omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2023-187-131-139UDPJPEomna-146Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSОценка влияния атмосферного водяного пара на результаты бесконтактного измерения температурыSimulation of the effect of absorption by atmospheric water vapor on the results of non-contact temperature measurementshttps://orcid.org/0000-0002-4538-6627ИоновА. Б.IonovA. B.

ИОНОВ Антон Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Pадиотехнические устройства и системы диагностики»

г. Омск

AuthorID (РИНЦ): 518556

AuthorID (SCOPUS): 55899469100

IONOV Anton Borisovich, Candidate of TechnicalSciences, Associate Professor of Radio Devices andDiagnostic Systems Department

Omsk

AuthorID (RSCI): 518556

AuthorID (SCOPUS): 55899469100

antionov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6160-7864ЧернышеваН. С.ChernyshevaN. S.

ЧЕРНЫШЕВА Надежда Сергеевна, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики»

г. Омск

AuthorID (РИНЦ): 909195

Author ID (SCOPUS): 56211164700

CHERNYSHEVA Nadezhda Sergeyevna, Graduate Student of Radio Devices and Diagnostic Systems Department

Omsk

AuthorID (RSCI): 909195

Author ID (SCOPUS): 56211164700

wia_lady@mail.ruИоновБ. П.IonovB. M.

ИОНОВ Борис Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Pадиотехнические устройства и системы диагностики»

г. Омск

AuthorID (РИНЦ): 685217

AuthorID (SCOPUS): 6603024036

IONOV Boris Petrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Radio Devices and Diagnostic Systems Department

Omsk

AuthorID (SCOPUS): 6603024036

bion_rtu@mail.ruРябоваМ. А.RyabovaM. A.

РЯБОВА Мария Анатольевна, магистрант гр. ПРм211 факультета элитного образования и магистратуры

г. Омск

RYABOVA Mariya Anatolyevna, Undergraduate gr. PRm-211 of Elite Education and Magistracy Faculty

Omsk

mariaa_ryabova@mail.ruОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20233009202303131139Copyright © Ионов А.Б., Чернышева Н.С., Ионов Б.П., Рябова М.А., 20232023Ионов А.Б., Чернышева Н.С., Ионов Б.П., Рябова М.А.Ionov A.B., Chernysheva N.S., Ionov B.M., Ryabova M.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/146

Работа посвящена задаче детального исследования погрешности бесконтактных измерений температуры в диапазоне 100–600 °С, вызванной неустранимым влиянием поглощения теплового излучения объекта атмосферными парами воды в условиях промышленности. С использованием базы данных молекулярной спектроскопии HITRAN в работе было проведено моделирование четырех измерительных ситуаций, характеризующихся различными уровнями влажности и дистанциями «объект-пирометр», для 11-ти измерительных пирометрических каналов с уникальными спектральными диапазонами чувствительности. Как показало проведенное исследование, пренебрежение эффектом поглощения излучения объекта атмосферными парами воды при проведении бесконтактных температурных измерений может привести к заметному отклонению их результатов от истинных значений даже на относительно небольших дистанциях (5–10 м).

The article investigates the effect of atmospheric water vapor on the results of noncontact temperature measurements carried out in the range from 100 to 600 °C. It is known that the key disadvantage of radiation thermometry is a rather strong dependence of the measurement results on external factors: the state of the surface of the object, as well as the state of the environment for the propagation of radiation from the object to the thermometer. Water vapor constantly present in the atmosphere selectively absorbs the infrared radiation of the object, which leads to underestimation of the results. This effect depends on the humidity and temperature of the air, as well as on the distance between the object and the radiation thermometer. On the basis of the simulation performed using the MATLAB system and the HITRAN molecular spectroscopy database, the values of random and systematic errors are calculated for four measurement situations typical of industrial conditions that differ in the level of absorption by water vapor. Eleven variants of radiation receivers with unique spectral sensitivity characteristics are studied. It is shown that the effect of absorption of the infrared radiation of an object by water vapor can lead to a significant decrease in the reliability of measurements carried out even at short distances.

бесконтактные измерения температурыпирометртепловизоратмосферные газыводяной паротносительная влажностьмолекулярное поглощениебаза данных HITRANnon-contact temperature measurementsradiation thermometerthermographic camerawater vaporrelative humiditymolecular absorptionHITRAN databaseReferencesLu Y. Industry 4.0: A survey on technologies, applications and open research issues // Journal of Industrial Information Integration. 2017. Vol. 6. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.jii.2017.04.005.Lu Y. Industry 4.0: A survey on technologies, applications and open research issues // Journal of Industrial Information Integration. 2017. Vol. 6. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.jii.2017.04.005. (In Engl.).Huang Z., Shen Y., Li J., Fey M., Brecher C. AI-Driven Digital Twins. Sensors. 2021. Vol. 21, no. 6340. P. 1–35. DOI: 10.3390/s21196340.Huang Z., Shen Y., Li J., Fey M., Brecher C. AI-Driven Digital Twins. Sensors. 2021. Vol. 21, no. 6340. P. 1–35. DOI: 10.3390/s21196340. (In Engl.).Taymanov R., Pronin A., Sapozhnikova K. [et al.]. Actual measuring technologies of Industry 4.0 and analysis of their realization experience. Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1379, no. 012049. P. 1–8. DOI: 10.1088/17426596/1379/1/012049.Taymanov R., Pronin A., Sapozhnikova K. [et al.]. Actual measuring technologies of Industry 4.0 and analysis of their realization experience. Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1379, no. 012049. P. 1–8. DOI: 10.1088/17426596/1379/1/012049. (In Engl.).Sapozhnikova K., Pronin A., Taymanov R. Increasing Measurement Trustworthiness as a Necessary Part of Technology Development // Sensors & Transducers. 2021. Vol. 251, Issue 4. P. 61–69.Sapozhnikova K., Pronin A., Taymanov R. Increasing Measurement Trustworthiness as a Necessary Part of Technology Development // Sensors & Transducers. 2021. Vol. 251, Issue 4. P. 61–69. (In Engl.).Taymanov R., Sapozhnikova K., Prokopchina S. What is immeasurable make measurable with artificial intelligence (measurements & artificial intelligence) // Measurement: Sensors. 2021. Vol. 18, no. 100316. P. 1–4. DOI: 10.1016/j.measen.2021.100316.Taymanov R., Sapozhnikova K., Prokopchina S. What is immeasurable make measurable with artificial intelligence (measurements & artificial intelligence) // Measurement: Sensors. 2021. Vol. 18, no. 100316. P. 1–4. DOI: 10.1016/j.measen.2021.100316. (In Engl.).Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. Москва: ИД Спектр, 2009. 544 с. ISBN 978-5-904270-05-6.Vavilov V. P. Infrakrasnaya termografiya i teplovoy kontrol’ [Infrared thermography and thermal control]. Moscow, 2009. 544 p. ISBN 978-5-904270-05-6. (In Russ.).Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с фр. Москва: Мир, 1988. 416 с. ISBN 5-03-000915-9.Gossorg Zh. Infrakrasnaya termografiya. Osnovy, tekhnika, primenenie: per. s frants [Infrared thermography. Fundamentals, technique, application: trans. from French]. Moscow, 1988. 416 p. ISBN 5-03-000915-9. (In Russ.).Zang Z. M., Tsai B. K., Machin G. Radiometric Temperature Measurements: I. Fundamentals. Vol. 42. Experimental Methods in the Physical Sciences. Publisher: Academic Press, 2009. 376 p.Zang Z. M., Tsai B. K., Machin G. Radiometric Temperature Measurements: I. Fundamentals. Vol. 42. Experimental Methods in the Physical Sciences. Publisher: Academic Press, 2009. 376 p. (In Engl.).Chernysheva N. S., Ionov A. B., Ionov B. P. The Main Principles of Development of an Intelligent Multi-Channel Radiation Thermometer // 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), June 29–July 03, 2020. Chemal, Russia, 2020. P. 226–233. DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153495.Chernysheva N. S., Ionov A. B., Ionov B. P. The Main Principles of Development of an Intelligent Multi-Channel Radiation Thermometer // 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), June 29–July 03, 2020. Chemal, Russia, 2020. P. 226–233. DOI: 10.1109/EDM49804.2020.9153495. (In Engl.).Чернышева Н. С., Ионов Б. П., Ионов А. Б. Диагностика измерительной ситуации при бесконтактных измерениях температуры в сложных условиях // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 147–151.Chernysheva N. S., Ionov B. P., Ionov A. B. Diagnostika izmeritel’noy situatsii pri beskontaktnykh izmereniyakh temperatury v slozhnykh usloviyakh [Diagnosis of the difficult measuring situation of non-contact temperature measurements] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2016. № 6 (150). P. 147–151. (In Russ.).Ionov A. B. Metrological Problems of Pyrometry: an Analysis and the Prospects for Solving Them // Measurement Techniques. 2013. Vol. 56, no. 6. P. 658–663.Ionov A. B. Metrological Problems of Pyrometry: an Analysis and the Prospects for Solving Them // Measurement Techniques. 2013. Vol. 56, no. 6. P. 658–663. (In Engl.).Minkina W., Klecha D. Atmospheric transmission coefficient modelling in the infrared for thermovision measurements // J. Sens. Sens. Syst. 2016. Vol. 5. P. 17–23. DOI: 10.5194/jsss-5-17-2016.Minkina W., Klecha D. Atmospheric transmission coefficient modeling in the infrared for thermovision measurements // J. Sens. Sens. Syst. 2016. Vol. 5. P. 17–23. DOI: 10.5194/jsss-517-2016. (In Engl.).Ионов А. Б. Синтез малоканальных систем пирометрического мониторинга объектов с температурой 200...800 °С // Мир измерений. 2012. № 10 (140). С. 42–47.Ionov A. B. Sintez malokanal’nykh sistem pirometricheskogo monitoringa ob”yektov s temperaturoy 200...800°S [Synthesizing low-channel systems for pyrometrical monitoring of items at a temperature of 200 to 800°C] // Mir izmereniy. Measurements World. 2012. No. 10 (140). P. 42–47. (In Russ.).Тимофеев Ю. М., Васильева А. В. Теоретические основы атмосферной оптики. Санкт-Петербург: Наука, 2003. 474 с. ISBN 5-02-024976-9.Timofeyev Yu. M., Vasil’yeva A. V. Teoreticheskiye osnovy atmosfernoy optiki [Theoretical Foundations of Atmospheric Optics]. Saint Petersburg, 2003. 474 p. ISBN 5-02-024976-9. (In Russ.).Gordon I. E., Rothman L. S., Hill C. [et al.] The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2016. Vol. 203. P. 3–69. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2017.06.038.Gordon I. E., Rothman L. S., Hill C. [et al.] The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2016. Vol. 203. P. 3–69. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2017.06.038. (In Engl.).Пат. 2261502 Российская Федерация, МПК H 01 L 33/00, 31/101, 31/12. Фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и оптрон на их основе / Горбунов Н. И., Варфоломеев С. П., Дийков Л. К., Марахонов В. М., Медведев Ф. К. № 2004104374/28, заявл. 05.02.04; опубл. 27.09.05, Бюл. № 27.Patent 2261502 Russian Federation, IPC H 01 L 33/00, 31/101, 31/12. Fotolyuminestsentnyy izluchatel′, poluprovodnikovyy fotoelement i optron na ikh osnove [Photoluminescent emitter, semiconductor element and optron based on Said devices] / Gorbunov N. I., Varfolomeev S. P., Dijkov L. K., Marakhonov V. M., Medvedev F. K. No. 2004104374/28. (In Russ.).Анисимова Н. П., Кулагов В. Б., Луганский Ю. М. Промышленные низкотемпературные пирометры спектрального отношения // Прикладная физика. 2015. № 6. С. 83–86.Anisimova N. P., Kulagov V. B., Luganskiy Yu. M. Promyshlennyye nizkotemperaturnyye pirometry spektral′nogo otnosheniya [Industrial especially low-temperature color pyrometers] // Prikladnaya fizika. Applied Physics. 2015. No. 6. P. 83–86. (In Russ.).Minkina W., Dudzik S. Infrared Thermography. Errors and Uncertainties. New York: John Wiley & Sons, 2009. 212 p. ISBN 978-0-470-74718-6.Minkina W., Dudzik S. Infrared Thermography. Errors and Uncertainties. New York: John Wiley & Sons, 2009. 212 p. ISBN 978-0-470-74718-6. (In Engl.).Фомин Б. А., Колокутин Г. Э. Новая спектроскопическая база HITRAN-2016 в полинейных моделях, применяемых в дистанционном зондировании Земли методами инфракрасной спектрометрии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 1. С. 17–24.Fomin B. A., Kolokutin G. E. Novaya spektroskopicheskaya baza HITRAN-2016 v polineynykh modelyakh, primenyayemykh v distantsionnom zondirovanii Zemli metodami infrakrasnoy spektrometrii [New HITRAN-2016 spectroscopic database for lineby-line models used in remote sensing of the earth by infrared spectrometry] // Sovremennyye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space. 2019. Vol. 16, no. 1. P. 17–24. (In Russ.).Чернышева Н. С., Ионов Б. П., Ионов А. Б. Экспериментальная установка для изучения влияния запыленности на бесконтактные измерения температуры // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 110–115. DOI: 10.25206/1813-82252018-158-110-115.Chernysheva N. S., Ionov B. P., Ionov A. B. Eksperimental′naya ustanovka dlya izucheniya vliyaniya zapylennosti na beskontaktnyye izmereniya temperatury [Experimental setup for studying the effect of dustiness in case of non-contact temperature measurements] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2018. No. 2 (158). P. 110–115. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-110-115. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.