阅读说明：本技术 一种水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法 (Method for determining radiation temperature measurement colorimetric wavelength in water vapor medium environment ) 是由 倪修华 张发斌 龙木军 黄云伟 江中块 陈登福 李玉娣 于 2018-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法,包括：计算平均气体透过率、平均吸收系数,再通过辐射传输方程计算光谱辐射强度分布,最终得到辐射能量衰减比例等步骤。本发明提供的水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法,借助最新高温谱线光谱数据库HITEMP2012计算该水蒸气的辐射特性,建立考虑水蒸气介质吸收与发射的热辐射传输方程,求解并获得由水蒸气引起的辐射能在各个波长上的衰减比例；通过对比各个波长上的衰减比例来科学确定比色测温的最优波长。(The invention relates to a method for determining radiation temperature measurement colorimetric wavelength in a water vapor medium environment, which comprises the following steps: and calculating the average gas transmittance and the average absorption coefficient, and calculating the spectral radiation intensity distribution through a radiation transmission equation to finally obtain the radiation energy attenuation ratio. The invention provides a method for determining radiation temperature measurement colorimetric wavelength in a water vapor medium environment, which comprises the steps of calculating the radiation characteristic of water vapor by means of a latest high-temperature spectral line spectrum database HITEMP2012, establishing a heat radiation transmission equation considering the absorption and emission of a water vapor medium, and solving and obtaining the attenuation proportion of radiation energy caused by the water vapor on each wavelength; the optimal wavelength of colorimetric temperature measurement is scientifically determined by comparing the attenuation ratio of each wavelength.)

一种水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法

技术领域

本发明涉及一种水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法，属于辐射测温技术领域。

背景技术

连铸坯表面温度的监测对优化连铸过程控制和提高铸坯表面质量具有重要的意义。实时在线的铸坯表面温度监测可为实现二冷水的闭环控制、铸坯凝固及铸坯质量的预判提供重要信息。目前，连铸二冷区的铸坯表面温度的测量主要采用辐射测温法。但是由于二冷区大量冷却水的使用，铸坯表面温度的准确测量仍然面临着非常大的挑战。

在连铸二冷区，由于高温环境，高压作用下形成的水雾瞬间蒸发产生大量的水蒸气，对铸坯表面温度的准确测量产生了较大的影响。水蒸气中强偶极矩和氢原子导致了强而宽的吸收带。此外，水蒸气中不对称的结构也导致了不规则的吸收光谱。当大量高温水蒸气存在于辐射测温光路时，由于水蒸气的强烈吸收与发射，相应就会引起测温仪接收信号的增强或衰弱，导致测量值产生一个不可预测的误差。在这种情况下，传统的单色辐射测温仪难以获得准确可靠的测量值。

为尽量避开水蒸气介质对辐射能传递的影响，工业上通常的做法是采用高速气流(氮气或氩气)吹扫光路的方法以降低水蒸气介质的影响。尽管使用吹气等方法对消除水蒸气有一定的效果，但辐射通道上的残余水蒸气仍影响了测温的精度。而且如果气流速度过大，会导致被测铸坯表面温度下降，从而带来新的问题。另一种工业上常用的方法是采用窥视管最大程度地降低测温光路上水蒸气介质的影响，并辅之以高速气流吹扫，但这种方法仍然会有上一种方法的缺陷。第三种工业上常用的方法是取一段时间内的温度最大值作为测量值。这种方法对于避开光路通道内间歇性的介质是起作用的，如铸坯表面不连续分布的氧化铁皮、通道内或有或无的水雾灰尘颗粒等。但对于通道内持续存在的水蒸气介质，这种方法并不能排除其干扰。

为了减少水蒸气介质对辐射测温精度的影响，也有采用比色模型进行测量的。这种方法采用两个波段上的辐射能量的比值来确定目标温度。光路中的水蒸气介质对两个波段的电磁波都有吸收，吸收率虽不同，但对单色辐射强度比值的影响相对较少。但是对于不同浓度水蒸气环境下的辐射测温，没有一个科学的波长确定方法，很难获得准确可靠的温度。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种考虑水蒸气对传递辐射能的衰减与增强作用的比色测温最优波长的科学确定方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的第一种技术方案是：一种水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法，包括如下步骤：

(1)基于高温谱线光谱数据库HITEMP2012,在Malkmus统计窄谱带模型中，等温与均匀路径的谱带的平均气体透过率

为：

式中,X为通道上水蒸气的摩尔分数，L为水蒸气介质层的厚度，p为水蒸气压强；

和

分别为谱带内平均吸收系数、平均谱线密度和平均半宽；

和

由数据库HITEMP2012计算获得；

可由以下公式获得：

式中p_S为标准大气压，T_S等于296K，T为水蒸气温度；

(3)求得谱带平均吸收系数k_αΔλ：

式中，Δλ为谱带的带宽，k_αλ为谱线吸收系数，水蒸气介质层的射线平均行程长度L_NB等于1.9倍L；

(3)辐射传输方程为：

对应的边界条件为：

式中,下标Δλ和b分别代表某一谱带和黑体，μ是辐射传播方向偏离被测对象平面法线方向的角度的余弦值，I_Δλ(x,μ)代表介质中某一点在某一传播方向的谱带辐射强度，I_Δλ(0,μ)和I_Δλ(L,μ)分别是被测对象和周围环境在各个传播方向的谱带辐射强度；T₁，T₂分别是被测对象和周围环境的温度，ε₁和ε₂是被测对象和周围环境的发射率，ρ₁和ρ₂是被测对象和周围环境的反射率，n是折射指数,σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数；求解以上方程得到介质层的光谱辐射强度分布；

(4)通过公式：计算接收到的辐射能；

(5)辐射能量衰减比例K为衰减的能量与真实能量的比值：

其中E_Δλ(T)是该窄带带宽上理论能量，由普朗克定量计算出；

(6)使用其他窄带，重复步骤(1)到步骤(5)，得到各个窄带的K值；K值相差最小的两窄带即为波长的最优选。

本发明提供的水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法，借助最新高温谱线光谱数据库HITEMP2012计算该水蒸气的辐射特性；建立考虑水蒸气介质吸收与发射的热辐射传输方程，求解并获得由水蒸气引起的辐射能在各个波长上的衰减比例；通过对比各个波长上的衰减比例来科学确定比色测温的最优波长。能够实现准确可靠测温。本发明在准确计算水蒸气的辐射特性基础上，定量考虑了水蒸气对辐射能量的影响，基于辐射能在水蒸气环境中衰减比例科学选择的比色测温波长，能有效避开水蒸气介质对辐射测温的影响。适用于变化的水蒸气浓度。通过理论计算，本发明提出的波长选择方法能在不同水蒸气浓度下实现准确可靠地测温。理论依据充分。本发明方法依据普朗克定律和维恩近似公式推导提出，借助高温谱线光谱数据库HITEMP计算水蒸气的辐射特性，理论依据充分。

具体实施方式

实施例

本实施例的水蒸气介质环境下辐射测温比色波长确定方法，包括如下步骤：首先需要确定的测温环境相关参数，主要包括：水蒸气的温度分布、浓度分布、压力分布以及测温仪与被测对象之间的距离，被测对象和周围环境的温度和发射率；

(1)基于高温谱线光谱数据库HITEMP2012,在Malkmus统计窄谱带模型中，等温与均匀路径的谱带的平均气体透过率

为：

式中,X为通道上水蒸气的摩尔分数，L为水蒸气介质层的厚度，p为水蒸气压强；

和

分别为谱带内平均吸收系数、平均谱线密度和平均半宽；和

由数据库HITEMP2012计算获得,

可由以下公式获得：

式中p_S为标准大气压，T_S等于296K，T为水蒸气温度；

(2)求得谱带平均吸收系数k_αΔλ：

式中，Δλ为谱带的带宽，k_αλ为谱线吸收系数，水蒸气介质层的射线平均行程长度L_NB等于1.9倍L；

(3)辐射传输方程为：

对应的边界条件为：

式中,下标Δλ和b分别代表某一谱带和黑体，μ是辐射传播方向偏离被测对象平面法线方向的角度的余弦值，I_Δλ(x,μ)代表介质中某一点在某一传播方向的谱带辐射强度，I_Δλ(0,μ)和I_Δλ(L,μ)分别是被测对象和周围环境在各个传播方向的谱带辐射强度；T₁，T₂分别是被测对象和周围环境的温度，ε₁和ε₂是被测对象和周围环境的发射率，ρ₁和ρ₂是被测对象和周围环境的反射率，n是折射指数,σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数；求解以上方程得到介质层的光谱辐射强度分布；

(4)通过公式：

计算接收到的辐射能；

(5)辐射能量衰减比例K为衰减的能量与真实能量的比值：

其中E_Δλ(T)是该窄带带宽上理论能量，由普朗克定量计算出；

(6)使用其他窄带，重复步骤(1)到步骤(5)，得到各个窄带的K值；K值相差最小的两窄带即为波长的最优选。

表1是三种不同水蒸气浓度下能量衰减率随波长(波数)的变化。波长λ(μm)＝104/波数η(cm-1)。三种不同的水蒸气浓度：X＝0.1，L＝10cm、X＝0.5，L＝100cm、X＝1.0，L＝1000cm，分别代表低浓度、中等浓度和高浓度的水蒸气介质。在波段1.08～1.0μm，在水蒸气浓度很高的环境下，辐射能量衰减比例K值也很低，选用此范围波段的比色测温仪可以有效克服水蒸气的影响；当水蒸气浓度处于中等浓度或以下时，选用0.9μm、1.08～1.0μm、1.25μm、1.6μm、2.2μm和3.9μm附近波段的比色测温仪也可以有效克服水蒸气的影响。

表1：

还有其他许多潜在的波长对，即使单个波段下的衰减比例K值很大，但是两波段的衰减比例K相差很小。比色测温仪工作在这波段也可以得到很小的误差值。例如上表所示，选用波长对为(1.91μm,1.98μm)或(1.99μm,1.342μm)的比色测温仪也可以有效克服水蒸气介质的影响。此最优波长选择方法能为存在水蒸气干扰时比色测温仪的设计与开发提供理论依据，也为理解测量误差的产生提供基础理论支撑。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。