CN101419095A - 灰体辐射率的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种灰体辐射率的测定方法，是通过双波长探测物体的热辐射强度，来测量辐射率，即提出灰体的热辐射表达公式，其中，φ(λ，T)是灰体的热辐射强度，λ为辐射波长，T为灰体的温度，这里a₁，a₂是表征辐射率的系数；在相同的温度下，用双波长分别测量灰体的辐射强度，解出系数a₁，a₂的值，将其代入灰体的热辐射表达公式中，就可以得到灰体的辐射强度与温度的对应关系；再根据灰体的物理模型φ(λ，T)＝σ(λ，T)φ(λ，T)得出实际物体在此温度下的辐射率，其中，φ(λ，T)为灰体的辐射强度；σ(λ，T)为灰体的辐射率，0＜σ(λ，T)＜1；φ(λ，T)为黑体的辐射强度。本发明通过精确测量物体(即灰体)的辐射率，用双波长对热辐射的普朗克公式的两个常数项进行标定，来达到精确测量红外辐射温度的目的。具有更广泛的应用领域，特别是高精度的测温领域。

Description

灰体辐射率的测定方法

技术领域

本发明涉及一种灰体的测温方法。特别是涉及一种能够精确测定灰体辐射率，提高红外测温的精度，并可实现适时显示，存储等智能化功能的灰体辐射率的测定方法。

背景技术

热辐射的温度测量，因其测温范围宽(-50⁰C——3000⁰C)速度快，能实时显示，可非接触测量等优点。早已广泛应用于钢铁冶炼，陶瓷制造，轻工食品，玻璃制造，晶体生长等领域。现有的红外测温仪都是根据热辐射的定律来设计的，先把实际物体看成黑体，测量其温度，然后再按灰体进行辐射率的修正。理想黑体是能够完全吸收入射辐射并且有最大的辐射率的物体，定义其辐射率为1。实际存在的被测物体称为灰体，它的吸收率和辐射率都比理想黑体小，而且是一个随被测物体而变的复杂函数。所以现在的红外测温仪都要进行辐射率的修正。对被测物体辐射率的修正，是基于对一些金属和金属氧化物高温下的辐射率研究的经验数据确定的。如铁在1500K时的辐射率为0.11，而氧化铁在1500K时的辐射率为0.89。

可见辐射率随温度和材料成分变化是很大的，要想把各种物体的辐射率修正准确，是很困难的。所以目前红外测温仪的最大问题是辐射率修正不准，使测温精度不高。理想黑体的物理模型可以用普朗克(Planck)公式来描述：

$\mathrm{\φ}(\mathrm{\λ},T)=C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(E^{c_2/\mathrm{\λT}}-1)}^{-1}$

式中φ(λ，T)为黑体辐射光谱功率密度，单位为瓦·厘米²·微米^-1，

C₁＝3.7415×10^-12瓦·厘米²为第一辐射常数，C₂＝1.43879厘米·K为第二辐射常数，λ为光谱辐射的波长，单位为微米，T为黑体温度，单位为K。在λT<3000微米·K时普朗克公式可以简化为维恩(Wien)公式：

$\mathrm{\&phi;}(\mathrm{\&lambda;},T)=C_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{e^{{\mathrm{-c}}_2/\mathrm{\&lambda;T}}}^{\mathrm{}}$

式中各参数的定义与普朗克公式相同。为了应用的方便，很多情况下都可以使用维恩公式。

实际物体发射的辐射功率与温度为T的黑体发射的辐射功率相等，T就称为实际物体的亮温。实际物体发射的辐射光谱功率分布与温度为T的黑体发射的辐射光谱功率分布相等，T就称为实际物体的色温。目前红外测温仪都采用黑体校准，只能测出实际物体的亮温和色温，不能测出实际物体的真实温度。

因此，目前的测温仪都面临着辐射率修正的问题，如图1所示，在计算灰体辐射率时，都要输入辐射率的修正数值。因为σ(λ，T)是灰体材料，温度和波长的函数，很难得到精确值，这就限制了测温仪的测温精度。目前红外测温的测温精度都在1％，使其应用范围受到限制。

图1中：1.光学接受系统；2.光调制器；3.光电转换器件；4.前置放大器；5.主放大器；6.A/D模数变换；7.计算模块(包括辐射率参数输入7′)；8.数字显示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对辐射率进行精确测定的方法，以提高红外测温的精度，并能使红外测温智能化的灰体辐射率的测定方法。

本发明所采用的技术方案是：一种灰体辐射率的测定方法，是通过双波长探测物体的热辐射强度，来测量辐射率，包括有：

提出灰体的热辐射表达公式

其中，是灰体的热辐射强度，λ为辐射波长，T为灰体的温度，这里a₁，a₂是表征辐射率的系数；

在相同的温度下，用双波长分别测量灰体的辐射强度，解出系数a₁，a₂的值，将其代入灰体的热辐射表达公式

中，就可以得到灰体的辐射强度与温度的对应关系；

再根据灰体的物理模型

得出实际物体在此温度下的辐射率，其中，

为灰体的辐射强度；σ(λ，T)为灰体的辐射率，0<σ(λ，T)<1；φ(λ，T)为黑体的辐射强度。

所述的灰体辐射率的测定方法，具体包括有如下步骤：

(1)测得物体在温度T时，对应不同波长λ₁，λ₂的辐射强度值

(2)将测得的

数据，代入公式

中并联立方程，求得两个系数a₁，a₂的值；

(3)在温度相同的情况下，测得黑体的辐射强度φ(λ，T)；

(4)由辐射率值σ(λ，T)与灰体和黑体的辐射强度的关系，根据公式

求得灰体的辐射率值σ(λ，T)；

(5)由表征辐射率参数的a1，a2值，对于波长λ₁可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

和对于波长λ₂可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

(6)由

的比值，可以得到双波长辐射强度对应的温度值。

所述的表征辐射率的系数a₁，a₂是随灰体的材料，温度，波长而变化的表征系数。

还包括把测得的温度显示出来，并存储在计算机里。

本发明的灰体辐射率的测定方法，通过精确测量物体(即灰体)的辐射率，来达到精确测量红外辐射温度的目的。本发明用双波长对热辐射的普朗克(planck)公式的两个常数项进行标定。用标定得到的两个新系数a_1, a_2,取代普朗克(planck)公式中的两个常数项，得到随物体的材料，温度，波长而变化的辐射率。本发明可以在中高温度段(700⁰C-3000⁰C)测到物体的精确辐射率，使红外测温仪的测温精度由现在的1％提高到0.1％，比目前的红外测温仪的测温精度提高一个数量级。扩展了测温仪的应用范围，补充了黑体辐射的理论。本发明可在恶劣的现场条件和环境下，抗灰尘和烟雾的干扰，针对具体的被测物体情况，设计出测温方案，可以实现温度的自动控制，存储和实时显示。因此它有更广泛的应用领域，特别是高精度的测温领域，它有更大的优越性。

附图说明

图1是现有技术所使用的红外测温仪；

图2是本发明所使用的双波长辐射率测量仪；

图3是相对辐射强度随温度变化的指数曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的灰体辐射率的测定方法做出详细说明。

实际物体温度为T_b时发射的辐射功率，与黑体在温度为T时的发射的辐射功率相等时，黑体的温度就称为辐射温度。假设实际物体的温度为T_b，黑体的温度为T，实际物体的辐射率为σ，按热辐射定律得：

$T_b=\frac{T}{\sqrt[4]{\mathrm{\&sigma;}}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$ $\mathrm{\&sigma;}={\left(\frac{T}{T_b}\right)}^4\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

从(1)式和(2)式可以看出，实际物体的温度和辐射率是密切互相关联的，如果精确知道物体的辐射率，就可以精确测得物体的温度。反过来如果精确知道物体的温度，就可以精确测得物体的辐射率。可见要精确测得物体的温度，是不能避开物体的辐射率问题。

热辐射的短波段有瑞利-金斯(Rely-Jinse)公式φ(λ，T)＝c₁T/c₂λ⁴，在长波段有维恩(Wien)公式 $\mathrm{\&phi;}(\mathrm{\&lambda;},T)=c_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{e^{{\mathrm{-c}}_2/\mathrm{\&lambda;T}}}^{\mathrm{}},$ 后来有包括全波段的普朗克(Planck)公式 $\mathrm{\&phi;}(\mathrm{\&lambda;},T)=c_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{(e^{c_2/\mathrm{\&lambda;T}}-1)}^{-1}$ 式中φ(λ，T)为黑体辐射强度，λ为辐射波长，T为绝对温度，c₁，c₂为常数。这些都是黑体的热辐射公式。灰体和黑体的区别是灰体的辐射率大于零，小于黑体。但灰体和黑体都是热辐射体，因此都应共同遵守热辐射的规律。辐射强度随温度与波长呈指数形式变化，都有峰值。

本发明的灰体辐射率的测定方法的理论基础是普朗克公式。

本发明的灰体辐射率的测定方法，是通过双波长探测物体的热辐射强度，来测量辐射率，包括有：

提出灰体的热辐射表达公式为

，其中，

是灰体的热辐射强度，λ为辐射波长，T为灰体的温度，这里a₁，a₂是表征辐射率的系数，所述的表征辐射率的系数a₁，a₂是随灰体的材料，温度，波长而变化的表征系数；再根据灰体的物理模型

得出实际物体在此温度下的辐射率，其中，为灰体的热辐射强度；σ(λ，T)为灰体的辐射率，0<σ(λ，T)<1；φ(λ，T)为黑体的辐射强度。

表征辐射率系数的a₁，a₂的物理意义是表征辐射率在0和1之间的变化，a₁的单位为瓦·厘米²，a₂的单位为厘米·K。a_1,a₂决定了辐射率随灰体的材料，温度，波长而变化的情况。而且这两个参数是相关的。只要能测得这两个系数，也就能精确的测得辐射率。黑体辐射的公式中c_1,c₂二个常数是不变的，因黑体辐射率和吸收率都最大是1，而且不随物体材料的性质和温度而变化。灰体的辐射率和吸收率是随物体材料的性质和温度而变的。所以只要测出不同材料的某温度下a₁，a₂这二个系数，实际上灰体的辐射率只和a₁，a₂这二个系数有关，那么就可以根据灰体辐射强度精确测出其温度了。

本发明的灰体辐射率的测定方法是利用如图2所示的双波长辐射率测量仪实现的。

如图2所示，双波长辐射率测量仪包括有：1光学接受系统、2滤光器(双波长各透过50％)、3光电转换器件、4前置放大器、5主放大器、6A/D转换器、7计算模块(内有灰体的热辐射公式

a₁，a₂为表征灰体辐射率的系数)、8数字显示、9温度实时记录、10远程控制、11计算机接口。

其中：

(1)光路接收系统

本发明的光路接收系统是分别把接收到的光能量，投到二个窄带滤光片上。一个滤光片的峰值在850nm，另一个滤光片的峰值波长1050nm。然后由二个探测器来接收辐射能量。如图3所示的光辐射

随温度变化的指数曲线，和

随温度变化的指数曲线，其中，(a)是滤光片的峰值波长1050nm，(b)是滤光片的峰值在850nm。(c)是

的比值随温度变化的图形。

(2)光电转换电路和微机信号处理电路

要提高测温精度和有较宽的测温范围(700⁰C-3000⁰C)，在红外辐射转换成电压信号的过程中，噪音要很小(<1μV)这样当满足信号噪音比

大于2.5时，就能检测出稳定的电压信号。在1μm红外辐射波长的窄带范围内(40nm-100nm)，从(700⁰C-3000⁰C)辐射的能量变化是很大的，要测出5μV到50mv的信号电压值，再经过100倍放大，送到微机信号处理电路。

微机信号处理电路包括16位的模数转换单元，MSP-430芯片计算模块，温度实时显示，存储，遥控单元。红外辐射的电压信号进入模数转换单元，转换成数字量再送入计算模块。计算模块里写有普朗克公式 $\mathrm{\&phi;}(\mathrm{\&lambda;},T)=C_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{(e^{c_2/\mathrm{\&lambda;T}}-1)}^{-1},$ 维恩公式 $\mathrm{\&phi;}(\mathrm{\&lambda;},T)=C_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{e}^{-c_2/\mathrm{\&lambda;T}}$ 辐射率 $\mathrm{\&sigma;}={\left(\frac{T}{T_b}\right)}^4$ 公式，系数a₁，a₂值的求解公式，灰体辐射强度表达式根据黑体校准的温度和电压，与被测物体的几个标定温度和电压，就可以计算出物体的辐射率和温度。计算单元的计算结果送入显示单元，进行实时温度显示，实测温度的存储，自动控制和智能化的其它应用。

本发明的灰体辐射率的测定方法具体步骤如下：

(1)测得物体在温度T时，对应不同波长λ₁，λ₂的辐射强度值

(2)将测得的

数据，代入公式

并联立方程，求得两个系数a₁，a₂的值；

(3)在温度相同的情况下，测得黑体的辐射强度φ(λ，T)；

(4)由灰体的物理模型

求得灰体的辐射率值σ(λ，T)；

(5)由表征辐射率参数的a₁，a₂值，对于波长λ₁可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

和对于波长λ₂可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

(6)由

的比值，可以得到双波长辐射强度对应的温度值；

(7)把测得的温度显示出来，并存储在计算机里。

Claims (4)

1.一种灰体辐射率的测定方法，其特征在于，是通过双波长探测物体的热辐射强度，来测量辐射率，包括有：

提出灰体的热辐射表达公式

其中，是灰体的热辐射强度，λ为辐射波长，T为灰体的温度，这里a₁，a₂是表征辐射率的系数；

在相同的温度下，用双波长分别测量灰体的辐射强度，解出系数a₁，a₂的值，将其代入灰体的热辐射表达公式

中，就可以得到灰体的辐射强度与温度的对应关系；

再根据灰体的物理模型

得出实际物体在此温度下的辐射率，其中，

为灰体的辐射强度；σ(λ，T)为灰体的辐射率，0<σ(λ，T)<1；φ(λ，T)为黑体的辐射强度。

2.根据权利要求1所述的灰体辐射率的测定方法，其特征在于，具体包括有如下步骤：

(1)测得物体在温度T时，对应不同波长λ₁，λ₂的辐射强度值

(2)将测得的

数据，代入公式

中并联立方程，求得两个系数a₁，a₂的值；

(3)在温度相同的情况下，测得黑体的辐射强度φ(λ，T)；

(4)由辐射率值σ(λ，T)与灰体和黑体的辐射强度的关系，根据公式

求得灰体的辐射率值σ(λ，T)；

(5)由表征辐射率参数的a₁，a₂值，对于波长λ₁可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

和对于波长λ₂可以得到一系列不同温度情况下的辐射强度

(6)由的比值，可以得到双波长辐射强度对应的温度值。

3.根据权利要求1所述的灰体辐射率的测定方法，其特征在于，所述的表征辐射率的系数a₁，a₂是随灰体的材料，温度，波长而变化的表征系数。

4.根据权利要求1所述的灰体辐射率的测定方法，其特征在于，还包括把测得的温度显示出来，并存储在计算机里。

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