CN104006887B - 一种物体表面发射率现场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体表面发射率现场校准方法。利用铂电阻贴片测量涂料涂层的真实温度值并进行发射率校准，作为校准标靶；将校准标靶紧密贴于现场校准物体上，使用红外热像仪对校准标靶为中心的局部现场校准物体的表面进行测温，获得现场物体表面的温度以及校准标靶上涂料涂层的温度数据；通过现场物体表面的温度以及校准标靶上涂料涂层的温度数据计算得到现场物体表面发射率数值并对现场物体表面发射率进行现场校准。本发明用测温仪对现场校准对象测温，具有测温迅速，精度高，要求现场校准物体表面与校准标靶在同一平面，使背景因素和系统噪声对现场校准目标和校准标靶的影响相同；适用于现场物体表面发射率进行校准，校准设备便于携带。

Description

一种物体表面发射率现场校准方法

技术领域

本发明涉及发射率测量的方法，具体涉及一种物体表面发射率现场校准方法。

背景技术

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。该测温方法具有非接触，测温速度快速等优点。

黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。然而，自然界中并不存在真正的黑体，物体发射率对辐射测温具有很大的影响。

所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。

然而，现在的发射率校准方式精确度高却不适用于现场测温(如专利一种光学红外辐射高温校准装置及其自校准方法，中国发明专利公开号CN102353454A，公开日期2012年2月15日)；还有适用于现场发射率校准的装置却不便于携带(如专利一种红外测温在线自校准装置及其方法，中国发明专利公开号CN101183026 A，公开日2008年5月21日)。

发明内容

为了提高现场测温的精确度，并使测量装置便于携带，本发明的目的在于提供一种物体表面发射率现场校准方法，它能较准确地测得涂料涂层的发射率，且有便于携带校准装置。

本发明采用的技术方案是：

a)首先利用A级铂电阻贴片对发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层的真实温度值进行测量，并对涂料涂层进行发射率校准，校准完毕后将涂料涂层制作为校准标靶；

b)现场校准物体表面发射率时，将校准标靶紧密贴于现场校准物体上，保持现场校准物体与校准标靶在同一背景同一平面，使用红外热像仪对校准标靶为中心的局部现场校准物体的表面进行测温，得到现场校准物体表面的温度以及校准标靶上涂料涂层的温度数据；

c)使用电子温度计对环境温度进行测量，获得环境温度数值；利用测得的校准标靶的涂料涂层温度和环境温度计算得到校准标靶的真实温度；再利用红外热像仪测得的物体表面温度和计算得到的物体表面温度推导出准确的物体表面发射率数值并对现场物体表面发射率进行现场校准；公式如下：

真实温度：

现场校准物体表面发射率：

$\mathrm{\ϵ}=f({\mathrm{\ϵ}}_0,T^{\′})=f(\frac{f\left({T_0}^{\′}\right)-f\left(T_u\right)}{f\left(T_0\right)-f\left(T_u\right)},T^{\′})=\frac{T^{\′n}-{T_u}^n}{{T_0}^n-{T_u}^n}$

其中ε₀为校准标靶涂料涂层的发射率，T_u为环境温度，T₀为现场校准物体真实温度，T′₀为红外热像仪测得的标靶表面温度，T′为红外热像仪测得的现场校准物体表面温度，n的取值根据红外热像仪探测器的不同取值不同。

所述校准标靶，包括导热硅胶制成的胶布和均匀涂在导热硅胶胶布一面上的发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层。

本发明具有的有益效果是：

本发明测量方式选择测温仪对现场校准对象测温，具有测温迅速，精度高的优点；要求现场校准物体表面与校准标靶在同一背景同一平面，使背景因素和系统噪声对现场校准目标和校准标靶的影响相同。

本发明适用于现场物体表面发射率进行校准，校准设备便于携带具有现场在线校准的特点。

附图说明

图1是发射率校准标靶现场校准物体表面的发射率步骤框图。

图2是发射率校准标靶图。

图3是发射率校准标靶使用示意图。

图中：1、涂料涂层，2、导热硅胶胶布，3、校准标靶，4、光学系统，5、水平扫描器，6、电子温度计，7、现场校准物体表面，8、垂直扫描器，9、探测器，10、视频显示，11、红外热像仪成像系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如附图1、附图3所示，该方法的步骤如下：

a)首先利用A级铂电阻贴片对发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层1的真实温度值进行测量，铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：

R_t＝R₀[1+At+Bt+C(t-100)t]，-200℃<t<0℃，

R_t＝R₀(1+At+Bt)0℃<t<850℃

R_t为t℃时的电阻值，R₀为0℃时的阻值。公式中的A，B系数为实验测定。这里给出标准的系数：A＝3.90802*10^-3℃；B＝-5.802*10^-7℃；C＝-4.27350*10^-12℃；利用真实温度数值和红外热像仪测得温度值对涂料涂层1进行发射率校准，校准完毕后将涂料制作为校准标靶3；

b)现场校准物体表面发射率时，将校准标靶3紧密贴于现场校准物体上，保持现场校准物体表面7与校准标靶3在同一背景同一平面，使用红外热像仪成像系统11(包括光学系统4、水平扫描器5、垂直扫描器8、探测器9和视频显示10)对校准标靶3为中心的局部现场校准物体的表面7进行测温，得到现场校准物体表面的温度以及校准标靶上涂料涂层的温度数据；

c)使用电子温度计6对环境温度进行测量，获得环境温度数值；利用测得的校准标靶的涂料涂层温度和环境温度计算得到校准标靶的真实温度；再利用红外热像仪测得的物体表面温度和计算得到的物体表面温度推导出准确的物体表面发射率数值并对现场物体表面发射率进行现场校准；公式如下：

真实温度：

现场校准物体表面发射率：

$\mathrm{\&epsiv;}=f({\mathrm{\&epsiv;}}_0,T^{\&prime;})=f(\frac{f\left({T_0}^{\&prime;}\right)-f\left(T_u\right)}{f\left(T_0\right)-f\left(T_u\right)},T^{\&prime;})=\frac{T^{\&prime;n}-{T_u}^n}{{T_0}^n-{T_u}^n}$

其中ε₀为校准标靶涂料涂层的发射率，T_u为环境温度，T₀为现场校准物体真实温度，T′₀为红外热像仪测得的标靶表面温度，T′为红外热像仪测得的现场校准物体表面温度，n的取值根据红外热像仪探测器9的不同取值不同，对HgCdTe(8-13μm)探测器，n值为4.09，对HgCdTe(6-9μm)探测器，n值为5.33，对InSb(2-5μm)探测器，n值为8.68。

如附图2所示，所述校准标靶，包括导热硅胶制成的胶布2和均匀涂在导热硅胶胶布一面上的发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层1。

实施例

本发明使用日本HRC涂料进行试验，将底面作为试验的现场校准物体表面。

HRC涂料的分子结构稳定，热辐射率高：在1030℃时接近0.98，在800℃-1200℃区间在0.95以上，在600℃-1300℃范围也超过0.9，涂层厚度为0.7mm。

电熨斗GC1420能在60～250℃范围内自动调节温度，重1.06千克，功率1200瓦特。

首先设定熨斗温度为80℃，利用A级铂电阻贴片对熨斗底面上HRC涂料涂层的真实温度值进行测量，得当前温度下实测电阻值R_t，利用铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式：

R_t＝R₀[1+AT₀+BT₀+C(T₀-100)T₀]，-200℃<T₀<0℃

取标准的系数：A＝3.90802*10^-3℃；B＝-5.802*10^-7℃；C＝-4.27350*10^-12℃，R₀＝100Ω，计算得到熨斗底面真实温度t﹦78.127℃。

利用红外热像仪对HRC涂料涂层1进行测温，得到红外温度T′＝79.2℃，利用电子温度计测得大气温度为：T_u＝27.3℃，利用红外测温公式对涂料涂层进行发射率校准ε＝0.98，校准完毕后将涂料制作为校准标靶3；

使用导热硅胶制作校准标靶3的导热硅胶胶布2，硅胶耐热能力为-60℃～280℃，将HRC涂层涂料1均匀涂于导热硅胶胶布2上，厚度为0.7mm。

现场校准物体表面发射率时，设定熨斗底面温度为150℃，将校准标靶3紧密贴于熨斗底层上，保持现场校准物体表面7与校准标靶3在同一背景同一平面，使用FLUKE Ti9红外热像仪成像系统11(包括光学系统4、水平扫描器5、垂直扫描器8、探测器9和视频显示10)对校准标靶3为中心的局部熨斗底面进行测温，得到熨斗底面的红外温度T′＝135.0℃以及校准标靶上涂料涂层的红外温度T′₀＝144.5℃。

利用测得的校准标靶的涂料涂层温度和环境温度计算得到校准标靶的真实温度；再利用红外热像仪测得的物体表面温度和计算得到的物体表面温度推导出准确的物体表面发射率数值并对现场物体表面发射率进行现场校准；公式如下：

真实温度：

现场校准物体表面发射率：

$\mathrm{\&epsiv;}=f({\mathrm{\&epsiv;}}_0,T^{\&prime;})=f(\frac{f\left({T_0}^{\&prime;}\right)-f\left(T_u\right)}{f\left(T_0\right)-f\left(T_u\right)},T^{\&prime;})=\frac{T^{\&prime;n}-{T_u}^n}{{T_0}^n-{T_u}^n}=0.63$

其中ε₀为校准标靶涂料涂层的发射率，T_u为环境温度，T₀为现场校准物体真实温度，T′₀为红外热像仪测得的标靶表面温度，T′为红外热像仪测得的现场校准物体表面温度，n的取值根据红外热像仪探测器9的不同取值不同，对FLUKE Ti9红外热像仪，n值为5.33。

为验证一种物体表面发射率现场校准方法对现场物体表面的精度高，利用A级铂电阻贴片对设定在150℃的熨斗底面进行温度测量并用红外热像仪对熨斗底面进行测温，得到熨斗底面发射率为ε＝0.65，这说明本发明公开的一种物体表面发射率现场校准方法的误差为3％。

Claims (2)

1.一种物体表面发射率现场校准方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

a)首先利用A级铂电阻贴片对发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层的真实温度值进行测量，并对涂料涂层进行发射率校准，校准完毕后将涂料涂层制作为校准标靶；

b)现场校准物体表面发射率时，将校准标靶紧密贴于现场校准物体上，保持现场校准物体与校准标靶在同一背景同一平面，使用红外热像仪对校准标靶为中心的局部现场校准物体的表面进行测温，得到现场校准物体表面的温度以及校准标靶上涂料涂层的温度数据；

c)使用电子温度计对环境温度进行测量，获得环境温度数值；利用测得的校准标靶的涂料涂层温度和环境温度计算得到校准标靶的真实温度；再利用红外热像仪测得的现场校准物体表面温度和计算得到的现场校准物体真实温度推导出准确的现场校准物体表面发射率数值并对现场校准物体表面发射率进行现场校准；公式如下：

真实温度：

现场校准物体表面发射率：

$\mathrm{\&epsiv;}=f({\mathrm{\&epsiv;}}_0,T^{\&prime;})=f(\frac{f\left({T_0}^{\&prime;}\right)-f\left(T_u\right)}{f\left(T_0\right)-f\left(T_u\right)},T^{\&prime;})=\frac{T^{\&prime;n}-{T_u}^n}{{T_0}^n-{T_u}^n}$

其中ε₀为校准标靶涂料涂层的发射率，T_u为环境温度，T₀为现场校准物体真实温度，T₀′为红外热像仪测得的标靶表面温度，T′为红外热像仪测得的现场校准物体表面温度，n的取值根据红外热像仪探测器的不同取值不同。

2.根据权利要求1所述的一种物体表面发射率现场校准方法，其特征在于，所述校准标靶，包括导热硅胶制成的胶布和均匀涂在导热硅胶胶布一面上的发射率随温度变化幅度在±5％的涂料涂层。