專利名稱：一種參與性介質遮蔽高溫表面的輻射測溫方法
技術領域：
本發明屬于冶金工業生產過程測溫技術領域，提供了一種有參與性介質遮蔽時準確測定高溫物體表面溫度的輻射測溫方法。適用于軋鋼加熱爐、連鑄二冷區等冶金生產過程中的測溫。
背景技術：
在工業生產過程中，當被測物體表面受到輻射、吸收和散射性參與介質的遮蓋時，輻射測溫方法的測溫準確性會大大降低，所測得的溫度并不是被測表面的真實溫度。如在軋鋼加熱爐中，二氧化碳、水蒸氣以及懸浮顆粒等燃燒產物的存在，對板坯表面溫度測量的準確性影響很大；在連鑄二冷區，汽霧冷卻或噴水冷卻使得鑄坯表面附近存在大量水蒸氣或含有液滴的水霧介質，從而不僅增大了測溫困難，并且降低了溫度測量的準確性。因此，參與性介質遮蔽的高溫表面輻射測溫方法的準確性問題是廣泛存在于工業生產過程中的共性問題。
隨著電子、計算機技術的發展及半導體材料科學的進步，輻射測溫技術的發展很快，但對輻射、吸收和散射性介質遮蔽表面的輻射測溫問題卻一直沒有得到很好的解決，主要困難在于對參與性介質對輻射測溫方法的影響機理認識不夠深入，從而無法找出避免或消除其干擾的有效方法。
為了解決這一問題，現有技術中的主要方法是利用輔助設施設法避開參與性介質的影響。如使用光導纖維使探測器最大限度地接近被測表面，或利用壓縮空氣吹掃器吹開參與性介質的遮蔽層，或使用特殊濾光片消除參與性介質的干擾。但是，光導纖維方法往往受到測量成本和測量空間等因素的限制，清掃光路會降低被測表面的溫度，而特殊濾光片又無法避開具有連續發射、吸收或散射輻射特征的參與性介質的影響。因此，從參與性介質對輻射測溫方法的影響機理出發，開發新的提高輻射測溫準確性的方法具有非常重要的意義。
中國知識產權出版社公開的第01141418.9號專利中提出的連鑄二冷區鑄坯表面溫度的準確測定方法是參與性介質影響下輻射測溫方法的一個探索。該方法是在某一時間間隔內對表面溫度進行連續測取與記錄，然后處理所測溫度數據，取出其中最大值作為被測表面的真實溫度。該方法的基本原理是認為當鑄坯表面未被水蒸汽、水霧等參與性介質遮蓋時輻射測溫儀的測量溫度是最大的，且測溫過程中在一定的時間段內經過測溫儀目標靶點的鑄坯表面會出現不被介質遮蓋的瞬間，連續測溫的方法可以捕獲這一瞬間的鑄坯表面溫度。可以看出，該發明實質上也是從避開參與性介質的影響來提高測溫準確性這一思路出發的。但需要指出的是，該發明中并沒有給出輻射測溫儀的種類。事實上，受到參與性介質的影響，輻射測溫儀的測量偏差與測溫儀的種類是密切相關的。通常，單色測溫儀的測量值比真實溫度偏低，而比色輻射測溫儀的測量值可能高于也可能低于真實溫度。因此，以連續測溫中獲得的最大值作為被測表面真實溫度的方法還需進一步探討。
發明內容
本發明的目的在于提供一種當受到參與性介質影響時用輻射測溫方法準確測定高溫物體表面溫度的方法。基本思路不是避開參與性介質的影響，而是從參與性介質的輻射換熱機理出發，通過建立輻射測溫正、反問題數學模型及輻射測溫反問題迭代算法， 借助參與性介質輻射特征的輔助信息，實現對參與性介質影響所造成的測量溫度偏差的修正，達到提高輻射測溫準確性的目的。
本發明采用的方法是首先設計參與性介質影響下輻射測溫問題的物理模型，然后建立相應的數學模型及數值求解方法，并針對該測溫模型定義輻射測溫正、反問題，最后給出由測溫儀測量值反演被測表面真實值的預測-校正迭代算法。具體步驟如下首先，根據測溫對象的要求和特點，將被測表面考慮為一個平面。為了簡化問題的復雜性，將測量系統的周圍環境也模化為平面。這樣，在測量空間范圍內，被測表面與周圍環境構成的測溫問題被簡化為其間存在參與性介質的無限大平行平板間的輻射換熱問題。如圖1所示，高溫表面代表被測表面，低溫表面代表周圍環境，測溫儀正對高溫表面放置，距表面距離可任意調整。由于輻射測溫儀的響應時間遠遠小于生產過程中被測表面的溫度變化時間，所以測溫過程是穩態的。忽略兩平板間輻射參與性介質的對流與導熱，則測溫過程是一個輻射平衡問題。
針對本發明所建立的輻射測溫物理模型，相應數學模型由參與性介質的輻射換熱模型與輻射測溫儀模型組成，圖2為無限大平行平板測溫體系的輻射換熱示意圖。參與性介質的輻射換熱模型由輻射傳遞方程、輻射邊界條件和輻射平衡能量方程組成，其中輻射邊界條件與邊界表面的輻射特征有關，冶金工業中被測金屬板(鑄)坯表面為不透明的漫輻射表面。輻射測溫儀模型的基本依據為普朗克定律和斯蒂芬玻爾茲曼定律，與測溫儀的類型有關，本發明包括單色、比色和全輻射測溫儀三種。
參與性介質的輻射換熱模型為μ∂I(x,μ)∂x=kaIb-keI(x,μ)+ks2∫-11Φ(μ,μ′)I(x,μ′)dμ′]]>(輻射傳遞方程)(1) ∫0∞kλa[4πIbλ(x)-Gλ(x)]dλ=0]]>(輻射平衡能量方程)(3)輻射測溫儀模型為
Ev(Tx)=2πhc02v3n2[exp(hc0vnkTx)-1]]]>(單色輻射測溫儀模型) (4)Ev1(Tx)Ev2(Tx)=(v1v2)3·{exp[hc0v1/(nkTx)]-1}-1{exp[hc0v2/(nkTx)]-1}-1]]>(比色輻射測溫儀模型) (5)E0~∞(Tx)=n2σTx4]]>(全輻射測溫儀模型)(6)式中I---輻射強度；ka、ks、ke---參與性介質的吸收、散射和衰減系數；Φ---相函數；μ---方向余弦，μ＝cosθ；T1、T2---被測表面及周圍環境的溫度；ε1、ε2---被測表面及周圍環境的黑度；ρ1、ρ2---被測表面及周圍環境的反射率，對不透明的漫灰表面有ε1+ρ1＝1，ε2+ρ2＝1；G---投射輻射，G(x)=2π∫-11I(x,μ)dμ;]]>L---介質層厚度；E---輻射力；n---介質折射率；Tx---亮度溫度、比色溫度或輻射溫度；c0---真空中的光速，2.99792458×108m/s；h---普朗克常數，6.6262×10-34J·s；k---玻爾茲曼常數，1.380662×10-23J/K；c1---普朗克第一輻射常數，3.741832×108W·μm4/m2；c2---普朗克第二輻射常數，1.4388×104μm·K；v---波數；λ---波長；b---下標，代表黑體。
當被測表面溫度T1和周圍環境溫度T2已知時，聯立求解方程組(1)-(3)，即可得到介質內部溫度T與輻射強度I的分布，進而得到輻射測溫儀接收的輻射能量E，最后通過求解方程(4)-(6)得到三種測溫儀的溫度“測量值”Tx。在本發明中，將上述由被測表面溫度求解輻射測溫儀溫度“測量值”的問題稱為輻射測溫正問題。
在本發明中，輻射傳遞方程采用離散坐標法求解；對具有選擇性輻射特征的氣體介質，介質輻射特征參數采用譜帶模型求解；對具有連續發射、吸收或散射特征的粒子介質，介質輻射特征采用Mie散射理論求解。特別需要指出的是，氣體介質的氣壓、濃度或粒子介質的粒度分布等將作為輔助信息輸入測量系統。
此外，考慮到任何實際觀測到的輻射都是由一定寬度的光譜帶組成，輻射測溫儀的靈敏元件也要求一定光譜區域的足夠輻射能量，否則會由于能量太小無法作出響應，即實際測溫儀的工作波長一般位于一個光譜響應范圍內。因此本發明采用微小譜帶積分方法處理參與性介質隨光譜強烈變化的非灰輻射特征。
在上述輻射測溫正問題的基礎上，本發明定義了由輻射測溫儀的實際測量值反演被測表面真實溫度的輻射測溫反問題，反問題的求解采用預測-校正迭代算法。
輻射反問題預測-校正迭代算法的具體求解步驟為(1)輸入被測表面與周圍環境的輻射特性參數、參與性介質的厚度及其輻射特征參數等；(2)輸入環境溫度值與測溫儀實際測量值；(3)估計被測表面溫度的真實值；(4)利用正問題模型計算測溫儀的溫度“測量值”；(5)將(4)得到的“測量值”與(2)輸入的測溫儀實際測量值進行比較，如果其差值滿足預先給定的精度，則終止計算，輸出(3)估計的真實值；若不滿足，則給定一個松弛因子修正由(3)估計的被測表面溫度的真實值；(6)重復(4)至(5)。
本發明的優點在于當被測表面受到參與性介質干擾時，可以實現對輻射測溫儀的實際測量值進行反演修正，最終得到更為準確的被測表面溫度。這一發明為開發工業生產條件下自動修正測溫環境干擾的高溫物體表面溫度在線輻射測溫技術奠定了基礎，具有非常重要的意義。
圖1為本發明參與性介質影響下輻射測溫問題的物理模型，其中高溫表面代表被測表面，低溫表面代表周圍環境。
圖2為本發明參與性介質影響下輻射測溫體系的輻射換熱示意圖。
權利要求
1.一種參與性介質遮蔽高溫表面的輻射測溫方法，在受到參與性介質遮蔽時用輻射測溫方法準確測定高溫物體表面溫度的方法，考慮參與性介質的輻射換熱對輻射測溫儀的影響，通過建立輻射測溫正、反問題數學模型及輻射測溫反問題迭代算法，借助參與性介質輻射特征的輔助信息，實現對參與性介質影響所造成的測量溫度偏差的修正，得到更為準確的被測表面溫度；其特征在于首先設計參與性介質影響下輻射測溫問題的物理模型，然后建立相應的數學模型及數值求解方法，并針對該測溫模型定義輻射測溫正、反問題，最后給出由測溫儀測量值反演被測表面真實值的預測-校正迭代算法。
2.根據權利要求1所述的輻射測溫方法，其特征在于將被測表面考慮為一個平面，將測量系統的周圍環境也模化為平面，在測量空間范圍內，被測表面與周圍環境構成的測溫體系簡化為其間存在參與性介質的無限大平行平板間的輻射換熱問題，其中高溫表面代表被測表面，低溫表面代表周圍環境，建立測溫問題的物理模型；由于輻射測溫儀的響應時間遠遠小于生產過程中被測表面的溫度變化時間，所以測溫過程是穩態的，忽略兩板間輻射參與性介質的對流與導熱，則測溫過程是一個輻射平衡問題。
3.根據權利要求1或2所述的輻射測溫方法，其特征在于針對所建立的輻射測溫物理模型，相應的數學模型由參與性介質的輻射換熱模型與輻射測溫儀模型組成；參與性介質的輻射換熱模型由輻射傳遞方程、輻射邊界條件和輻射平衡能量方程組成，其中輻射邊界條件與邊界表面的輻射特征有關，冶金工業中被測金屬板或鑄坯表面為不透明的漫輻射表面；輻射測溫儀模型的基本依據為普朗克定律和斯蒂芬玻爾茲曼定律，與測溫儀的單色、比色或全輻射類型有關；參與性介質的輻射換熱模型為 輻射測溫儀模型為 E0～∞(Tx)＝n2σTx4(全輻射測溫儀模型)(6)式中I---輻射強度；ka、ks、ke---參與性介質的吸收、散射和衰減系數；Φ---相函數；μ---方向余弦，μ＝cosθ；T1、T2---被測表面及周圍環境的溫度；ε1、ε2---被測表面及周圍環境的黑度；ρ1、ρ2---被測表面及周圍環境的反射率，對不透明的漫灰表面有ε1+ρ1＝1，ε2+ρ2＝1；G---投射輻射，G(x)=2π∫-11I(x,μ)dμ;]]>L---介質層厚度；E---輻射力；n---介質折射率；Tx---亮度溫度、比色溫度或輻射溫度；c0---真空中的光速，2.99792458×108m/s；h---普朗克常數，6.6262×10-34J·s；k---玻爾茲曼常數，1.380662×10-23J/K；c1---普朗克第一輻射常數，3.741832×108W·μm4/m2；c2---普朗克第二輻射常數，1.4388×104μm·K；v---波數；λ---波長；b---下標，代表黑體；當被測表面溫度T1和周圍環境溫度T2已知時，聯立求解方程組(1)-(3)，即可得到介質內部溫度T與輻射強度I的分布，進而得到輻射測溫儀接收到的輻射能量E，最后通過求解方程(4)-(6)得到三種測溫儀的溫度“測量值”Tx，將上述由被測表面溫度求解輻射測溫儀溫度“測量值”的問題稱為輻射測溫正問題；輻射傳遞方程采用離散坐標法求解，對選擇性氣體介質，輻射特征參數的求解采用譜帶模型求解，對具有連續發射、吸收或散射特征的粒子介質，介質輻射特征參數采用Mie散射理論求解；特別需要指出的是，氣體介質的氣壓、濃度或粒子介質的粒度分布等將作為輔助信息輸入測量系統；考慮到任何實際觀測到的輻射都是由一定寬度的光譜帶組成，輻射測溫儀的靈敏元件要求一定光譜區域的足夠輻射能量，否則會由于能量太小無法作出響應，即實際測溫儀的工作波長一般位于一個光譜響應范圍；因此，采用微小譜帶積分方法處理參與性介質隨光譜強烈變化的非灰輻射特征。
4.根據權利要求1、2、3任意一項所述的輻射測溫方法，其特征在于在上述輻射測溫正問題的基礎上，定義了由輻射測溫儀的實際測量值反演被測表面真實溫度的輻射測溫反問題；反問題的求解采用預測-校正迭代算法；輻射反問題迭代算法的具體求解步驟為a、輸入被測表面與周圍環境的輻射特性參數、參與性介質的厚度及其輻射特征參數相關量等量；b、輸入環境溫度值與測溫儀實際測量值；c、估計被測表面溫度的真實值；d、利用正問題模型計算測溫儀的溫度“測量值”；e、將(d)得到的“測量值”與(b)輸入的測溫儀實際測量值進行比較，如果其差值滿足預先給定的精度，則終止計算，輸出(c)估計的真實值；若不滿足，則給定一個松弛因子修正由(c)估計的被測表面溫度的真實值；f、重復(d)至(e)。
全文摘要
本發明提供了一種修正參與性介質影響的輻射測溫方法。當受到參與性介質影響時，通過建立輻射測溫正、反問題模型及輻射測溫反問題迭代算法，借助介質輻射特征的相關輔助信息，實現對輻射測溫儀在參與性介質影響下的實際測量溫度值進行反演修正，得到被測表面溫度。其特征在于設計參與性介質影響下輻射測溫問題的物理模型，建立相應的數學模型及數值求解方法，并針對測溫模型定義輻射測溫正、反問題，最后開發出由測溫儀實測溫度值反演被測表面真實值的預測－校正迭代算法。其優點在于當被測表面受到參與性介質干擾時，可以實現對輻射測溫儀的實際測量值進行反演修正，得到更為準確的被測表面溫度。
文檔編號G01J5/06GK1584521SQ20041000917
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月4日 優先權日2004年6月4日
發明者張欣欣, 劉玉英, 于帆, 黃志偉, 樂愷 申請人:北京科技大學