基于辐射换热理论研究水雾对红外辐射测温仪的影

    引言

    在工业生产过程中，被测表面常常会受到水蒸汽、二氧化碳、水雾、烟雾、灰尘、颗粒等参与性介质的遮蔽，由于这些介质具有强烈的发射、吸收或散射辐射特征，因此会对辐射测温仪光路造成一定的干扰，使得测温仪的测量温度与真实温度的偏差很大，测量准确性大大降低，这是连铸二冷区、钢坯加热炉等现代冶金生产设备中常遇到的、且亟待解决的问题^[1-7]。目前，解决这一问题的主要方法是设法避开周围环境中参与性介质的影响，如应用光导纤维使探测器最大限度地接近被测对象、使用空气吹扫器、保护罩等辐射测温仪的配套附件或特殊滤光片等消除介质对测温的干扰，但是上述吹扫光路等方法不但可能会导致被测表面温度下降，从而带来新的测量误差^[8]，而且往往还会受到测量空间、环境温度以及工业污染的限制及测量成本的限制。目前尚未见从辐射、吸收和散射性参与介质的辐射换热机理出发来研究参与性介质对辐射测温方法影响问题的文献报道。

    本文从辐射、吸收和散射性介质的辐射换热机理出发，通过建立有参与性介质影响时辐射测温问题的物理模型与数学模型，探讨了当高温物体表面被水雾遮盖时，采用单色、比色红外辐射测温仪进行温度测量时所受到的影响。这可为开发工业生产条件下（特别是冶金连铸生产）能够自动修正测温环境干扰的高温物体表面温度在线辐射测温方法奠定一定的理论基础，同时对生产实践中测温仪的选取具有非常重要的意义。

    1 物理模型

    在工业生产条件下，用辐射测温方法进行高温物体表面温度的测量时，若被测表面被吸收、辐射或散射性参与介质遮盖，实际情况会变得十分复杂。根据辐射测温方法的基本要求，被测表面可以考虑为一个平面。而大多数工业条件下的测量实际也确实如此，例如连铸坯、加热炉内被加热物料等。为了简化问题的复杂性，突出问题的特点，将测量系统的周围环境也模化为平面。这样在测量空间范围内，被测表面与周围环境构成的测温体系就可以简化为其间存在辐射参与介质的无限大平行平板间的辐射换热问题。假定辐射测温仪正对被测表面放置，则辐射测温问题的物理模型如图 1 所示。用高温表面 S₁模拟被测表面，低温表面 S₂模拟周围环境，假定两表面温度分别为T₁、T₂，间距为 L，且两表面均为不透明的漫发射（发射率ε）、漫反射（反射率ρ）灰表面，即有ε₁＋ρ₁＝1和ε₂＋ρ₂＝1。理论上辐射测温仪可以置于系统中的任何位置，且必须正对被测表面，但考虑到测温仪镜头污染问题将辐射测温仪如图 1 放置。此外，当生产过程处于稳定状态时，辐射测温仪的响应时间远小于被测物体表面温度的变化时间，即认为整个系统是稳定的。基于相同原因，忽略上述系统内测温过程中的导热和对流，此时的测温过程是一个辐射平衡问题。