CN1928518A - 基于色温仪实现热力学温度测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，适用于具有连续辐射特性的高温物体，该方法包括：基于特定波段内的二参数发射率函数，构造测量封闭的辐射测温方程，确保在理论上实现无需知晓发射率数据、无需标定的热力学温度的辐射测量；采用色温仪作为辐射测量仪器，应用上述辐射测温方程，以颜色信息为研究的交叉点，建立相关色温与热力学温度的数学关联数据库；通过数据分析系统的嵌入，进而利用色温仪实现高温物体的热力学温度测量。在理论上，本发明解决了在辐射测温上发射率未知性与标定复杂性两个实际难题；在技术上，本发明拓展了常规色温仪的应用范围，对其经过简单改造即可方便地实现热力学温度的辐射测量。

Description

基于色温仪实现热力学温度测量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法。

背景技术

自然界中表现丰富的光辐射刺激人眼后，在大脑中形成颜色信息。色温与相关色温是色度学中基本的颜色表征概念，是比颜色的色品坐标更具通用性的颜色相关物理量。在颜色科学领域，色温测量一直是一项重要的测试项目，例如在光源生产行业，对色温的精确测量提出了较高的要求，但测试手段也相对地昂贵复杂。因此，针对于不同的需要，已有许多品牌、性能各异的色温仪被广泛应用，它们具有快速测量、使用方便、测量精度高、成本低等诸多优点。普朗克黑体辐射定律是色温仪测量所依据的基本原理之一，“色温”定义即是：光源的颜色(即光源色)与某一温度下的黑体发射光的颜色相同时，此时黑体的绝对温度值即为该光源的色温，色温用绝对温度单位K表示。如果光源色度与黑体有差异，则用相关色温来描述光源的颜色。“相关色温”的定义是：在均匀色度图中，如果一个光源与某一温度下的黑体具有最接近的色度，此时黑体的热力学绝对温度值就叫做光源的相关色温。

人眼的颜色视觉经验被应用在冶金、玻璃加工、蜡铸模、陶器制作等行业，例如在冶金行业，工作在生产第一线的工人们虽未学过高深的物理学，但经过实践经验的长期积累或师徒相授，他们往往具有目测高温铁水颜色(代表着相关色温)判断温度(代表着热力学温度)进而采取相应工艺操作的能力。因而，在某些情形下，人眼的颜色视觉经验包含一个根据颜色(代表着相关色温)进行测温(代表着热力学温度)的过程，作为探测器的人眼通过晶状体将环境中的辐射聚焦在视网膜上，视网膜在辐射刺激下，传递信号到充当辐射指示器的大脑，依据经验进行校正，大脑既可以把刺激信号转化为热力学温度量。实际上，对于黑体或灰体等特殊物体，色温在被用来描述光源颜色(色度)的同时，也表征了光源的热力学温度。如果光源是实际物体，光源颜色(色度)通常偏离黑体或灰体所在的普朗克轨迹，但表征颜色的相关色温、热力学温度和物性之间必将存在着某种对应关系。这种关系的确立将使利用色温仪实现热力学温度的辐射测量成为可能，使它们间的关联从一种定性的经验估计上升到一种定量的科学表达。

自1900年创建普朗克定律以来，热力学温度的辐射测量方法一直是温度测量的主流研究热点，其难度在于发射率不仅是①温度、波长和表面状态的函数，而且是测量②方向的函数；此外，测量信号还受到③测距的影响。对于①，目前的商用辐射测温仪器(如热像仪等)均采用发射率修正方案，通过发射率数据修正以得到准确温度，这种辐射测温仪器从20世纪80年代起，一度成为科研与应用的主流，但测温不精确的局限性阻碍了其在科研领域的进一步发展。20世纪80年代后期至今，研究人员则一直努力尝试建立关于温度和波长的各种发射率模型，但具有普适性的发射率模型的提出一直是该领域研究的难点，至今并没有被完美地予以解决；表面状态虽无法描述，但测量时被“冻结”，所以并不影响测量。对于②、③，可采用标定方式予以解决，但会增加仪器设计的复杂性，同时也无法做到场测量中“点点俱到”的整场标定，即便对于具有二维成像能力的热像仪而言，仍然存在着标定技术上的若干问题。总结辐射测温现状，可归结为：(1)发射率仍然无法精确知晓；(2)标定仍然是辐射测温技术中的关键一环。解决上述问题的全新的辐射测温方法的建立，势必将成为辐射测温理论研究和装置设备研制的发展趋势，其重要性和意义不言自明。

因而，上述研究现状表明：1)对于黑体或灰体等特殊物体，色温仪在测量色温的同时，通过色温也表征了物体的热力学温度；而对于实际物体，利用色温仪进行热力学温度的辐射测量仅停留在表观现象阶段，在理论上和应用上并没有得以实现，也从未引起过研究上的重视。2)辐射测温(热力学温度)的方法研究仍面临着一些困难，因而，理论先进、测量准确的辐射测温仪在科学研究、工业生产上有着巨大的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述难题，本发明提供一种基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，适用于具有连续辐射特性的高温物体，该方法包括以下步骤：

第一步：构建基于可见光波段内的二参数单调发射率函数模型，将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，进行三通道颜色测量方程的理论分析处理，构造测量封闭的辐射测温方程，通过对辐射测温方程的数值反问题求解，建立待测高温物体的颜色信息与热力学温度的数值对应关系；

第二步：将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，依据相关色温的物理定义，借鉴已有的相关色温求解方法，建立待测高温物体的颜色信息与相关色温的数值对应关系；

第三步：以颜色信息为交叉点，基于第一步、第二步的分析结果，建立相关色温与热力学温度的数值对应关系，并开发关联数据库对它们之间的对应关联予以存储；

第四步：测量时，色温仪获得被测高温物体的相关色温，依据该数值，查询上述关联数据库，即可获得被测高温物体的相应热力学温度。

其中，所述可见光波段内的二参数发射率函数模型为：

                    ε(λ，T)＝a₀+a₁·Λⁿ

上式中，无量纲波长 $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1},$ ε为发射率，λ为波长，T为热力学温度，a₀为发射率参数1，a₁为发射率参数2，调整系数n依据被测物体的基本特征予以提前设定；

所述颜色测量方程为色度学中表述颜色的数学方程，包含三个颜色分量；

所述测量封闭的辐射测温方程包含非相关的三通道测量信息，测量信息中耦合着发射率函数中的两个未知参数a₀和a₁、热力学温度T以及与距离、角度等相关的空间几何因子。

简言之，本发明对于具有连续辐射特性的高温物体，基于特定波段内的二参数发射率函数模型，构造测量封闭的辐射测温方程，采用归一化的数据处理方式对三通道测量信息进行处理，确保在理论上实现无需知晓发射率数据、无需标定的热力学温度场的辐射测量，建立测量颜色与热力学温度的对应关系。采用色温仪作为辐射测量仪器，应用上述辐射测温方程，以颜色信息为研究的交叉点，建立(相关)色温与热力学温度的数学关联数据库，将数据库通过硬件编程嵌入到色温仪中，进而利用经过简单改造的色温仪实现高温物体热力学温度的辐射测量。其中，采用归一化数据处理方式对三通道测量信息进行处理，可以消除空间几何因子等可分离变量对于测量的影响。

色度理论给出光辐射刺激引发的颜色在CIE均匀颜色空间中(CIE 1960-UCS)的数学方程描述(即为颜色测量方程)，

$\left\{\begin{array}{c}U={\∫}_{380\mathrm{nm}}^{780\mathrm{nm}}\stackrel{\‾}{u}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\\ V={\∫}_{380\mathrm{nm}}^{780\mathrm{nm}}\stackrel{\‾}{v}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\\ W={\∫}_{380\mathrm{nm}}^{780\mathrm{nm}}\stackrel{\‾}{w}\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.$

其中，P(λ)为功率分布函数，( u(λ)， v(λ)， w(λ))为CIE 1960-UCS均匀色度系统的光谱响应曲线，(U，V，W)为表征颜色信息的三刺激值。归一化(U，V，W)后得到颜色的色度坐标

$(u=\frac{U}{U+V+W},v=\frac{V}{U+V+W}).$

不同热力学温度的黑体的颜色在色度坐标系中形成一条颜色轨迹，这就是著名的普朗克(Planck)轨迹。在轨迹上，黑体的热力学温度与其表现的颜色一一对应。对于特定的色度系统，Planck轨迹具有唯一性。如果一个光源颜色的色度坐标与某个温度下黑体发光颜色的色度坐标相同，这时的黑体温度就定义为光源的色温。如果光源是黑体或灰体，因为它们具有相同的色度坐标，于是色温在被用来描述黑体光源色度的同时，也表征了黑体的热力学温度。如果光源色度与黑体有差异，则用相关色温来描述光源的颜色，均匀色度图中的等相关色温线是垂直于Planck轨迹的直线簇。如果已知光源颜色的色度坐标，便可以计算出(相关)色温，常见的计算方法有直接内插法、三角形垂足法、色温逐次逼近法等。上述即为色温仪测量(相关)色温的基本测量原理。

考察的物体限于具有单调性发射率的连续辐射源，尽管发射率沿波长的分布比较复杂，但总存在一个窄波段，使得该波段内的发射率可用如下的二参数单调发射率函数模型予以描述，

            ε(λ，T)＝a₀+a₁·Λⁿ＝a₀·(1+m·Aⁿ)，令 $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}-\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1}$

其光谱功率分布为P(λ)＝ε(λ，T)·I_b(λ，T)。因此，具有上述单调发射率性质的实际物体即为本发明所适用的待测高温物体。该发射率函数模型具有一定的方法适用性和应用合理性。

基于所考察的待测高温物体的光谱功率分布，在色温仪测量中，其测量输出的颜色测量方程组(即，辐射测温方程)为：

上式中：为测量中与距离、角度等相关的空间几何因子，T为高温物体的热力学温度。颜色光谱响应曲线( u(λ)， v(λ)， w(λ))之间线性非相关，因而由此形成的颜色测量的三通道方程之间满足测量的非相关要求。颜色方程组中存在(，a₀，m，T)四个变量，根据变量可分离原则，四个变量可转化为三个独立变量(·a₀，m，T)。此时(U，V，W)对应着(·a₀，m，T)三个未知独立变量，辐射测温方程满足热力学温度封闭求解的条件，无需进行任何几何标定，即可求得包括热力学温度在内的若干测量量。上述标定主要指的是对与距离、角度等相关的空间几何因子的标定。

基于特定的发射率函数以及色温仪所提供的非相关颜色测量方程，经过数学理论分析可同时获得(相关)色温和热力学温度，我们建立二者的关联数据库，数据库中给出了(相关)色温与热力学温度的对应转换表。通过硬件编程将数据库嵌入色温仪中，在测量中，色温仪获得被测高温物体的(相关)色温，依据该数值，查询关联数据库，可方便地获得被测高温物体相应的热力学温度，从而实现了本发明所述的通过色温仪实现热力学温度辐射测量的目的。

本发明所述色温仪为颜色科学领域中常用的设备，用以对光源进行色度测量，并采用相关色温来表征测量颜色信息。

与目前现有的方法和技术相比，本发明具有两个主要突出特点：

(1)对于常规的色温仪而言，本发明拓展了色温仪的应用范围，针对特定的具有连续辐射性质的实际高温物体，将传统的表征颜色的(相关)色温测量拓展至热力学温度的测量，原理上具有创新性，技术上具有可操作性、便利性。

(2)对于辐射测温而言，在理论上，本发明解决了发射率与标定两个基本难点问题，实现了无需知晓发射率、无需标定的热力学温度场的辐射测量；在技术上，相比于其它辐射测温仪器，本发明所采用的色温仪的后期改造简单，避免了一般仪器设计开发的大量投入，可以方便地实现热力学温度的辐射测量。

附图说明

图1为本发明的数据分析原理图。

具体实施方式

通常，色温仪进行(相关)色温测量对物体没有特殊的限制，而本发明要通过色温仪实现热力学温度的辐射测量，则对被测物体要有具体的限制，即：1)具有连续辐射的高温物体；2)在可见光波段内，物体的光谱发射率具有简单的单调性。基于此限制条件，下面，将结合图1对本发明的一个具体实施方式做进一步描述。

本发明所述的基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法包括以下步骤：

第一步：构建基于可见光波段内的二参数单调发射率函数模型，将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，进行三通道颜色测量方程的理论分析处理，构造测量封闭的辐射测温方程，通过对辐射测温方程的数值反问题求解，建立待测高温物体的颜色信息与热力学温度的数值对应关系；

第二步：将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，依据相关色温的物理定义，借鉴已有的相关色温求解方法，建立待测高温物体的颜色信息与相关色温的数值对应关系；

第三步：以颜色信息为交叉点，基于上述第一步、第二步的分析结果，建立相关色温与热力学温度的数值对应关系，并开发关联数据库对它们之间的对应关联予以存储；

第四步：将相关色温与热力学温度对应关联的数据库系统通过硬件编程嵌入到色温仪的分析系统中，并对色温仪进行一定的改装，增加热力学温度分析结果的显示系统。因而，在色温仪测量中，在得到相关色温的同时，仪器分析系统经过简单的数据库查询，即可得到待测高温物体的热力学温度，并在色温仪的结果显示系统中予以显示。

相比于第一步中的积分数值计算，嵌入到系统中的数据库查询并不会过多地占用系统硬件资源以致于影响系统速度，因此，基于色温仪的热力学温度的获得与色温的获得几乎是同步的。此外，热力学温度测量误差与所选择的色温仪的仪器精度相关。

Claims (5)

1.一种基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，适用于具有连续辐射特性的高温物体，该方法包括以下步骤：

第一步：构建基于可见光波段内的二参数单调发射率函数模型，将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，进行三通道颜色测量方程的理论分析处理，构造测量封闭的辐射测温方程，通过对辐射测温方程的数值反问题求解，建立待测高温物体的颜色信息与热力学温度的数值对应关系；

第二步：将二参数单调发射率函数模型带入色温仪的颜色测量方程，依据相关色温的物理定义，借鉴已有的相关色温求解方法，建立待测高温物体的颜色信息与相关色温的数值对应关系；

第三步：以颜色信息为交叉点，基于第一步、第二步的分析结果，建立相关色温与热力学温度的数值对应关系，并开发关联数据库对它们之间的对应关联予以存储；

第四步：测量时，色温仪获得被测高温物体的相关色温，依据该数值，查询上述关联数据库，即可获得被测高温物体的相应热力学温度；

其中，所述可见光波段内的二参数发射率函数模型为：

                 ε(λ，T)＝a₀+a₁·Λⁿ

式中，无量纲波长 $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2{-\mathrm{\λ}}_1},$ ε为发射率，λ为波长，T为热力学温度，a₀为发射率参数1，a₁为发射率参数2，调整系数n依据被测物体的基本特征予以提前设定；

所述颜色测量方程为色度学中表述颜色的数学方程，包含三个颜色分量；

所述测量封闭的辐射测温方程包含非相关的三通道测量信息，测量信息中耦合着发射率函数中的两个未知参数a₀和a₁、热力学温度T以及与距离、角度相关的空间几何因子。

2.如权利要求1所述的基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，其特征在于：所述辐射测温方程满足热力学温度封闭求解的条件，采用归一化数据处理方式对三通道测量信息进行处理，以消除空间几何因子对测量的影响，实现无需知晓发射率数据、无需进行任何几何标定的热力学温度辐射测量。

3.如权利要求1或2所述的基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，其特征在于：将所述相关色温与热力学温度对应关联数据库通过硬件编程嵌入到色温仪中，并在色温仪中增加相应的热力学温度分析结果显示系统，通过该显示系统显示高温物体的热力学温度。

4.如权利要求3所述的基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，其特征在于：所述已有的相关色温求解方法有直接内插法、三角形垂足法、色温逐次逼近法。

5.如权利要求1或2所述的基于色温仪实现高温物体热力学温度辐射测量的方法，其特征在于：所述已有的相关色温求解方法有直接内插法、三角形垂足法、色温逐次逼近法。