CN107328478B - 一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法，属于辐射测温技术领域，应用在航空发动机涡轮叶片表面温度测量。通过测量涡轮叶片辐射光线在短、中、长三个波段的辐射能量，然后设定调节变量，计算出涡轮叶片在各波段的真实辐射能量，在利用两个波段的真实辐射能量计算出涡轮叶片在多个计算温度，根据得到的多个涡轮叶片的温度的大小对调节变量进行适当的调整，直至满足结束计算的条件，得到了涡轮叶片的真实温度，再利用真实温度和黑体计算出涡轮叶片在当前工作条件下的发射率，该计算涡轮叶片表面温度和发射率的方法，能极大的提高涡轮叶片表现温度的测量精度，并且计算量小，能达到到实时测量的要求。

Description

一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法

技术领域

本发明属于辐射测温技术领域，应用在航空发动机涡轮叶片表面温度测量。

背景技术

航空发动机涡轮叶片表面温度的精确测量一直是制约我国研制高性能、高推重比发动机的关键。涡轮叶片作为发动机最为重要的热端部件，也是涡轮发动机工作温度最高的地方，其耐高温能力是发动机高温工作的必要保障。涡轮叶片需要在高温、高压条件下做高速旋转，承受的机械载荷、气动载荷和温度载荷非常复杂，运行环境最为恶劣，使得涡轮转子特别是涡轮叶片产生各种形式失效破坏，目前，涡轮进口温度已达到了2000K左右，比高压涡轮叶片金属材料的熔点高400K。精确的测量涡轮叶片的表面温度，可以为航空发动机的运行状态控制提供直观依据，为航空发动机涡轮叶片的研制、应力应变分析、寿命预测提供理论支持，满足航空发动机的试验监测和科学研究的要求。

但要实现在高温、高压、高负荷、每分钟10000转叶片的高精度温度测量是一个非常困难的科学问题。目前温度测量技术主要分为两大类：一类是接触式测温，另一类是非接触式测温。接触式测温技术虽然已经发展很成熟，但普遍存在发动机改装难度大、需要通过构件拆卸才能判读其温度、对目标温度场分布造成较大的影响、测点较少，难以获得关键数据等问题，涡轮内部温度高、空间狭小、叶片高速运转等一系列不利的测量环境，使得传统的接触式测量不能满足发动机研发的迫切需求。而非接触式测温技术主要是以热辐射测温为主，热辐射测温技术提供了一种既不干扰表面也不干扰周围介质的表面温度测量方法，具有分辨率高、灵敏度高、可靠性强、响应时间短、能测量快速变化的温度场、测温范围广、测量距离可调、测量目标面积可以很小等优点。辐射测温法在工程测温领域占有重要的地位，对于一些旋转物体，高速运动物体或腐蚀性强的物体，在其温度不可能接触测量的情况下，辐射测温是最佳的选择。

针对涡轮叶片复杂的工作的环境，一般采用非接触式辐射温度测量方法，通过前端光路实现叶片辐射信息的采集，传送至相应的探测器进行电压与温度的处理转换。实际工作环境中，红外辐射测温系统接收到的辐射能并非全部由被测叶片发出，其中有一部分来源于工作环境中其他高温部件发出的红外辐射在叶片被测点上的反射能量。一般这些辐射源为叶片周围的火球、燃烧室炉壁、被测叶片邻近叶片、漂浮在叶片上空的高温燃气等。

这些反射能量混入叶片本身的辐射能被采集后将对测量结果造成误差，必须进行滤除或算法处理。得到叶片的辐射信息后需要代入给提辐射公式推出叶片的温度，其中作为一个连续变化的未知量也需要同时测得。现今市面上针对发动机叶片温度测量的仪器是采用单波长和预设发射率的方式对发动机叶片进行温度测量，其测试无法避免燃烧室其他背景辐射源的反射误差，而且单波长的发射率也存在一定的测量误差。因此，如何消除背景辐射源和发射率对涡轮叶片的温度测量精度有重大意义。

发明内容

本发明的主要目的是为针对现有涡轮叶片测温仪器无法消除其他背景辐射源，单波长预设发射率误差大的问题，提出一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法，以实现发动机涡轮叶片的表面温度和发射率的测量。

本发明技术方案为一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法；该方法包括：

步骤1：建立辐射模型：

段波段：E_s＝E_sb+E_sr

中波段：E_m＝E_mb+E_mr

长波段：E_l＝E_lb+E_lr

其中：E_s、E_m、E_l分别表示短、中、长三个波段涡轮叶片的量测辐射能量，E_sb、E_mb、E_lb分别表示短、中、长三个波段涡轮叶片的真实辐射能量，E_sr、E_mr、E_lr表示短、中、长三个波段涡轮叶片的反射误差辐射；

步骤2：将涡轮叶片放置于标准的温度环境中，测量不同温度下的短、中、长波段的涡轮叶的辐射能量，采用公式：

E_s-R_smE_m＝E₁

E_m-R_mlE_l＝E₂

计算出不同温度下E₁、E₂的值，采用函数拟合的方法，得到E₁与T、E₂与T的函数关系；

其中：R_sm和R_ml的值根据经验数据首先人工设定；

步骤3：实际测量时，获取涡轮工作时叶片表面的辐射光线，分别对辐射光线中的短、中、长3个波段的辐射光进行探测，获得短、中、长3个波段涡轮叶片的量测辐射能量：E_s、E_m、E_l；

步骤4：采用步骤2中公式计算出E₁、E₂的值，根据步骤2得到的E₁与T、E₂与T的函数关系对应计算出涡轮叶片的两个真实温度TT_ms、TT_lm；

步骤5：设定修正步长，采用如下方法对步骤3中R_sm和R_ml进行修正，再转入步骤3进行重新计算，直到计算出涡轮叶片的真实温度；

如果(TT_ms-TT_lm)＞DeltaT，将R_sm和R_ml增大一个单位步长；如果(TT_ms-TT_lm)＜-DeltaT，将R_sm和R_ml减少一个单位步长；如果-DeltaT≤(TT_ms-TT_lm)≤DeltaT，则采用TT_lm表示涡轮叶片的真实温度，其中DeltaT表示设定的调节阈值；

步骤6：将黑体炉的温度设定为步骤5中计算出的涡轮叶片真实温度，采用与步骤1相同的方法测量得到黑体炉在3个波段的辐射能量，采用如下公式计算得到该涡轮叶片在当前工作条件下各波段的发射率：

其中：ε表示发射率，M₁为物体在温度为T时的辐射能，M₂为黑体在温度为T时的辐射能。

本发明一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法，该方法通过测量涡轮叶片辐射光线在短、中、长三个波段的辐射能量，然后设定调节变量，计算出涡轮叶片在各波段的真实辐射能量，在利用两个波段的真实辐射能量计算出涡轮叶片在多个计算温度，根据得到的多个涡轮叶片的温度的大小对调节变量进行适当的调整，直至满足结束计算的条件，得到了涡轮叶片的真实温度，再利用真实温度和黑体计算出涡轮叶片在当前工作条件下的发射率，该计算涡轮叶片表面温度和发射率的方法，能极大的提高涡轮叶片表现温度的测量精度，并且计算量小，能达到到实时测量的要求。

附图说明

图1是三波段测温模式示意图；

图2是黑体炉发射率测量模式示意图；

图3是叶片表面温度测量流程框图；

图4是三波段测温算法流程图。

具体实施方式

对于不同的光谱波长来说，所选的三个PD探测器响应波段不同，敏感度也不同。依据探测器的材料和相应的响应特性，1.1um以下的主要采用硅探测器，1.1um以上的采用铟镓砷探测器。探测器对不同的波段的波长带敏感度不同，因此对于涡轮叶片表面发出的热辐射能，不同探测器测量的数值也应当不同。如果对测量出的辐射能数值，三个不同的探测器经过算法得出的温度结果相同，那么可以合理的推断，其他热辐射源反射辐射误差对系统的影响并没有导致错误的测量结果。

本发明依据的是普朗克黑体亮度测温公式

其中:

c₁＝3.7418×10^-16Wm²，为第一辐射常数；

c₂＝1.4388×10^-2mK，为第一辐射常数；

λ，物体的辐射波长；

T,物体绝对温度；

ε(λ，T)，物体的表面发射率，0<ε(λ，T)<1

发射率是表征物体辐射能力的强弱，定义为物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比：

M₁为物体在温度为T时的辐射能；

M₂为黑体在温度为T时的辐射能；

实际测试中，为了在热辐射信号中提取叶片本身的辐射能，将探测器获得辐射能可以分为两部分：(1)被测叶片本身发出的辐射能，(2)其他热辐射源发出的辐射能。因此，得到公式E_total＝E_blade+E_reflected，对于选取的三个短、中、长波段，每一个波段有：

短波段：E_s＝E_sb+E_sr 公式(1)

中波段：E_m＝E_mb+E_mr 公式(2)

长波段：E_l＝E_lb+E_lr 公式(3)

设定两个反射比例参数分别为：

代入公式合并同类项可得到：

E_s-R_smE_m＝E_sb-R_smE_mb＝E₁ 公式(6)

E_m-R_mlE_l＝E_mb-R_mlE_lb＝E₂ 公式(7)

可以看出，公式的左边同时包含有叶片直接辐射能和反射能，而公式的右边只包含叶片本身的辐射能，因此可以将接收到的包含叶片直接辐射能和反射辐射能的信号等价成只包括叶片本身辐射能的形式。

在三波段测温算法中，可以根据三个不同波段测量的辐射值不同，对辐射能量比率R_sm，R_ml进行修正，以得到正确的比率。一般辐射能量比率可通过利用同等温度的黑体辐射源代替误差源的方法测定不同波长内的误差辐射能大小，并计算出比率值。测试过程中需要先依据测试的数据经验设定比率的值，代入算法计算的两个温度值。如果得到的两个温度相同或差值在测量精度允许范围内则计算结束，否则根据温度值大小重新设定辐射能量比率R_sm，R_ml，重复计算，直到结果满足条件。

因此，三波段测温算法的原理为：如果经过算法修正之后的温度中消除了反射误差，那么对于不同波段修正后得到的温度应当具有相同的值。如果温度相同，那么所使用的比率常数就是正确的，否则，比率常数就应当根据两个波段测得的温度差值的大小和符号进行修正，直到温度一致，代表着反射误差已经被消除。

对于E₁，E₂与叶片的修正温度的关系如下：给定R_sm，R_ml的值，在后端反射镜的第二种工作模式，提供多组温度下的黑体辐射，由探测器单元接收。对于每组能量比值，可以得到对应的能量E₁，E₂—叶片修正温度的关系式，建立大数据表。因为考虑到黑体炉的加热和稳定速率，实际计算过程是通过查表求得叶片的温度。

由短波和中波计算出的叶片温度TT_ms，与由中波和长波计算出的叶片温度TT_lm，判断最终温度的原则如下所示：

R_sm和R_ml的初值由上一组E_s、E_m和E_l的值确定，在Case 1和Case 2的情况下，调整R_sm和R_ml的值，使TT_ms和TT_lm的偏差在一定的范围以内，最终达到Case 3情况，完成迭代计算。由于E_ml的反射能量相对于E_sm的反射能量部分少，修正误差小，TT_lm被确定为修正后的叶片温度。

利用三波段测温模式可以在消除其他热辐射源反射辐射误差的条件下得到叶片表面温度。依据已得到的结果，变换测量模式，将黑体炉设定已知的温度，使得三个PD探测器依次检测到黑体炉发射出的辐射信号。通过采集存储的两次测量模式不同的辐射信号，根据上文发射率的定义得到三个波段发射率。

以下结合附图和具体实施例对发明作进一步的详细说明。

总体的流程图见图4，测量分为两种模式：三波段测温模式和三波段发射率测量模式。测试前先由三波段测温模式得到叶片的表面温度，然后变换测温模式，设置黑体炉的温度与第一种模式得到的温度一致，根据辐射量得到三个波段的发射率。

参见附图1，属于三波段测温模式状态，PC机控制切换控制器使后端反射镜移除光路，阻挡便携黑体的辐射光。涡轮叶片的辐射信息通过前端反射镜进入探头内部，经过分光镜2分光被PD探测器3检测到，经过分光镜1分光被PD探测器2检测到，最后透过分光镜的光路信息会被PD探测器1检测到。在探测器的前面会有对应的滤光片，对光路进行不同波段的选择，按照所选波长的长度依次可以分成短波、中波、长波。三个与滤光片对应波段的PD探测器检测到辐射信息会传输到前端放大器，其会集成相应的电路信号处理模块，对信号进行滤波、去耦、放大等处理。经过处理的辐射信号会与叶片同步转速信号被高速数据采集卡采集存储在PC机上。

参见图2，属于三波段发射率测量模式，切换控制器调节后端反射镜位于垂直光路中，此时PD探测器检测的信号为黑体炉发射出的辐射信息。第一步，根据三波段测温模式得到温度值，调节黑体炉温度值与其一致，与三波段测温模式光路结构一致，透过三个滤光片得到短、中、长三个波段的辐射信息。第二步，用三波段测温模式测的三个波段段的辐射量与黑体炉发射率模式测量的辐射量相比，得到三个波段的发射率。

Claims (1)

1.一种基于三波段辐射光测量涡轮叶片温度及发射率的方法；该方法包括：

步骤1：建立辐射模型：

短波段：E_s＝E_sb+E_sr

中波段：E_m＝E_mb+E_mr

长波段：E_l＝E_lb+E_lr

其中：E_s、E_m、E_l分别表示短、中、长三个波段涡轮叶片的测量辐射能量，E_sb、E_mb、E_lb分别表示短、中、长三个波段涡轮叶片的真实辐射能量，E_sr、E_mr、E_lr表示短、中、长三个波段涡轮叶片的反射误差辐射；

步骤2：将涡轮叶片放置于标准的温度环境中，测量不同温度下的短、中、长波段的涡轮叶的辐射能量，采用公式：

E_s-R_smE_m＝E₁

E_m-R_mlE_l＝E₂

计算出不同温度下E₁、E₂的值，采用函数拟合的方法，得到E₁与T、E₂与T的函数关系；

其中：R_sm和R_ml的值根据经验数据首先人工设定；

步骤3：实际测量时，获取涡轮工作时叶片表面的辐射光线，分别对辐射光线中的短、中、长3个波段的辐射光进行探测，获得短、中、长3个波段涡轮叶片的测量 辐射能量：E_s、E_m、E_l；

步骤4：采用步骤2中公式计算出E₁、E₂的值，根据步骤2得到的E₁与T、E₂与T的函数关系对应计算出涡轮叶片的两个真实温度TT_ms、TT_lm；

步骤5：设定修正步长，采用如下方法对步骤3中R_sm和R_ml进行修正，再转入步骤3进行重新计算，直到计算出涡轮叶片的真实温度；

如果(TT_ms-TT_lm)＞DeltaT，将R_sm和R_ml增大一个单位步长；如果(TT_ms-TT_lm)＜-DeltaT，将R_sm和R_ml减少一个单位步长；如果-DeltaT≤(TT_ms-TT_lm)≤DeltaT，则采用TT_lm表示涡轮叶片的真实温度，其中DeltaT表示设定的调节阈值；

步骤6：将黑体炉的温度设定为步骤5中计算出的涡轮叶片真实温度，采用与步骤1相同的方法测量得到黑体炉在3个波段的辐射能量，采用如下公式计算得到该涡轮叶片在当前工作条件下各波段的发射率：

其中：ε表示发射率，M₁为物体在温度为T时的辐射能，M₂为黑体在温度为T时的辐射能。