一种新型红外多谱段高温计的研究

　　1　引言

　　金属表面的温度测量,尤其是高温的测量,对工业生产中设备的监控具有十分重要的意义。早期最简便的测温方法就是在被测点嵌装热电偶直接进行测量。然而,在许多情况下,嵌装的热电偶无法达到测量和控制的目的。主要存在这样几个严重缺点:(1)被测试件结构被破坏,容易引起应力集中从而降低强度;(2)运动部件测温时信号的引出有很大困难;(3)只能进行单点的温度测量,无法获得温度分布;(4)响应速度慢,在高温测量时寿命较短。所以人们经常使用辐射法等非接触测温方法进行高温测量。

　　辐射测温法是利用探测器获得物体表面的辐射能量,并通过辐射学公式获得物体表面的温度。传统的辐射测温法主要考虑的是被测对象表面的发射辐射状况。在最早的单波段测温法中,人们必须知道被测对象的发射率,才能获得温度值[1];后来的双波段测温法中,可以通过联立方程将未知的发射率一项消掉,从而求出被测对象的温度值[2,3]。然而,在许多实际的工业环境中,例如,燃气轮机的前级叶片,锅炉内部燃烧器的表面等等,由于被测物体表面辐射状况复杂,无法获得精确的测量结果。造成测温环境复杂的原因主要有:环境辐射体在被测表面的反射辐射比较强,被测表面黑度随温度、氧化程度等条件的变化而变化等等。为了解决这个问题,我们需要重新建立测温的物理和数学模型,并把反射辐射作为一个重要的因素引入到模型中去,希望通过弱化测温假设条件,重新建立测温方程和测温系统,达到获得准确温度值的目的。本文提出了一种新型的红外多谱段辐射高温计系统。

　　2　基本测温理论

　　辐射测温的基本原理来自辐射学的普朗克公式,它给出了绝对温度为T的绝对黑体在波长λ处的单色辐射出射度的表达式

　　其中,M为黑体的辐射出射度,c1和c2分别为第一和第二辐射常数。在一般情况下(可见光区域T<3 000 K),可以用维恩公式近似

　　对于理想灰体或者在一定波长范围内符合灰体特性的固体表面,在一定的波长范围内,其辐射出射度为

　　其中,ε为物体表面的黑度。

　　本文研究的是一种应用于环境辐射较强条件下的固体表面温度的测量方法。在这一类问题中,试件表面的辐射由两部分构成,一部分是试件本身的发射辐射M1,另一部分是试件反射的环境辐射源的辐射M2。对于金属试件本身而言,M1是符合普朗克公式的。并且,我们可以假定在所选的谱段内,其辐射特性接近于选择性灰体[4],即试件的黑度ε1=ε1(T1),这里,T1为试件表面的温度,ε1为试件表面的黑度;对于环境辐射源,针对常见的燃烧室内试件温度的测量,一般分为两部分,一部分是来自火焰的辐射,也是最主要的辐射部分,另一部分则是来自燃烧室内部其它金属部件的辐射,但一般所占比例很小,可以忽略[4]。在避开了二氧化碳、一氧化碳和水蒸气以及未燃尽气体的吸收谱段之后,火焰辐射源也可以假设为灰体辐射[5]。基于上述考虑,我们提出了试件表面在某一波长λi处的全部辐射出射度的表达式