Математическое и физическое моделирование задач оптической пирометрии для дистанционной диагностики высокотемпературных процессов

• Автор: Яковлев, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Основы оптической пирометрии

1.1. Физические принципы

1.2. Основные методы оптической пирометрии

1.3. Учет немонохроматичности приемников излучения

1.4. Учет влияния излучательной способности

1.5. Связь излучательной способности с оптическими свойствами

1.6. Основные источники погрешностей при бесконтактном измерении температуры

1.7. Выводы

2. Особенности применения широкополосных приемников излучения

в пирометрах спектрального отношения
2.1. Введение
2.2. Оценка погрешности применения приближения Вина
2.3. Влияние широкополосности фотоприемника на по1решность применения приближения Вина
2.4. Оценка погрешности применения приближения Вина для двухспектрачьного широкополосного совмещенного ФПУ
2.5. Учет влияния излучательной способности измеряемых объектов на точность определения температуры пирометрами на основе широкополосного ФПУ
2.6. Определение динамического диапазона ФПУ, требуемого для заданной разрешающей способности пирометра
2.7. Выводы
3. Бесконтактное измерение температуры объектов с изменяющейся
излучательной способностью
3.1. Введение
3.2. Трансформация оптических свойств монокристаллического кремния при изменении температуры
3.3. Оптические свойства расплава кремния
3.4 Влияние изменения излучательной способности на точность определения температуры
3.5 Выводы
4. Применение широкополосных пирометров отношения для
исследований динамики процесса сжигания водоугольной суспензии
4.1. Введение
4.2. Исследования горения водоугольной суспензии в лабораторных 4 условиях
4.3. Выводы.
5. Разработка пирометра спектрального отношения на основе
широкополосного ФПУ для измерения температуры высокотемпературных процессов
5.1. Введение
5.2. Структура прибора
5.3. Описание принципиальной схемы прибора
5.4. Описание алгоритма работы встроенного микропроцессора
5.5. Калибровка прибора
5.6. Результаты испытаний
5.7. Применение пирометра спектрального отношения на основе 7 широкополосного ФПУ для измерения температуры кремния
5.8. Применение пирометра спектрального отношения на основе 1 широкополосного ФПУ для диагностики различных параметров горения мелкодисперсного угольного топлива
5.9. Выводы
Заключение
Список литературы


ФПУ представляет собой кремниевый (БО и германиевый (Ое) фотодиоды, причем $1-фотодиод помещен перед ве-фотодиодом и служит для него спектральным фильтром. Для выбранного приемника экспериментально определены кривые спектральной чувствительности каждого из двух каналов. Используя полученные зависимости спектральной чувствительности, рассчитывались погрешности различных приближенных методов вычисления температуры. Показано, что общепринятый подход представления широкополосного фотоприемника как узкополосного с некоторой эффективной длиной волны не обеспечивает требуемой точности определения температуры. Показано, что использование при вычислении температуры упрощенного алгоритма, основанного на приближении Вина, допустимо только для сравнительно узкого диапазона измеряемых температур. Предложено для вычисления температуры в широком диапазоне применять полином 3-й степени. Кроме того, проводилась оценка погрешности измерения температуры при различных характеристиках излучательной способности объекта. Предложен метод аппроксимации излучательной способности объекта, позволяющий повысить точность определения температуры. Для различных диапазонов измеряемых температур определен требуемый динамический диапазон измерения интенсивности излучения. Показано, что для заданного диапазона измеряемых температур и точности измерений в случае использования широкополосного ФПУ по сравнению с узкополосным требуется меньший динамический диапазон. Третья глава посвящена моделированию особенностей оптической пирометрии полупроводниковых материалов в твердой и жидкой фазах (на примере кремния). Получены собственные данные об излучательной способности кремния в спектральном диапазоне 0,4 - 1,8 мкм для температур 0 и 0 °С, которые использованы при моделировании задач пирометрии твердого кремния. Выше точки плавления использованы данные из литературы, полученные методом эллипсометрии и отражения. Установлено, излучательная способность кремния представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся с температурой. Моделированием пирометра спектрального отношения на основе широкополосного ФПУ показано, что изменение излучательной способности от температуры слабо влияет на точность измерений. Показано, что основными требованиями, предъявляемыми к пирометру, предназначенному для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива, является повышенное быстродействие и высокая разрешающая способность оптической системы. Пятая глава посвящена разработке пирометра спектрального отношения на основе совмещенных широкополосных ФПУ для научных исследований и промышленных применений. Разработан модифицированный пирометр для научных исследований быстропротекающих процессов горения мелкодисперсного угольного топлива. Для этого увеличено быстродействие в 0 раз и обеспечен сбор света с объекта размером ~ 1 мм. Спектральные диапазоны, мкм 0. Разработанные и созданные пирометры спектрального отношения на основе широкополосных ФПУ нашли практическое применение при автоматизированном контроле процесса выращивания монокристаллов кремния (ФГУП «Красмаш») и при исследовании эффективности сжигания водоугольных суспензий (ИТ СО РАН). Широкополосная регистрация интенсивности в двух спектральных диапазонах позволяет определять температуру объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью, а также обеспечивает снижение требуемого динамического диапазона в - раз. С в диапазоне 0-°С. Спектральная излучательная способность кремния в интервате 0,4 - 2 мкм при высоких температурах представляет собой плавную функцию длины волны, слабо меняющуюся от температуры, при этом погрешность определения температуры в диапазоне от 0°С до точки плавления не превышает 3°С на 0°С, а для температур выше точки плавления составляет не более 0,6 °С на 0 °С. Разработанные пирометры спектрального отношения на основе совмещенного 8і/Се ФПУ успешно применены для определения температуры кремния в твердой и жидкой фазах, а также исследования динамики горения мелкодисперсного топлива.