Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Поверка ИК-радиометра. При проведении поверки должен использоваться в качестве образцового термометра лабораторный стеклянный ртутный термометр типа ТЛ с ценой деления 0,1°С и пределами шкалы от 0 до 50 °С.

В качестве образцового излучателя в данной работе использовалась кювета с пресной водой. Процесс поверки заключался в выполнении следующих операций.

Непрерывно перемешивая воду в кювете измерялась температура воды в верхнем 2‑хсм слое с помощью заглубленного образцового термометра (постоянная времени контактного образцового термометра около 1минуты). Записывались показания образцового термометра. Направлялась оптическая ось радиометра на поверхность образцового излучателя (воды), продолжая перемешивать воду, и снимались показания ИК-радиометра.

Были выполнены 3 цикла измерений. При каждом цикле по мере уменьшения температуры воды в кювете записывались результат измерения температуры воды, полученных образцовым термометром и поверяемым ИК-радиометром. Измерительный цикл проводился в диапазоне температур образцового излучателя (воды) от 13 до 37 °С. Полученные таким образом данные представлены в таблице 1 (Tr – данные ИК-радиометра, Ts – контактные измерения).

Таблица 1

Данные калибровки ИК радиометра

Обработка данных. Для коррекции результатов дистанционного измерения температуры подстилающей поверхности с учетом данных поверки необходимо:

- произвести обработку данных поверки с использованием программы, написанной на языке Visual Basic;

- на основе результатов проведенной обработки данных поверки разработать алгоритм и методику учета данных поверки для коррекции результатов дистанционных измерений температуры подстилающей поверхности.

На рис. 1 представлен Лист 1 файла текстового процессора Excel после выполнения программы по обработке данных поверки ИК-радиометра из таблицы 1.

д Листа 1 после выполнения программы обработки данных поверки ИК-радиометра

В колонках «A» - «F» содержатся данные, перенесенные из исходной таблицы 1. Колонки «G» и «H» содержат по отдельности данные измерений ИК-радиометром и отклонения этих измерений от контактных соответственно. На рис. 2 эти данные представлены в виде двух графиков.

а) б)

Рис. 2. Графическое представление двух серий данных, полученных при поверке ИК-радиометра: а) – это Tr, б) – это Ts – Tr

Следующие 6 колонок содержат отсортированные по 3-м сериям данных: колонки «I» - «K» - это значения Tr, колонки «L» - «N» - это значения Ts – Tr (рис. 3). По этим данным были рассчитаны средние значения Tr (колонка «О») и Ts – Tr (колонка «Р»).

а) б)

Рис. 3. Совместное представление трех серий данных, полученных при поверки ИК-радиометра: а) – это Tr, б) – это Ts – Tr

Следующим этапом обработки данных поверки было построение аппроксимационного полинома для осредненных значений Ts – Tr. Для оценки оптимальной степени такого полинома на рис. 4 представлены линии тренда при использовании полиномов от 1 до 4 степеней. Анализ значений коэффициента детерминации R2 для этих полиномов показал, что зависимость значений dT от Tr близка к линейной: для полинома первой степени R2 = 0.973, что очень близко к 1. На этом основании можно сделать вывод, что для аппроксимации зависимости dT от Tr вполне можно ограничиться полиномом второй степени (в этом случае R2 =0. 999).

Рис. 4 Зависимость поправки dT от показаний ИК-радиометра Tr

Для коррекции данных измерений ИК-радиометра необходимо по значению Tr и dT(Tr) рассчитать истинное значение Ts, т.е. температуры подстилающей поверхности. Для этого необходимо воспользоваться соотношением (1.1):

Ts = Tr + dT(Tr), (1.1)

где Tr – показание ИК-радиометра, а dT(Tr) – соответствующая этому показанию поправка, найденная на основе аппроксимации данных поверки. Как было показано ранее, для такой аппроксимации достаточно рассчитать коэффициенты a, b и c аппроксимационного полинома второй степени:

dT(Tr) = a*Tr2 + b*Tr + c. (1.2)

Полученные с использованием стандартных средств табличного процессора Excel коэффициенты для полинома второй степени, представленные на рис. 4

а = -0.0045, b = -0.0881 и c = +0.5496

не могут быть использованы для коррекции показаний ИК-радиометра, так как они предполагают использование порядкового номера в значении dT в таблице 1, а не показания радиометра Tr. Действительно, если в соотношении для расчета по этим коэффициентам в качестве Tr подставить 1, то получим dT(1) = 0.457. Поэтому для расчета коэффициентов, предполагающих в качестве аргумента полинома использование значений Tr, использовалась специальная программа расчета коэффициентов апроксимационных полиномов.

Результаты использования полученных коэффициентов аппроксимационного полинома второй степени иллюстрирует рис. 5. В колонках «A» и «B» содержатся соответственно осредненные значения Tr и dT(Tr) соответственно. Значения коэффициентов представлены в колонке «G»:

а = -0.0015, b = +0.2304 и c = -5.8344. (1.1)

Рис. 5. Результаты расчета коэффициентов аппроксимационного полинома dT(Tr)

Для контроля качества полученных коэффициентов в колонках «D» и «E» приведены результаты расчета значений аппроксимационного полинома (колонка «E») по значениям его аргумента из колонки «D». На рис. 6 приведено сравнение полученных результатов.

Рис. 6. Сравнение исходных данных и результатов аппроксимации

На рис. 7 представлен пример работы программы коррекции показаний ИК-радиометра.

Рис. 7. Пример результатов работы программы коррекции показаний ИК-радиометра.

Полученные результаты показывают, что на основе использования данных поверки точность дистанционного измерения температуры подстилающей поверхности ИК-радиометром может быть существенно повышена и достигать 0.5 – 0.3 оС.