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黑体转换式表面温度精确测量方法研究和仪器研制

车勋建  
【摘要】:温度是目前测量需求最广泛的参数之一,在现代化的工业生产中,温度测量约占各种监测参数总量的50%。按照测量对象可分为介质内部温度测量和表面温度测量,其中表面温度测量在大于400℃以非接触式辐射测温方法为主。表面温度测量在航天、材料、能源、冶金等领域有着广泛应用。随着工业技术水平的不断提高,对表面温度测量的准确性要求越来越高。以钢铁生产为例,作为电机、发电机和变压器心脏的取向硅钢,曾被誉为“钢铁产品中的工艺品”,其退火温度范围为830℃±5℃,超出该温度范围,会导致磁性能下降,使电机的效率下降;用于汽车轻量化结构件的高强TRIP钢的退火温度范围为670±5℃,超出该范围会导致强度和延伸率达不到要求,致使钢板容易开裂。然而,目前表面温度测量误差过大(约为6~30℃),不能满足高性能技术产品生产的工艺要求。表面温度测量误差大的根本原因是发射率不能准确确定,即辐射温度计测量所需要设定的参数——发射率,受材料、表面粗糙度、氧化程度等众多因素影响不能准确确定,造成了表面温度测量误差,这一直是制约辐射温度测量技术发展的难题。由于不能满足日益增长的工业生产需求,表面温度测量不准确问题越来越受到国际权威计量部门的重视。2013年,欧洲区域计量组织(EURAMET)展开“高温计量的工业应用(HiTeMS)”项目研究,参与机构包括英国国家物理实验室(NPL)、德国联邦物理技术研究院(PTB)等欧洲15个温度计量权威部门,其主要研究内容就是解决发射率不确定造成的表面温度测量不准确问题,并以此作为未来10年的技术发展路线的重要内容之一。如何减小或消除发射率不确定性影响,是实现表面温度准确测量的关键问题。本文提出黑体转换式表面温度测量方法,以解决由于发射率不确定性导致的表面温度测量不准确问题;研制测量仪器和验证装置,并进行测量实验研究(本文研究范畴界定为中高温(600℃)不透明固体表面温度的精确测量)。本文主要研究思路如下:表面温度和发射率两者密切相关、彼此互为单独测量的前提条件,所以,消除发射率影响的最好方法就是测量发射率,将两者关联测量是关键的一环。发射率测量方法是根据发射率的定义,测量试件表面固有辐射能量和同温度下黑体辐射能量,两者比值即为发射率。然而,在实际工业现场条件下难以形成基尔霍夫黑体辐射源模型所要求的等温腔体条件。所以,如何实现在线黑体辐射条件,是实现表面温度和发射率关联测量的核心问题。第二类黑体辐射源模型可消除基尔霍夫黑体辐射源模型的等温条件限制:将镀金的反射器扣在高温被测表面上形成第二类黑体的近似模型,其有效发射率接近于1,实现实际表面条件下的近似黑体辐射。本文基于第二类黑体模型提出黑体转换式测量方法,将表面温度和发射率进行关联测量,从而消除发射率影响。为了解决实际应用的第二类黑体近似腔体由于反射器为非理想反射体而不能实现理想黑体辐射所产生的测量误差,本文采用双波长测量方法,消除非理想反射器带来的系统误差。最后,将黑体转换式测量方法和双波长测量方法相结合以实现表面温度的精确测量。针对第二类黑体的辐射特性受反射器面型、底面间隙等众多因素影响而不能准确确定问题,和第二类黑体使得被测表面温度升高而产生的误差问题,本文做了较为深入的研究。本文主要研究内容和创新工作如下:(1)研究第二类黑体辐射源的辐射特性本文深入研究第二类黑体辐射源模型及其影响因素,主要包括反射器与被测表面距离变化、被测表面温度不均匀等因素影响。提出对焦球面反射器,通过测量焦点处的辐射能量,可减小被测表面温度不均匀分布引入的测量不确定项。为研究非对焦带来的测量不确定项,采用蒙特卡洛光线追迹法对反射器的辐射特性进行建模,并分析球面焦点偏离被测表面时对有效发射率的影响。采用热传导解析建模方法研究反射器对被测表面温度场的干扰机理,给出表面温度干扰的解析表达式和补偿方法。(2)提出黑体转换式表面温度和发射率关联测量方法并研制测量仪器本文提出黑体转换式测量方法:采用可相对于反射器快速运动的黑体转换器实现被测表面从固有辐射向反射辐射的快速转换测量,可关联测量表面温度和表面发射率;采用双波长方法消除非理想的反射器带来的系统误差;将黑体转换式和双波长测量方法相结合以实现表面温度的精确测量;根据测量方法研制一体化的测量仪器,对仪器结构、反射器、黑体转换器、光路、运动组件等部分进行研发设计;基于蒙特卡洛法对表面温度测量方法的不确定度进行评估:在750℃,温度测量标准不确定度1.4℃。(3)研制表面温度和发射率的测量实验装置本文研制一套测量实验装置,采用伺服电机驱动直线模组方式,实现仪器高精度垂直定位和快速测量,有效控制球面反射器的非对焦和对表面温度干扰这两个测量不确定度来源。在准确性验证实验方面,将黑体转换式测量仪器与热电偶的测量值进行比对,比对实验标准差在600~900℃范围内小于2℃。采用氧化Inconel600试件将本文仪器发射率测量结果与美国国家标准技术研究院(NIST)的测量结果进行比对,发射率比对差异在两个有效接收波长下的差异为0.024(相对值2.9%)和0.006(相对值0.7%)。研究结果表明,本文研制的测量方法解决了由于发射率不能确定导致的表面温度测量误差这一制约辐射温度测量技术发展的难题。本文研制的测量仪器可应用于具有高精度表面温度测量需求的工业生产中。


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