背景技术
在钢铁冶炼过程中,常用的测温方法之一是使用热电偶。由于钢水温度较高,测温时热电偶可能被熔化。每炼一炉钢都需要反复测量钢水温度,这一方面需要耗费大量的热电偶,另一方面会造成对钢水的污染,使钢水质量下降。
红外测温技术因其具有非接触性、能实时显示、易实现自动控制、测温范围宽、速度快等优点越来越多地应用于钢铁冶炼、光伏半导体产业、陶瓷工业、玻璃生产、以及晶体生长等领域。
现有红外测温装置都是基于把被测物看成黑体,来测量其辐射强度,然后再进行辐射率的修正,才能确定其温度。理想黑体是能够完全吸收入射辐射并且有最大辐射率的物体,定义其辐射率为1。理想黑体的物理模型可以用普朗克(Planck)公式来描述:
式中W(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。实际存在的被测物体,其辐射率都比理想黑体小,而且是随被测物体的成分、温度、波长而变化的复杂函数,很难修正准确。
现有红外测温方法基于被测物体的辐射能量与该物体的温度之间的关系、并且依靠黑体来定标温度,通常要乘以辐射率系数,只能给出一段近似直线。因而,现有红外测温方法存在两个方面的问题:第一、由于辐射率的修正不准确,使得测温精度只能停留在1%的水平;第二、对于例如位于炉子中需要透过窗口进行测温或需要透过表面覆盖层进行测温的辐射物体不能准确地测温,因为窗口或覆盖层会使物体的辐射强度大幅减弱。
例如钢在冶炼过程中会产生钢渣。钢渣是由钙、硅、硫、碳等元素构成,它的比重比钢水小很多,浮在钢水上面。钢渣的厚度一般在5厘米至20厘米,它的温度要比钢水低200℃至350℃左右。这是钢水红外测温的最大障碍。另外,冶炼过程中产生烟雾、粉尘等,它们的随机起伏严重干扰了红外辐射的传播。因而,现有红外测温方法的测温误差都在几十度甚至上百度的范围内,完全不符合技术发展的需要。
发明内容
本发明的目的为了克服上述现有技术中存在的问题,提供一种红外测温方法和红外测温系统,它们能够对需要透过窗口进行测温或需要透过表面覆盖层进行测温的辐射物体进行准确测温。
根据本发明一方面,提供一种红外测温方法,包括如下步骤:
(1)在实际测得被测物的温度为t时,利用自动可变双波长红外检测装置测得被测物的辐射强度E1(λ1,t)和E2(λ2,t),其中,E1(λ1,t)是对应波长λ1时被测物的辐射强度,E2(λ2,t)是对应波长λ2时被测物的辐射强度;
(2)将测得的E
1(λ
1,t),E
2(λ
2,t)代入
和
的公式中,并解出α,δ系数的值,其中,α,δ是随被测物的材料成分、温度以及测量波长而变的系数;
(3)将解出的系数α,δ的值代回被测物辐射强度公式E(λ,t)=αλ-5(eδ/λt-1)-1中,得到在给定波长下被测物的辐射强度与被测物温度之间的对应关系曲线;以及
(4)利用自动可变双波长红外检测装置在给定波长下测得被测物的辐射强度,并且基于在给定波长下被测物的辐射强度与被测物温度之间的对应关系曲线得到被测物的温度。
根据本发明另一方面,提供一种红外测温方法,包括如下步骤:
(1)在实际测得被测物的温度为t时,利用自动可变双波长红外检测装置测得被测物的辐射强度E1(λ1,t)和E2(λ2,t),其中,E1(λ1,t)是对应波长λ1时被测物的辐射强度,E2(λ2,t)是对应波长λ2时被测物的辐射强度;
(2)将测得的E
1(λ
1,t),E
2(λ
2,t)代入
和
的公式中,并解出α,δ系数的值,其中,α,δ是随被测物的材料成分、温度以及测量波长而变的系数;
(3)将解出的系数α,δ的值同时代入
和
中,得到在给定波长λ
1和λ
2下钢水的辐射强度之比E
1(λ
1,t)/E
2(λ
2,t)与钢水温度的对应关系曲线;以及
(4)利用自动可变双波长红外检测装置在给定双波长下测得被测物的辐射强度,并且基于在给定双波长下被测物的辐射强度之比与被测物温度之间的对应关系曲线得到被测物的温度。
根据本发明又一方面,还提供一种用于实施以上红外测温方法的红外测温系统。
根据本发明的红外测温方法和红外测温系统可以对被测物的温度进行准确测量。
具体实施方式
本发明的红外测温物理模型
现有红外测温方法是基于被测辐射物体的辐射能量与辐射物体的温度之间的关系。本发明提出的红外测温物理模型是基于辐射物体发出并且被红外测温装置接收到的辐射能量与辐射物体的温度之间的关系。
传统的红外测温方法使用普朗克(Planck)公式
式中W(λ,t)为黑体辐射强度,λ为辐射波长,t为绝对温度,c
1,c
2为常数。这是黑体的热辐射公式。被测物和黑体的区别是被测物的辐射率大于零并且小于黑体的辐射率。被测物也是热辐射体,它也遵守热辐射规律。它的热辐射公式是普朗克公式的变形和延伸。本发明提出被测物的热辐射公式:E(λ,t)=αλ
-5(e
δ/λt-1)
-1E(λ,t)是接收到的被测物的热辐射强度,λ为辐射波长,t为被测物的温度,这里α,δ是随被测物的材料成分、温度以及测量波长而变的系数。α的单位为瓦·厘米
2,δ的单位为厘米·K。
本发明根据上面的物理模型,利用例如0.75微米到1.2微米的自动双波长红外测温装置精确测量被测物的辐射强度。当温度为t时,
以及
式中E1(λ1,t)和E2(λ2,t)是对应波长λ1和波长λ2时,红外测温装置探测到的被测物的辐射强度,t为例如通过热电偶或其它方式测得的被测物的温度。
由上面的E1(λ1,t)和E2(λ2,t),可以解出系数α,δ的值。将系数α,δ的值代入接收到的被测物的热辐射强度公式E(λ,t)=αλ-5(eδ/λt-1)-1中,就可以得到接收到的被测物的热辐射强度与被测物的温度之间的对应关系曲线。
也可以得到双波长λ1和λ2时,接收到的被测物的热辐射强度之比E1(λ1,t)/E2(λ2,t)与被测物的温度之间的对应关系曲线。
以下结合附图并且以钢水为例详细描述根据本发明的红外测温方法和测温系统。
图1示意性地显示了根据本发明的红外测温系统1。红外测温系统1大体包括用于测量被测物的辐射强度的双波长红外检测装置10、用于对双波长红外检测装置10检测的结果以及实际测量的温度进行计算和处理的计算和处理单元20、以及用于显示测量结果的显示单元30。
钢水红外测温方法,具体包括如下步骤:
(1)在例如通过热电偶或其它方式测得的钢水温度为t时,利用自动可变双波长红外检测装置10测到钢水的辐射强度E1(λ1,t)和E2(λ2,t),这里E1(λ1,t)是对应波长λ1时钢水的辐射强度,E2(λ2,t)是对应波长λ2时钢水的辐射强度。
(2)将测得的E
1(λ
1,t),E
2(λ
2,t)代入
和
的公式中,并解出α,δ系数的值。
(3)将解出的系数α,δ的值,代回钢水辐射强度公式E(λ,t)=αλ-5(eδ/λt-1)-1中,得到在给定波长下钢水的辐射强度与钢水温度之间的对应关系曲线。图2示意性地显示了在波长为935nm时钢水相对辐射强度与钢水绝对温度之间的关系曲线。根据需要,也可以得到在其它任意波长例如850nm波长时钢水相对辐射强度与钢水绝对温度之间的关系曲线。
(4)利用给定波长的红外检测装置测到钢水的辐射强度,并且基于在给定波长下钢水的辐射强度与钢水温度之间的对应关系曲线,可以得到钢水的温度。
在实际生产过程中,由于钢水的成分变化、以及钢水表面存在的钢渣厚度等发生变化而导致钢水的辐射强度与钢水温度之间的对应关系曲线发生变化,从而有可能导致测得的温度不准确,因此,有必要对测温过程进行验证,以确定钢水的辐射强度与钢水温度之间的对应关系曲线是否发生变化。这种验证过程是通过获得在给定波长下钢渣的辐射强度与钢渣温度之间的对应关系曲线而进行的。
通过以上与钢水类似的方式,获得给定波长下钢渣的辐射强度与钢渣温度之间的对应关系曲线。钢渣辐射强度采用公式E’(λ,t)=α’λ
-5(e
δ’/λt-1)
-1表示,这里系数用α’,δ’表示,t为钢渣的温度,λ为钢渣的辐射波长。同样由钢渣辐射强度公式
和
来解出其中的二个系数α’,δ’,代入公式E’(λ,t)=α’λ
-5(e
δ’/λt-1)
-1中,得到在给定波长下钢渣的辐射强度与钢渣温度之间的对应关系曲线。E’
1(λ
1,t)和E’
2(λ
2,t)是对应辐射波长λ
1和辐射波长λ
2时钢渣的辐射强度。图3示意性地显示了在波长为935nm时钢渣相对辐射强度与钢渣绝对温度之间的关系曲线。
图4示意性地显示了在波长为935nm时钢水和钢渣的相对辐射强度与钢水和钢渣绝对温度之间的比较关系曲线。在钢水与钢渣之间达到热平衡时,某一钢水温度对应大体特定的钢渣温度。无论对于钢水和钢渣而言,在某一时刻红外检测装置测到钢水的辐射强度和钢渣的辐射强度实际上是同一值。因此,根据图4中所示的钢水和钢渣的相对辐射强度与钢水和钢渣绝对温度之间的比较关系曲线,利用给定波长的红外检测装置测到的辐射强度,可以同时获得钢水和钢渣的绝对温度。
由于钢渣漂浮在钢水表面,钢渣温度也比钢水温度低很多,因此可以采用热电偶等传统方式对钢渣实际温度进行测量。如果钢渣的实际测量温度与根据图4的曲线获得的钢渣绝对温度的差值在误差范围内,可以认为根据图4的曲线获得的钢水绝对温度代表了钢水的实际温度。如果钢渣的实际测量温度与根据图4的曲线获得的钢渣绝对温度的差值超出误差范围,则认为根据图4的曲线获得的钢水绝对温度不能代表钢水的实际温度。在这种情况下,需要重复上述(1)-(4)的步骤,重新获得在给定波长下钢水的辐射强度与钢水温度之间的对应关系曲线。
与上述第(3)步骤不同,根据本发明的钢水红外测温方法还可以将解出的系数α,δ的值同时代入
和
中,得到在给定波长λ
1和λ
2下钢水的辐射强度之比E
1(λ
1,t)/E
2(λ
2,t)与钢水温度的对应关系曲线。图5示意性地显示了例如在波长为935nm和850nm时钢水相对辐射强度之比与钢水绝对温度之间的关系曲线。利用给定双波长的红外检测装置测到钢水的辐射强度,并且基于在给定双波长下钢水的辐射强度之比与钢水温度之间的对应关系曲线,可以得到钢水的温度。
类似地,也可以通过获得在一个给定波长下钢渣的辐射强度与钢渣温度之间的对应关系曲线而对基于在给定双波长下钢水的辐射强度之比与钢水温度之间的对应关系曲线得到的钢水温度进行验证。可以采用与图4类似的曲线图(没有显示)。如果钢渣的实际测量温度与根据曲线获得的钢渣绝对温度的差值在误差范围内,可以认为基于在给定双波长下钢水的辐射强度之比与钢水温度之间的对应关系曲线得到的钢水温度代表了钢水的实际温度。如果钢渣的实际测量温度与根据曲线获得的钢渣绝对温度的差值超出误差范围,则认为基于在给定双波长下钢水的辐射强度之比与钢水温度之间的对应关系曲线得到的钢水温度不能代表钢水的实际温度。在这种情况下,需要重复上述步骤,重新获得在给定双波长下钢水的辐射强度之比与钢水温度之间的对应关系曲线。
为了获得更加精确的温度值,还可以利用激光相位法对钢渣的厚度进行测量,以钢渣厚度对钢水温度的实际影响对获得的钢水温度进行精确修正。钢渣厚度对钢水温度的实际影响由一系列测量数据给出。
根据本发明的红外测温方法可由计算机控制而自动地进行。
根据本发明的红外测温方法解决了困扰业界多年的钢水红外测温问题。根据本发明的红外测温方法受钢渣影响很小,也消除了辐射率修正引起的测量误差,测量精度高达几度。
本发明的红外测温方法可在恶劣的现场条件和环境下减少灰尘和烟雾的干扰,针对被测物的情况设计出合适的测温方案。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。还可以实现温度的自动控制、存储和实时显示,在工业智能化方面有着重要意义。
以上以钢水的测温为示例描述了本发明,但应理解的是本发明的红外测温方法还适用于对需要透过窗口进行测温或需要透过表面覆盖层进行测温的辐射物体进行准确测温。