朱自民, 邢 鍵

東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150040

引 言

多光譜輻射測溫技術具有非接觸、 測量無上限及響應速度快等優(yōu)勢, 主要用于高溫及超高溫目標真溫及發(fā)射率等熱物性參數(shù)的動態(tài)測量[1-4]。 該方法基于普朗克定律, 通過獲得被測目標多個光譜下的輻射亮度信息, 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到目標的真溫及發(fā)射率[5-7]。

目前, 制約這一技術的關鍵是目標的發(fā)射率難以確定, 從而導致測量結果與目標真溫存在偏差[8-10]。 針對這一瓶頸問題, 各國學者對此進行了深入研究。 戴景民等提出了發(fā)射率模型的自動識別, 可以解決某些材料真溫和光譜發(fā)射率的測量問題[11]; 孫曉剛等提出了二次測量法和神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理方法, 無需事先假設發(fā)射率模型, 但耗時較長, 難以滿足實時測量要求[12]; Coppa等在燃燒過程中摻入已知發(fā)射率的Al2O3粉末通過最小二乘法了測量C2H2等氣體燃燒的高溫溫度[13], 該方法需要假設發(fā)射率的對數(shù)與波長呈近似的線性關系。

在參考溫度模型基礎上, 提出了無需假設發(fā)射率模型的迭代遞推算法, 解決迭代算法運算效率較低的問題, 并搭建了實驗裝置, 對一生物質鍋爐爐膛火焰進行了實時測量, 驗證了該算法的可行性, 為進一步完善多光譜輻射測溫理論及后續(xù)溫度場的重建提供理論基礎。

1 參考溫度模型

根據(jù)維恩公式, 多波長高溫計第i個通道的輸出信號Vi為[1]

(1)

式(1)中,Aλi是只與波長有關而與溫度無關的檢定常數(shù), 它與該波長下探測器的光譜響應率、 光學透過率、 幾何尺寸以及第一輻射常數(shù)有關;ε(λi,T)是溫度為T時的目標光譜發(fā)射率。

在定點黑體參考溫度T′下, 由于黑體發(fā)射率為1, 因此第i個通道的輸出信號V′為

(2)

由式(1)和式(2)得

(3)

只要測量任一參考溫度T′下各通道的輸出, 就可以利用式(3)計算目標真溫T及光譜發(fā)射率ε(λi,T), 但前提是需要假設光譜發(fā)射率ε(λi,T)與波長λ的關系, 如果假設與實際相符則測量精度較高, 否則誤差較大。

2 迭代遞推算法

對于發(fā)射率模型, 一般假設發(fā)射率隨波長的變化而變化, 但光譜發(fā)射率也是溫度的函數(shù)。 因此, 可以假設在較小的溫度范圍內, 發(fā)射率在所選定的波長處與溫度有近似的線性關系, 如式(4)所示

(4)

對實際物體來說, 發(fā)射率隨溫度變化是客觀存在的, 所以上述假設在一定溫區(qū)、 一定波長范圍內是普遍成立的。 這樣, 可通過處理多個不同溫度處的測量數(shù)據(jù)來求取被測目標的真溫及光譜發(fā)射率。

(5)

(6)

由式(3)和式(6)得

(7)

(8)

(9)

F可根據(jù)測量精度選取。 該算法的流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖

3 實驗驗證

標定過程由黑體爐、 光學瞄準鏡、 微型光纖光譜儀(海洋光學NIR-QUEST)和計算機組成, 如圖2所示, 標定所得光譜圖如圖3所示。

圖2 標定實驗實物圖

圖3 標定光譜采集圖

標定結果如圖3所示。

從圖3中可以看出, 黑體爐的輻射曲線是連續(xù)的, 顯示了黑體爐良好的輻射性。 在丁烷火焰溫度測量過程中, 熱電偶測得的溫度值范圍是500～680 ℃, 而開氏度=攝氏度+273, 所以黑體輻射源的標定溫度應該在丁烷火焰的溫度范圍內, 所以本實驗分別選取了923 K(藍色)、 873 K(紅色)、 823 K(青色)、 773 K(灰色)四個溫度作為標定數(shù)據(jù), 而其中黑體爐在873 K時所采集的光譜圖穩(wěn)定性最佳, 所以選擇873 K(600 ℃)作為標定數(shù)據(jù), 所獲得其各光譜通道的標定結果如表1所示。

表1 各光譜通道相對強度標定結果

選擇873 K(600 ℃)作為標定數(shù)據(jù), 所獲得各光譜通道的標定結果如表1所示。

為驗證提出的迭代優(yōu)化算法, 基于該實驗裝置, 對一生物質鍋爐的爐膛火焰溫度進行了測量, 現(xiàn)場實驗裝置示意圖如圖4所示, 將熱電偶(上海自動化儀表股份有限公司生產的WRN-130型)插入測溫口, 利用望遠鏡瞄準熱電偶測量結果與多光譜測溫數(shù)據(jù)進行比對。 圖5為四種工況采集得到的光譜圖像, 避開發(fā)光光譜, 選擇如表1所示的輻射光譜。

圖5 火焰光譜圖像

對多光譜輻射數(shù)據(jù)利用提出的算法進行快速實時處理后得到的溫度與同一時刻的熱電偶測量結果如表2所示。 由表2可以看出, 多光譜輻射測溫結果趨勢與熱電偶相同, 但是多光譜輻射測溫結果普遍比熱電偶測溫結果偏高, 分析其原因是由于生物質碳化顆粒燃燒的化學發(fā)光使得光譜通道光強增加, 從而使得測量溫度高于熱電偶測量值, 但最大相對誤差在4.4%, 滿足測量精度小于5%的需求, 同時利用普通計算機即可實現(xiàn)毫秒級溫度測量, 滿足了生物質火焰溫度實時測量的需求, 這為進一步優(yōu)化算法及鍋爐燃燒參數(shù)提供了技術基礎。

表2 溫度測量結果

4 結 論

為實現(xiàn)被測目標光譜發(fā)射率未知情況下多光譜輻射測溫的真溫反演, 提出了基于快速迭代遞推的多光譜輻射測溫反演算法。 設計了一套基于光纖光譜儀的多光譜輻射測溫系統(tǒng)并對一套生物質鍋爐的火焰溫度進行了測量, 測量結果表明本算法可以應用于鍋爐爐膛火焰等需要溫度快速測量的實用場景, 算法為進一步迭代速度快、 抗噪性能好, 為進一步構建火焰溫度場、 發(fā)射率分布以及優(yōu)化生物質鍋爐的燃燒參數(shù)提供了一定的理論和技術基礎。