CN113008389B - 基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，本发明先拟合出被测对象发出的辐射能与热像仪测得的辐射能在波长λ₀下的关系式，再拟合出在波长λ₀下偏滤器靶板温度和发射率的关系式，最后在托卡马克装置放电过程中利用热像仪测得图像的灰度值计算出此时偏滤器靶板的真实温度；本发明使用了单波滤光片，减少了波长范围对测温精度的影响，同时也考虑到了滤光片的透光系数、辐射在特制光路中的衰减以及托卡马克装置的不同温度情况，使用非线性模型拟合温度与发射率之间的关系，拟合结果相比线性模型和常数模型更加精确。

Description

基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法

技术领域：

本发明涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，具体涉及一种基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法。

背景技术：

能源问题是对各国经济社会发展的挑战，发展清洁能源、利用核聚变技术提高能源效率是当今社会的迫切要求。托卡马克装置包括一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器以及低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。

近年来，利用非接触式测温对托卡马克装置第一壁的温度进行测量和诊断一直是一个很活跃的研究领域。托卡马克装置的主要设计目标之一就是使核聚变受控稳态运行。托卡马克装置放电过程中，少量高速运行的中心等离子体会脱离磁约束会打在托卡马克装置的第一壁上，尤其是分流器和限幅器区域，将承受较大的能量负荷。一些托卡马克装置采用偏滤器的特殊位形用于缓解打在第一壁上的热流，所以偏滤器靶板一般都采用耐热性能较好的材料。即使偏滤器靶板均选择耐热性较好的材料，温度过高也会导致偏滤器靶板材料的损坏，所以在放电时实时监测偏滤器靶板的温度十分必要。

早期托卡马克装置都采用热电偶来测量温度，如JET、DIII-D等。尽管热电偶测温精度较高，但在温度变化较快的托卡马克装置中无法满足实时测量的需求，所以在ToreSupra，JET，DIII-D，AUG，HT-7等托卡马克装置上都安装了红外测温系统来进行非接触式测温，这种方法的原理是通过测量目标表面向外辐射的红外能量来反演目标表面温度。

非接触式红外测温可以实时测量目标温度，但其测温精度受到很多方面的影响，如目标发射率、波长范围、环境温度以及辐射传播过程中的大气衰减。目标发射率是指某一温度下物体向外辐射的能量与同温度下黑体向外辐射的能量之比，同一材质在不同波长、温度或者粗糙度下的发射率都不同。红外辐射的波长在750～10⁶nm之间，其中近红外的波长为750～1100nm，短波红外的波长为1100～2500nm，中波红外的波长为3000～5000nm，长波红外的波长范围是7000～14000nm，一般情况下金属的发射率会随着波长的增加而减小。根据热辐射相关定律，红外辐射由分子振动产生，当温度较低时，分子热运动较慢，分子振动频率减少，释放的红外辐射也相对较小；当温度较高时，分子运动变剧烈，释放的红外辐射也变多。在相同的条件下，表面粗糙度越高的物体发射率也越高。

以往对托卡马克装置偏滤器靶板进行测温时，有的采用将靶板发射率视为常数，如下偏滤器靶板发射率设置为0.8，上偏滤器靶板设置为0.4，将发射率数值在红外热像仪中进行设置，认为测量过程中热像仪的读数就是偏滤器靶板的真实温度，这种方法没有考虑到波长、温度等条件对发射率的影响，同时也没有考虑到干扰辐射和辐射衰减的影响。公开号CN 108168709 A的专利公开了一种托卡马克偏滤器靶板温度精确测量方法，将偏滤器靶板发射率看作是随温度变化的量，但是该方法中没有考虑到波长对发射率的影响。

对托卡马克装置偏滤器靶板进行非接触式测温时，根据红外热像仪图像的灰度值计算出的温度并非目标的实际温度。热像仪测得的辐射能为偏滤器靶板发出的辐射和各项杂散辐射经过传播时的衰减之后剩余的辐射，热像仪本身发出的辐射也会对测温精度产生影响。现有的利用热电偶接触式测温无法快速响应目标的温度变化，非接触式红外测温中使用的目标发射率会受到很多方面的影响，以偏滤器靶板主要材料钨为例，目前尚无完全适用于托卡马克装置测温的发射率数值。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，该方法在使用时只针对某一固定波长进行测量，减少了波长对测量结果的影响；使用非线性模型计算出的发射率更加精确；该方法在低温、中温和高温段分别对光路进行标定，更全面的考虑了托卡马克装置的运行环境。

本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：

基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，包括以下步骤：

(1)利用装有中心波长为λ₀的单波长滤光片的红外热像仪对不同温度的黑体炉进行测量，拟合出被测对象发出的辐射能与热像仪测得的辐射能在波长λ₀下的关系式；

(2)在托卡马克装置烘烤状态下使用单波热像仪对偏滤器靶板进行测量，拟合出在波长λ₀下偏滤器靶板温度和发射率的关系式；

(3)在托卡马克装置放电过程中利用热像仪测得图像的灰度值计算出此时偏滤器靶板的真实温度。

优选的，所述步骤(1)中包括以下步骤：

(a)热像仪前安装中心波长为λ₀的单波滤光片，来自托卡马克装置内部的辐射通过窗口进入特制光路，经单波滤光片滤光后波长为λ₀的辐射被热像仪测量到；将黑体炉放入托卡马克真空室内，装有单波滤光片的红外热像仪对某温度下的黑体炉进行测量时有如下方程：

S_bb(λ₀,T_bb)＝RW (1)

W＝k×L(λ₀,T_bb)×A_bb×h+S₀ (2)

其中，L(λ₀,T_bb)代表黑体炉在波长λ₀下，温度为T_bb时发出的辐射，可以根据普朗克定律定量描述为：

S_bb(λ₀,T_bb)表示热像仪探测到的辐射值；

R表示热像仪的仪器响应系数，该系数与目标温度和波长无关；

k表示滤光片的透光率，本发明所用的滤光片透光率k＝85％；

A_bb表示红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积；

h表示红外辐射在特制光路中的衰减系数，虽然待测目标和热像仪及滤光片之间是由一个特制的真空光路连接，但是由于制作工艺的限制不可能达到完全真空，所以辐射在该光路内有轻微衰减，在光路不变的情况下衰减系数h为一常数；

S₀是热像仪内部发出的辐射，与热像仪自身温度有关，不随目标的温度发生改变；

当对黑体炉测量的间隔时间较近时，可以认为热像仪内部温度保持不变，所以R和S₀为常数；

W表示热像仪探测到的辐射总量；

Δλ是单波滤光片的带宽。

(b)将黑体炉温度从低到高设定为6个不同温度值，即低温段T_bb1、T_bb2，中温段T_bb3、T_bb4，高温段T_bb5、T_bb6，通过记录黑体炉温度计算对应的黑体炉发出的辐射强度L_bb1、L_bb2、L_bb3、L_bb4、L_bb5、L_bb6，根据单波热像仪图片灰度值计算出单波热像仪接收到的辐射强度S_bb1、S_bb2、S_bb3、S_bb4、S_bb5、S_bb6，并有如下公式：

S_bb1＝RkA_bbh×L_bb1+RS₀ (4)

S_bb2＝RkA_bbh×L_bb2+RS₀ (5)

S_bb3＝RkA_bbh×L_bb3+RS₀ (6)

S_bb4＝RkA_bbh×L_bb4+RS₀ (7)

S_bb5＝RkA_bbh×L_bb5+RS₀ (8)

S_bb6＝RkA_bbh×L_bb6+RS₀ (9)

(c)在低温段用m₁和n₁表示RkA_bbh和RS₀，在中温段用m₂和n₂表示RkA_bbh和RS₀，在高温段用m₃和n₃表示RkA_bbh和RS₀，分别用式(10)～(15)计算：

(d)分别用m和n表示在低温、中温和高温段都适用的RkA_bbh和RS₀，m和n的计算方式如式(16)、(17)所示：

则式(1)可以写为：

S_bb(λ₀,T_bb)＝mL(λ₀,T_bb)+n (18)

式(18)就是单波热像仪测得的辐射与黑体炉发出的辐射之间的关系式。

优选的，所述步骤(2)中包括以下步骤：

(e)在托卡马克装置烘烤状态下测量靶板发射率，待测目标由黑体炉变为托卡马克偏滤器靶板，使用装有单波滤光片的红外热像仪对烘烤状态下的托卡马克装置偏滤器靶板进行测量时有：

S_s(λ₀,T_s)＝R[k×L×A_s×h+S₀] (19)

其中，S_s(λ₀,T_s)表示热像仪探测量到的辐射值；

T_s表示托卡马克装置偏滤器靶板的真实温度，可以由安装在其表面的热电偶测出；

L表示来自托卡马克装置内部通过窗口进入特制光路的辐射总量；

A_s表示烘烤过程中单波红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积。

(f)在单波热像仪测量到的图像中，其单个像素所对应的目标面积是固定值，即A_s＝A_bb，所以类似式(18)，将m＝RkA_bbh和n＝RS₀代入式(19)就可得到单波热像仪测得的辐射强度与托卡马克装置内部发出的辐射强度之间的关系式，即式(20)：

S_s(λ₀,T_s)＝mL+n (20)

即：

(g)式(21)中的L是待测靶板的辐射和干扰辐射的总和，具体包括以下三个部分：1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射；2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；

三种辐射的计算方式如下：

1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s) (22)

其中，ε表示托卡马克装置偏滤器靶板在波长为λ₀，温度为T_s时的发射率；L_s(λ₀,T_s)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_s时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (24)

其中ε_sur是托卡马克装置内壁的发射率，L_sur(λ₀,T_sur)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_sur时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (26)

(h)从托卡马克装置内部发出，通过窗口进入特质光路的辐射总量L就是上述三项之和：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε)+εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (27)

由于托卡马克装置内壁的发射率ε_sur可近似为1，所以经过靶板与内壁、内壁与内壁多次反射后的辐射可以忽略不计；在本发明中，水冷系统将托卡马克装置内壁温度保持在20℃，所以T_sur＝20℃；偏滤器靶板的真实温度T_s可以通过安装在其表面的热电偶测得；所以式(27)可以写为：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+L_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (28)

其中

将T_s和T_sur的值代入后，这两项的值均可以求出。

(i)通过式(21)和(28)即可得出托卡马克装置偏滤器靶板在波长λ₀、温度为T_s时的发射率，即：

(j)调节托卡马克装置的烘烤温度，依次设置为130℃、170℃、200℃、230℃、260℃、290℃，在每个烘烤温度点测量一次偏滤器靶板的发射率，整个过程一共在6个烘烤温度下测量托卡马克装置偏滤器靶板的发射率，测量完成后得到6组(T_s,ε)。

(k)测量并计算出出6组T_s和对应的发射率ε后，使用如下的非线性模型来拟合波长为λ₀时托卡马克偏滤器靶板发射率ε和温度T的关系：

其中，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄是待拟合的系数，将6组T_s和对应的发射率ε分别代入到式(30)的T和ε中进行非线性拟合，即可得到a₀～a₄的值，最终拟合的结果用式(31)来表示：

ε＝f(T) (31)

优选的，所述步骤(3)中包括以下步骤：

(l)在托卡马克装置放电过程中测量偏滤器靶板温度时，通过单波热像仪可以测得辐射强度S_s(λ₀,T)，从托卡马克装置内部通过窗口进入特制光路的辐射总量为L，由式(20)可知单波热像仪测得的辐射强度S_s(λ₀,T)与托卡马克装置内部发出的辐射强度L之间的关系式如式(32)所示：

S_s(λ₀,T)＝mL+n (32)

(m)通过式(33)即可求出L：

(n)通过式(33)可以得出从托卡马克装置内部通过窗口进入光路的辐射L，此时式(28)中有偏滤器靶板温度和发射率两个未知量，联立式(31)即可得出此时托卡马克装置偏滤器靶板的温度。

本发明中使用的红外热像仪工作波长为7500nm～13000nm，由于在热像仪前方安装了一块中心波长为λ₀的单波滤光片，所以只需要考虑该波长下的辐射大小，可以减少波长对发射率精度的影响；安装滤光片后通带的辐射并不是全部能通过滤光片，所以还要考虑滤光片的透光系数，本发明中所用滤光片的透光系数为k＝85％。

在利用红外热像仪进行非接触式测温过程中，干扰辐射的来源很多，包括目标周围的环境辐射、环境辐射在目标表面反射后的辐射、目标与环境之间经过多次反射后的辐射；辐射传播过程中大气也会吸收或者散发出辐射；热像仪自身在工作过程中内部温度会升高，也影响测量精度。在托卡马克装置工作过程中，真空室内为真空环境，通过将目标周围环境发射率近似为1，忽略了在目标和环境之间多次反射后的辐射；特制光路接近真空状态，忽略了在光路中大气散发或者吸收的辐射，用衰减系数h这个常量来表示特制光路对辐射的衰减。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明使用了单波滤光片，减少了波长范围对测温精度的影响，同时也考虑到了滤光片的透光系数；

2、本发明考虑了辐射在特制光路中的衰减，用衰减系数来表示这部分损失，进一步提高了测温精度；

3、使用黑体炉标定光路时，考虑到了托卡马克装置的不同温度情况，将标定过程分为低温、中温和高温，使标定结果适用于在不同温度下对托卡马克装置进行测温；

4、使用非线性模型拟合温度与发射率之间的关系，拟合结果相比线性模型和常数模型更加精确。

附图说明：

图1为本发明由热像仪和滤光片组成的单波热像仪以及特制光路相对于托卡马克装置的位置示意图；

图2为原方法热像仪和托卡马克装置的连接示意图；

其中：1-红外热像仪；2-特制光路；3-托卡马克装置窗口；4-中心柱；5-真空室；6-工控机；7-窄带滤光片；

图3为实施例1样品温度与发射率的关系图；

图4为实施例1样品真实温度与采用本发明方法测得的温度的对比图；

图5为对比例1黑体炉发出的辐射能与热像仪测得的辐射能的关系图；

图6为对比例1中发射率随温度变化的关系图；

图7为对比例1中原方法测得的样品温度与样品真实温度的对比图；

图8为实施例1与对比例1测得的温度值与真实温度的对比图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

实施例1

(1)首先按照图1所示将中心波长10200nm，带宽100nm的红外窄带滤光片安装在红外热像仪镜头前方。特制光路的一端与托卡马克装置的窗口连接，另一端与红外滤光片连接，这样托卡马克装置内部的辐射可以从窗口进入特制光路，能够通过滤光片的辐射会被热像仪测量到并以灰度图的形式显示在控制软件界面上。

(2)红外热像仪通过千兆网线与工控机连接，工控机控制红外热像仪的所有操作，在工控机上的热像仪控制软件中将发射率设置为1，通过读取采集到的图像中某点的灰度值便可计算出热像仪测量到的该点的辐射值。

(3)将黑体炉放置在托卡马克装置内部，使黑体炉的窗孔对准并靠紧托卡马克装置的窗口，这样来自黑体炉的辐射可以不受托卡马克装置内部干扰直接进入特制光路。

(4)打开热像仪，在工控机上对热像仪拍摄的画面进行预览。转动镜头调节焦距，使黑体炉的窗孔位于热像仪的焦点上，并将黑体炉窗孔设置为探测点。

(5)调节黑体炉温度为50℃，当黑体炉温度稳定时记录此时单波热像仪测得的图像并计算出辐射能。

(6)调节黑体炉温度从50℃到300℃，每次增加50℃，重复步骤(5)。得到从低温到高温的6组黑体炉温度T_bb1、T_bb2、T_bb3、T_bb4、T_bb5、T_bb6和对应的单波热像仪测得的辐射能S_bb1、S_bb2、S_bb3、S_bb4、S_bb5、S_bb6。

(7)根据已知的黑体炉温度和黑体炉发射率近似为1的特性，利用单波长λ₀下的斯特藩-玻尔兹曼公式

可以算出步骤(6)中6个温度T_bb1、T_bb2、T_bb3、T_bb4、T_bb5、T_bb6下黑体炉向外辐射的能量L_bb1、L_bb2、L_bb3、L_bb4、L_bb5、L_bb6，这样就可以得到6组黑体炉向外辐射的能量与单波热像仪测得的对应的能量，且S_bb＝R[k×L_bb×A_bb×h+S₀]。

(8)将步骤(7)中得到的六组热像仪向外辐射能量T_bb1、T_bb2、T_bb3、T_bb4、T_bb5、T_bb6与热像仪测得的能量S_bb1、S_bb2、S_bb3、S_bb4、S_bb5、S_bb6代入如下公式：

求出RkA_bbh和RS₀。

(9)用m表示RkA_bbh，n表示RS₀，即S_bb＝mL_bb+n。

(10)移去黑体炉，转动镜头将红外热像仪对焦至偏滤器靶板，将探测点设置为偏滤器靶板上任一点，将托卡马克装置设置为烘烤状态。

(11)当托卡马克装置的烘烤温度为130℃时测量根据红外热像仪读数得出红外热像仪测量到的辐射值。通过步骤(9)中的公式可以得出此时从托卡马克装置内部发出通过窗口进入特制光路的所有辐射L。

(12)根据发明内容所述，L由三部分构成。在实际的托卡马克环境中有：L＝εL_s(λ₀,T_s)+L_sur(λ₀,T_sur)(1-ε)。根据已知的靶板温度T_s和环境温度T_sur，通过公式

可将L_s(λ₀,T_s)和L_sur(λ₀,T_sur)算出。温度T_s时的靶板发射率便可以算出：

(13)依次设置托卡马克装置的烘烤温度为130℃、170℃、200℃、230℃、260℃、290℃，每个烘烤温度点测量一次发射率，一共在6个烘烤温度下测量托卡马克装置偏滤器靶板的发射率，测量完成后得到6组(T_s,ε)。

(14)使用非线性模型

根据6组(T_s,ε)拟合出波长λ₀下偏滤器靶板发射率ε和温度T的关系ε＝f(T)。

(15)在托卡马克装置放电时，根据步骤(9)的公式有S_s(T)＝mL+n，可以得出从托卡马克装置内部发出通过窗口进入特制光路的所有辐射L。

(16)根据步骤(12)，已知从托卡马克装置内部发出通过窗口进入特制光路的所有辐射L，可以得到如下等式：

式中，偏滤器靶板温度T_s和发射率ε为未知量，联立ε＝f(T)即可求出此时偏滤器靶板的温度T_s。

实施例1针对托卡马克装置，按照托卡马克装置烘烤及放电的环境，利用黑体炉与高温炉模拟托卡马克装置烘烤和放电过程，验证本发明的有效性。

本发明中标定黑体炉的实际测量数据，如表1所示。

表1

根据黑体炉的辐射能与单波热像仪测得的辐射能计算得出其关系式为：S_s(λ₀,T_s)＝mL+n

其中，m＝0.02776,n＝5.08737。

不同温度下，根据单波热像仪测得的辐射能计算出的样品钨片发射率数值，如表2所示。

表2

由表2可以得出温度与发射率的关系，如图3所示。

由图3拟合得到发射率与温度的关系：

在高温炉运行时，已知单波热像仪测得的辐射能，求出此时样品钨片的温度并根据上述公式计算发射率，结果如表3所示。

表3

由表3可得本发明方法测得的温度值与实际温度值的对比，如图4所示。

为了客观反映本发明方法的测温精度，还设置了采用专利CN 108168709A测量方法(简称原方法)的对比例1。

对比例1

(1)按照图2的方式将热像仪连接到特制光路的一端，特制光路的另一端连接托卡马克装置的窗口，托卡马克装置内部的辐射进入特制光路后会被热像仪探测到，热像仪由工控机控制，对热像仪的操作均在工控机上完成；

(2)将黑体炉放置在托卡马克装置内部，打开热像仪控制软件，调整好黑体炉位置，使黑体炉位于热像仪预览画面中心位置，并放置探测点；

(3)设置黑体炉温度为50℃，当黑体炉升温到50℃后稳定30分钟，然后通过热像仪记录此时画面，通过热像仪图像的灰度值计算出测量到的辐射强度，通过黑体炉温度值计算出黑体炉发出的辐射强度；

(4)调节黑体炉温度从50℃到300℃，每次增加50℃，重复步骤(3)；

(5)通过一组黑体炉发出的辐射强度与热像仪测量到的辐射强度，得到二者间的关系式；

(6)在托卡马克装置烘烤状态下，热电偶测得偏滤器靶板的真实温度，托卡马克装置内壁的温度通过水冷装置保持在20℃，通过热像仪图像的灰度值计算出此时偏滤器靶板本身以及反射的辐射强度之和，然后计算出此时偏滤器靶板的发射率；

(7)改变烘烤温度，重复步骤(6)，得到一组偏滤器靶板温度和发射率的值，由此得到发射率随温度变化的关系；

(8)在托卡马克装置放电过程中，通过热像仪图像的灰度值计算出偏滤器靶板本身以及反射的辐射强度之和，联立步骤(7)求得的发射率随温度变化的关系，计算出此时偏滤器靶板的温度。

利用高温炉加热模拟托卡马克装置的烘烤及放电过程，利用黑体炉进行标定。对比例1采用专利CN 108168709 A的测量方法，计算结果如下：

使用黑体炉标定的测量结果，如表4所示。

表4

黑体炉发出的辐射能和热像仪测得的辐射能之间的关系，如图5所示。

由图5可知，二者关系满足线性关系，关系式为：W＝a×L+b，

其中a＝0.61095，b＝36.46797；

使用高温炉模拟托卡马克装置的烘烤过程，在不同温度下根据热像仪测得的辐射能计算出的目标发射率数值，如表5所示。

表5

拟合得到温度与发射率的关系如图6所示。

温度T与发射率ε之间的关系式为：

ε＝0.000206×T+0.11623

在高温炉运行时，已知热像仪测得的辐射能，利用发射率与温度的关系式计算钨片的温度值，结果如表6所示。

表6

使用原方法测得的温度值与真实温度值的对比，如图7所示。

使用原方法和本发明方法测得的样品温度与样品真实温度的对比，如图8所示。

原方法和本发明方法的测量偏差，如表7所示。

表7

通过表7可以计算得到：使用原方法的计算结果的均方差为σ₁＝3.5897，使用本发明方法的计算结果的均方差为σ₂＝1.3928，因此本发明使用的方法计算结果准确性优于原方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.基于单波滤光的托卡马克装置偏滤器靶板温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用装有中心波长为λ₀的单波长滤光片的红外热像仪对不同温度的黑体炉进行测量，拟合出被测对象发出的辐射能与热像仪测得的辐射能在波长λ₀下的关系式；

(2)在托卡马克装置烘烤状态下使用单波热像仪对偏滤器靶板进行测量，拟合出在波长λ₀下偏滤器靶板温度和发射率的关系式；

(3)在托卡马克装置放电过程中利用热像仪测得图像的灰度值计算出此时偏滤器靶板的真实温度；

所述步骤(1)中包括以下步骤：

(a)热像仪前安装中心波长为λ₀的单波滤光片，来自托卡马克装置内部的辐射通过窗口进入特制光路，经单波滤光片滤光后波长为λ₀的辐射被热像仪测量到；将黑体炉放入托卡马克真空室内，装有单波滤光片的红外热像仪对某温度下的黑体炉进行测量时有如下方程：

S_bb(λ₀,T_bb)＝RW (1)

W＝k×L(λ₀,T_bb)×A_bb×h+S₀ (2)

其中，L(λ₀,T_bb)代表黑体炉在波长λ₀下，温度为T_bb时发出的辐射，可以根据普朗克定律定量描述为：

S_bb(λ₀,T_bb)表示热像仪探测到的辐射值；

R表示热像仪的仪器响应系数；

k表示滤光片的透光率；

A_bb表示红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积；

h表示红外辐射在特制光路中的衰减系数；

S₀是热像仪内部发出的辐射；

W表示热像仪探测到的辐射总量；

Δλ是单波滤光片的带宽；

(b)将黑体炉温度从低到高设定为6个不同温度值，即低温段T_bb1、T_bb2，中温段T_bb3、T_bb4，高温段T_bb5、T_bb6，通过记录黑体炉温度计算对应的黑体炉发出的辐射强度L_bb1、L_bb2、L_bb3、L_bb4、L_bb5、L_bb6，根据单波热像仪图片灰度值计算出单波热像仪接收到的辐射强度S_bb1、S_bb2、S_bb3、S_bb4、S_bb5、S_bb6，并有如下公式：

S_bb1＝RkA_bbh×L_bb1+RS₀ (4)

S_bb2＝RkA_bbh×L_bb2+RS₀ (5)

S_bb3＝RkA_bbh×L_bb3+RS₀ (6)

S_bb4＝RkA_bbh×L_bb4+RS₀ (7)

S_bb5＝RkA_bbh×L_bb5+RS₀ (8)

S_bb6＝RkA_bbh×L_bb6+RS₀ (9)

(c)在低温段用m₁和n₁表示RkA_bbh和RS₀，在中温段用m₂和n₂表示RkA_bbh和RS₀，在高温段用m₃和n₃表示RkA_bbh和RS₀，分别用式(10)～(15)计算：

(d)分别用m和n表示在低温、中温和高温段都适用的RkA_bbh和RS₀，m和n的计算方式如式(16)、(17)所示：

则式(1)可以写为：

S_bb(λ₀,T_bb)＝mL(λ₀,T_bb)+n (18)

式(18)就是单波热像仪测得的辐射与黑体炉发出的辐射之间的关系式；

所述步骤(2)中包括以下步骤：

(e)在托卡马克装置烘烤状态下测量靶板发射率，待测目标由黑体炉变为托卡马克偏滤器靶板，使用装有单波滤光片的红外热像仪对烘烤状态下的托卡马克装置偏滤器靶板进行测量时有：

S_s(λ₀,T_s)＝R[k×L×A_s×h+S₀] (19)

其中，S_s(λ₀,T_s)表示热像仪探测量到的辐射值；

T_s表示通过热电偶测得的托卡马克装置偏滤器靶板的真实温度；

L表示来自托卡马克装置内部通过窗口进入特制光路的辐射总量；

A_s表示烘烤过程中单波红外热像仪测量得到的图像中单个像素点所对应的目标面积；

(f)在单波热像仪测量到的图像中，其单个像素所对应的目标面积是固定值，即A_s＝A_bb，所以类似式(18)，将m＝RkA_bbh和n＝RS₀代入式(19)就可得到单波热像仪测得的辐射强度与托卡马克装置内部发出的辐射强度之间的关系式，即式(20)：

S_s(λ₀,T_s)＝mL+n (20)

即：

(g)式(21)中的L是待测靶板的辐射和干扰辐射的总和，具体包括以下三个部分：1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射；2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射；

三种辐射的计算方式如下：

1)托卡马克偏滤器靶板发出且通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s) (22)

其中，ε表示托卡马克装置偏滤器靶板在波长为λ₀，温度为T_s时的发射率；L_s(λ₀,T_s)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_s时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

2)由托卡马克装置内壁发射，经过靶板反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (24)

其中ε_sur是托卡马克装置内壁的发射率，L_sur(λ₀,T_sur)表示黑体在波长为λ₀，温度为T_sur时发出的辐射，通过普朗克定律可以得出：

3)由靶板发出的，被内壁和靶板两次反射后通过窗口的波长为λ₀的辐射：

εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (26)

(h)从托卡马克装置内部发出，通过窗口进入特质光路的辐射总量L就是上述三项之和：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+ε_surL_sur(λ₀,T_sur)(1-ε)+εL_s(λ₀,T_s)(1-ε_sur)(1-ε) (27)

式(27)可以写为：

L＝εL_s(λ₀,T_s)+L_sur(λ₀,T_sur)(1-ε) (28)

其中

将T_s和T_sur的值代入后，这两项的值均可以求出；

(i)通过式(21)和(28)即可得出托卡马克装置偏滤器靶板在波长λ₀、温度为T_s时的发射率，即：

(j)调节托卡马克装置的烘烤温度，依次设置为130℃、170℃、200℃、230℃、260℃、290℃，在每个烘烤温度点测量一次偏滤器靶板的发射率，整个过程一共在6个烘烤温度下测量托卡马克装置偏滤器靶板的发射率，测量完成后得到6组(T_s,ε)；

(k)测量并计算出6组T_s和对应的发射率ε后，使用如下的非线性模型来拟合波长为λ₀时托卡马克偏滤器靶板发射率ε和温度T的关系：

其中，a₀，a₁，a₂，a₃，a₄是待拟合的系数，将6组T_s和对应的发射率ε分别代入到式(30)的T和ε中进行非线性拟合，即可得到a₀，a₁，a₂，a₃，a₄的值，最终拟合的结果用式(31)来表示：

ε＝f(T) (31)；

所述步骤(3)中包括以下步骤：

(l)在托卡马克装置放电过程中测量偏滤器靶板温度时，通过单波热像仪可以测得辐射强度S_s(λ₀,T)，从托卡马克装置内部通过窗口进入光路的辐射总量为L，由式(20)可知单波热像仪测得的辐射强度S_s(λ₀,T)与托卡马克装置内部发出的辐射强度L之间的关系式如式(32)所示：

S_s(λ₀,T)＝mL+n (32)

(m)通过式(33)即可求出L：

(n)通过式(33)可以得出从托卡马克装置内部通过窗口进入光路的辐射L，此时式(28)中有偏滤器靶板温度和发射率两个未知量，联立式(31)即可得出此时托卡马克装置偏滤器靶板的温度。

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