактные оптические и контактные термоэлектрические
технологии. Tермоэлектрические термометры являются самым эффективным
сред-ством для периодических измерений температуры. Применение их для не-
прерывного термоконтроля ограничено теплофизическими и химическими свой-
ствами защитной арматуры, а также недостаточной стабильностью номинальных
статических характеристик преобразования (НСХ). Например, НСХ наиболее стабиль-
ного термоэлектрического преобразователя типа ТПП (S) в нормальной среде, при
температуре 1300 0С, за 24 ч изменяется на 1 % [1]. Поэтому для непрерывного тер-
моконтроля высокотемпературных, малогабаритных и движущихся металлургических
объектов оптическая термометрия не имеет альтернативы. Первые оптические термо-
метры были созданы именно для металлургии. В частности, Д.И. Менделеевым описа-
но применение визуального пирометра на Урале в конце 80-х годов XIX века. Почти од-
новременно такой прибор был разработан Ле Шателье во Франции [3]. Классические
одно- и двухцветовые технологии оптической термометрии успешно используются
с введением температурных поправок на объектах со стабильными излучательны-
ми характеристиками и пропусканием промежуточной среды. Без введения темпе-
ратурных поправок их можно применять в случае черного тела для одно-, а также
черного и серого тел для двухцветовой пирометрии излучения.
Металлургические объекты термоконтроля, как правило, характеризуются
нестабильными оптическими характеристиками. В этих условиях самой эффек-
тивной является многоцветовая пирометрия излучения. Наиболее значимые
результаты в данной области достигнуты в Украине, России, Беларуси, Японии,
Германии и США. С 2001 г. отделом термометрии и физико-химических исследо-
ваний ФТИМС НАН Украины велись работы по 3-м направлениям многоцветовой
термометрии: параболической аппроксимации, спектрально-компенсационной
и симметрично-волновой [4]. Наиболее исследована − симметрично-волновая
пирометрия излучения (СВПИ).
По сравнению с классической, многоцветовая термометрия обеспечивает зна-
чительное снижение методических погрешностей при случайно изменяющихся
излучательных характеристиках объекта. Для ряда распределений излучательной
способности возможно полное исключение методических погрешностей. Главный
недостаток многоцветовой термометрии – существенное возрастание инструмен-
тальных погрешностей при увеличении количества рабочих волн. Например, для
детерминированной многоцветовой пирометрии излучения связь инструменталь-
ных погрешностей с количеством рабочих волн определяется формулой (1) [5]. Для
упрощения здесь принято, что погрешности измерений яркостей
δI = δI1 = δI2 = ... = δIn
на соответствующих рабочих волнах λ
1
, λ
2
...λ
n
одинаковы по модулю и знаку. Про-
межутки λ
2
−
λ
1
= λ
3
− λ
2
= ... = λn − λn-1
= (λn − λ
1
)/(n −1) между рабочими волнами
также одинаковы.
50 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
δ δn nT I
T
b k
C
расч
расч
2
,= (1)
где Трасч – расчетная температура объекта; С2 = 0,014388 К⋅м – вторая постоянная
Планка;
λ λ
∆λ
λ1 2
-1
...
=n n
nb ; ∆λ = λn − λ
1
; − ∑
− −
1 2
=2
1
= ( -1) [ ]
( 1)!( 1)!
nn
n
i
k n
i n
,
здесь і –
порядковый номер волны, n – количество рабочих волн.
Относительные погрешности измерений одноцветовых температур излучения и
соответствующих им яркостей [5] связаны формулой
λ
δ δi i
IS
i i
S
C2
= , (2)
где Si − одноцветовая температура излучения на λi.
Количественные оценки погрешностей измерений Si на выбранных λi, коэффи-
циентов bn, kn , а также инструментальных погрешностей многоцветовой детермини-
рованной термометрии вольфрама при Т =1200 К, δI = 2 % представлены в табл. 1.
Из табл. 1 следует, что при переходе от классической пирометрии спектрального
отношения к 3-х цветовой детерминированной термометрии инструментальные по-
грешности возрастают в 8,0 и 3,5 раза в спектральных диапазонах 0,5-0,8 и 0,5-1,4
мкм. Переход от трех- к четырехцветовой термометрии приводит к дополнительному
росту погрешностей в 8,7 и 4,0 раза
соответственно (рис. 1).
При расширении рабочего спек-
трального диапазона инструмен-
тальные погрешности резко сни-
жаются. Например, при изменении
диапазона от 0,5-0,8 до 0,5-1,4 мкм
погрешности для 3-х и 4-х волн со-
ответственно снижаются в 3,4 и 7,5
раз. Это объясняется значительным
уменьшением bn за счет увеличения
∆λ, при постоянном kn (1).
Кроме ширины рабочего спек-
δТдет
, %
20
5
10
15
0 0 3 4
Диапазон 0,5-0,8 мкм
Диапазон 0,5-1,4 мкм
Рис. 1. Зависимости инструментальных погреш-
ностей многоцветовой детерминированной тер-
мометрии от количества рабочих волн
таблица 1. инструментальные погрешности многоцветовой
детерминированной термометрии вольфрама при Т =1200 к, δІ = 2 %
Рабочие волны, мкм
Погрешности измерений,
% bn,
мкм
kn δTрасч
, %
λ1 λ2 λ3 λ4 δS1
δS2
δS3
δS4
0,5 0,8 − − 0,08 0,13 − − 1,33 1,41 0,3
0,5 0,65 0,8 - 0,08 0,1 0,13 - 2,89 4,90 2,4
0,5 0,6 0,7 0,8 0,08 0,1 0,11 0,13 6,22 20,1 21,0
0,5 1,4 − − 0,08 0,2 − − 0,78 1,41 0,2
0,5 0,95 1,4 − 0,08 0,15 0,2 − 0,82 4,90 0,7
0,5 0,8 1,1 1,4 0,08 0,13 0,17 0,2 0,84 20,1 2,8
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119) 51
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
трального диапазона, большое влияние на инструментальные погрешности много-
цветовой термометрии оказывают модули и знаки погрешностей измерений одно-
цветовых температур излучения, а также характер распределения излучательной
способности металлического сплава. Влияние этих параметров было изучено для
СВПИ в работе [6]. В табл. 2 приведены инструментальные погрешности СВПИ для
наиболее характерного для железоуглеродистых сплавов спадающего линеари-
зованного (в спектральном диапазоне 0,5-1,4 мкм) распределения излучательной
способности вольфрама (СЛаw) c Т = 1600 К, при различных распределениях знаков
и модулях погрешностей измерений одноцветовых температур излучения.
Инструментальные погрешности СВПИ не превышают погрешностей измере-
ний одноцветовых температур излучения при одинаковых их знаках в наиболее
характерных для металлургии условиях спадающих распределений излучательной
способности. Для различных знаков, например за счет селективного поглощения
излучения промежуточной средой, инструментальные погрешности резко возрас-
тают и принимают недопустимые для технологического контроля значения. Это объ-
ясняется эквивалентным повышением коэффициента нелинейности спектрального
распределения излучательной способности при различных знаках погрешностей
измерений одноцветовых температур излучения. Для других распределений, в
частности возрастающего линеаризованного вольфрама (ВЛaw), инструментальные
погрешности СВПИ также резко возрастают, достигая неприемлемого в металлур-
гической практике уровня 5-8 %.
С учетом анализа инструментальных погрешностей многоцветовой пирометрии
излучения, преимущество для практического применения имеют технологии с
минимально возможным количеством рабочих волн и наиболее простыми взаи-
мосвязями между температурами термометрируемых объектов и их излучения.
Л. Ф. Жуковым была предложена концепция двухцветовой компенсационной пиро-
метрии излучения (ДКПИ), объединяющая преимущества СВПИ по методическим
погрешностям и классической спектрального отношения – по инструментальным.
Такой подход позволяет исключить методические погрешности классической пи-
рометрии спектрального отношения специальной обработкой первичной пироме-
трической информации. Он основан на использовании измеренной S2ц и зеркальной
'
2S ц двухцветовых температур излучения термометрируемого сплава, по которым
вычисляется его искомая температура. Измеренной двухцветовой температуре из-
лучения сплава соответствует реальное, например спадающее распределение
излучательной способности, а зеркальной – зеркально отраженное возрастающее.
Знаки
погрешностей
δS1
, δS2
, δS3
δТСВПИ, %
при δS1, S2, S3
= 0,2 %
δТСВПИ, %
при δS1, S2, S3
= 0,5 %
δТСВПИ, %
при δS1, S2, S3
= 1,0 %
+ + + 0,2 0,5 1,0
− − − -0,2 -0,5 -1,0
+ + − 0,45 0,8 -1,4
− − + 0,5 1,5 6,2
− + + -1,5 -3,2 -4,3
+ − − -2,0 -4,2 -7,5
− + − 1,6 4,3 11,0
+ − + 2,4 9,0 -
таблица 2. инструментальные погрешности свПи вольфрама при
Т = 1600 к;λ
1
= 0,5 мкм; λ2 = 0,8 мкм; λ3 = 1,1 мкм
52 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
При этом значения излучательной способности на рабочих волнах λ1 и λ2 находятся
на уровнях ε1
и ε2
, то есть εсР(λ1) = ε
ВР
(λ
2
)
и εсР(λ2) = ε
ВР
(λ
1
), где индекс СР обо-
значает спадающее распределение, ВР – возрастающее; на средней длине волны
λ λ
λ 1 2
ср
+
=
2
уровни излучательной способности для обоих распределений совпа-
дают (рис. 2).
В принципе возможна и обратная ситуация для реального возрастающего и зеркаль-
ного спадающего распределений. При «сером» и термодинамически равновесном
излучении реальные и зеркальные распределения совпадают.
Измеренная двухцветовая температура излучения связана с температурой Т
металлического сплава через соответствующие уровни излучательной способности
ε
1
и ε
2
ελ λ
ε
ε
экв экв1
экв
2ц 2 2 2
1 1
- = ln( ) = ln( ),
T S С С
(3)
где
λ λ
λ
λ − λ
1 2
экв
2 1
= − эквивалентная длина волны двухцветовой пирометрии.
Зеркальная двухцветовая температура излучения
'
2цS связана с указанными
параметрами термометрируемого сплава аналогичным образом
ελ λ
− ε
ε
экв экв1
экв'
2 2 22ц
1 1
= ln( ) = ln( )
T С СS . (4)
Двухцветовые температуры 2цS и
'
2цS можно выразить через их одноцветовые
температуры излучения [7], измеренные на λ1 и λ2
;
λ −
λ ⋅ λ ⋅
2ц
экв
1 1 2 2
1
=
1 1
( )
S S
S
(5)
ε(λ)
ε2
ε1
λ1 λ2λср
λ
Рис. 2. Реальное спадающее (сплошная линия) и зеркальное
возрастающее (пунктирная линия) распределения излуча-
тельной способности металлического сплава
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119) 53
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
.
λ
λ λ
−
⋅ ⋅экв
'
2ц
' '
1 1 2 2
S
1
=
1 1
( )
S S
(6)
Одноцветовые температуры излучения образуют сопряженные по уровням из-
лучательной способности пары '−S S1 2 и
1.−S S2
'
Связь температуры термометрируе-
мого сплава с одноцветовыми температурами его излучения через излучательные
способности и длины волн представлена двумя парами сопряженных уравнений:
1;
λ
ε1
1 2
1 1
- = ln
S T C
(7)
' 1;
λ
ε2
2 2
1 1
- = ln
S T C
(8)
и
' 2;
λ
− ε1
1 2
1 1
= ln
S T C (9)
2
2
2 2
1 1 ln .− =
S T C
λ
ε (10)
На рис. 3 представлены зависимости одно- и двухцветовых температур излу-
чения для реального (CЛaw) и зеркального (BЛaw) распределений излучательной
способности вольфрама соответственно от длины рабочей и эквивалентной волн.
Обозначены рабочие волны, для которых выполняется условие сопряженности
температур излучения.
Из формул (3, 4) видно, что обратные значения измеренной и зеркальной
двухцветовых температур излучения смещены относительно обратного значения
температуры сплава на одну и ту же величину, которая определяется отношением
излучательных способностей термометрируемого сплава на рабочих волнах. Со-
ответственно, полусумма прямых значений двухцветовых температур смещена
относительно температуры сплава на величину, зависящую от его температуры и
селективности излучения. Поэтому, для исключения методической погрешности не-
обходимо брать полусумму обратных значений двухцветовых температур излучения
⇒
S S
T
T
S S
2ц 2ц
2ц 2ц
.
1 1
+ '
1 2
= =
1 12 + '
(11)
Для определения температуры термометрируемого сплава необходимо знать
зеркальные одноцветовые температуры излучения.
Для обоснования ДКПИ были изучены ее инструментальные погрешности при
различных модулях и знаках погрешностей измерений одноцветовых температур
излучения вольфрама с Т=1600 К. Для исключения методической составляющей
54 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
излучательная способность на рабочих волнах принята априори известной [8].
Зеркальные одноцветовые температуры излучения рассчитывают исходя из сопря-
женных уравнений (7, 8 и 9,10). Для исключения неизвестной Т, вычтем из уравнений
(7) и (8) соответственно уравнения (9) и (10)
λ λ ε
− − ε − ε λ − λ2 1
1 2 1
1 2 2 22
ln 1 1 1 11= ln + ln = ( );1'S T C T C CS
(12)
− − − −
λ λ ε
ε ε λ λ2 1 2
2 2 1 2'
2 2 2 21
ln 1 1 1 1
= ln + ln = ( ).
S T C T C CS
(13)
Решаем уравнение (12) относительно
S2
' :
− ε λ − λS S
CS S
'
2 1 1 2 1
'
21 2
ln ( )
= ;
ε λ − λ −S S C S S' '
1 2 1 2 1 2 2 1ln = ( );( )
1510,00
SВЛaw = f(λ)
1500,00
1505,00
1495,00
1490,00
1580,00
1485,00
1475,00
1470,00
1465,00
1460,00
0,7 0,72 0,74 0,76 0,78 0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9
SCЛaw = f(λ)
λср λ2λ1
λ,мкм
49,7 17,0 10,5 7,7 6,1 5,2 4,5 4,0 3,6 3,4 3,2
1650 S2цВЛaw = f(λэкв)λ1=0,7 мкм
λ э
вк
, р
аб
1610
1590
1570
1550
1630
S2цсЛaw = f(λэкв)λ1=0,7 мкм
ТW = 1600 К
S2ц, К
λэвк, мкм
а
б
Рис. 3. Зависимости одно- (а) и двухцветовых (б) температур
излучения от λ
и λэкв для реального (CЛaw) и зеркального
(BЛaw) распределений излучательной способности воль-
фрама с Т = 1600 К
S2ц, К
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119) 55
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
ε λ − λ − −S S C S C S' '
1 2 1 2 1 2 2 2 1ln ( ) = ;
ε λ − λ − −S S C C S'
2 1 1 2 1 2 2 1( ln ( ) ) = .
ε
−
λ − λ −
S C
S
S C
' 1 2
2
1 1 2 1 2
= .
ln ( ) (14)
Аналогично из уравнения (13) находим S '
1
− − ε λ − λS S
CS S
'
1 2 2 2 1
'
22 1
ln ( )
= ;
− ε λ − λS S C S S' '
2 1 2 2 1 2 1 2ln ( ) = ( - );
ε λ λ− − − − S S C S C S' '
2 1 2 2 1 2 1 2 2ln ( ) = ;
− ε λ − λ − − S C C S'
1 2 2 2 1 2 2 2( S ln ( ) ) = .
ε λ − λ
S C
S
S C
' 2 2
1
2 2 2 1 2
= .
ln ( ) +
(15)
Полученные выражения для S '
1
и S '
2 обеспечивают расчет S '
2ц .
Расчётные формулы и значения относительных инструментальных погрешностей
ДКПИ (δT
ДКПИ
), а также спектрального отношения (δT
СО
) пирометрии излучения при-
ведены в табл. 3. Для сравнения полученных результатов из δT
СО
также исключена
обусловленная селективностью излучения методическая составляющая
λ
ε
T
S С
сО
экв
экв
2ц 2
1
= .
1
+ ln( )
(16)
Приведенные в табл. 3 результаты сравнительных исследований инструмен-
тальных погрешностей показывают явные преимущества ДКПИ по сравнению с
классической спектрального отношения пирометрией излучения. При одинаковых
знаках δS1
и δS2
инструментальные погрешности классической пирометрии (0,19-
0,97 %) на 0,03-0,11 % ниже погрешностей двухцветовой компенсационной термо-
метрии (0,22-1,08 %). Причем это отличие увеличивается в указанных диапазонах
с ростом модулей погрешностей измерений одноцветовых температур от 0,2 до
1,0 %. Равные по модулю и одинаковые по знаку δS1
, δS2
соответствуют различным
изменениям излучательной способности на рабочих волнах, так как λ2 > λ1. Это,
в свою очередь, соответственно изменяет значения εэкв = ε1/ε2 и, следовательно,
56 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
ТсО и δТсО. При разных знаках погрешностей измерений одноцветовых температур
излучения влияние рассмотренного фактора на εэкв = ε1/ε2,ТсО и δТсО значительно
усиливается и δТсО находится в пределах от 1,7 до 9,4 %.
В аналогичных условиях инструментальные погрешности ДКПИ практически
равны однознаковым погрешностям измерений одноцветовых температур излучения.
При различных знаках и одинаковых модулях δS1
,δS2
измеренные и зеркальные двух-
цветовые температуры излучения практически симметрично смещаются относительно
температуры термометрируемого сплава, инструментальные погрешности ДКПИ
становятся пренебрежительно малыми и находятся в пределах 0,002-0,020 %. При
различных модулях погрешностей измерений одноцветовых температур излучения
инструментальные погрешности ДКПИ будут занимать промежуточное значение
между указанными минимальными и максимальными значениями. Установленное
снижение инструментальных погрешностей является существенным преимуществом
предложенной технологии в условиях металлургии, то есть в условиях изменяющей-
ся излучательной способности металла и пропускания сопутствующей промежу-
точной среды. ДКПИ нечувствительна к характеру и нелинейности распределения
излучательной способности термометрируемого сплава. Например, при спадающем
и возрастающем распределениях излучательной способности реальное и зеркаль-
ное распределения меняются местами. Кроме того, данная технология может быть
реализована на серийных пирометрах спектрального отношения.
Таким образом, установлено существенное влияние термометрических условий
на инструментальные погрешности многоцветовой пирометрии излучения металли-
ческих сплавов. Для 3-х и 4-х рабочих волн инструментальные погрешности много-
цветовой детерминированной термометрии в 5-17 и 20-150 раз выше погрешностей
измерений одноцветовых температур излучения в спектральных диапазонах 0,5-1,4
и 0,5-0,8 мкм, соответственно.
Инструментальные погрешности классической двухцветовой, симметрично-вол-
новой и двухцветовой компенсационной термометрии практически равны однозна-
Погрешности измерений
одноцветовых температур
Погрешности ДКПИ,
Погрешности спектраль-
ного отношения
пирометрии излучения,
−
T = СО
СО 100, %
T Т
Т
δ
1Sδ , % 2Sδ , %
0,2 0,2 0,220 0,190
0,2 -0,2 -0,003 1,750
-0,2 0,2 0,002 -1,690
-0,2 -0,2 -0,220 -0,190
0,5 0,5 0,540 0,480
0,5 -0,5 -0,010 4,500
-0,5 0,5 0,004 -4,13
-0,5 -0,5 -0,540 -0,480
1,0 1,0 1,080 0,970
1,0 -1,0 -0,020 9,410
-1,0 1,0 0,003 -7,940
-1,0 -1,0 -1,080 -0,970
таблица 3. инструментальные погрешности ДкПи и спектрального отноше-
ния пирометрии излучения вольфрама при Т =1600 к; λ
1
= 0,7; λ2 = 0,9 мкм
=
−
δ ДКПИ
ДКПИ 100, %
T Т
T
Т
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119) 57
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
ковым равным по модулям погрешностям измерений одноцветовых температур из-
лучения. При разных знаках инструментальные погрешности классической двухцве-
товой и симметрично-волновой термометрии превышают погрешности измерений
одноцветовых температур, как минимум, в 8 и 3 раза соответственно. В этом случае
погрешности двухцветовой компенсационной термометрии наоборот, существенно
уменьшаются, и при одинаковых модулях погрешностей измерений одноцветовых
температур излучения, принимают пренебрежимо малые значения. В отличие от
симметрично-волновой термометрии, предложенная технология не чувствительна
к характеру спектральных распределений излучательной способности термометри-
руемых сплавов. Эти преимущества двухцветовой компенсационной пирометрии
излучения расширяют область применения оптической термометрии в условиях
селективного изменения термометрических характеристик металлических сплавов.
1. Жуков Л. Ф. Исследование и разработка методов и средств температурного контроля и
ресурсосберегающих технологических процессов получения жидкого чугуна в литейном
производстве: дис. доктора техн. наук: 05.11.04, 05.16.04. – К., 1992. – 505 с.
2. Жуков Л. Ф, Петренко Д. А., Корниенко А. Л. История, состояние и перспективы развития
температурных измерений в металлургии // Металл и литье Украины. – 2012. − № 7. − С. 27-34.
3. Крутиков В. Н., Фрунзе А. В. О прослеживаемости современных пирометров к первичному
эталону единицы температуры и классификации методов пирометрии // Измерительная
техника. – 2012. – № 2.
4. Жуков Л. Ф., Корниенко А. Л., Богдан А. В., Крупник В. М., Крупник Л. В., Писаренко В. Г.,
Костановский В. В. Инновационные технологии многоцветовой термометрии. Вимірювальна
техніка та метрологія. Міжвідомчий науково-технічний збірник. – 2012. − № 73. − С. 45-51.
5. Снопко В. Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения – Минск: Ин-т
физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, 1999. − 224 с.
6. Корниенко А. Л., Жуков Л. Ф. Исследование инструментальных погрешностей многоцве-
товой симметрично-волновой термометрии металлических сплавов. − Вісник національного
університету «Львівська політехніка», «Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація.».
– 2014. – № 795. − С. 7-16.
7. Киренков И. И. Метрологические основы оптической пирометрии. – Москва: Издательство
стандартов. − 1976. – 140 с.
8. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А. Е. Шейндлина. −
Москва: Энергия. −1974.
1. Zhukov L. F. (1992). Issledovanie i razrabotka metodov i sredstv temperaturnogo kontrolia i
resursosberegaiushhikh tekhnologicheskikh protsessov polucheniia zhidkogo chuguna v liteinom
proizvodstve. [Research and development of methods and means of temperature control and
resource-saving technological processes of liquid iron in the foundry industry]. Doctor’s thesis:
05.11.04, 05.16.04, Kiev, 505 p. [in Russian].
2. Zhukov L. F, Petrenko D. A., Kornienko A. L. (2012). Istoriia, sostoianie i perspektivy razvitiia
temperaturnykh izmerenii v metallurgii. [History, current state and prospects of development of
the temperature measurement in industry]. Metall i lite Ukrainy, № 7, pp. 27-34. [in Russian].
список литературы
References
58 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2016. № 5 (119)
Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
3. Krutikov V. N., Frunze A. V. (2012). O proslezhivaemosti sovremennykh pirometrov k pervichnomu
etalonu edinitsy temperatury i klassifikatsii metodov pirometrii. [About traceability modern
pyrometers to the primary unit of temperature and the standard classification methods pyrometry].
Izmeritelnaia tekhnika, № 2. [in Russian].
4. Zhukov L. F., Kornienko A. L., Bogdan A. V., Krupnik V. M., Krupnik L. V., Pisarenko V. G., Kostanovskii V. V.
(2012). Innovatsionnye tehnologii mnogotsvetovoi termometrii. [Innovative technologies Multi
thermometry]. Vimіriuvalna tekhnіka ta metrologіia. Mіzhvіdomchii naukovo-tehnіchnii zbіrnik,
№ 73, pp. 45-51. [in Russian].
5. Snopko V. N. (1999). Osnovy metodov pirometrii po spektru teplovogo izlucheniia. [Basics pyrom-
etry methods of the spectrum of thermal radiation]. Minsk: In-t fiziki named by B. I. Stepanova
NAN Belarusi, 224 p. [in Russian].
6. Kornienko A. L., Zhukov L. F. (2014). Issledovanie instrumentalnykh pogreshnostei mnogotsvetovoi
simmetrichno-volnovoi termometrii metallicheskikh splavov. [Research instrument errors multicolor
symmetrical wave thermometry metal alloys]. Lvіvska polіtekhnіka, Teploenergetika. Іnzhenerіia
dovkіllia. Avtomatizacіia, № 795, pp. 7-16. [in Russian].
7. Kirenkov I. I. (1976). Metrologicheskie osnovy opticheskoi pirometrii. [Metrological basics of
optical pyrometry]. Moskow: Izdatelstvo standartov, 140 p. [in Russian].
8. Izluchatelnye svoistva tverdykh materialov. [The radiative properties of solid materials].
Spravochnik ed. by A. E. Sheindlina. Moskow: Energiia, 1974. [in Russian].
Поступила 09.08.2016
К сведению читателей
и подписчиков!
Телефон редакции
журнала «Процессы литья»:
(044) 424-04-10
|