CN1584521A - 一种参与性介质遮蔽高温表面的辐射测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种修正参与性介质影响的辐射测温方法。当受到参与性介质影响时，通过建立辐射测温正、反问题模型及辐射测温反问题迭代算法，借助介质辐射特征的相关辅助信息，实现对辐射测温仪在参与性介质影响下的实际测量温度值进行反演修正，得到被测表面温度。其特征在于：设计参与性介质影响下辐射测温问题的物理模型，建立相应的数学模型及数值求解方法，并针对测温模型定义辐射测温正、反问题，最后开发出由测温仪实测温度值反演被测表面真实值的预测－校正迭代算法。其优点在于：当被测表面受到参与性介质干扰时，可以实现对辐射测温仪的实际测量值进行反演修正，得到更为准确的被测表面温度。

Description

一种参与性介质遮蔽高温表面的辐射测温方法

技术领域

本发明属于冶金工业生产过程测温技术领域，提供了一种有参与性介质遮蔽时准确测定高温物体表面温度的辐射测温方法。适用于轧钢加热炉、连铸二冷区等冶金生产过程中的测温。

背景技术

在工业生产过程中，当被测物体表面受到辐射、吸收和散射性参与介质的遮盖时，辐射测温方法的测温准确性会大大降低，所测得的温度并不是被测表面的真实温度。如在轧钢加热炉中，二氧化碳、水蒸气以及悬浮颗粒等燃烧产物的存在，对板坯表面温度测量的准确性影响很大；在连铸二冷区，汽雾冷却或喷水冷却使得铸坯表面附近存在大量水蒸气或含有液滴的水雾介质，从而不仅增大了测温困难，并且降低了温度测量的准确性。因此，参与性介质遮蔽的高温表面辐射测温方法的准确性问题是广泛存在于工业生产过程中的共性问题。

随着电子、计算机技术的发展及半导体材料科学的进步，辐射测温技术的发展很快，但对辐射、吸收和散射性介质遮蔽表面的辐射测温问题却一直没有得到很好的解决，主要困难在于对参与性介质对辐射测温方法的影响机理认识不够深入，从而无法找出避免或消除其干扰的有效方法。

为了解决这一问题，现有技术中的主要方法是利用辅助设施设法避开参与性介质的影响。如使用光导纤维使探测器最大限度地接近被测表面，或利用压缩空气吹扫器吹开参与性介质的遮蔽层，或使用特殊滤光片消除参与性介质的干扰。但是，光导纤维方法往往受到测量成本和测量空间等因素的限制，清扫光路会降低被测表面的温度，而特殊滤光片又无法避开具有连续发射、吸收或散射辐射特征的参与性介质的影响。因此，从参与性介质对辐射测温方法的影响机理出发，开发新的提高辐射测温准确性的方法具有非常重要的意义。

中国知识产权出版社公开的第01141418.9号专利中提出的连铸二冷区铸坯表面温度的准确测定方法是参与性介质影响下辐射测温方法的一个探索。该方法是在某一时间间隔内对表面温度进行连续测取与记录，然后处理所测温度数据，取出其中最大值作为被测表面的真实温度。该方法的基本原理是认为当铸坯表面未被水蒸汽、水雾等参与性介质遮盖时辐射测温仪的测量温度是最大的，且测温过程中在一定的时间段内经过测温仪目标靶点的铸坯表面会出现不被介质遮盖的瞬间，连续测温的方法可以捕获这一瞬间的铸坯表面温度。可以看出，该发明实质上也是从避开参与性介质的影响来提高测温准确性这一思路出发的。但需要指出的是，该发明中并没有给出辐射测温仪的种类。事实上，受到参与性介质的影响，辐射测温仪的测量偏差与测温仪的种类是密切相关的。通常，单色测温仪的测量值比真实温度偏低，而比色辐射测温仪的测量值可能高于也可能低于真实温度。因此，以连续测温中获得的最大值作为被测表面真实温度的方法还需进一步探讨。

发明内容

本发明的目的在于提供一种当受到参与性介质影响时用辐射测温方法准确测定高温物体表面温度的方法。基本思路不是避开参与性介质的影响，而是从参与性介质的辐射换热机理出发，通过建立辐射测温正、反问题数学模型及辐射测温反问题迭代算法， 借助参与性介质辐射特征的辅助信息，实现对参与性介质影响所造成的测量温度偏差的修正，达到提高辐射测温准确性的目的。

本发明采用的方法是：首先设计参与性介质影响下辐射测温问题的物理模型，然后建立相应的数学模型及数值求解方法，并针对该测温模型定义辐射测温正、反问题，最后给出由测温仪测量值反演被测表面真实值的预测-校正迭代算法。具体步骤如下：

首先，根据测温对象的要求和特点，将被测表面考虑为一个平面。为了简化问题的复杂性，将测量系统的周围环境也模化为平面。这样，在测量空间范围内，被测表面与周围环境构成的测温问题被简化为其间存在参与性介质的无限大平行平板间的辐射换热问题。如图1所示，高温表面代表被测表面，低温表面代表周围环境，测温仪正对高温表面放置，距表面距离可任意调整。由于辐射测温仪的响应时间远远小于生产过程中被测表面的温度变化时间，所以测温过程是稳态的。忽略两平板间辐射参与性介质的对流与导热，则测温过程是一个辐射平衡问题。

针对本发明所建立的辐射测温物理模型，相应数学模型由参与性介质的辐射换热模型与辐射测温仪模型组成，图2为无限大平行平板测温体系的辐射换热示意图。参与性介质的辐射换热模型由辐射传递方程、辐射边界条件和辐射平衡能量方程组成，其中辐射边界条件与边界表面的辐射特征有关，冶金工业中被测金属板(铸)坯表面为不透明的漫辐射表面。辐射测温仪模型的基本依据为普朗克定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律，与测温仪的类型有关，本发明包括单色、比色和全辐射测温仪三种。

参与性介质的辐射换热模型为：

$\mathrm{\μ}\frac{\∂I(x,\mathrm{\μ})}{\∂x}=k_a{I}_b-k_{e}I(x,\mathrm{\μ})+\frac{k_s}{2}{\∫}_{-1}^1\mathrm{\Φ}(\mathrm{\μ},{\mathrm{\μ}}^{\′})I(x,{\mathrm{\μ}}^{\′})d{\mathrm{\μ}}^{\′}$ (辐射传递方程)        (1)

${\∫}_0^{\∞}{k}_{\mathrm{\λa}}[4\mathrm{\π}{I}_{\mathrm{b\λ}}\left(x\right)-G_{\mathrm{\λ}}\left(x\right)]\mathrm{d\λ}=0$ (辐射平衡能量方程)    (3)

辐射测温仪模型为：

$E_v\left(T_x\right)=\frac{2\mathrm{\πh}{c_0}^2{v}^3}{n^2[\exp \left(\frac{{\mathrm{hc}}_{0}v}{{\mathrm{nkT}}_x}\right)-1]}$ (单色辐射测温仪模型)                      (4)

$\frac{E_{v1}\left(T_x\right)}{E_{v2}\left(T_x\right)}={\left(\frac{v_1}{v_2}\right)}^3\·\frac{{\left\{\exp \right[{\mathrm{hc}}_0{v}_1/\left({\mathrm{nkT}}_x\right)]-1\}}^{-1}}{{\left\{\exp \right[{\mathrm{hc}}_0{v}_2/\left({\mathrm{nkT}}_x\right)]-1\}}^{-1}}$ (比色辐射测温仪模型)                      (5)

$E_{0~\∞}\left(T_x\right)=n^2{{\mathrm{\σT}}_x}^4$ (全辐射测温仪模型)                        (6)

式中：

I---辐射强度；

k_a、k_s、k_e---参与性介质的吸收、散射和衰减系数；

Φ---相函数；

μ---方向余弦，μ＝cosθ；

T₁、T₂---被测表面及周围环境的温度；

ε₁、ε₂---被测表面及周围环境的黑度；

ρ₁、ρ₂---被测表面及周围环境的反射率，

           对不透明的漫灰表面有ε₁+ρ₁＝1，ε₂+ρ₂＝1；

G---投射辐射， $G\left(x\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_{-1}^{1}I(x,\mathrm{\μ})\mathrm{d\μ};$

L---介质层厚度；

E---辐射力；

n---介质折射率；

T_x---亮度温度、比色温度或辐射温度；

c₀---真空中的光速，2.99792458×10⁸m/s；

h---普朗克常数，6.6262×10^-34J·s；

k---玻尔兹曼常数，1.380662×10^-23J/K；

c₁---普朗克第一辐射常数，3.741832×10⁸W·μm⁴/m²；

c₂---普朗克第二辐射常数，1.4388×10⁴μm·K；

v---波数；

λ---波长；

b---下标，代表黑体。

当被测表面温度T₁和周围环境温度T₂已知时，联立求解方程组(1)-(3)，即可得到介质内部温度T与辐射强度I的分布，进而得到辐射测温仪接收的辐射能量E，最后通过求解方程(4)-(6)得到三种测温仪的温度“测量值”T_x。在本发明中，将上述由被测表面温度求解辐射测温仪温度“测量值”的问题称为辐射测温正问题。

在本发明中，辐射传递方程采用离散坐标法求解；对具有选择性辐射特征的气体介质，介质辐射特征参数采用谱带模型求解；对具有连续发射、吸收或散射特征的粒子介质，介质辐射特征采用Mie散射理论求解。特别需要指出的是，气体介质的气压、浓度或粒子介质的粒度分布等将作为辅助信息输入测量系统。

此外，考虑到任何实际观测到的辐射都是由一定宽度的光谱带组成，辐射测温仪的灵敏元件也要求一定光谱区域的足够辐射能量，否则会由于能量太小无法作出响应，即实际测温仪的工作波长一般位于一个光谱响应范围内。因此本发明采用微小谱带积分方法处理参与性介质随光谱强烈变化的非灰辐射特征。

在上述辐射测温正问题的基础上，本发明定义了由辐射测温仪的实际测量值反演被测表面真实温度的辐射测温反问题，反问题的求解采用预测-校正迭代算法。

辐射反问题预测-校正迭代算法的具体求解步骤为：

(1)输入被测表面与周围环境的辐射特性参数、参与性介质的厚度及其辐射特征参数等；

(2)输入环境温度值与测温仪实际测量值；

(3)估计被测表面温度的真实值；

(4)利用正问题模型计算测温仪的温度“测量值”；

(5)将(4)得到的“测量值”与(2)输入的测温仪实际测量值进行比较，如果其差值满足预先给定的精度，则终止计算，输出(3)估计的真实值；若不满足，则给定一个松弛因子修正由(3)估计的被测表面温度的真实值；

(6)重复(4)至(5)。

本发明的优点在于：当被测表面受到参与性介质干扰时，可以实现对辐射测温仪的实际测量值进行反演修正，最终得到更为准确的被测表面温度。这一发明为开发工业生产条件下自动修正测温环境干扰的高温物体表面温度在线辐射测温技术奠定了基础，具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明参与性介质影响下辐射测温问题的物理模型，其中高温表面代表被测表面，低温表面代表周围环境。

图2为本发明参与性介质影响下辐射测温体系的辐射换热示意图。

Claims (4)

1、一种参与性介质遮蔽高温表面的辐射测温方法，在受到参与性介质遮蔽时用辐射测温方法准确测定高温物体表面温度的方法，考虑参与性介质的辐射换热对辐射测温仪的影响，通过建立辐射测温正、反问题数学模型及辐射测温反问题迭代算法，借助参与性介质辐射特征的辅助信息，实现对参与性介质影响所造成的测量温度偏差的修正，得到更为准确的被测表面温度；其特征在于：首先设计参与性介质影响下辐射测温问题的物理模型，然后建立相应的数学模型及数值求解方法，并针对该测温模型定义辐射测温正、反问题，最后给出由测温仪测量值反演被测表面真实值的预测-校正迭代算法。

2、根据权利要求1所述的辐射测温方法，其特征在于：将被测表面考虑为一个平面，将测量系统的周围环境也模化为平面，在测量空间范围内，被测表面与周围环境构成的测温体系简化为其间存在参与性介质的无限大平行平板间的辐射换热问题，其中高温表面代表被测表面，低温表面代表周围环境，建立测温问题的物理模型；由于辐射测温仪的响应时间远远小于生产过程中被测表面的温度变化时间，所以测温过程是稳态的，忽略两板间辐射参与性介质的对流与导热，则测温过程是一个辐射平衡问题。

3、根据权利要求1或2所述的辐射测温方法，其特征在于：针对所建立的辐射测温物理模型，相应的数学模型由参与性介质的辐射换热模型与辐射测温仪模型组成；参与性介质的辐射换热模型由辐射传递方程、辐射边界条件和辐射平衡能量方程组成，其中辐射边界条件与边界表面的辐射特征有关，冶金工业中被测金属板或铸坯表面为不透明的漫辐射表面；辐射测温仪模型的基本依据为普朗克定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律，与测温仪的单色、比色或全辐射类型有关；参与性介质的辐射换热模型为：

辐射测温仪模型为：

E_0～∞(T_x)＝n²σT_x ⁴(全辐射测温仪模型)        (6)

式中：

I---辐射强度；

k_a、k_s、k_e---参与性介质的吸收、散射和衰减系数；

Φ---相函数；

μ---方向余弦，μ＝cosθ；

T₁、T₂---被测表面及周围环境的温度；

ε₁、ε₂---被测表面及周围环境的黑度；

ρ₁、ρ₂---被测表面及周围环境的反射率，

对不透明的漫灰表面有ε₁+ρ₁＝1，ε₂+ρ₂＝1；

G---投射辐射， $G\left(x\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_{-1}^{1}I(x,\mathrm{\μ})\mathrm{d\μ};$

L---介质层厚度；

E---辐射力；

n---介质折射率；

T_x---亮度温度、比色温度或辐射温度；

c₀---真空中的光速，2.99792458×10⁸m/s；

h---普朗克常数，6.6262×10^-34J·s；

k---玻尔兹曼常数，1.380662×10^-23J/K；

c₁---普朗克第一辐射常数，3.741832×10⁸W·μm⁴/m²；

c₂---普朗克第二辐射常数，1.4388×10⁴μm·K；

v---波数；

λ---波长；

b---下标，代表黑体；

当被测表面温度T₁和周围环境温度T₂已知时，联立求解方程组(1)-(3)，即可得到介质内部温度T与辐射强度I的分布，进而得到辐射测温仪接收到的辐射能量E，最后通过求解方程(4)-(6)得到三种测温仪的温度“测量值”T_x，将上述由被测表面温度求解辐射测温仪温度“测量值”的问题称为辐射测温正问题；辐射传递方程采用离散坐标法求解，对选择性气体介质，辐射特征参数的求解采用谱带模型求解，对具有连续发射、吸收或散射特征的粒子介质，介质辐射特征参数采用Mie散射理论求解；特别需要指出的是，气体介质的气压、浓度或粒子介质的粒度分布等将作为辅助信息输入测量系统；考虑到任何实际观测到的辐射都是由一定宽度的光谱带组成，辐射测温仪的灵敏元件要求一定光谱区域的足够辐射能量，否则会由于能量太小无法作出响应，即实际测温仪的工作波长一般位于一个光谱响应范围；因此，采用微小谱带积分方法处理参与性介质随光谱强烈变化的非灰辐射特征。

4、根据权利要求1、2、3任意一项所述的辐射测温方法，其特征在于：在上述辐射测温正问题的基础上，定义了由辐射测温仪的实际测量值反演被测表面真实温度的辐射测温反问题；反问题的求解采用预测-校正迭代算法；

辐射反问题迭代算法的具体求解步骤为：

a、输入被测表面与周围环境的辐射特性参数、参与性介质的厚度及其辐射特征参数相关量等量；

b、输入环境温度值与测温仪实际测量值；

c、估计被测表面温度的真实值；

d、利用正问题模型计算测温仪的温度“测量值”；

e、将(d)得到的“测量值”与(b)输入的测温仪实际测量值进行比较，如果其差值满足预先给定的精度，则终止计算，输出(c)估计的真实值；若不满足，则给定一个松弛因子修正由(c)估计的被测表面温度的真实值；

f、重复(d)至(e)。