熊 兵，石小江，陳洪敏，徐鳳花

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川 江油 621703)

1 引言

物體的發(fā)射率表征了該物體表面輻射能力的強(qiáng)弱，任何物體的發(fā)射率都等于它在相同溫度和相同條件下的吸收率。紅外輻射測(cè)溫技術(shù)作為渦輪葉片溫度場(chǎng)測(cè)量的有效手段，已取得很好的應(yīng)用效果[1]。紅外高溫計(jì)測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)子葉片溫度場(chǎng)采用的是全發(fā)射率，而葉片發(fā)射率作為紅外測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)輸入?yún)?shù)，需要先確定，才能在試驗(yàn)中準(zhǔn)確測(cè)出葉片的真實(shí)溫度。發(fā)射率的測(cè)量誤差直接影響紅外高溫計(jì)測(cè)溫的精度，因此必須準(zhǔn)確測(cè)量。

2 全輻射測(cè)溫與發(fā)射率的關(guān)系

全輻射測(cè)溫理論上是測(cè)量所有波長(zhǎng)的輻射能量，當(dāng)真實(shí)溫度為T(mén)的待測(cè)物體與溫度為T(mén)b的絕對(duì)黑體在整個(gè)光譜范圍內(nèi)總的輻射能量相等時(shí)，溫度Tb就定義為待測(cè)物體的輻射溫度。由普朗克定律可知，絕對(duì)黑體在溫度Tb下的全輻射功率Mb為：

式中：λ 為波長(zhǎng)；Tb為黑體輻射溫度；c1、c2分別為普朗克第一和第二輻射常數(shù)，c1=3.741833×10-16W·m2，c2=1.438832×10-2m·K；σ 為斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，且 σ=5.67×10-8W·m-2·K-4。

同樣，可得到灰體的輻射功率M為：

式中：ε為被測(cè)物體的發(fā)射率。

根據(jù)輻射溫度的定義可得：

故被測(cè)物體的溫度為：

由此可見(jiàn)，被測(cè)物體的發(fā)射率直接影響到被測(cè)物體真實(shí)溫度的測(cè)量，而發(fā)射率與物體材料、表面狀態(tài)、溫度、波長(zhǎng)等因素有關(guān)，故必須準(zhǔn)確測(cè)量。

3 發(fā)射率測(cè)量方法

根據(jù)不同的測(cè)試原理，發(fā)射率測(cè)量方法通?？煞譃榱繜岱ā⒎瓷渎史拜椛淠芰糠╗2]。下面針對(duì)輻射能量法中的幾種方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 熱電偶比對(duì)法

根據(jù)發(fā)射率的定義[3]，在相同溫度條件下比較黑體和灰體的輻射功率，即可得到灰體的發(fā)射率：

按照等間隔設(shè)置多個(gè)溫度參考點(diǎn)，先在標(biāo)準(zhǔn)黑體爐上測(cè)出各個(gè)設(shè)定參考溫度下的輻射功率；然后在高溫爐內(nèi)用熱電偶測(cè)出物體表面在設(shè)定參考溫度下的真實(shí)溫度，同時(shí)測(cè)出對(duì)應(yīng)的輻射功率。如果高溫爐是精度較高的閉環(huán)控制且內(nèi)部溫度均勻，則可認(rèn)為設(shè)定溫度與真實(shí)溫度相等；否則，通過(guò)擬合計(jì)算得到多個(gè)真實(shí)溫度與對(duì)應(yīng)溫度下的輻射功率間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)該函數(shù)關(guān)系式反算出設(shè)定溫度下的輻射功率，利用公式(5)計(jì)算出被測(cè)物體的發(fā)射率。

3.2 人工黑體比對(duì)法

在葉片表面某處涂上已知發(fā)射率的涂料(如黑漆，查表可得發(fā)射率為0.93)或黑體材料，先用輻射溫度計(jì)測(cè)量出涂料處的溫度，然后在相同溫度狀態(tài)下再測(cè)出沒(méi)有涂料處或把涂料去掉后的溫度，調(diào)整發(fā)射率使前后兩者的測(cè)量溫度值一致，此時(shí)的發(fā)射率即為目標(biāo)發(fā)射率。

實(shí)際上，人工黑體比對(duì)法與熱電偶比對(duì)法測(cè)量發(fā)射率的原理相同，均采用與固定發(fā)射率物體做比對(duì)的方法，只是人工黑體法采用的不是黑體發(fā)射率“1”，而是一個(gè)小于1的定值。

3.3 其它方法

另外，還有一些很難應(yīng)用于實(shí)際葉片發(fā)射率測(cè)量的方法，如：雙參考體法、雙溫度法、雙背景法等。

4 測(cè)量方案及實(shí)施步驟

采用熱電偶比對(duì)法對(duì)渦輪葉片表面發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，具體技術(shù)細(xì)節(jié)為：

(1)如圖1所示，將黑體爐作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，將輻射高溫計(jì)探針安裝在測(cè)量支架上。探針對(duì)準(zhǔn)黑體爐爐口中心，距爐口邊沿20 mm，距靶點(diǎn)90 mm，以便探針?lè)垂忡R能沿爐管觀測(cè)到位于黑體爐中心的靶點(diǎn)。 設(shè)定溫度 T0分別為 600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，每個(gè)溫度點(diǎn)下記錄5遍輻射值，取平均值作為設(shè)定溫度下對(duì)應(yīng)的黑體輻射值Mb。

(2)按照?qǐng)D2所示連接各儀器設(shè)備[4]。由于不是閉環(huán)控制，控溫儀控制坩堝電阻爐的溫度誤差較大，在±3℃以?xún)?nèi)，故將熱工檢定儀顯示的鎧裝熱電偶溫度值作為測(cè)量發(fā)射率的實(shí)際溫度值。安裝時(shí)，測(cè)溫儀探頭的反射鏡盡量對(duì)準(zhǔn)鎧裝熱電偶附近區(qū)域，探頭距被測(cè)物表面90 mm為佳。

公開(kāi)報(bào)道稱(chēng)，杜偉民是吳湞的江西老鄉(xiāng)，早年是江西省衛(wèi)生防疫站檢驗(yàn)科一名檢驗(yàn)員，1993年，他與曾在河南開(kāi)封龍亭區(qū)衛(wèi)生防疫站擔(dān)任副站長(zhǎng)的韓剛君下海，進(jìn)軍疫苗行業(yè)。

圖1 黑體輻射值測(cè)量示意圖Fig.1 Sketch of black-body radiation measurement

圖2 發(fā)射率測(cè)量示意圖Fig.2 Sketch of emissivity measurement

(3)設(shè)定控溫儀的溫度，分別為600℃、650℃、700℃、750℃和800℃，對(duì)坩堝電阻爐進(jìn)行加熱。當(dāng)熱工檢定儀顯示的溫度值穩(wěn)定在控溫儀設(shè)定值誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，連續(xù)記錄5遍輻射值，以5遍的平均值作為當(dāng)前輻射平均值M0，同時(shí)記錄當(dāng)前熱電偶的溫度值。

(4)根據(jù)5個(gè)記錄點(diǎn)的電偶實(shí)際溫度T和對(duì)應(yīng)溫度下測(cè)量的輻射平均值M0，采用4次方最小二乘法擬合計(jì)算出設(shè)定溫度 600℃、650℃、700℃、750℃和800℃下的實(shí)際輻射值M。

(5)根據(jù)公式(5)求出發(fā)射率ε。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

輻射高溫計(jì)ROTAMAP II測(cè)量時(shí)需要預(yù)先輸入一個(gè)固定的發(fā)射率值，然后測(cè)出被測(cè)物的溫度。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，可根據(jù)被測(cè)物的實(shí)際溫度重新輸入實(shí)際溫度下對(duì)應(yīng)的發(fā)射率值，再計(jì)算出實(shí)際的溫度場(chǎng)。對(duì)發(fā)射率測(cè)量得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計(jì)算，可得到表1所示數(shù)據(jù)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data

對(duì)表1得到的發(fā)射率值進(jìn)行如下計(jì)算分析。

(1)發(fā)射率平均值

(2)殘差

以發(fā)射率平均值0.914作為紅外測(cè)溫系統(tǒng)發(fā)射率的輸入值，根據(jù)公式(6)計(jì)算不同設(shè)定溫度下發(fā)射率所引起的溫度百分比誤差，如表2所示。從表中可以看出，發(fā)射率所引起的溫度誤差在±1.0%以?xún)?nèi)。

表2 百分比誤差Table 2 Temperature error percentage

根據(jù)公式(6)得到公式(7)，可計(jì)算出不同溫度Ti下選擇不同發(fā)射率εj時(shí)所引起的溫度誤差ΔTij，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

式中：εi為當(dāng)前溫度Ti對(duì)應(yīng)的發(fā)射率，εj為發(fā)射率測(cè)量中不同設(shè)定溫度Tj對(duì)應(yīng)的發(fā)射率及其發(fā)射率平均值。

表3 溫度誤差Table 3 Temperature error

以上誤差分析表明，選擇發(fā)射率0.914作為預(yù)輸入值所引起的誤差相對(duì)較小，在測(cè)量溫度600～800℃范圍內(nèi)，溫度誤差幾乎都在測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)精度±6℃以?xún)?nèi)。選擇一個(gè)固定發(fā)射率作為紅外測(cè)溫的輸入系數(shù)，在不同真實(shí)溫度下引起的誤差不等。為了做到準(zhǔn)確測(cè)量，試驗(yàn)后要根據(jù)實(shí)際溫度值進(jìn)行發(fā)射率修正，修正方法參考公式(7)，修正數(shù)據(jù)參考表3。

6 結(jié)束語(yǔ)

由全輻射測(cè)溫誤差計(jì)算公式可以看出，全輻射溫度的誤差主要來(lái)自發(fā)射率的影響。由于物體發(fā)射率跟物體材料、形狀、表面狀態(tài)、溫度、波長(zhǎng)、氧化程度、顏色、厚度等有關(guān)，所以必須選擇真實(shí)待測(cè)物體進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量，并且最好是試驗(yàn)前后各進(jìn)行一次發(fā)射率測(cè)量來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量修正。對(duì)輻射測(cè)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，需根據(jù)不同溫度下的發(fā)射率來(lái)進(jìn)行；對(duì)于復(fù)雜型面試驗(yàn)件，需對(duì)不同幾何位置的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正。

[1]Douglas J.High Speed Turbine Blade Pyrometry in Extreme Environments[C]//.Measurement Methods in Rotating Components of Turbomachinery：Proc. Joint Fluids Engineering Gas Turbine Conf.and Products Show.New Orleans，USA，1980.

[2]任 衛(wèi).紅外陶瓷 [M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[3]李吉林.光電、紅外、比色溫度計(jì)原理及檢定[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

[4]熊 兵，侯敏杰，陳洪敏，等.輻射測(cè)溫技術(shù)在渦輪葉片溫度場(chǎng)中的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(3)：50—54.