CN115752740A - 一种基于红外辐射的火工品温度测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，属于烟火剂测试和试验技术领域。所述测试系统通过单、双色红外辐射测温仪接收温度信号再由RS485串口通讯传输至计算机内部，利用专用测温程序完成信号采样、锁定测试数据最大值、并存储测试数据；进行测试数据曲线绘制及分析；进行测试数据曲线截取、拉伸、恢复；进行测试数据的计算、显示测试数据平均值、最大值、作用时间、最大值对应时刻功能；最终生成数据报表、曲线图。相比较于现有技术，本发明能够以非接触式方式进行测温，不破坏被测温场，可消除粉尘、烟雾、水汽等带来的影响。

Description

一种基于红外辐射的火工品温度测试系统

技术领域

本发明属于火工品、火工药剂、烟火剂测试和试验技术领域，具体涉及一种基于红外辐射的火工品温度测试系统。

背景技术

目前，本领域内基于红外辐射原理对火工品及烟火元件燃烧时超高温度，没有相应的测量手段和方法，对硬件的技术参数和软件的功能也没有规定，缺少一套完整的基于红外辐射的火工品温度测量系统。

现行的军用标准用于火工品及烟火药剂燃烧火焰温度测定是采用热辐射法和热电偶法。

热辐射法是根据物体的热辐射效应测量物体表面温度的方法。被测物体发射的热辐射能量，经过透镜聚集在热敏元件上转换成热电动势。物体在不同的表面温度下发射出的热辐射能量也不相同，产生的热电动势也随之改变，从已知的热电动势与物体表面温度之间的关系，就可以确定被测物体的表面温度。适用于持续燃烧过程中稳定火焰的温度测定。

热电偶法，由钨铼快速热电偶、测温枪、补偿导线和微机数字测温仪组成，如图1所示。传感器选用W－Re3/25热电偶，由一对直径为0.2mm的偶丝组成，偶丝经出厂检定后给出分度值。分度值固化在微机数字测温仪程序内，使其直接显示火焰温度值。测量时采用裸头测量，为防止由于燃烧产物对热电偶头部氧化污染而造成测量误差，每支热电偶一次性使用，热电偶的冷端为室温。适用于燃烧火焰和高温产物的温度测定。

现有的这两种测温技术都存在不同的缺陷和不足。其中热辐射法受被测物发射率影响，在实际测试中，常约定烟火制品发射率≈1，可以近似计算；响应时间较长，要求燃烧时间不低于4秒，采样速率较低；无法测量700℃以下温度，仅适合测量火焰，适用范围小；视场较小，受粉尘、烟雾、水汽等影响较大；测量前，需调节探测器物镜瞄准被测目标，试验过程，不能调节镜头，否则会偏出视场。而对于热电偶法，其仅适合点源温度测量，且只能获取局部温度的变化；传感器偶丝直径较细，在测量过程，极易受外界干扰，如：高温产物形成的残渣和氧化物等附着在偶丝表面，会大大降低测量的真实温度；对于爆燃、冲击、剧烈燃烧，会使偶丝断裂，无法测量；测温方式为接触式测温，在一定程度上会破坏温场。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，实现对火工品及烟火元件燃烧时产生的高温进行测量、数据存储、分析及报表输出的功能。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，温度测试系统的硬件部分包括单色红外辐射测温仪、双色红外辐射测温仪、电源模块、RS485转USB通讯电缆、仪器三脚架、笔记本电脑；软件部分为专用测温程序；

单色红外辐射测温仪和双色红外辐射测温仪分别通过RS485转USB通讯电缆与电源模块相连接；RS485转USB通讯电缆的串行端口与电源模块上的RS485通讯端口相连接；单色红外辐射测温仪和双色红外辐射测温仪分别安装在仪器三脚架上；三脚架可调节仪器的俯仰、水平角度，以瞄准被测目标；RS485转USB通讯电缆的USB端口与笔记本电脑相连接；

单色红外测温仪用于火焰温度测量，双色红外测温仪用于燃烧后的高温熔渣温度测量，数据采集依靠双通道串口通讯，同时对两个测温仪的温度数据进行读取，并实时显示；

专用测温程序设置于计算机中，完成信号采样、锁定测试数据最大值、并存储测试数据；进行测试数据曲线绘制及分析；进行测试数据曲线截取、拉伸、恢复；进行测试数据的计算、显示测试数据平均值、最大值、作用时间、最大值对应时刻功能；最终生成数据报表、曲线图；

专用测温程序按如下流程完成测试：

按照相关协议要求，向温度测试系统的硬件发送测试数据读取指令；

接收进制响应，并转化为温度数据，实现测试数据的采集；

将测试数据暂存至双精度数组内，并实时计算测试数据的最大值；

停止测试数据采集后，将采集到的测试数据保持至文本文档内；

调用文本文档中保存的测试数据，以时间为横轴、温度为纵轴；绘制测试数据温度变化曲线；

对温度变化曲线进行截取、拉伸、恢复、并计算测试数据平均值，实现对测试数据的分析和处理；

以规定表样的形式，生成数据报表与曲线图。

进一步的，受试品红外测温仪的物镜与被测目标中心的距离按公式(1)计算：

L＝K×D (1)

式中：

L—红外测温仪物镜与被测目标中心的距离，单位：米(m)；

K—红外测温仪的距离系数；

D—被测目标的直径，单位：米。

进一步的，受试品被测温度按公式(2)计算：

式中：

T—被测温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_P—红外测温仪输出的温度值，单位：摄氏度(℃)；

ε—被测目标发射率(ε≈1)。

进一步的，按公式(3)计算受试品测量读数的算术平均温度值，并将该平均值作为最终的测量结果：

式中：

T_Aver—平均温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_i—第i时刻的温度值，单位：摄氏度(℃)；

m—温度数据总数。

进一步的，温度测试系统的测试步骤如下：

步骤1火工品温度测试试验准备

1.1将受试品放置在试样座上，根据受试品燃烧温度范围选择合适的单红外测温仪、双红外测温仪，分别固定在三角架上；

1.2确定红外测温仪的物镜与被测目标中心的距离；

1.3调节单红外测温仪和双红外测温仪的架设高度、方位和俯仰角，保证被测目标温场能充满测温仪的视场，使红外测温仪能够充分地接受到热辐射能量；

1.4红外测温仪通电预热，在专用测温程序中输入试样名称，预备待测；

步骤2、受试品温度测试

2.1将受试品装入卡具，放置在燃烧塔内的试样座上，启动专用测温程序后点燃受试品；

2.2受试品燃烧产生火焰，专用测温程序自动运行采集数据并开始计时，直至受试品冷却，温度降至受试品技术指标规定温度时，停止采集并终止计时，存储温度数据；

步骤3试验数据的处理

3.1受试品被测温度的计算；

3.2根据受试品高温持续时间及所对应的温度，绘制温度—时间曲线，计算受试品测量读数的算术平均温度值，并将该算术平均值作为最终的测量结果。

本发明的有效收益如下：

1、相比较于现有技术，本发明能够以非接触式方式进行测温，不破坏被测温场，可消除粉尘、烟雾、水汽等带来的影响；

测量范围较宽，可达3000℃，可测量高温辐射，且适用范围较广。响应时间短，采样速率较高。视场较大，测量过程中，被测目标不易偏出视场。

附图说明

图1为现有技术中钨铼热电偶测温装置示意图；

图2为本发明硬件连接示意图：

图3为本发明硬件、软件组成结构示意图；

图4为本发明实施例燃烧剂燃烧过程示意图；

图5为本发明实施例单双色测温仪测量温度随时间的变化曲线示意图；

图6为本发明实施例不同受试品火焰温度、熔渣温度的变化趋势示意图。

其中，1-笔记本电脑、2-RS485转USB通讯电缆、3-电源模块、4-仪器三脚架、5-单色红外辐射测温仪、6-双色红外辐射测温仪、7-受试品

具体实施方式

本发明基于红外辐射测温技术，根据维恩位移定律，当温度升高时，其光谱辐射峰值波长会向短波方向移动。红外传感器接收典型红外波段下的辐射能量，遵循黑体辐射定律相关公式，转化为温度值。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的解释和说明。

本发明的硬件部分如图2所示，包括单色红外辐射测温仪、双色红外辐射测温仪、电源模块、RS485转USB通讯电缆、仪器三脚架、笔记本电脑；软件部分为专用测温程序；软硬件整体示意如图3所示。

单、双色红外辐射测温仪通过电缆与电源模块相连接；RS485转USB通讯电缆的串行端口与电源模块上的RS485通讯端口相连接；单色红外辐射测温仪和双色红外辐射测温仪分别安装在仪器三脚架上，三脚架可调节仪器的俯仰、水平角度，以瞄准被测目标；RS485转USB通讯电缆的USB端口与笔记本电脑相连接；

为了适应不同的被测目标，单、双色红外辐射测温仪采用双通道红外辐射测温方式，实现对不同目标的温度测量。将单色红外测温仪作为火焰温度测量使用，双色红外测温仪作为燃烧后的高温熔渣温度测量使用，数据采集工作站依靠双通道串口通讯，同时对两个测温仪的温度数据进行读取，并实时显示。为了便于温度数据采集，单、双色红外辐射测温仪响应时间最低可达20ms，发射率可根据被测目标进行调节，测试距离由被测目标尺寸按照距离系数进行计算得出。为了实现对超高温度的测量，单、双色红外辐射测温仪的温度测量上限可以达到3000℃。

为了便于数据传输，RS485转USB通讯电缆将RS485串行通讯端口转换为通用USB接口，便于与记本电脑相连接。

专用测温程序采用Microsoft Visual Studio C#开发平台，具备信号采样、锁定最大值、存储功能；具备测试数据曲线绘制及分析功能；具备数据曲线截取、拉伸、恢复功能；具备计算、显示数据平均值、最大值、作用时间、最大值对应时刻功能；具备生成数据报表、曲线图功能。

专用测温程序实现流程如下：

RS485转USB通讯电缆驱动程序安装；

按照Modbus协议要求，向温度测试系统的硬件发送测试数据读取指令；

接收16进制响应，并转化为温度数据，实现采集功能；

将温度数据暂存至双精度数组内，并实时计算测试数据的最大值；

停止测试数据采集后，将采集到的测试数据保持至文本文档内；

调用文本文档中保存的测试数据，以时间为横轴、温度为纵轴；绘制测试数据温度变化曲线；

对温度变化曲线进行截取、拉伸、恢复、并计算测试数据平均值，实现对测试数据的分析和处理；

以规定表样的形式，生成数据报表与曲线图。

一种基于红外辐射的火工品温度测试系统的工作步骤如下：

步骤1火工品温度测试试验准备

1.1将受试品放置在试样座上，根据受试品燃烧温度范围选择合适的单、双红外测温仪，分别固定在三角架上，检查红外测温仪物镜，应清洁。

1.2红外测温仪的物镜与被测目标中心的距离按公式(1)计算：

L＝K×D (1)

式中：

L—红外测温仪物镜与被测目标中心的距离，单位：米(m)；

K—红外测温仪的距离系数；

D—被测目标的直径，单位：米(m)。

1.3调节单、双红外测温仪的架设高度、方位和俯仰角，保证被测目标温场能充满测温仪的视场，使红外测温仪能够充分地接受到热辐射能量。

1.4红外测温仪通电预热15min，开启测试程序，输入试样名称，预备待测。

步骤2、火工品温度测试流程

2.1将受试品装入卡具，放置在燃烧塔内的试样座上，启动专用测试程序，点燃受试品；

2.2受试品燃烧产生火焰，测试程序自动运行采集数据并开始计时，直至受试品冷却，温度降至受试品技术指标规定温度时，停止采集并终止计时，存储温度数据；

步骤3试验数据的处理

3.1受试品被测温度按公式(2)计算：

式中：

T—被测温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_P—红外测温仪输出的温度值，单位：摄氏度(℃)；

ε—被测目标发射率(ε≈1)。

3.2根据受试品高温持续时间及所对应的温度，绘制温度—时间曲线，按公式(3)计算受试品测量读数的算术平均温度值，并将该平均值作为最终的测量结果：

式中：

T_Aver—平均温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_i—第i时刻的温度值，单位：摄氏度(℃)；

m—温度数据总数。

实施例1

将单色红外测温仪作为火焰温度测量使用，双色红外测温仪作为燃烧后的高温熔渣温度测量使用，数据采集工作站依靠双通道串口通讯，同时对两个测温仪的温度数据进行读取，并实时显示。

受试品选取具有纵火能力，燃烧后产生一定烟火毁伤效果的燃烧剂。按照不同的药剂成分配比，试制了9种不同样品，每种各5发受试品，进行火焰与高温产物的测量。受试品制备高度在5.7mm左右，重量在3.5g左右，试验过程记录每发受试品的初始重量和燃烧后的残渣重量，火焰温度、熔渣温度、燃烧时间，并录制受试品燃烧状态。

受试品点燃后，发出2～4秒的火焰，之后形成熔融状态的高温产物，燃烧过程，如图4所示。

由于是试验方案阶段，制备的受试品药量较少，燃速较快，温度维持时间较短，所以短时间内温度下降快，但红外测温仪的响应时间较短，能够捕捉到有效的数据量。数据保存后，可以回调试验数据，查看受试品燃烧状态，如图5所示。

从曲线可以看出，温度下降较快，由于药量较少，温度不能维持较长时间，若增加药量会提升高温持续时间，以保证纵火效果。

将9种样品的试验数据进行统计整理，可以看出，火焰最高温度基本维持在1500℃以上，在1650℃左右，高温熔渣最高温度维持在1400℃左右，不低于1200℃，如表1所示。

表1试验数据表

分别对火焰温度和熔渣温度进行了图表分析，结果如图6所示。

从9个样品的温度来看，高温产物的温度差异不大，其中样品8的平均熔渣温度最高，在1464.4℃。在这里要说明一下，所有的温度数据都是按照发射率为1时计算得到的，在对火工烟火药剂温度测量时，认为烟火药剂为灰体，其发射率默认为1，若能明确其发射率，测量的温度数据将更接近真值。由此发明能够以非接触式方式进行测温，不破坏被测温场，可消除粉尘、烟雾、水汽等带来的影响，测试系统测温上限可达3000℃，温度分辨率为1℃。

Claims (5)

1.一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，其特征在于，所述温度测试系统的硬件部分包括单色红外辐射测温仪、双色红外辐射测温仪、电源模块、RS485转USB通讯电缆、仪器三脚架、笔记本电脑；软件部分为专用测温程序；

所述单色红外辐射测温仪和双色红外辐射测温仪分别通过RS485转USB通讯电缆与电源模块相连接；RS485转USB通讯电缆的串行端口与电源模块上的RS485通讯端口相连接；单色红外辐射测温仪和双色红外辐射测温仪分别安装在仪器三脚架上；三脚架可调节仪器的俯仰、水平角度，以瞄准被测目标；RS485转USB通讯电缆的USB端口与计算机连接；

所述单色红外测温仪用于火焰温度测量，所述双色红外测温仪用于燃烧后的高温熔渣温度测量，数据采集依靠双通道串口通讯，同时对两个测温仪的温度数据进行读取，并实时显示；

所述专用测温程序设置于计算机中，完成信号采样、锁定测试数据最大值、并存储测试数据；进行测试数据曲线绘制及分析；进行测试数据曲线截取、拉伸、恢复；进行测试数据的计算、显示测试数据平均值、最大值、作用时间、最大值对应时刻功能；最终生成数据报表、曲线图；

所述专用测温程序按如下流程完成测试：

按照相关协议要求，向温度测试系统的硬件发送测试数据读取指令；

接收进制响应的温度信号，并转化为温度的测试数据，实现测试数据的采集；

将测试数据暂存至双精度数组内，并实时计算测试数据的最大值；

停止测试数据采集后，将采集到的测试数据保持至文本文档内；

调用文本文档中保存的测试数据，以时间为横轴、温度为纵轴；绘制测试数据温度变化曲线；

对温度变化曲线进行截取、拉伸、恢复、并计算测试数据平均值，实现对测试数据的分析和处理；

以规定表样的形式，生成数据报表与曲线图。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，其特征在于，所述受试品红外测温仪的物镜与被测目标中心的距离按公式(1)计算：

L＝K×D (1)

式中：

L—红外测温仪物镜与被测目标中心的距离，单位：米(m)；

K—红外测温仪的距离系数；

D—被测目标的直径，单位：米。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，其特征在于，所述受试品被测温度按公式(2)计算：

式中：

T—被测温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_P—红外测温仪输出的温度值，单位：摄氏度(℃)；

ε—被测目标发射率(ε≈1)。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，其特征在于，所述测试数据平均值如下计算，按公式(3)计算受试品测量读数的算术平均温度值，并将该平均值作为最终的测量结果：

式中：

T_Aver—平均温度值，单位：摄氏度(℃)；

T_i—第i时刻的温度值，单位：摄氏度(℃)；

m—温度数据总数。

5.根据权利要求1-4任一所述一种基于红外辐射的火工品温度测试系统，其特征在于，所述温度测试系统的测试步骤如下：

步骤1火工品温度测试试验准备

1.1将受试品放置在试样座上，根据受试品燃烧温度范围选择合适的单红外测温仪、双红外测温仪，分别固定在三角架上；

1.2确定红外测温仪的物镜与被测目标中心的距离；

1.3调节单红外测温仪和双红外测温仪的架设高度、方位和俯仰角，保证被测目标温场能充满测温仪的视场，使红外测温仪能够充分地接受到热辐射能量；

1.4红外测温仪通电预热，在专用测温程序中输入试样名称，预备待测；

步骤2、受试品温度测试

2.1将受试品装入卡具，放置在燃烧塔内的试样座上，启动专用测温程序后点燃受试品；

2.2受试品燃烧产生火焰，专用测温程序自动运行采集数据并开始计时，直至受试品冷却，温度降至受试品技术指标规定温度时，停止采集并终止计时，存储温度数据；

步骤3试验数据的处理

3.1受试品被测温度的计算；

3.2根据受试品高温持续时间及所对应的温度，绘制温度—时间曲线，计算受试品测量读数的算术平均温度值，并将该算术平均值作为最终的测量结果。

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