УДК 53.082.6; 536.5
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ИК ДИАПАЗОНЕ1
И. Я. Орлов, А. В. Афанасьев, А. Ю. Григорьев, И. А. Никифоров
Предложена автоматизированная система, позволяющая исследовать излучагельную способность различных материалов в инфракрасном диапазоне длин волн (2...25 мкм) при изменении температуры объекта излучения.
В металлургии, нефтехимической и газовой промышленности, атомной энергетике и других высокотемпературных отраслях возрастают требования к точности расчета теплообмена с целью обеспечения надежности и высокой эффективности работы промышленных агрегатов, что налагает жесткие требования на знание излучательной способности материалов. Определенные трудности вызывает многообразие радиационных свойств веществ, резко различающихся по свойствам: газы и металлы, керамика и пластика, пыль и композиционные материалы, многослойные покрытия и системы геометрических полостей. Кроме того, одно и то же вещество может иметь совершенно различные характеристики при разных состояниях поверхности, а также в монолите и в диспергированном состоянии [1, 2].
На кафедре радиотехники Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского разработана экспериментальная установка, которая позволяет исследовать излуча-тельную способность объектов излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн.
Установка представляет собой набор программно-аппаратных средств и включает в себя нагревательный элемент с нанесенными на него образцами ис-
1 Работа выполнена по заказу ОКБМ им. И. И. Африкантова.
следуемых покрытий (модель), контроллер термопар, ИК радиометр, персональный компьютер и необходимое для функционирования системы программное обеспечение (ПО). На рис. 1 представлена структурная схема разработанной экспериментальной установки.
Суть используемого метода заключается в оценке радиационных свойств, определяя их по отношению к черному телу как к эталонному. Контактная температура Тк является физической температурой поверхности объекта. Радиационная температура Тик поверхности объекта, измеренная ИК радиометром, связана с контактной температурой коэффициентом излучатель-ной способности а = Тик/Тк Таким образом, в проводимых
экспериментах производятся измерения контактной температуры Тк исследуемого и выбранного за эталон образца, вычисления излучательной способности для каждого проведенного измерения Тик и усреднение полученных значений.
Дистанционное измерение температуры проводится с помощью широкополосного ИК радиометра. Применение запатентованной диафрагмированной оптической системы обеспечивает требуемое поверхностное разрешение и позволяет полностью устранить ошибку, связанную с изменением температуры оптической системы радиометра вследствие непосредственной близости к объекту излучения [3]. Наличие лазерного целеуказателя обеспечивает позиционирование радиометра
Рис. 1. Экспериментальная установка для определения излучательной способности
материалов
Рис. 2. Структурная схема микропроцессорного ИК радиометра:
ЛП — лазерный прицел; СК — сигнальный канал; КК — компенсационный канал; ТР — тепловая развязка; СТ — стабилизатор
Рис. 3. Микропроцессорный ИК радиометр с диафрагмированной оптической системой
для измерения температуры на требуемом участке модели.
Структурная схема и внешний вид ИК радиометра приведены на рис. 2 и 3. Прибор состоит из двух функционально зависимых частей — модуля оптико-электронного преобразователя (ОЭП) и модуля управления и обработки данных [4, 5]. Термочувствительным элементом ИК радиометра служит пи-роэлектирический датчик (ПД), использующий эффект появления пироэлектрического поля в диэлектрике при изменении температуры. В качестве оптической системы использована диафрагмированная оптика, состоящая из ИК световодов основного и компенсационного каналов. Диафрагмированная оптика обеспечивает пространственное разрешение и защиту термочувствительного элемента от брызг, твердых взвесей и т. п. Секционное выполнение металлических ИК световодов обес-
печивает возможность управления углом визирования от 1 : 10 до 1 : 100. Блок тепловой развязки предназначен для теплоизоляции ОЭП от корпуса вакуумной камеры.
В основе функционирования ИК радиометра лежит алгоритм работы модуляционного радиометра, поэтому важно поддерживать постоянной температуру модулятора. Для этого модуляционная камера термоста-тирована. Точность поддержания термостатом температуры составляет 0,1 °С.
Связь ИК радиометра с ПК проводится через интерфейс RS-232 и разработанный протокол обмена структуры MODBUS®. Используя ПК, можно проводить необходимую обработку полученных данных,
например вычисление дисперсии результатов измерения, их отображение в реальном времени в виде графика, а также архивацию. Имеется возможность настройки, калибровки и тестирования прибора.
Технические характеристики ИК радиометра
Диапазон измеряемых температур,
°C............. 20...+2000
Рабочая длина волны, мкм.........2...25
Относительная погрешность измерения,
%................1,0
Время измерения в одной точке, с . . . . 0,2...5 Расстояние до измеряемого объекта,
мм .............. До 200
Угол визирования . . 1 : 50 Допустимая окружающая температура,
°C...............-30...+35
Наличие лазерного
целеуказателя.....+
Система защиты от паров металла . . +
Интерфейсы......ПК
(RS-232)/AD-AM (RS-485)
Напряжение питания, В..........-220
ИК радиометр подключен к контроллеру термопар через интерфейс RS-232. Контроллер термопар подключен к ПК через интерфейс USB. Структурная схема контроллера термопар представлена на рис. 4. Конт-
Рис. 4. Структурная схема контроллера термопар
роллер термопар является цифровым прибором и предназначен для измерения контактной температуры объекта, управления нагревом объекта измерения, осуществления связи с ИК радиометром и ПК.
Функционально контроллер состоит из аналогового и цифрового модулей и модуля питания.
Аналоговый модуль предназначен для преобразования входных сигналов термопар в цифровой сигнал, аппаратной предварительной цифровой фильтрации, измерения окружающей температуры с помощью термодатчика для получения сигнала компенсации холодного спая и гальванической развязки термопар с модулем контроллера. Модуль обеспечивает одновременное преобразование сигналов с пяти термопар и датчика окружающей температуры. Для этих целей используются два специализированных 24-битных ЕЛ-АЦП и датчик температуры фирмы Analog Devices. Датчик окружающей температуры также вырабатывает прецизионный опорный сигнал для АЦП. Связь модуля с микроконтроллером осуществляется по последовательному интерфейсу SPI. Модуль гальванически развязан как по сигналам, так и по питанию. Гальваническая развязка сигнальных линий выполнена с помощью набора оптопар. Выходными данными модуля АЦП являются цифровые данные сигналов пяти термопар и датчика температуры, представляющие собой 16-битный код, пропорциональный напряжению на соответствующем входе АЦП.
Цифровой модуль построен на базе микроконтроллера (Atmel), выполняющего следующие операции:
— опрос аналогового модуля, цифровую фильтрацию сигнала, преобразование отфильтрованного сигнала в измеренную температуру;
— интерфейс пользователя: опрос клавиатуры и отработка команды в зависимости от нажатой клавиши (увеличение/уменьшение температуры нагревателя, выбор режима работы, переход в сервисный режим);
— вывод информации на устройства звуковой и световой индикации;
— управление нагревателем осуществляется 16-битным ШИМ-модулятором (частота следования импульсов 1000 Гц; длительность выходных импульсов пропорциональна входному коду модулятора; таким образом, и мощность, передаваемая нагревателю, также пропорциональна входному коду модулятора);
— организацию связи с ИК радиометром по последовательному асинхронному порту RS-232;
— организацию связи с ПК по последовательному асинхронному порту USB.
Модуль питания предназначен для формирования питающих напряжений для модулей прибора. В состав модуля входит оконечный каскад управления нагревателем, построенный на оптотиристорах, использование которых позволяет подключать нагревательный элемент мощностью до 2 кВт. Тиристоры управляются контроллером с использованием алгоритма ПИД-регулирования.
Технические характеристики контроллера термопар
Число каналов измерения сигналов с термопар . . . .5 Число каналов для измерения температуры "холодного спая"........1
Типы поддерживаемых
термопар............L (ГОСТ
Р 8.585— 2001 ГСИ)
Диапазоны измерения температуры термопарных каналов, °C......—200...+800
(для т/п типа L)
Диапазон измерения температуры "холодного спая", °C.........-40...+50
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения сигналов с термопар в рабочих условиях
эксплуатации, °C.......±1,5
Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения сигнала с датчика температуры "холодного спая" в рабочих условиях эксплуатации,
°C ................ ±0,4
Период опроса входных
сигналов, с.......... 1... 5
Входное сопротивление термопарных каналов,
МОм, не менее.......1
Коммуникационный интерфейс с ПК..........USB
Коммуникационный интерфейс с ИК радиометром ...............RS-232
Напряжение питания, В.................-220
Рассматриваемая система имеет встроенные средства для сбора и хранения данных, управления подключенными приборами, обработки результатов, генерации отчетов, передачи данных и др. Используя функции формирования отчетов, пользователь может проводить эксперимент, по окончанию которого в отчете будет находиться вся необходимая информация, требуемая для проведения анализа.
Главное окно программы используется для вывода графических данных, соответствующих измеряемой контактной и радиационной температурам объекта, а также окружающей температуры эксперимента. Это позволяет вести контроль над экспериментом в реальном времени. Графическое отображение данных может происходить как в режиме реального времени, так и из ранее сохраненного файла.
Система позволяет генерировать сигналы тревоги, вызванные приближением контролируемых параметро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.