CN103439003A - 一种提高红外测温精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高红外测温精度的方法，它是根据红外辐射能量在大气中随传播距离呈指数衰减的规律而建立的。本发明中，确定影响红外测温精度的主要因素，推导公式；根据特定的物体环境温度、测量距离和原始红外测量温度，求取消光系数；根据获得的消光系数，对于任一环境温度、测量距离和原始红外测量温度，就可以得到被测物真实温度。本发明不但能很好地满足工程精度要求；且适用于不同类型的红外测温系统温度修正。用于温度修正的其他参数可以通过在红外测温系统中附加相应模块后测量得到，再利用单片机进行数据整理和模型计算并通过显示器显示；因此该方法的实用性、可操作性较强。

Description

一种提高红外测温精度的方法

技术领域

本发明涉及红外测温领域，特别是克服大气衰减的精确测量。

背景技术

温度是表征物质状态的主要参数之一。目前，红外测温因其具有不接触、不停运、不取样、不解体的“四不”优点，在许多工业领域得到应用，并逐步代替传统的接触式测温。由于红外测温仪与被测目标非接触，故在测量时测温结果受到中间介质的影响比较大，当距离超过一定范围时，由于大气衰减，使得被测物发射的红外能量与红外测温仪中传感器接收的能量不一致，从而导致测量值不准确，引起测量精度降低，达不到测量要求。因此，如何提高红外测温精度成为红外技术领域研究热点。

目前提高红外测温精度的方法主要是针对不同被测物搭建特定的测温系统和传感器后级补偿电路来实现，这种补偿包括仪器内部的温度漂移和增益补偿、镜头视场外的辐射补偿以及不同季节下的操作温度补偿，但此方法存在系统设计周期长、应用范围小、可调节性差，只有在标称环境下使用才能达到较高精度的缺点。不同的测温系统在实现温度补偿时，其参数决定于系统本身特性，导致补偿公式中的变量不仅包括测量环境（温度、物体发射率等），还有系统本身的参数，补偿公式往往复杂难懂，其参数不仅含有环境参数，还有测温仪内部电路结构参数，其变量较多，因此适用条件苛刻，不利于工程应用。另外也有针对某一个单独的影响因素进行改进的方法，如采用双波长测温，可以从原理上消除发射率对测温精度造成的影响，但在使用时，由于各影响因素的综合作用，仅消除一种影响因素对提高测量精度效果不佳。

发明内容

本发明创造的目的是不改变既有红外线测温仪结构，提供一种精确测量物体表面温度的方法。

为实现本发明创造目的而采用的技术方案是这样的，一种提高红外测温精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使用接触式温度计测得试验物体表面温度T₂，以及试验物体周边的环境温度T₀；

2）使用红外测温仪测得所述试验物体的表面温度为T₁，所述红外测温仪与试验物体之间的距离为R；

3）根据

计算出为消光系数β。式中：ε₁为所述红外测温仪参考发射率，是所使用的红外测温仪的一个参数；ε₂为所述试验物体的实际发射率，跟试验物体的表面材料有关，可以查表获得；

4）使用所述红外测温仪测得被测物体的温度T₄，所述红外测温仪与被测物体之间的距离为R₁，使用接触式温度计测得被测物体周边的环境温度T₃，将步骤3）所求得的β代入

其中，T₅为所述被测物体表面的实际温度，ε₃为所述被测物体的实际发射率，跟被测物体的表面材料有关，可以查表获得。实际应用中，试验物体应该是不带高压、辐射源，是可以靠近的。被测物体往往是因带高压或辐射源等，而不能靠近的。

值得说明的是，本发明方法的建立依赖于以下几步：

（一）确定影响红外测温精度的主要因素，推导数学模型；其具体包括：

红外辐射衰减的原因主要是大气对红外能量的吸收作用和散射作用。红外辐射频率接近大气分子振动固有频率时，引起气体分子振动，这种振动会吸收红外辐射能量，引起其：传播方向衰减。设q(v,x)为大气中某一位置x处的辐射通量，β_吸收为单位质量的消光系数，大气介质均匀时，有：

红外辐射在大气中传播时，其与大气分子发生散射作用，改变了辐射方向，造成测量误差。对于散射作用电磁波强度W的衰减和传输距离关系可用下式表示：

在距离不大于约100米范围内，可认为空气成分（即空气的主要成分、相对湿度）稳定，β_吸收、β_散射均为常量。在任一空间内放置试验物体，该物体的表面材料已知。

按上述方法确定T₀、T₁、R和T₂，可以求得透过大气的辐射能量随距离增大成指数衰减推导出T₁与T₂的关系为：

$T_1^4={\mathrm{\ϵ}}_1(T_2^4-T_0^4)e^{-\mathrm{\βR}}/{\mathrm{\ϵ}}_2+T_0^4$

上式中β为消光系数，其值有β＝β_吸收+β_散射。

（二）根据特定T₀、R和T₁，求取消光系数β：

由于消光系数只与环境有关，可以先使用标准温度计测得试验物体某个时刻真实温度（T₂）和此时的环境温度（T₀）；在不同距离下，用红外测温仪测量物体的温度并记录。

为了避免单次测量的误差，可得到一系列（多个）距离——温度数据，计算

大小，并在图中绘出离散点，利用（一）中推导出的拟合公式对其进行指数拟合，得到消光系数（β）。

（三）根据已知的消光系数β，对于任一环境温度T₀、测量距离R和原始红外测量温度T₁，将数学模型中的温度修正公式变形为：

$T_2=\sqrt[4]{T_0^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2(T_1^4-T_0^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{\mathrm{\βR}}},$ 即得到了： $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}}$

根据该数学模型计算出被测物真实温度。

优选的，计算消光系数β的由MATLAB指数拟合的方法确定，在通过β获得被测物真实温度。

值得说明的是，本领域中一次测量出β后，可以多次使用。但作为优选，要求所述被测物体与试验物体周边的湿度和空气成分较为相似。因此，步骤4）中，所述被测物体位于所述试验物体周边，具体地为100m范围以内。更进一步地，试验物体的表面材料要尽量与被测物体近似。

作为优选方式的补充，步骤1）中，测定所述试验物体周边的空气湿度和空气成分；步骤3）结束后、步骤4）开始前，测定所述被测物体周边的空气湿度和空气成分；若所述被测物体周边的空气湿度和空气成分与试验物体周边的空气湿度和空气成分相同或相近似，则开始步骤4），进一步地，评断所述被测物体和试验物体周边空气湿度相近似的依据是：两者周边（100m内）的相对湿度之差在±10%以内；评断所述被测物体和试验物体周边空气成分相近似的依据是：分别测定两者周边（100m内）的气体成分，若两者周边的气体组成成分相同，或组成百分比之差均在±2%以内，则认为空气成分相近似。否则，舍弃掉之前计算出的β，在被测物体周边摆放一个物体A，将物体A作为所述试验物体并重复步骤1～3，重新测定β。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，目前的红外测温精度提高的方法中，一般是根据被测物的性质和使用环境来具体设计特定的测量系统，但是设计测量系统具有设计周期长，对使用的条件颇为严格，导致了其使用范围较窄，难以推广使用。本发明提出的温度修正方法中，是依据经典辐射理论知识逐步推导出来的，具有普适性。公式中的参数不仅较少，且均可以方便地通过测量或是计算得到，可行性较高。计算消光系数β时，可以使用现成的软件进行拟合，使用者较易掌握，该方法可利用单片机编程实现，同时将测量环境温度，测量距离的模块与模型集成为一个系统并通过显示器显示，使得运算方便快捷，易于使用。

附图说明

本发明创造的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1本发明的方法模型和温度修正步骤；

图2为本发明的硬件系统结构及实现原理图；

图3为本发明的求得的红外测温仪测量值与被测物真实温度测量点；

图4为本发明的离散点以及拟合出的曲线；

图5为本发明的经过修正后物体真实温度和修正后的温度比较；

图6为温度测量温度修正前后的误差分析.

具体实施方式

下面结合实施例对本发明创造作进一步说明，但不应该理解为本发明创造上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明创造上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明创造的保护范围内。

实施例1：

一种提高红外测温精度的方法，包括以下步骤：

1）使用接触式温度计测得试验物体表面温度T₂，以及试验物体周边的环境温度T₀；

2）使用红外测温仪测得所述试验物体的表面温度为T₁，所述红外测温仪与试验物体之间的距离为R；

3）根据计算出为消光系数β，式中，ε₁为所述红外测温仪参考发射率，ε₂为被测物体的实际发射率；

4）使用所述红外测温仪测得被测物体的温度T₄，所述红外测温仪与被测物体之间的距离为R₁，使用接触式温度计测得被测物体周边的环境温度T₃，将步骤3）所求得的β代入 $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}},$ 其中，T₅为所述被测物体表面的实际温度，ε₃为所述被测物体的实际发射率。

作为一种优选方式，步骤4）中，所述被测物体位于所述试验物体周边。

作为另一种优选方式，步骤1）中，测定所述试验物体周边的空气湿度和空气成分；步骤3）结束后、步骤4）开始前，测定所述被测物体周边的空气湿度和空气成分；若所述被测物体周边的空气湿度和空气成分与试验物体周边的空气湿度和空气成分相同或相近似，则开始步骤4）；否则，舍弃掉之前计算出的β，在被测物体周边摆放一个物体A，将物体A作为所述试验物体并重复步骤1～3，重新测定β。

为协助本领域技术人员更好地理解并实现本发明，下面将进一步披露本发明根据黑体辐射理论，以进行建模的推导过程。其推导过程如下：

根据黑体辐射量子假设，利用谐振子能量分布满足麦克斯韦-波尔兹曼统计，求得普适函数表示如下，用波长λ可表示如下：

$M_{\mathrm{\λbb}}=\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{C_2/\mathrm{\λT}}-1}---\left(1\right)$

第一辐射常数：C₁＝3742W·cm^-2·μm^-1；

第二辐射常数：C₂＝hc/k＝14388μ_m·K；

M_λbb（T）表示光谱辐射力，单位为W/m³。

斯蒂芬——波尔兹曼定律：它定义了物体红外辐射的总功率与温度的关系为

f(t)＝σT⁴                        （2）

由此式可知，物体的红外辐射功率与物体表面热力学温度的4次方以及物体表面的发射率成正比，其中σ＝5.6696×10^-8W/(m²·K⁴)。

设仪器设定的发射率为ε₁，物体的实际发射率为ε₂，根据斯蒂芬一玻耳兹曼定律，设在距离R时红外测温仪测量温度为T₁，物体的真实温度T₂、环境温度T₀之间的关系可以表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{\σ}(T_1^4-T_0^4)={\mathrm{\ϵ}}_2\mathrm{\σ}(T_2^4-T_0^4)---\left(3\right)$

根据基尔霍夫定理：物体表面的红外吸收率等于其发射率，物体发射的红外能量为：

$M_1={\mathrm{\ϵ}}_2\mathrm{\σ}(T_2^4-T_0^4)---\left(4\right)$

定义透过大气被测温仪接收的能量M₂为。

$M_2={\mathrm{\ϵ}}_1\mathrm{\σ}(T_1^4-T_0^4)---\left(5\right)$

τ(λ)表示大气透过率（单位：焦耳），可知τ(λ)＝M₂/M₁，由大气对红外辐射的衰减作用可知，透过大气的辐射能量随距离增大成指数衰减，即：

τ(λ)＝e^-βR   (6)

结合式（4）（5）（6），推导出实际测量温度与物体真实温度的关系：

$T_1^4={\mathrm{\ϵ}}_1(T_2^4-T_0^4)e^{-\mathrm{\βR}}/{\mathrm{\ϵ}}_2+T_0^4---\left(7\right)$

上式中β为消光系数，式（7）就是本发明第（2）步所推导出的公式。在测量温度时，只要确定了物体经红外测温仪测出的温度和此时大气的消光系数，就可以通过式（7）的变形公式

$T_2=\sqrt[4]{T_0^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2(T_1^4-T_0^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{\mathrm{\βR}}}$

来计算出物体真实温度。

根据式（7），在进行数学模型应用时，首先需要求取消光系数β，其步骤如图2（a）所示。可以设定一被测物真实温度T₂、红外测量温度T₁的物体环境温度T₀，求取消光系数β。

式（7）就是本发明第3）步所用到的公式。本领域技术人员清楚，在真实环境（或不同测试条件）下，被测物真实温度T₂、红外测量温度T₁、测量距离R和环境温度T₀是不一样的。但由于消光系数β是不与这些参数的变化热变化，尽管只是一组数据求出了消光系数，但是一旦知晓其准确值，可以用它在模型中求取任何红外测量温度T₁、测量距离R和环境温度T₀下被测物的真实值T₂，在真实环境下的计算误差低于1℃。所以，为使本发明既有达到发明目的之主要优点（即提高红外测温仪在不同测量条件下的精度），而其又易于实现。

在使用本发明中的方法时，较好的是保证测量环境的稳定（即空气主要成分、空气湿度基本保持恒定），否则其消光系数可能为一变量，其参数可根据用户不同需求来选取，经验证，取测量距离0m≤R≤10m、环境温度T₀≤40℃和被测物真实温度T₀≤T₂≤200℃时，本模型可达到较高的精度，其修正后的温度绝对误差小于1℃。

实施例2：

本发明通过了温度测试的对比验证，验证时采用的设备有：在线式红外测温仪IS-500V，测温范围：0-500℃,对应正比输出0-5V；吸收光谱波长为8-14μm；参考发射率ε₁＝0.95；距离系数：1:30。被试验物体和被测物体均使用聚丙烯树脂塑料密封盒(ε₂或ε₃＝0.95)。

实验前后，为了能够测量所需物理量，需要对测量系统进行设计，如图2为本发明的一个实施例中硬件设计的结构原理图，它利用单片机将多个模块集合为一个系统，并用显示器显示各个测量量（注：本方法参数中的单位均是国际单位制中的标准单位，在实际使用本方法时，需特别注意温度参数均要转化为开尔文温度K，距离单位：m）。

将试验物体均匀加热，利用接触式水银温度计测量试验物体的表面温度为77.0℃，记录为T₂＝350.1K，同时测得距离试验物体2.40m处（R）的环境温度为20.6℃，记录为T₀＝293.8K。用红外测温仪在距离试验物体2.40m处（R）对准试验物体，测得温度为65.7℃，记录为T₁＝293.8K。根据 $T_1^4={\mathrm{\ϵ}}_1(T_2^4-T_0^4)e^{-\mathrm{\βR}}/{\mathrm{\ϵ}}_2+T_0^4,$ 计算出β＝0.11636。

将β＝0.11636代入 $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}},$

采用同一红外测温仪在距离被测物体3.60m处（R₁）对准被测物体，测得温度为60.5℃,记录为T₄＝293.8K。同时利用水银温度计，测得红外测温仪所在位置（被测物体附近）的环境温度20.6℃，记录为T₃＝293.8K。

计算出T₅＝349.8K，即修正后温度为76.6℃。

利用接触式水银温度计测得被测物体表面温度t＝75.8℃（接近修正后的温度）。

实施例3：

本实施例采用的装置、试验物体和被测物体同实施例2。

将试验物体均匀加热，利用标准温度计测量被测物体的表面温度并记录，作为物体真实温度。用红外测温仪以20cm为单位不断增加测量距离，并记录该测量距离下红外测温仪所显示的温度。可以得到温度——距离的关系离散点，[参考图3]。

根据拟合式（7），求取消光系数β。

在被测物真实温度T₂变化较小的时候，可近似为一常数，被测物的发射率与仪器参考发射率相近时，满足实验要求，此时衰减系数β近似为一常数，拟合公式可以简化为：

$T_1^4-T_0^4=a\·e^{-\mathrm{\βR}}---\left(9\right)$

其中 $a=T_2^4-T_0^4.$

实验测量得到所需参数后，用MATLAB软件绘出

离散点[参考如图4]。并利用式（8）在MATLAB中使用lsqcurvefit()函数对图中离散点进行指数拟合，得出最小拟合误差的指数曲线如图4所示，进而求得衰减系数β。

改变被测物的温度值，并且将其的测量距离设定在不同值时，用红外测温装置测量其温度T₁，环境温度T₀，通过对式（7）进行变形：

$T_2=\sqrt[4]{T_0^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2(T_1^4-T_0^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{\mathrm{\βR}}}---\left(9\right)$

式（9）便是求取物体真实温度的公式，其步骤参考[图2（b）]所示。

再将被测物用标准温度计进行温度测量，将修正后的温度值与物体真实值进行比较，如图5所示。

本发明在实施工程中，如果环境条件不再满足实验要求，消光系数β将会是一个变量，数学模型将会毫无意义，因此在使用本发明提供的数学模型时要特别注意测量环境需保持不变。

误差分析，根据理论知识可知，随着测量距离增大，红外辐射经过大气的路程增加，衰减加剧，导致随着误差随测量距离增加而增加。图6中画出了修正前后的绝对误差对比可以看出，经过修正后的温度其绝对误差可以控制在1℃范围内。

实施例4：

本实施例采用的装置、试验物体和被测物体同实施例2。其中，所述试验物体和被测物体同在一间100cm²的房间内，二者之间的距离为5m。

利用接触式水银温度计测量试验物体的表面温度为76.8℃，记录为T₂＝350.0K同时测得房间内温度为20.8℃，记录为T₀＝294K。用红外测温仪在距离试验物体5m处（R）对准试验物体，测得温度为58.0℃，记录为T₁＝331.2K。根据 $T_1^4={\mathrm{\ϵ}}_1(T_2^4-T_0^4)e^{-\mathrm{\βR}}/{\mathrm{\ϵ}}_2+T_0^4,$ 计算出β＝0.1004。

将β＝0.1004代入 $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}},$

采用同一红外测温仪在距离被测物体3.2m处（R₁）对准被测物体，测得温度为62.0℃，记录为T₄＝335.2K。同时利用水银温度计，房间内温度保持不变，即T₃＝T₀，

计算出T₅＝347.4K。即修正后温度为74.2℃。

利用接触式水银温度计测得被测物体表面温度t＝74.6℃（接近修正后的温度）。

实施例5：

本实施例采用的装置同实施例2，试验物体和被测物体材料同实施例2。其中，所述试验物体不带电，被测物体内包裹高压线。

利用接触式水银温度计测量试验物体的表面温度并记录为T₂＝72.7℃，同时测得试验物体周边温度为T₀＝23。0℃，记录为T₀＝296.2K。相对湿度为30％，空气成分为：氮(N2)78%、氧(O2)21%，稀有气体0.94%。用红外测温仪在距离试验物体0.8m处（R）对准试验物体，测得温度为T₁＝67.8℃，记录为T₁＝341K。根据 $T_1^4={\mathrm{\ϵ}}_1(T_2^4-T_0^4)e^{-\mathrm{\βR}}/{\mathrm{\ϵ}}_2+T_0^4,$ 计算出β＝0.1598。

将β＝0.1598代入 $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}},$

采用同一红外测温仪在距离被测物体4m处（R₁）对准被测物体，测得温度为55.9℃，记录为T₄＝329.1K。同时利用水银温度计，测得红外测温仪所在位置（被测物体附近）的环境温度20.2℃，记录为T₃＝293.4K。相对湿度为31.5％，空气成分为：氮(N2)78%、氧(O2)21%，稀有气体0.94%。

计算出T₅＝353.4K，即修正后温度为80.2摄氏度℃。

被测物体内的高压线断电后，利用接触式水银温度计测得被测物体表面温度t＝79.4℃（接近修正后的温度）。

Claims (3)

1.一种提高红外测温精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使用接触式温度计测得试验物体表面温度T₂，以及试验物体周边的环境温度T₀；

2）使用红外测温仪测得所述试验物体的表面温度为T₁，所述红外测温仪与试验物体之间的距离为R；

3）根据

计算出为消光系数β，式中，ε₁为所述红外测温仪参考发射率，ε₂为被测物体的实际发射率；

4）使用所述红外测温仪测得被测物体的温度T₄，所述红外测温仪与被测物体之间的距离为R₁，使用接触式温度计测得被测物体周边的环境温度T₃，将步骤3）所求得的β代入 $T_5=\sqrt[4]{T_3^4+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(T_4^4-T_3^4)}{{\mathrm{\ϵ}}_1}\·e^{{\mathrm{\βR}}_1}},$ 其中，T₅为所述被测物体表面的实际温度，ε₃为所述被测物体的实际发射率。

2.根据权利要求1所述的提高红外测温精度的方法，其特征在于：步骤4）中，所述被测物体位于所述试验物体周边。

3.根据权利要求1所述的提高红外测温精度的方法，其特征在于：步骤1）中，测定所述试验物体周边的空气湿度和空气成分；

步骤3）结束后、步骤4）开始前，测定所述被测物体周边的空气湿度和空气成分；若所述被测物体周边的空气湿度和空气成分与试验物体周边的空气湿度和空气成分相同或相近似，则开始步骤4）；否则，舍弃掉之前计算出的β，在被测物体周边摆放一个物体A，将物体A作为所述试验物体并重复步骤1～3，重新测定β。

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