УДК 536.52:778.344 Скубилин М.Д.

ОБ УПРАВЛЕНИИ ДИНАМИКОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ
Таганрогский государственный радиотехнический университет
г.Таганрог, пер.Некрасовский, 44, каф.ТМиНА, e-mail:
scubilin@hotbox.ru

Высоко динамичная термообработка материалов сопряжена со
спецификой контроля их температуры. Низко энергоемкие дозы
обрабатываемых
материалов,
например
поверхности
кристаллов
полупроводников, значительно усложняют задачу управления процессами
термообработки.
Нагретые тела излучают электромагнитные колебания в широком
интервале длин волн (от 0,02 до 500 мкм при температуре T до 15000 K),
причем этот диапазон простирается в обе стороны от его видимой части.
Испускательная способность нагретых тел колеблется в интервале от 5 10-6
(при T≈70 K) до 106 (при T≈15 103 K) Вт/см2, причем, с ростом T
интенсивность излучения растет по нелинейному закону и определяется,
по закону Кирхгофа, из
E/A=,
( 1 )
где - лучеиспускательная способность тела, - его поглощательная
способность, а - величина постоянная для всех тел при данной
температуре T. Для абсолютно черного тела при всех длинах волн
=1, тогда =.
Мощность излучения всех длин волн абсолютно черным телом, по
закону Стефана-Больцмана [1], определяется из
=4,
( 2 )
где T - абсолютная температура в градусах K, - постоянная Стефана-
Больцмана, но наибольшая излучательная способность приходится, по
закону смещения Вина, на определенную длину волны max и обратно
пропорциональна абсолютной температуре T, т.е. по зависимости вида
=/,
( 3 )
где - постоянная величина, =0,2898 см K.
Тогда испускательная способность абсолютно черного тела
определяется по закону [4] Планка, как
=2c2h/5[ehe/(k)-1],
( 4 )
где c - скорость света в вакууме, - длина волны, k - постоянная
Больцмана, а h - постоянная Планка.

С учетом меньших значений реальных тел и затухания энергии
излучения I, достигающей приемника излучений, видно, что,
пренебрегая точными значениями и I, но учитывая по
=1-2,
( 5 )
можно синтезировать систему, определяющую истинные значения Т тел
по зависимости
Т=arg1-2/1-2.
( 6 )
Этот принцип частично нашел применение в цветовых пирометрах,
для которых истинная Т определяется по
1/Т=(1/Тс)+(ln 1-ln 2)/с2(1/1-1/2),
( 7 )
где Тс - цветовая температура, i - коэффициент поглощения тела
излучения с i, а с2 - постоянный коэффициент, с2=0,014388.
Радиационные же пирометры значение истинной температуры Т
определяют по
= -1/4

r,
( 8 )
где - полный коэффициент поглощения тела, а r - радиационная
температура тела.
Но из законов теплового излучения Кирхгофа и Планка истинная
температура тела определяется по
=bc2/(с2++b ln ),
( 9 )
где - эффективная длина волны пирометра, а Tb - яркостная
температура тела.
Однако полученные значения Т по (6, 7 и 8) существенно зависят от
материала тела, степени шероховатости его поверхности, угла
визирования и затухания излучений в канале оптической связи, что
отражается на значениях Т по (9). Но отношение интенсивностей
излучений 1/2 - величина постоянная, следовательно, как видно из (6,
7, 8 и 9), значения Т определимы по реакции двух датчиков (приемников
излучений), селективно реагирующих на 1 и 2 [2].
С учетом сказанного, пирометр истинных значений температуры
реализуется на базе двух приемников тепловых излучений, реагирующих
на излучения с отличающимися длинами волн 1 и 2 соответственно, двух
аналого-цифровых преобразователей для определения цифровых значений
1 и 2 соответственно, двух задатчиков значений 1 и 2
соответственно, двух арифметических блоков для определяют значений
I1-I2 и 1-2, соответственно, по
Т=q1-2/1-2,
( 10 )
где q - коэффициент пропорциональности [3, 4].
Т.о., описанный способ [2] бесконтактного измерения истинной
температуры (пирометрии) по (10), включающий прием теплового излуче-


ния от объекта и его спектральную селекцию, обеспечивает измерение
температуры нагретого тела по отношению интенсивностей излучений на
фиксированных длинах волн к разности длин этих волн. Он включает дос-
тоинства яркостных пирометров по высокой точности измерений, цвето-
вых пирометров по простоте алгоритма обработки исходной информации,
и радиационных пирометров по диапазону измеряемых температур, а так-
же, за счет использования фотоэлектрических приемников тепловых излу-
чений и цифровой обработки информации, повышает быстродействие,
упрощает эксплуатацию и обеспечивает автоматизацию управления тех-
нологическими процессами в широком диапазоне их динамичности.
Пирометр [3, 4], по сравнению с известными, обеспечивает
отслеживание
высоко
динамичных
процессов,
расширение
функциональных возможностей, исключение субъективизма, повышение
точности измерения температуры в широком (300÷15000 К) диапазоне её
значений и применение в дискретной (цифровой) автоматике управления
технологическими процессами
Источники информации:
1. Гордов А.Н., Основы пирометрии, 2-е изд. -М.:
Машиностроение, 1971.
2. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Скубилин И.М., Письменов
Д.А. Пирометр. //Патент UZ 05331, G01J 5/58, G01J 5/10, б. 4, 2001.
3. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Авраменко А.В. Спосiб
пiрометрiчного вимiрювання. //Патент UA 55788, G01J 5/58, H01L 21/66,
б. 4, 2003.
4. Скубилин М.Д., Письменов А.В., Скубилин И.М., Письменов
Д.А. Пирометр. //Патент RU 2225600, G01J 5/58, б. 7, 2004.


Document Outline