Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Об определении разности температур с помощью термометра излучения

14.04.2020 | Автор: Русин С.П. | Полемические заметки | Количество просмотров: 762 | Комментарии (2)

Примечание

В данной статье была отмечена основная трудность в реализации предложенного подхода – это малая величина сигнала, который может быть зарегистрирован прибором в узком спектральном интервале при комнатных температурах.  Задача определения разности температур в случае, когда суммарное излучение регистрируется термометром частичного излучения в широком спектральном интервале длин волн рассматривается в следующей статье:  Русин С.П  «К вопросу об определении разности температур с помощью термометра частичного излучения». 


Введение 

Одно из основных преимуществ термометрии излучения перед контактными методами – это возможность измерения температуры без контакта с объектом и высокое быстродействие. Это важно, когда объект измерения либо недоступен для контакта, либо опасен при непосредственном контакте. Однако, для определения термодинамической (истинной) температуры объекта необходимо знать величину излучательной способности  места визирования. Эта величина, как правило, неизвестна с требуемой точностью.

Как известно, термодинамическая температура характеризует физическое состояние человека. Причём, во многих случаях, при заболевании эта температура повышается на 2-3 градуса Цельсия. Полагается, что в принятом диапазоне температур величина излучательной способности не меняется.

В статье обсуждается проблема точности бесконтактного определения температуры тела человека с помощью монохроматического термометра (пирометра) излучения в двух состояниях: состояние 1, которое характеризуется нормальной температурой  и состояние 2, когда температура  выше нормальной.

С помощью компьютерного моделирования показано, что, при выполнении сделанных допущений, разность обратных яркостных температур в двух указанных состояниях равна разности обратных термодинамических температур в тех же состояниях вне зависимости от величины излучательной способности места визирования и длины волны излучения. Предложено простое соотношение, которое позволяет определить температуру в искомом состоянии 2, если известна температура в состоянии 1 и соответствующая разность обратных яркостных температур без использования излучательной способности места визирования. Проведённый анализ показал, что точность определения температуры предложенным способом близка к точности определения температуры стандартными контактными способами, используемыми в медицинской практике.

Об используемой терминологии более подробно можно прочесть, например, в [1]. 

Принятые допущения 

1. Излучательная способность места визирования не зависит от температуры. Это допущение основывается на том, что температура изменяется в очень узком интервале (2-4 К).

2. Величина потоков излучения, отражённого от площадки визирования, такова, что ею можно пренебречь по сравнению с потоками собственного излучения.

3. Среда, разделяющая объект измерения и термометр излучения, прозрачна для излучения.

4. Процесс регистрации излучения происходит в одних и тех же условиях окружающей среды, включая взаимное расположение объекта и измерительного прибора. Кроме того, важно сохранить одно и тоже направление визирования  относительно площадки визирования.

Основные расчетные соотношения 

Вычисления проводились в пределах выполнения приближения Вина. Использовалась логарифмическая форма записи этого приближения:

 

где

Trad (l)  - яркостная температура при длине волны l;

 c2 =14388 мкм К – вторая постоянная формулы Планка;

T - термодинамическая (истинная) температура площадки визирования, К. 

Яркостная температура регистрируется сначала для состояния 1, потом для состояния 2 при фиксированной длине волны l. Согласно (1), имеем систему из двух уравнений

 

 

Вычитая из первого уравнения второе и учитывая, что, согласно допущениям, e1 (l) = e2(l) = e получим соотношение:

 

которое для монохроматического излучения выполняется вне зависимости от величины излучательной способности и длины волны .

Отметим, что величина q может быть определена экспериментально по зарегистрированным значениям яркостных температур Trad,1 (l)  и Trad,2 (l). Величина  T1 предварительно может быть определена весьма точно, например, с помощью контактных термометров. Тогда, на основании (3), для искомой температуры T2 имеем простое соотношение:

Тогда абсолютная среднеквадратичная погрешность (неопределённость) DT2, на основании (3) и (4),  вычисляется по стандартной формуле

     Пример расчёта

Вычисления проводились для монохроматического излучения при l =8.5 мкм. Полагалось, что термодинамические температуры t1=36.5 °C, t2= 38.5 °C. Разность t21 = 2 °C  соответственно. Излучательная способность  места визирования принимает значения от 0.75 до 1 с шагом 0.05. Значения яркостных температур вычислялись с помощью соотношений (2). Величина q  рассчитывалась по (3) (в таблице значения q были умножены на 106 ).

Таблица 1. Данные для компьютерного эксперимента: t1=36.5 °C, t2= 38.5 °C. Разность t21 = 2 °C, l =8.5 мкм; в таблице предствлены значения яркостных температур, их разности  при изменении излучательной способности  места визирования

Как следует из таблицы 1, при использовании монохроматического термометра излучения, регистрируются только величины яркостных температур trad 1  и trad 2. Вместе с тем, этого достаточно, чтобы определить величину q по (3) и искомую величину t2 по (4), если величина   tизвестна. Если величина t1неизвестна с необходимой точностью, то, во всяком случае, известен интервал значений нормальной температуры человека. Например, от 36 до 37 градусов Цельсия. Соотношение (4) позволяет получить оценку для граничных значений интервала. Так при t1=36  и вычисленной величиной q, согласно (4), t2=37.9935 , а при t1=37  величина t239.0065 . И в том и в другом случае разность температур близка к 2 °C.

     Данные таблицы 1 позволяют оценить погрешность (неопределённость) измерений по формуле (5). Полагалось, что DT1 DTrad,1 = DTrad,2 = 0.1 K . Тогда, при t1=36 и =0.75 величина абсолютной среднеквадратичной погрешности DT2=0.1875, при e=0.95 величина DT2=0.1769, при e=1.0 - DT2=0.1747.

     Как следует из таблицы, важным индикатором повышенной температуры является величина разности измеренных яркостных температур  trad21 . Если разность этих температур равна или превышает 1.8 , то это означает, что температура t2 больше t1, чем на 2 °C.

     Как правило, величина излучательной способности e места визирования предварительно неизвестна. Если площадка визирования измерена контактным термометром и термометр излучения позволяет задавать величину , то требуемая величина e может быть подобрана экспериментальным путём до совпадения со значением температуры, зарегистрированной контактным термометром. Если же значение излучательной способности жёстко зафиксировано в электронной схеме термометра излучения, то при измерениях возможны существенные отклонения измеренных температур от истинных значений.

     В таблице 2 представлены результаты компьютерного моделирования, когда величина не совпадает с истинной величиной e=0.85 места визирования. Расчёты проводились по соотношениям типа (2):

Как следует из (6) и таблицы 2, при e*< e расчётные значения температур будут выше истинных значений. При e*> e  расчётные значения температур будут ниже истинных значений. Вместе с тем величина q  принимает прежнее значение. Это следует непосредственно из (6) при вычитании из первого соотношения второе. Важно отметить, что во всех случаях разность рассчитанных температур t21* = t2* t1* близка к 2 °C.

Таблица 2. Влияние неточного задания величины излучательной способности e на разность t21* = t2* t1*  рассчитанных температур. Излучательная способность места визирования e=0.85

     Выводы 

  1. Повышение температуры человека выше нормы может быть идентифицировано с помощью монохроматического пирометра излучения с приемлемой для медицинской практики точностью. Причём, вне зависимости от излучательной способности  места визирования и длины волны регистрируемого излучения.
  2. Для повышения точности измерений предлагается использовать разность обратных яркостных температур, измеренных для двух состояний человека, одно из которых характеризуется повышенной температурой, и значение нормальной температуры, определённой, в частности, контактным способом. Показано, что в этом случае искомая температура не зависит от e и l.
  3. В связи с тем, что на практике, для повышения величины сигнала, инфракрасное излучение регистрируется в широком спектральном интервале, полученные результаты важно протестировать. 

Список литературы

 1. Русин С.П. Определение истинной температуры непрозрачных материалов по спектру теплового излучения. Москва, февраль 2020 // http://temperatures.ru/pdf/Rusin-2020.pdf

Примечание

В данной статье была рассмотрена проблема определения малой разности температур с помощью термометра излучения. Была отмечена основная трудность в реализации предложенного подхода – это малая величина сигнала, который может быть зарегистрирован прибором в узком спектральном интервале при комнатных температурах.  Задача определения разности температур в случае, когда суммарное излучение регистрируется термометром частичного излучения в широком спектральном интервале длин волн рассматривается в следующей статье:  Русин С.П  «К вопросу об определении разности температур с помощью термометра частичного излучения».  


Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки">> Все статьи нашего блога >>

Комментарии:

Виктор Соломатенко, | МВТУ-Политех

Рекомендация автору: разберитесь с понятием температуры, ее физическим смыслом, что она количественно характеризует. Мнение, что она характеризует состояние тела не принимается, ибо не выдерживает примитивной критики, а именно: состояние парожидкостной смеси зависит от соотношения ее компонентов, пара и жидкости, а температура одна и та же, если жидкость кипит при постоянном давлении (подсказка - кипение воды в чайнике, стоящем на работающей газовой плите).

Моисеева Н.П., | ВНИИМ

Температура, безусловно, является одним из параметров состояния системы, хотя, конечно, не единственным. Но статья не об этом. Фраза, которая Вам возможно не понравилась «Как известно, термодинамическая температура характеризует физическое состояние человека» относится именно к состоянию человека, в том смысле, что измерение температуры важно в медицине и бесконтактное измерение имеет очень большое значение.

Добавить комментарий: