Глава 5. Анализ источников погрешностей и путей их снижения

В ходе проведённых нами экспериментов было отмечено, что коэффициент излучения поверхности, обращённой к плазме, в результате взаимодействия с ней может увеличиваться до двух раз и даже более. Столь существенные изменения коэффициента излучения, безусловно, оказывают влияние на точность измерений. Однако было отмечено, что если с одним типом приборов погрешность определения температуры составляла сотни градусов, что делало его непригодным для использования, то с другим влияние изменения коэффициента излучения на результаты измерений незначительно и не превышает нескольких десятков градусов. Такая погрешность во многих случаях уже может считаться приемлемой.

В опытах использовалось два типа приборов: серийный тепловизор на базе неохлаждаемого микроболометрического датчика (Fluke Ti400) и приборы, изготовленные на базе цифровых фотоаппаратов, подвергнутых модификации с целью расширения диапазона их чувствительности в ближнюю ИК-область. Именно во втором случае наблюдалась слабая зависимость результатов измерений от коэффициента излучения.

По всей видимости, главной причиной этого является очень сильная зависимость мощности излучения от температуры в диапазоне чувствительности этих приборов.

Приборы, сделанные на базе цифровых фотоаппаратов, чувствительны к излучению в диапазоне длин волн 0,7-1,0 мкм. Излучение короче 0,7 мкм искусственно обрезается ИК-фильтром для устранения засветки от люминесцентных ламп, используемых для освещения лаборатории, а излучение длиннее 1 мкм проходит сквозь кремний, используемый в качестве чувствительного материала матриц. Для тепловизоров на базе микроболометров, согласно информации производителей, характерен диапазон чувствительности 8-14 мкм. На рисунках 12 и 13 представлены зависимости мощности теплового излучения абсолютно чёрного тела от температуры, соответствующие диапазонам чувствительности микроболометра и кремниевой матрицы цифрового фотоаппарата, прикрытой ИК-фильтром. Данные зависимости получены путём численного интегрирования формулы (1).

Рис.12: зависимость плотности мощности теплового излучения от температуры в диапазоне длин волн 8-14 мкм.

Как хорошо видно из графиков, в случае микроболометров уменьшение (увеличение) мощности излучения за счёт изменения коэффициента излучения приводит к пропорциональным ошибкам в определении абсолютной температуры. Изменение коэффициента излучения всего на 10% при температуре 1000 К приведёт к ошибке в 48К. Неопределённость коэффициента излучения в ±50%, имеющаяся на практике, приводит к абсолютно неприемлемой ошибке в ±280 К.

Рис.13: зависимость плотности мощности теплового излучения от температуры в диапазоне длин волн 0,7-1,0 мкм

В случае кремниевой матрицы ситуация принципиально иная: при температуре 1000 К даже двукратное изменение коэффициента излучения теоретически должно привести к отклонению показаний лишь примерно на 50 К. Если проводить калибровку при промежуточном значении коэффициента излучения между таковым у детали до обработки и после неё, погрешность будет составлять примерно ±25 К. Разумеется, реальные погрешности зависят от формы кривой спектральной чувствительности приборов, а потому должна определяться экспериментально. Данные расчёты выполнены лишь для оценки по порядку величины.

Используя данные калибровки можно экспериментально определить зависимость принимаемого матрицей сигнала от температуры. Тепловизор на базе Canon EOS M калибровался при одинаковых значениях чувствительности и числа диафрагмы и четырёх значениях выдержки, каждое из которых отличается от соседнего в четыре раза. Выбрав фиксированное значение яркости определённого цветового канала, и найдя температуру, при которой оно будет достигнуто при каждой выдержке, можно определить зависимость сигнала от температуры. Результаты такой работы представлены в таблицах 1-4.

Таблица 1: температура °C, соответствующая яркости, равной 50

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный
Зелёный
Синий

Таблица 2: температура °C, соответствующая яркости, равной 100

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный
Зелёный
Синий

Таблица 3: температура °C, соответствующая яркости, равной 150

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный
Зелёный
Синий

Таблица 4: температура °C, соответствующая яркости, равной 200

Выдержка:	1/8	1/30	1/125	1/500
Канал:
Красный
Зелёный				–
Синий

Как легко заметить из таблиц, температуры в соседних столбцах в основном отличаются на 60-70 °C, в среднем различие составляет 66 °C. Соседние столбцы соответствуют изменению потока излучения в четыре раза. Таким образом, можно считать, что мощность излучения, фиксируемого прибором, удваивается каждые 33 °C. Это находится в хорошем согласии с оценочными теоретическими расчётами, давшими число в 50 °C, и говорит о возможности получить погрешность измерения не более ±20 °C при изменении коэффициента излучения в процессе обработки более чем в два раза. Такой результат можно считать вполне удовлетворительным и в процессе работы с прибором пренебрегать отличием коэффициента излучения исследуемой поверхности от коэффициента излучения поверхности вольфрамовой фольги, используемой во время калибровки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы была создана методика измерения распределения температуры на поверхности материалов, обращённых к плазме по их тепловому излучению в ближней ИК области спектра. Методика основана на использовании модифицированного цифрового фотоаппарата.

Основными положительными особенностями методики являются:

· крайне низкая цена. Подходящие модели фотоаппаратов на данный момент стоят в розничной продаже от 15 000 до 25 000 рублей. Их модификация не требует особой квалификации и применения специальных инструментов, а значит, может быть проведена усилиями инженеров лаборатории;

· пренебрежимо малая чувствительность к изменению состояния поверхности материала;

· высокое пространственное разрешение. На данный момент разрешение матриц цифровых фотоаппаратов на один-два порядка превосходит разрешение матриц лучших тепловизоров;

· возможность получения высокого разрешения по времени. Как минимум с некоторые модели фотокамер имеют функцию высокоскоростной видеосъёмки. В нашем случае для скоростной съёмки использовалась модель Nikon 1 J1, которая способна снимать видео со скоростью 400 и 1200 кадров в секунду, что даёт разрешение по времени 2,5 и 0,83 мс;

· возможность автоматизации измерений. Как минимум некоторые модели фотокамер имеют функцию передачи данных на компьютер в режиме реального времени и управления с компьютера параметрами съёмки. В нашем случае для автоматизации использовалась модель Canon EOS M;

· возможность работы через стандартные стеклянные окна.

Серьёзными ограничениями данной методики являются:

· отсутствие возможности закупить готовое проверенное оборудование, необходимо проводить самостоятельную модификацию и последующую калибровку. Ошибки во время последней неизбежно приведут к ошибкам дальнейших измерений;

· возможность работы только с поверхностями, нагретыми до температуры выше 350 – 450 °C, в зависимости от требуемого разрешения по времени;

· невозможность работы во время горения разряда, необходимость как минимум краткосрочного отключения разряда для измерений.

Решением последней из перечисленных выше проблем может быть использование модифицированной цифровой фотокамеры совместно со стандартным тепловизором дальнего ИК-диапазона.

Нами предлагается использовать модифицированную цифровую камеру для периодических измерений распределения температуры по поверхности детали, а затем использовать эти данные для коррекции коэффициента излучения в настройках серийного тепловизора на базе микроболометра. В промежутках между этими периодическими измерениями контроль температуры должен осуществляться по данным серийного тепловизора.

Полученный в ходе работы коэффициент излучения может оказаться важным параметром для определения степени модификации поверхности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдошин Е. С. Светопроводные инфракрасные радиометры (обзор), Приборы и техника эксперимента, 1988, № 2, с.5.

2. Авдошин Е. С. Волоконный инфракрасный радиометр, Приборы и техника эксперимента, 1989, № 4, с.189.

3. Афанасьев А. В., Лебедев В. С., Орлов И. Я., Хрулев А. Е. Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках, Приборы и техника эксперимента, 2001, № 2, с.155-158.

4. Афонин А.В, Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Инфракрасная термография в энергетике. Т 1. Основы инфракрасной термографии, под ред. Ньюпорта Р. К., Таджибаева А. И., СПб. Изд. ПЭИПК, 2000 г. с. 240.

5. Беграмбеков Л.Б., Модификация поверхности твёрдых тел при ионном и плазменном воздействии. М.: МИФИ. 2001

6. Белозеров А. Ф., Омелаев А. И., Филиппов В. Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике. // Оптический журнал, 1998, № 6, с.16.

7. Брао И.П., АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ И ПОИСК ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ОТРАСЛИ БЕСКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ, Инновации в науке. 2014. № 38. С. 43-48

8. Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. Т.1. М.: Наука, 1964.

9. Букатый В. И., Перфильев В. О. Автоматизированный цветовой пирометр для измерения высоких температур при лазерном нагреве. // Приборы и техника эксперимента, 2001, № 1, с.160.

10. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели: Пер. с польского – Л.: Энергия, 1978.

11. Гордов А. Н. Основы пирометрии, 2 изд., М., 1971.

12. Горелик Л.И., Соляков В.Н., Тренин Д.Ю., Тренина Е.О.,ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВУХДИАПАЗОННЫМ ТЕПЛОВИЗИОННЫМ ПРИБОРОМ НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ, Прикладная физика. 2012. № 3. С. 95-100

13. Горелик Л.И., Дрогайцева Е.В., Полесский А.В., Сидорин А.В., Соляков В.Н., Тренин Д.Ю.,ДВУХДИАПАЗОННАЯ ТЕПЛОВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНОВ 3-5 И 8-12 МКМ, Прикладная физика. 2011. № 2. С. 92-96

14. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы. Техника. Применение. М.: Мир, 1988.

15. Гура П.С., Сысун В.И. ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ В ИНДУКЦИОННОМ РАЗРЯДЕ С ПЛОСКОЙ КАТУШКОЙ. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 6-1. С. 82-85.

16. Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве — М.: Стройиздат, 1987. — 237 с.

17. Енюшин В.Н., Крайнов Д.В., О ВЛИЯНИИ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ТЕПЛОВИЗИОННОМ ОБСЛЕДОВАНИИ, Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2013. № 1 (23). С. 99-103

18. Захарченко В. А., Шмойлов А. В. Приемник инфракрасного излучения // Приборы и техника эксперимента, 1979, № 3, с.220.

19. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. Шейндлина А.Е. М.: Энергия, 1974.

20. Исмаилов М. М., Петренко А. А., Астафьев А. А., Петренко А. Г. Инфракрасный радиометр для определения тепловых профилей и индикации разности температур. // Приборы и техника эксперимента, 1994, № 4, с.196.

21. Коротаев В.В., Г.С. и др. Основы тепловидения – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 122 с.

22. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. — М.: Советское радио, 1978. — 400 с.

23. Кременчугский Л.С., Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения. — Киев: Наук. думка, 1979. — 381 с.

24. Куинн Т. Температура/ Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

25. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. — Москва «Металлургия», 1980

26. Ллойд Дж. Системы тепловидения./Пер. с англ. под ред. А. И. Горячева. — М.: Мир, 1978, с. 416.

27. Лукина Е.А., Александров А.А., Шафоростов А.А., Спектор В.С. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ ГРАДИЕНТНЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЕВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ РАЗНЫХ КЛАССОВ ПРИ ВАКУУМНОМ ИОННО- ПЛАЗМЕННОМ АЗОТИРОВАНИИ. Перспективные материалы. 2010. № 9. С. 151-155.

28. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия (обзор). Приборы и техника эксперимента, 2009, № 4, С. 5-28.

29. Мухин Ю. Д., Подъячев С. П., Цукерман В. Г., Чубаков П. А. Радиационные пирометры для дистанционного измерения и контроля температуры РАПАН-1 и РАПАН-2 // Приборы и техника эксперимента, 1997, № 5, с.161.

30. Огирко И. В. Рациональное распределение температуры по поверхности термочувствительного тела … стр. 332 // Инженерно-физический журнал Том 47, Номер 2 (Август, 1984)

31. Попов С.А., Доцин И.И., Емельянов Г.М.,ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТЕПЛОВИЗИОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ, Компьютерная оптика. 2013. Т. 37. № 1. С. 131-134

32. Порев В. А. Телевизионный пирометр // Приборы и техника эксперимента, 2002, № 1, с.150.

33. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л., 1978.

34. Рамазанов К.Н., Агзамов Р.Д. ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПУТЕМ СОЗДАНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ АЗОТИРОВАНИИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2011. № 2. С. 164-167.

35. Рибо Г. Оптическая пирометрия, пер. с франц., М. — Л., 1934

36. Сеньков А.Г., Фираго В.А., ТРЕХСПЕКТРАЛЬНАЯ ПИРОМЕТРИЯ МЕТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ТРЕХЦВЕТНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ Вестник БГУ. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. 2007. № 1. С. 54-61

37. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М., 1982.

38. Сидорюк О. Е. Пирометрия в условиях интенсивного фонового излучения. // Приборы и техника эксперимента, 1995, № 4, с.201.

39. Скобло В. С. К оценке дальности действия тепловизионных систем. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2001. Т.44, № 1, с. 47.

40. Снопко В.Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения. Мн., 1999.

41. Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерение температур. — М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов, 1970. — С. 257.

42. Температурные измерения. Справочник/ Под ред. Геращенко О.А. Киев: Наукова думка, 1989.

43. Федоров А.А., Рыкова Е.В., Киселёва Е.С. КАТОДНО-ПЛАЗМЕННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ СО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПОВЕРХНОСТИ. Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2014. № 6. С. 236-245.

44. Фираго В.А. Веста. БГУ. Сер. 1.2006. № 1.С. 28.

45. Фрунзе А. Пирометры спектрального отношения. Преимущества, недостатки, пути их устранения. Фотоника 4/2009.

46. Широбоков А. М., Щупак Ю. А., Чуйкин В. М. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором «Терма-2». // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2002. Т.45, № 2, с.17.

47. Dr. Alexander Dmitriyev. Laser pyrometry offers practical temperature measurement. Heat treating progress, may/june 2005.

48. Chrzanowski K., Bielecki Z., Szulim M. Comparison of temperature resolution of single-band, dual-band and multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 13. p. 2820.

49. Chrzanowski K., Szulim M. Error of temperature measurement with multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 10. p. 1998.

50. Rogalski A. Infrared detectors. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 c.

51. Whitenton Eric. Simultaneously visible and thermal imaging of metals during machining, Proc. of SPIE. V. 5782.

52. Williams George M., Barter Archie. Dual-Band MWIR/LWIR Radiometer for Absolute Temperature Measurements, Proc. of SPIE. 2006. V. 6205. P. 62050M.

ПРИЛОЖЕНИЕ

На приведённх ниже рисунках 1-7 приводятся калибровочные кривые тепловизоров, изготовленных на базе серийных цифровых фотоаппаратов Nikon 1 J1 и Canon EOS M.