CN104101432A - 一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，包括如下步骤，1)通过黑体炉对红外CCD摄像机和光谱仪进行标定，建立光谱信号与辐射强度信号间的对应关系；2)利用光谱仪接收金属表面在不同波长下的辐射光谱信号，由标定数据计算出参考点温度及辐射率；3)利用红外CCD摄像机拍摄金属表面红外辐射图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，计算得到金属表面温度分布图像，即为金属表面真实温度分布。通过光谱仪获得辐射源在多波段下的辐射能量信息，计算得到辐射源温度和辐射率随波长变化曲线；由红外CCD摄像机捕捉辐射源表面多点的辐射能量信息，通过引入光谱仪测量点作为参考点，实现了辐射源表面温度分布的精确测量。

Description

一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法

技术领域

本发明涉及红外辐射测温技术，具体为一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法。

背景技术

尿素水解制氨工艺的关键问题在于提高反应釜的耐腐蚀性，从而延长反应釜工作寿命。新的金属材料和涂层工艺被尝试用于改进反应釜内部结构，为深入研究这些新材料在尿素水解过程中的蠕变特性和热传导均匀性，需要精确测量喷涂新金属材料后的反应釜内壁工作温度。

传统的金属温度测量装置采用热电偶，如中国专利CN201310144605公开的固态金属内部温度测量装置及方法和中国专利CN201220599006公开的锅炉水冷壁向火面金属温度测量装置，其工作寿命长、测量准确、安全可靠，但往往布置困难，在很多场合难以应用。固态金属作为非容积辐射，其出射辐射强度决定于金属表面温度，这就为辐射处理方法测量金属表面温度分布提供了可行性。基于彩色CCD三基色的双色法在火焰温度测量领域得到广泛应用，如中国专利CN101476942所提供的一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法；并衍生出众多基于多光谱辐射的测温装置和方法，如中国专利CN201293684所提供的三通道实时测温热像仪，和中国专利CN201310633736所提供的一种多光谱辐射测温装置及方法，以及中国专利CN201310593874所提供的便携式光纤辐射测温仪及其测量方法，这些方法利用辐射源在两个或多个波长下的色度信号的比值来求解温度分布，其误差主要决定于所选波长的间隔，误差难以控制。针对低温对象，红外辐射测温装置及方法在各种不同设备上得到推广应用，如中国专利CN201310481620提供的一种红外辐射精确测温方法，和中国专利CN201210380850提供的化学气相沉积设备的红外辐射测温校准装置及其校准方法，但其都无法解决对辐射源发射率的确定问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种反映真实温度分布，能够测量辐射率，非接触式，高精度的测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，包括如下步骤，

1)通过黑体炉对红外CCD摄像机和光谱仪进行标定，建立光谱信号与辐射强度信号间的对应关系；

2)利用光谱仪接收金属表面在不同波长下的辐射光谱信号，由标定数据计算出参考点温度及辐射率；

3)利用红外CCD摄像机拍摄金属表面红外辐射图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，计算得到金属表面温度分布图像，即为金属表面真实温度分布。

优选的，步骤1)中，建立的对应关系表示为如下的拟合关系式，

I_λ/(S_λ/E_x)＝f(λ)

$I_{{\mathrm{\λ}}_1}=g\left(G\right)$

其中：I_λ为单色辐射强度，单位为W/m²/sr；λ为波长，单位为m；S_λ为光谱仪绝对光谱信号，单位为W/m³/sr；E_x为光谱仪曝光时间，单位为ms；G为红外CCD图像灰度信号；f和g为拟合关系式。

优选的，在步骤2)中，利用光谱仪接收金属表面参考点在不同波长下的绝对光谱信号S_λ，根据标定拟合关系式f转换为连续波长下的单色辐射强度信号，选用窄谱带比色法通过如下公式计算参考点温度及单色辐射率；

$T_O=-C_2({\mathrm{\λ}}_1^{-1}-{\mathrm{\λ}}_2^{-1})/\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}_1^5/I_{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\λ}}_2^5)$

ε_λ,O＝πI_λλ⁵exp(C₂/λT)/C₁

其中，C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K；λ₁，λ₂为两个离散波长，单位为m，且须满足λ₂-λ₁＝20*10^-9；I_λ1，I_λ2为波长λ₁，λ₂下的单色辐射强度信号，单位为W/m³/sr；T_o为参考点温度，单位为K；ε_λ,O为参考点单色辐射率。

优选的，步骤3)中，利用红外CCD摄像机拍摄金属表面广角图像，提取每个像素点灰度信号G并结合标定函数g转化为单色辐射强度图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，通过如下公式计算得到金属表面温度分布图像T(x,y)和温度场测量精度；

$\frac{1}{T(x,y)}=\frac{1}{T_O}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}}{C_2}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{\λ}}(x,y)}{I_{\mathrm{\λ},O}}\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{T_O-C_2/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}/\ln (\mathrm{\π}{I}_{\mathrm{\λ},O}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}^5/\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ},O}{C}_1\right))}{T_O}*100\%$

其中，λ_ccd为红外CCD摄像机的特征波长，单位为m，由CCD相机的光谱响应特性确定；η为温度场测量误差；T(x,y)为图像像素点坐标(x,y)处的温度，单位为K。

优选的，在光谱仪上设置有激光器，利用激光器发射的激光光线确定参考点物理位置。

优选的，在红外CCD摄像机前部连接有伸入封闭空腔内部的硬杆内窥镜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过光谱仪获得辐射源在多波段下的辐射能量信息，从而计算得到辐射源温度和辐射率随波长变化曲线；再由红外CCD摄像机捕捉辐射源表面多点的辐射能量信息，通过引入光谱仪测量点作为参考点，实现了辐射源表面温度分布的精确测量。将光谱仪的多波长特性和CCD摄像机的面测量优势相结合，利用红外辐射图像处理方法实现金属表面温度分布的精确测量，解决了传统红外辐射测温方法中确定材料发射率的难点问题，还能够用于测量喷涂新金属材料后的水解反应釜内壁工作温度，由于固态金属为非容积辐射，则测试得到的金属表面温度分布图像显示的温度即为金属表面真实温度分布。

进一步的，利用在摄像机前部连接的硬杆内窥镜，能够保证对封闭空间内部实现无死角拍摄；配合在光谱仪上加装激光瞄准器对参考点物理位置进行准确标示，实现封闭空腔金属内壁温度的测量。

附图说明

图1为本发明所述方法的测量结构原理示意图。

图中：1为红外CCD摄像机，2为硬杆内窥镜，3为光谱仪，4为激光器，5为金属表面，6为边界，O为参考点。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，进行测量时结构原理如图1所示，测量步骤如下，

1)通过黑体炉对红外CCD摄像机和光谱仪进行标定，建立光谱信号与辐射强度信号间的对应关系；具体的，建立的对应关系表示为如下的拟合关系式(1)，

I_λ/(S_λ/E_x)＝f(λ)

$I_{{\mathrm{\λ}}_1}=g\left(G\right)---\left(1\right)$

其中：I_λ为单色辐射强度，单位为W/m²/sr；λ为波长，单位为m；S_λ为光谱仪绝对光谱信号，单位为W/m³/sr；E_x为光谱仪曝光时间，单位为ms；G为红外CCD图像灰度信号；f和g为拟合关系式，本优选实例中采用四阶多项式为例说明。

2)利用光谱仪接收金属表面在不同波长下的辐射光谱信号，由标定数据计算出参考点温度及辐射率；具体的，利用光谱仪接收金属表面参考点O在不同波长下的绝对光谱信号S_λ，根据标定拟合关系式f转换为连续波长下的单色辐射强度信号，选用窄谱带比色法通过如下公式计算参考点温度及单色辐射率，如公式(2)和(3)；

$T_O=-C_2({\mathrm{\λ}}_1^{-1}-{\mathrm{\λ}}_2^{-1})/\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}_1^5/I_{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\λ}}_2^5)---\left(2\right)$

ε_λ,O＝πI_λλ⁵exp(C₂/λT)/C₁   (3)

其中，C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K；λ₁，λ₂为两个离散波长，单位为m，且须满足λ₂-λ₁＝20*10^-9；I_λ1，I_λ2为波长λ₁，λ₂下的单色辐射强度信号，单位为W/m³/sr；T_o为参考点温度，单位为K；ε_λ,O为参考点单色辐射率。

3)利用红外CCD摄像机拍摄金属表面红外辐射图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，计算得到金属表面温度分布图像，即为金属表面真实温度分布。具体的，利用红外CCD摄像机拍摄金属表面广角图像，提取每个像素点灰度信号G并结合标定函数g转化为单色辐射强度图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，通过如下公式计算得到金属表面温度分布图像T(x,y)和温度场测量精度，如公式(4)和(5)；

$\frac{1}{T(x,y)}=\frac{1}{T_O}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}}{C_2}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{\λ}}(x,y)}{I_{\mathrm{\λ},O}}\right)---\left(4\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{T_O-C_2/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}/\ln (\mathrm{\π}{I}_{\mathrm{\λ},O}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}^5/\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ},O}{C}_1\right))}{T_O}*100\%---\left(5\right)$

其中，λ_ccd为红外CCD摄像机的特征波长，单位为m，由CCD相机的光谱响应特性确定；η为温度场测量误差；T(x,y)为图像像素点坐标(x,y)处的温度，单位为K。

其中，如图1所示，在光谱仪3上设置有激光器4，利用激光器4发射的激光光线确定参考点O的物理位置。在红外CCD摄像机1前部连接有伸入封闭空腔内部的硬杆内窥镜2，从而对边界6内的封闭空间中的金属表面5实现无死角拍摄，并且保护了红外CCD摄像机。

利用红外CCD摄像机拍摄金属表面广角图像，结合红外辐射图像处理方法实现金属表面温度分布的测量；利用光谱仪测量金属表面参考点温度及辐射率，修正红外CCD测温结果，提高测温精度，并得到测温误差范围；本发明可用于测量喷涂新金属材料后的水解反应釜内壁工作温度，研究新材料在尿素水解过程中的蠕变特性和热传导均匀性，提高反应釜的耐腐蚀性，从而延长反应釜工作寿命。由于本发明能够测量得到新金属材料表面发射率，所以还能够用于分析封闭空腔内部辐射换热过程。

Claims (6)

1.一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤，

1)通过黑体炉对红外CCD摄像机(1)和光谱仪(3)进行标定，建立光谱信号与辐射强度信号间的对应关系；

2)利用光谱仪(3)接收金属表面(5)在不同波长下的辐射光谱信号，由标定数据计算出参考点温度及辐射率；

3)利用红外CCD摄像机(1)拍摄金属表面(5)红外辐射图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，计算得到金属表面(5)温度分布图像，即为金属表面(5)真实温度分布。

2.根据权利要求1所述的一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，步骤1)中，建立的对应关系表示为如下的拟合关系式，

I_λ/(S_λ/E_x)＝f(λ)

$I_{{\mathrm{\λ}}_1}=g\left(G\right)$

其中：I_λ为单色辐射强度，单位为W/m²/sr；λ为波长，单位为m；S_λ为光谱仪绝对光谱信号，单位为W/m³/sr；E_x为光谱仪曝光时间，单位为ms；G为红外CCD图像灰度信号；f和g为拟合关系式。

3.根据权利要求1所述的一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，在步骤2)中，利用光谱仪(3)接收金属表面(5)参考点在不同波长下的绝对光谱信号S_λ，根据标定拟合关系式f转换为连续波长下的单色辐射强度信号，选用窄谱带比色法通过如下公式计算参考点温度及单色辐射率；

$T_O=-C_2({\mathrm{\λ}}_1^{-1}-{\mathrm{\λ}}_2^{-1})/\ln (I_{{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{\λ}}_1^5/I_{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\λ}}_2^5)$

ε_λ,O＝πI_λλ⁵exp(C₂/λT)/C₁

其中，C₁,C₂为Planck常数，其值分别为3.742*10^-16W/m²和1.4388*10^-2m·K；λ₁，λ₂为两个离散波长，单位为m，且须满足λ₂-λ₁＝20*10^-9；I_λ1，I_λ2为波长λ₁，λ₂下的单色辐射强度信号，单位为W/m³/sr；T_o为参考点温度，单位为K；ε_λ,O为参考点单色辐射率。

4.根据权利要求1所述的一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，步骤3)中，利用红外CCD摄像机(1)拍摄金属表面(5)广角图像，提取每个像素点灰度信号G并结合标定函数g转化为单色辐射强度图像，根据每个像素点与参考点的单色辐射强度比值，通过如下公式计算得到金属表面(5)温度分布图像T(x,y)和温度场测量精度；

$\frac{1}{T(x,y)}=\frac{1}{T_O}-\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}}{C_2}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{\λ}}(x,y)}{I_{\mathrm{\λ},O}}\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{T_O-C_2/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}/\ln (\mathrm{\π}{I}_{\mathrm{\λ},O}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ccd}}^5/\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ},O}{C}_1\right))}{T_O}*100\%$

其中，λ_ccd为红外CCD摄像机的特征波长，单位为m，由CCD相机的光谱响应特性确定；η为温度场测量误差；T(x,y)为图像像素点坐标(x,y)处的温度，单位为K。

5.根据权利要求1所述的一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，在光谱仪(3)上设置有激光器(4)，利用激光器(4)发射的激光光线确定参考点(O)物理位置。

6.根据权利要求1所述的一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法，其特征在于，在红外CCD摄像机(1)前部连接有伸入封闭空腔内部的硬杆内窥镜(2)。