CN114034394A - 一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热工测量领域，具体是指一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。
Description
技术领域
本发明涉及热工测量领域，具体是指一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统。
背景技术
准确的温度测量和控制对于生产金属、半导体和其他材料至关重要，以便在保持高质量的同时最大限 度地减少能源消耗，辐射测温是一种非接触式温度测量方法，特别适用于移动的物体，然而，目标发射率 的变化会导致温度测量出现差异，此外，辐射计无法在含有大量背景辐射噪声的高温炉中检测物体的辐射， 针对在高温炉内(例如连续退火炉)移动的光滑金属，需要开发实用辐射测温系统所需考虑的因素，为了 完成这项工作，必须解决两个问题：第一，准确建立被测金属的发射率模型；第二，消除炉子的背景辐射 噪声，针对第一个问题，我们提出了一种使用辐射偏振特性测量发射率和温度的办法来解决；针对第二个 问题，我们提出了一种安装在高温炉内的仿黑体的技术来解决。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探 测系统，包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置 与待测金属两侧。
作为改进，所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表面夹角θ≥60°。
作为改进，所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞0.02πsr。
作为改进，所述极化辐射计包括在λ＝3.9μm波长处监测P偏振和S偏振辐射的传感器，用以获得Rps， 并在λ＝2.3μm波长处检测发射率ελ(θ)。
作为改进，所述监测辐射计内部设有灵敏度为2.3μm的传感器，所述传感器用于检测高温炉内的热辐 射自然加热时仿黑体温度T2，所述仿黑体材质为耐热材料氧化铝或碳化硅。
采用以上结构后，本发明具有如下优点：
通过对被测金属的发射率补偿及消除炉子的背景辐射噪声，从而提高了高温炉内(如连续退火炉)移 动的具有光滑表面的金属的温度测量精度。
附图说明
图1确定发射率ελ(θ)和Rps之间特性曲线的实验装置；
图2用于测量立体角dΩ和噪声因子Nr的实验装置；
图3是辐射测量管安装使用状态示意图。
具体实施方式
结合附图1，一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，包括设置于高温炉内部的仿 黑体、待测金属、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。
作为本实施例较佳实施方案的是，所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表 面夹角θ≥60°。
作为本实施例较佳实施方案的是，所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞ 0.02πsr。
作为本实施例较佳实施方案的是，所述极化辐射计包括在λ＝3.9μm波长处监测P偏振和S偏振辐射 的传感器，用以获得Rps，并在λ＝2.3μm波长处检测发射率ελ(θ)。
作为本实施例较佳实施方案的是，所述监测辐射计内部设有灵敏度为2.3μm的传感器，所述传感器用 于检测高温炉内的热辐射自然加热时仿黑体温度T2，所述仿黑体材质为耐热材料氧化铝或碳化硅。
本发明在具体实施时
1.发射率补偿方法：
设T是金属样品的温度，Ep(θ)是p偏振辐射信号，该信号由样品发射并由辐射计检测到，该信号由 样品发射并由辐射计检测到，该辐射计包括在样品表面法线的方向θ上的p偏振器，如此一来，以下等式 成立:
Ep(θ)＝kpεp(θ)Lλ，b(T) (1)
其中，εp(θ)是样品在波长λ和方向θ下的p偏振发射率，kp是将p偏振辐射转换为电输出信号Ep(θ) 的常数，L入，b(T)和波长λ下黑体的光谱辐射强度。
类似地，s偏振辐射信号Es(θ)可以通过等式2获得:
Es(θ)=Ksεs(θ)Lλ,b(T) (2)
在这个方程中，Es(θ)是样品在波长λ下的s偏振发射率，ks是将s偏振辐射转换为电输出信号Es(θ) 的常数，
等式1和2的比值如下所示:
由于k＝kp/ks是一个常数，p偏振发射率与s偏振发射率的比值Rps＝εp(θ)/εs(θ)可以从Ep(θ) 与Es(θ)测量值中通过实验推导出，如果金属样品在加热过程中的光谱发射率ελ(θ)与比值Rps之间存在一一 对应关系，则可以通过测量比值Rps来获得样品的发射率ελ(θ)。
2.高温炉内的测量方法
附图2显示了在高温炉中测量物体温度和发射率的实验装置，安装在炉内的黑体辐射器和炉外的辐射 计对称放置，与样品表面的法线n成θ角，设T1、T2和T3分别为样品、黑体辐射器和炉壁的温度，由配 备p偏振器的辐射计检测到的辐射信号Ep用以下公式描述：
Ep＝kp{εp(θ)Lλ，b(T1)+qp[1-εp(θ)]Lλ，b(T2)+NP，rLλ，b(T3)} (4)
公式4右侧的第一项是辐射计检测到的在温度T1下离开样品的辐射信号，第二项是在温度为T2时离 开黑体，从样品反射，然后被辐射计检测到的信号，第三项是在温度为T3时离开炉壁、从样品反射、然后 被辐射计检测到的辐射信号，qp(0≤qp≤1)是代表样品p偏振镜面反射特性程度的系数，Np，r是代表样品p 偏振漫反射特性的噪声因子。
令：
Ep，λ，b(Ti)＝kpLλ，b(Ti)，i＝1，2，3， (5)
其中，Ep，λ，b(Ti)是温度Ti下p偏振光谱黑体辐射的电输出信号。
类似地，由配备有s偏振器的辐射计检测到的辐射信号Es和Es，λ，b(Ti)被描述为如下：
Es＝ks{εs(θ)Lλ，b(T1)+qs[1-εs(θ)]Lλ，b(T2)+Ns，rLλ，b(T3)} (6)
Es，λ，b(Ti)＝ksLλ，b(Ti)，i＝1，2，3， (7)
其中，ks，εs(θ)，qs和Ns，t是对应于p偏振值kp，εp(θ)，qp，和Np，r的因子，类似地 Es，λ，b(Ti)对应于Ep，λ，b(Ti)。
当温度T1、T2、T3等于T’时，等式7中的系统达到热平衡状态后，黑体条件分别以如下形式将等式 4和6变为等式8和9，
Ep，λ，b(T)＝kpLλ，b(T)
＝kp{εp(θ)Lλ，b(T)+qp[1-εp(θ)]Lλ，b(T)+Np，rLλ，b(T)} (8)
Es，λ，b(T)＝ksLλ，b(T)
＝ks{εs(θ)Lλ，b(T)+qs[1-εs(θ)]Lλ，b(T)+Ns，rLλ，b(T)} (9)
根据等式8和9中的关系，等式10和11分别如下成立：
Np，r＝(1-qp)[1-εp(θ)] (10)
Ns，r＝(1-qs)[1-εs(θ)] (11)
由于与光泽不锈钢(SUS430)的镜面反射系数qp和qs相比，噪声因子Np，r和Ns，r小到可以忽不计，因此 可以忽略等式4和6右侧的第三项，它们可以改写为如下：
Ep-kpqpLλ，b(T2)＝kpεp(θ)[Lλ，b(T1)-qpLλ，b(T2)] (12)
Es-ksqsLλ，b(T2)＝ksεs(θ)[Lλ，b(T1)-qsLλ，b(T2)] (13)
构建等式12与13的比值得到：
当试样的表面不规则是随机的时(如不锈钢)，系数qp和qs相等，可以改写为q＝qp＝qs。因此，等式14 可以表示为如下：
如果系数q已知，则可以测量和计算等式15左侧的每一项，而公式右侧的比率Rps则是唯一未知数。这 表明当使用仿黑体辐射器时，即使在高温炉中，等式3中的发射率补偿原理也是可用的。
一旦使用等式15中描述的εp(θ)和Rps之间的关系计算p发射率εp(θ)，就可以通过将等式4 除以εp(θ)推导出以下等式：
这里的温度T是根据公式16右侧第一行的可测量计算得出的。该值包括由Np，rEp，λ，b(T3)/εp(θ)引起的 误差值ΔT，该值表示在等式右侧的第二行，为了减小这个测量误差，AT＝Ta-T1，立体角dΩ，即试样表面 上一个测量点对着的伪黑体的孔径应该设计得尽可能宽，同样，计算出的温度Ta也可以从补偿后的s发 射率εs(θ)导出，如公式17所示。下面的值包括由Ns，tEs，λ，b(T3)/εs(θ)引起的误差ΔT＝Ta-T1：
3.仿黑体的设计
图2所示的实验装置是通过研究立体角dΩ和噪声因子Nr之间的关系来估计背景辐射噪声，除 了小孔外，天花板和墙壁都是黑色涂漆钢板，有效发射率为0.95。壁温保持在T3。假设其中一个孔 径是室温下包含立体角d的伪黑体。另一个孔径供炉外辐射计用来测量背景辐射噪声辐射亮度AE,。 将直径88mm的不锈钢板试样放置在炉底。试样背面通过水循环冷却，使其保持在室温。例如，当炉 壁温度为923K时，试件表面温度可保持在313K以下。两种类型的不锈钢板(SUS430)用作确定噪声系 数N,的试样。这些片材预先在900K和1300K下加热和氧化。选择这些温度以反映实际加工温度的限 制。表Ⅰ显示了两个样品的发射率,分别在900K和1300K工作温度下标记为样品1和样品2。这些实 验中使用的辐射计将辐射检测为△E3＝NrEb(T3)。使用该关系，可以这样获得噪声因子Nr:
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方 式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造 宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：包括设置于高温炉内部的仿黑体、极化辐射计及监测辐射计，所述仿黑体与极化辐射计对称设置与待测金属两侧。
2.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述仿黑体与极化辐射计测量镜头孔径中心轴线与待测金属测点表面夹角θ≥60°。
3.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述待测金属表面的测量点朝向仿黑体测量孔径的立体角dΩ＞0.02πsr。
4.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述极化辐射计包括在λ＝3.9μm波长处监测P偏振和S偏振辐射的传感器，用以获得Rps，并在λ＝2.3μm波长处检测发射率ελ(θ)。
5.根据权利要求1所述的一种高温炉内金属温度及发射率测量的红外偏振探测系统，其特征在于：所述监测辐射计内部设有灵敏度为2.3μm的传感器，所述传感器用于检测高温炉内的热辐射自然加热时仿黑体温度T2，所述仿黑体材质为耐热材料氧化铝或碳化硅。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117871425A (zh) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 长春理工大学 | 热辐射效应的目标短波红外全偏振特性测量装置及其方法 |
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