Разработка эталонного излучателя для калибровки тепловизоров в виде модели абсолютно черного тела с поворотной сферической излучающей поверхностью, страница 4

2 СИСТЕМА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

Несмотря на широкое применение тепловизионных приборов в различных областях промышленности, науки и техники, для этого класса приборов отсутствует система метрологического обеспечения. Чтобы устранить данную проблему, требуется создать систему метрологического контроля, включающую в себя разработку нормативной документации, средств контроля для измерения различных метрологических характеристик тепловизоров. Учитывая многообразие типов и модификаций вновь создаваемых и находящихся в эксплуатации тепловизоров, необходимо классифицировать метрологические параметры и характеристики, подлежащие обязательному контролю на стадии испытания и поверки. Существующие нормативно-технические документы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым современным тепловизионным  приборам.

В начале девяностых годов во ВНИИМ им. В.И.Менделеева разработан и введен в действие в 1995г взамен всех действовавших ранее стандартов межгосударственный стандарт ГОСТ 8.558-93 на государственную поверочную схему для средств измерения температуры. Этот стандарт распространяется на тепловизионные приборы (ТВП) в качестве рабочих средств измерений, которые получают размер единиц от государственного первичного эталона через эталон-копию и рабочие эталоны.

В 2001г. во ВНИИМ разработаны и введены в действие рекомендации по методам и средствам поверки тепловизоров Р 50.2.012. В рекомендациях предусмотрены проверка диапазона и оценка погрешностей измерений, определение теплового разрешения и угла поля зрения тепловизоров. Предложены необходимые средства поверки и их характеристики соответствию с межгосударственным стандартом на поверочную схему для средств измерений температуры ГОСТ 8.558 – 93. Параллельно сформулированы основные требования к средствам метрологического обеспечения ТВП. Исходя из этих требований, на начальном этапе создания системы метрологического обеспечения тепловизоров некоторые метрологические характеристики, такие как диапазон измеряемых температур, погрешность измерения, можно проверять на обычных излучателях абсолютно черного тела, применяемых для калибровок и поверок пирометров. Методика аттестации и поверки образцовых излучателей в виде моделей АЧТ в соответствии с ГОСТ 8.558 – 93 и ГОСТ 8.106 – 80 регламентируется ГОСТ Р 8.556 – 96 (схема передачи размера единицы приведена на рисунке 2.1).

Таким образом, к настоящему времени подготовлена нормативно-техническая и эталонная база для обеспечения единства абсолютных измерений температуры с помощью ТВП, которая, однако, не охватывает весь комплекс параметров и характеристик, присущих к данным средствам измерения.

СХЕМА ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ

Рисунок 2.1. Схема передачи размера единицы

3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Исследование энергетических характеристик инфракрасного излучения объектов проводится с помощью радиометрических приборов (радиометров), часто называемых тепловизорами при общетехническом их применении. Значения метрологических характеристик тепловизоров устанавливают при их калибровке. Оптимальной следует считать такую калибровку, при которой имитируются основные условия измерений, включая и имитацию свойств ожидаемого объекта исследований. Однако воспроизводить условия реальных измерений весьма трудоемко и не всегда технически возможно. Сложность воспроизведения условий реальных измерений обусловлена еще тем, что часто излучательные свойства обнаруживаемого объекта неизвестны. Если температура, а следовательно и спектральный состав излучения объекта, не соответствует температуре источника калибровки, то возникают дополнительные погрешности измерения, составляющие величину до 5-7%.

Для устранения этого влияния калибровку ведут по источнику излучения с переменной температурой, но в этом случае дополнительные погрешности возникают вследствие отличия излучательной способности объекта и источника калибровки как по абсолютному значению, так и по спектру. Однако, учитывая широкополосность энергоизмерительных радиометров, можно оценить возможные погрешности измерения температуры излучающей поверхности объекта, если калибровка радиометра проводится по источнику с постоянной температурой. Принимая излучательную способность объекта и источника эталонного излучения постоянными, можно оценить изменение чувствительности при постоянной температуре  S₀:

              (1)

где  - коэффициент, учитывающий изменение чувствительности радиометра при изменении температуры исследуемого объекта;

Н_λ- относительная яркость источника калибровки в спектральном интервале длин волн излучения  и не зависящая от изменения температуры источника калибровки для ограниченного диапазона .

Расчеты и экспериментальная проверка показывают, что относительная погрешность чувствительности:

                            (2)

в диапазоне 2-14 мкм и диапазоне температур от 200 до 500К не превышает 3-5%. Следовательно, можно рекомендовать проводить калибровку радиометров в двух точках температурного диапазона, а именно Т₁=300К и Т₂=500К.

Основой создания излучателей инфракрасного (ИК) диапазона являются законы излучения нагретых тел определяющих поток излучения Ф:

,                                        (3)

где    М_е – энергетическая светимость абсолютно черного тела, Вт/м²;

S – площадь излучающей поверхности (ИП), м².

Для реальных объектов моделью излучения являются «серое» тело, обладающее энергетической светимостью М_е в соответствии с законом Стефана-Больцмана [1]:

                                 (4)

где: - безразмерный коэффициент теплового излучения;

=(5,6697  0,0029) 10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная Стефана-Больцмана;

Т – температура тела.

Коэффициент теплового излучения  является безразмерным и определяется отношением доли суммарного (по спектру) излучения данного материала к полному излучению АЧТ, имеющему ту же температуру:

0<1.

Коэффициент теплового излучения  зависит от многих влияющих величин, основными из которых являются:

- материал тела;

- состояние излучающей поверхности (шероховатость, окисленность, пленкообразование и т. п.);

- температура тела.