吳國忠，李宏佳，呂 妍，齊晗兵, 李 棟

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太陽輻射對管道表面發(fā)射率測量影響分析

吳國忠1，李宏佳1，呂 妍2，齊晗兵1, 李 棟1

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶石化公司 信息技術中心，黑龍江 大慶 163318）

發(fā)射率是影響管道表面散熱損失一個重要物理量，其測量過程受環(huán)境影響較大，其中，太陽輻射是影響發(fā)射率測量結果的一個重要因素。本文從紅外熱像儀測溫原理著手，根據表面輻射傳輸原理給出了管道表面發(fā)射率與輻射能量之間的關系，修正了測量管道表面發(fā)射率的方法，通過實驗研究了太陽輻射對管道表面發(fā)射率測量的影響。結果表明太陽輻射對管道表面發(fā)射率測量影響較大，其測量偏差超過25%。

管道表面；發(fā)射率；紅外熱像儀；太陽輻射

0 引言

近年來隨著經濟的快速發(fā)展，管道作為一種方便快捷運輸工具被廣泛的應用在石油化工領域。然而，各類管道散熱損失占能源消耗的比例越來越大[1]，造成了巨大的經濟損失。通過紅外熱像儀可以快速測量管道表面散熱量[2-3]，但其表面發(fā)射率是影響散熱量測量的主要參數[4-5]。管道表面發(fā)射率與其表面材料組分有關，還與表面物理狀態(tài)、表面光滑程度、溫度等因素有關，因此獲取表面發(fā)射率的精確值對測量各類管道表面散熱量具有重要的意義。

國內外眾多學者針對發(fā)射率測量問題做出了大量的工作。例如，白敬晨等[6]修訂了紅外熱像儀原理中雙參考體方法計算模型，研究發(fā)現該方法可以獲得比較準確的發(fā)射率測量結果。張澎等[7]通過標準黑體對紅外熱像儀進行標定，可以在一定程度上消除熱像儀的系統(tǒng)誤差。張彤等[8]建立了目標輻射物體的計算方法，開展了鋁板和碳納米管的紅外光譜發(fā)射率測試實驗。Hui[9]等提出了在高溫動態(tài)加熱條件狀態(tài)下材料發(fā)射率測量技術，測量了鋼和石墨的發(fā)射率。Campo[10]等指出了發(fā)射率的測量與輻射波長、樣品溫度和發(fā)射角有關，此外還與表面光潔度和氧化程度有關聯。齊宏等[11]基于不透明材料波段法向發(fā)射率的方法，設計了一套測量裝置，進行了測量裝置的不確定性分析。劉華等[12]根據紅外發(fā)射率計算公式，搭建了測量毫米級非均勻粗糙表面發(fā)射率的實驗裝置，測量結果表明發(fā)射率的不確定度為2.11%。魏薇等[13]設計一套測量金屬材料表面發(fā)射率的裝置，通過加熱爐對被測物體進行加熱，研究出金屬表面氧化程度與發(fā)射率的關系。宋健等[14]建立了測量發(fā)射率的理論模型，研究了熱輻射環(huán)溫度的變化對發(fā)射率測量結果的影響，研究得出當熱輻射環(huán)溫度與被測物體溫度差值很大時，其影響可以忽略不計。劉連偉等[15]提出通過消除環(huán)境輻射對物體表面發(fā)射率測量的影響，來提高測量的準確性。然而，國內外學者在發(fā)射率測量中多數未考慮太陽輻射對其帶來的影響，從而對其在野外測量帶來了一定的限制。

本文建立了發(fā)射率理論模型，主要應用紅外熱像儀對管道外表面發(fā)射率進行相關實驗測量，并開展了太陽輻射環(huán)境下的管道表面發(fā)射率實驗研究，分析了太陽輻射對管道表面發(fā)射率測量過程中存在的影響，該發(fā)射率測試方法不僅僅適用于管道，對于其他物體也同樣適用，本文主要針對管道表面發(fā)射率的測量進行了研究。

1 實驗方法

1.1 測量原理

測量儀器（紅外熱像儀）接收到管道表面有效輻射包括3個部分：管道表面自身輻射，管道外表面對周圍環(huán)境反射輻射和大氣輻射。

管道表面的輻射亮度：

＝b(0)＋b(u)＝b(0)＋(1－)b(u) (1)

式中：b(0)為管道外表面光譜輻射亮度；b(u)為反射環(huán)境光譜輻射亮度；為管道表面發(fā)射率；0為管道表面溫度；為管道表面吸收率；u為環(huán)境溫度；為表面反射率。

作用于熱像儀的輻射照度為：

＝0－2[ab(0)＋a(1－)b(u)＋ab(a)] (2)

熱像儀通常工作在2～5mm和8～13mm兩個波段，探測器在范圍波段上入射了輻射能，并把輻射能轉化為一個與能量值成正比的電信號值。照射在探測器上的某波段的輻射功率為：

＝×R(3)

式中：R為熱像儀整體透鏡的面積。

與輻射功率對應的信號強度電壓為[16]：

s＝{a[(0)＋(1－)(u)]＋a(a)} (4)

式中：s為電壓強度信號；為常量；a為大氣的發(fā)射率；為表面吸收率；0為管道表面溫度；u為反射環(huán)境溫度；a為大氣溫度。

根據普朗克輻射定律，將公式(4)進行變換推導可得公式[16]：

式中：0￠為熱像儀測量管道表面溫度。

將式(5)進行變形得公式[17]：

式(6)為管道表面真實溫度的計算公式，由公式可以看出，管道表面真實溫度與表面發(fā)射率有關，當發(fā)射率為1時，我們認為管道表面為黑體。當表面發(fā)射率小于1時，隨著發(fā)射率取值不同，計算出的真實溫度值就不同，發(fā)射率取的值越小，計算得出的真實溫度值就越大。

由灰體表面真實溫度的計算公式(6)可得[17]：

公式(7)中發(fā)射率與熱像儀測量的溫度、外表面的真實溫度、大氣溫度值、環(huán)境溫度值、大氣透射率有關。當在室內或近距離測量時，大氣透射率的值取為1，環(huán)境溫度與大氣溫度取值相等。

本文運用測量管道表面發(fā)射率的方法如下：

將熱像儀的發(fā)射率設置不同的值，用熱像儀對被測物體表面溫度進行多次測量。將(7)進行變換可得[17]：

令＝()，對公式(10)進行變換擬合可得，＝＋。最終通過變換可得出發(fā)射率的計算公式[17]：

使用不同波段熱像儀，的取值不同，在2～5mm時，＝9.2554；在8～13mm時，＝3.9889。0為熱電偶測量管道表面目標點的溫度值；室內測量時，a取值為1，大氣溫度與反射環(huán)境溫度也近似相等即a＝u；將熱像儀發(fā)射率設置多組不同值，測出相應的0￠，利用Matlab將測得0、a、refl、0￠進行曲線擬合，得出值，帶入公式(9)可得出。

1.2 實驗裝置

圖1為測量發(fā)射率實驗裝置圖。實驗裝置圖由被測目標物體、測溫裝置、數據采集系統(tǒng)、光源系統(tǒng)組成。被測目標物體為長1m、直徑0.4m鍍鋅鐵皮管道，里面注滿常溫水，通過電加熱器對管道內部的水進行加熱。測溫裝置包括型號為Therma-CAM S65紅外熱像儀和T熱電偶，熱像儀中熱像圖上面不同的顏色代表被測物體不同溫度。數據采集系統(tǒng)包括數據采集儀和計算機，熱電偶連接到采集儀實時記錄被測物體目標點的溫度，最終傳輸至計算機中。光源系統(tǒng)為TRM-PD人工太陽模擬器，人工太陽模擬器核心部件是氙燈，氙燈的光照強度為200～1200W/m2，其光譜波段范圍與室外太陽光波段基本吻合，因此氙燈光線可模擬太陽光以實現室內太陽光的實驗工作。

圖1 測量發(fā)射率實驗裝置

測量步驟如下：

①開啟電加熱器，給鍍鋅鐵皮管道加熱，加熱溫度調節(jié)為26℃。

②將熱電偶安置在鍍鋅鐵皮外表面某目標點處，待熱電偶穩(wěn)定時讀取數據采集儀記錄的數據。

③根據獲取發(fā)射率的實驗方法，開啟熱像儀，需要對熱像儀的測試距離和角度進行調整，測試距離為1.5m，傾斜角度為30℃即可。分別設定熱像儀發(fā)射率為0.2、0.4、0.6、0.8，得出無太陽輻射時，熱像儀測量鍍鋅鐵皮外表面目標點的溫度值。

④打開太陽輻射器，調節(jié)輻射器中氙燈相關實驗參數，調節(jié)氙燈輻射發(fā)光面積0.5m×0.2m，被測物體表面距離光源1.6m，氙燈的光照強度為800W/m2,對準鐵皮表面進行輻射照射，20min后，分別記錄下數據采集儀和熱像儀測出目標點的溫度值。

⑤最后分別計算出無太陽輻射和有太陽輻射情況下被測物體表面發(fā)射率值。

2 實驗結果及分析

圖2、圖3分別為熱像儀發(fā)射率設置為0.2、0.4、0.6、0.8時無太陽輻射和有太陽輻射紅外熱像圖，表1為管道表面發(fā)射率測量結果。

圖2 無太陽輻射時熱像儀測溫熱像圖

圖3 有太陽輻射時熱像儀測溫熱像圖

由圖2與圖3可知，隨著紅外熱像儀設置的發(fā)射率增加，熱像儀測量鍍鋅鐵皮外表面目標點處的溫度值減小。圖2中鍍鋅鐵皮外表面溫度分布均勻，溫度波動范圍小，熱像儀測量時精確度較高。由圖3中目標物體顏色分布可知，太陽輻射器垂直照射在鍍鋅鐵皮外表面，太陽輻射給被測目標物體外表面帶來一定的溫度變化，因此熱像圖中溫度分布不均勻，部分區(qū)域有明顯差別，給熱像儀測溫的精確性帶來一定影響。

如表1所示，與參考發(fā)射率相比，無人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差值為8.3%，有人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差值為26%。結果表明，利用傳統(tǒng)發(fā)射率的數學模型求解鍍鋅鐵皮管道外表面發(fā)射率會帶來一定誤差，特別是在有人工太陽輻射時，計算出發(fā)射率的誤差偏大。

太陽輻射給熱像儀測溫帶來一定誤差影響，由于太陽輻射器的照射，造成目標物體的升溫將疊加在測量設備（熱像儀）的穩(wěn)定升溫上，從而影響測溫的準確性，計算得出的發(fā)射率誤差值變大。

3 結束語

本文從紅外熱成像理論基本公式入手，推導出管道外表面發(fā)射率的計算公式，獲取一種管道外表面發(fā)射率的測量方法。通過傳統(tǒng)測量發(fā)射率的計算模型，分別計算出無太陽輻射和有太陽輻射時鍍鋅鐵皮管道發(fā)射率值，計算結果表明管道外表面發(fā)射率偏差超過25%，并分析了熱像儀在有太陽輻射測溫時帶來的實驗偏差。

表1 管道表面發(fā)射率測量結果

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Effect of Solar Radiation on Emissivity Measurement of Pipeline Surface

WU Guozhong1，LI Hongjia1，LV Yan2，QI Hanbing1，LI Dong1

(1. Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Information Technology Center, Daqing Petrochemical Company, Daqing 163318, China)

The emissivity is an important physical quantity which affects the heat loss of the pipeline surface and the measurement process is greatly influenced by the environment. The solar radiation is one of the important factors that affect the result of emissivity measurement. Based on the principle of infrared thermal imaging temperature measurement, the relationship between pipeline surface emissivity and radiation energy is given according to the principle of surface radiation transmission. Method for measuring surface emissivity of pipeline is corrected. The influence of solar radiation on the surface emissivity of the pipeline is studied. The results show that the solar radiation has a great influence on the surface emissivity of the pipeline and the measuring deviation is more than 25%.

pipeline surface，emissivity，infrared thermal imager，solar radiation

TN215

A

1001-8891(2016)11-0980-04

2016-04-04；

2016-07-26.

吳國忠（1961-），男，教授，博士生導師，研究方向：輻射測量技術。

齊晗兵（1975-）男，教授，現主要從事埋地管道泄漏檢測及三元廢水處理等方向的研究工作。E-mail：lidonglvyan@126.com。

國家自然科學基金項目（51274071）；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目（2015D-5006-0605）。