发射率检测方法

精品文档 1欢迎下载 发射率检测方法发射率检测方法 一 国内外发射率检测现状 表面辐射特性的研究工作可以追溯到十八世纪 早在1753年富 兰克林就提出不同的物质具有不同的接受和发散热量能力的概念 几百年来人们在理论上 实验中 工程上做了大量的研究工作 随 着辐射传热学 红外技术 太阳能研究 材料科学及黑体空腔理论 等的发展 近五十年以来材料发射率的测量方法有了很大的进展 目前在国际上已建立了分别适用于不同温度和状态以及不同物质的 各种测试方法和装置 1 量热法 精品文档 2欢迎下载 量热法的基本原理是 一个热交换系统包含被测样品和周围相 关物体 根据传热理论推导出系统有关材料发射率的传热方程 通 过测量样品某些点的温度值得到系统的热交换状态 即能求得发射 率 量热法又分为稳态量热法和瞬态量热法 Worthing的稳态加热 法就是采用灯丝进行加热 测量精度达到了2 但是样品制作复杂 且测量时间长 瞬态法即采用激光或电流等瞬态加热技术 其代表 是70年代美国NIST的基于积分球反射计法的脉冲加热瞬态量热装置 其测量速度快 测量上限高达4000 能精确测量多项参数 但是 被测物必须是导体限制了其应用范围 2 反射率法 反射率法基于的原理是对于不透明的样品 反射率 吸收率 1 将已知强度的辐射能量投射到透射率为0的被测面上 根据能量守恒 定律和基尔霍夫定律 通过反射计求得反射能量 得到样品的反射 率后即可换算成发射率 常用的反射计有 Dunkle等人建立的热腔 反射计 该方法能够测量光谱发射率但不适用于高温测量 意大利 IMGC的积分球反射计具有很宽的测量温度范围 激光偏振法只能用 于测量光滑表面的发射率 精品文档 3欢迎下载 探测器工作原理图 探测器组装图 3 辐射能量法法 精品文档 4欢迎下载 能量法的基本原理是直接测量样品的辐射功率 根据普朗克定 律或斯蒂芬玻尔兹曼定律和发射率的定义计算出样品表面的发射率 一般均采用能量比较法 即用同一探测器分别测量同一温度下绝对 黑体及样品的辐射功率 两者之比就是材料的发射率值 1 独立黑体法 独立黑体法采用标准黑体炉作为参考辐射源 样品与黑体是各自独立的 辐射能量探测器分别对它们的辐射量进 行测量 测量材料全波长发射率时 探测器需要选择使用无光谱选 择性的温差电堆或热释电等器件 测量材料光谱发射率时 需要选 择使用光子探测器并配备特定的单色滤光片 许进堂等人曾采用独 立黑体方案设计了一套法向全波长发射率测量装置 精度可以达到 3 7 独立黑体方案的优点在于能够精细地制作标准辐射源 并可 精确地计算其辐射特性 其缺点在于等温条件难以得到保证 特别 是对不良导热材料 在实际应用中 人们还常常采用整体黑体法和 转换黑体法两种能量法测量材料的发射率 即在试样上钻孔或加反 射罩 使被测材料变为黑体或逼近黑体性能 从而进行材料发射率 的测量 精品文档 5欢迎下载 两种转换黑体法示意图 2 红外傅里叶光谱法 进入 90 年代以来 由于红外傅里叶光谱仪的 发展和广泛应用 很多学者都建立了基于该装置的材料光谱发射率 测量系统和装置 红外傅里叶光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算 机组成 其工作原理是光源发出的光经迈克尔逊干涉仪调制后变成 干涉光 再把照射样品后的各种频率光信号经干涉作用调制为干涉 图函数 由计算机进行傅里叶变换 一次性得到样品在宽波长范围 内的光谱信息 因此 红外傅里叶光谱仪在测量红外发射方面是一 个功能强大的仪器 近年来 许多国家都进行了基于傅里叶红外光 谱仪材料光谱发射率测量的研究工作 最具有代表性的是半椭球反 射镜反射计系统 该系统由 Markham 等人研制 曾获 1994 年美国百 精品文档 6欢迎下载 项研发大奖 系统的整体结构示意图如图所示 系统可以同时测量材料的光谱发射率和温度 温度测量范围为 50 2000 典型测量精度为 5 光谱测量范围为 0 8 20 m 典型 测试精度为 3 试样直径为 10 40mm 试样的有效直径测量范围为 1 3mm 为保证加热时试样温度的均匀性 试样的最佳厚度为 1 3 mm 4 多波长测量法 多光谱法是可以同时测量温度和光谱发射率的新方法 其基本 原理是利用待测样品在多光谱条件下的辐射信息 通过假定的发射 率和波长的数学模型进行理论分析计算 得到待测样品的温度和光 谱发射 精品文档 7欢迎下载 率 多光谱法的优点是测量速度快 设备简单易于现场测量 不需要制作标准样品 很多国家都在研究多光谱法 多波长测量法 的原理是通过测量目标多光谱下的辐射信息 建立发射率与波长关 系模型及理论计算 同时得到温度与发射率信息值 该方法能够实 现现场测量 并且测量温度没有上限 但是测量精度有限 并且对 不同材料的适用性差 没有一种算法能适应所有材料 但是这是未 来的发展方向 发射率测量方法的优缺点 二 本方案的基本原理 考虑到红外热像仪和多光谱分析仪较贵 本方案计划采用 双罩 法 测量 双罩法 的基本原理就是将待测样品的辐射能量与处于相 同温度下黑体所辐射的能量相比 就得到待测样品的发射率 本文 精品文档 8欢迎下载 中所述的发射率如无特别说明均指半球发射率 在工程上将被测面 近似为灰体 灰体的定义是在任何温度下所有各波长射线的辐射强 度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数 测量原理结构如图所示 双罩即由半球吸收罩与半球反射罩组成 其中吸收罩内表面为高吸收率材料 反射罩内表面为高反射率材料 为了便于讨论半球罩的检测工作原理 可作如下三个假设 1 不 考虑透射率 即透射率 0 反射罩的内表面反射率和吸收罩的内 表面吸收率均为 1 2 顶部开口面积相对于半球面积可忽略 不 需要考虑在开孔处的能量损失 3 罩内表面温度在测量过程中保 持不变 因此罩内表面与被测表面间没有相对传热 设被测物体表 面的温度为 Ts 发射率为 当半球反射罩扣在被测物体表面上时 反射罩和被测物体表面组成一个闭合腔体 由被测物体表面发射的 辐射能被反射罩内表面不断地反射 而被测物体表面却不断地吸收 由反射罩反射回来的辐射能 由于辐射是以光速传播 因此上述的 不断反射和吸收过程是瞬间完成 设 0为温度 TS时的黑体辐射功率 当反射罩对着被测物体表面时 所组成的闭合腔体就成为一个等效黑体 自然敏感元件从小孔中接 收到的辐射功率等于黑体辐射功率 设 12为被测物体表面对半球 罩顶部小孔的角系数 则由小孔通过的辐射功率为 Eb 12 0 将反 射罩换成吸收罩 这时由于吸收罩表面和被测物体表面组成闭合腔 体 因此被测物体表面辐射到吸收罩内表面的能量完全被吸收 敏 精品文档 9欢迎下载 感元件接收到的辐射功率即为被测表面发射的固有辐射功率 ES 12 0 固有辐射功率与黑体辐射功率的比值即为被测面的发射 率 式中 K 敏感元件的热转换系数 测量传感器结构如上图所示 由吸收罩与反射罩两部分组成 在理 想情况下 被测面为灰体 半球反射罩反射率 为1 被测表面能量 经反射罩多次反射后由从小孔出射 此时被测面有效辐射率为1 其 辐射能为E T4 同时 理想情况下半球吸收罩的吸收率 为 1 被测表面向吸收罩辐射的能量均被其吸收 由小孔出射的能量为 被测面自身辐射能E T4 这样从两罩小孔中出射的辐射能比 值即为被测表面发射率 实际的反射罩反射率和吸收罩吸收率不可 能为1 需要分析其误差影响 这里引入有效发射率的概念 可得半 球罩结构下被测表面的有效发射率 eff公式 精品文档 10欢迎下载 式中 为罩体吸收率 F1 和F2 分别为被围表面与半球罩面 积 根据有效发射率的意义 对于敏感元件热电堆 半球吸收罩输 出Va 与半球反射罩输出Vr 为 式中 e ffa与 ef fr分别为吸收罩和反射罩对应被测面的有效发射率 两者比值为电压比 根据有效发射率式 1 可得实际测量的传感器输出电压比将比被测 发射率小 但这部分偏差可通过标定过程补偿 该系统采用4个第三 方测定的样板对测量系统进行标定 补偿由于反射罩和吸收罩特性 影响导致的误差 在长期在线测量条件下 吸收罩和反射罩的温度升高 其自身 辐射能也将通过被测面反射后由小孔出射 并且热电堆输出电压随 传感器冷端温度升高而变化 从而引起测量误差 通过分析建立误 精品文档 11欢迎下载 差因素模型 式中 是吸收罩与其传感器冷端的温度误差系数 是反射罩与其传感器冷端的温度误差系数 为将 测得电压补偿到一个相对零点后仅含有表面辐射量信息的值用 和代替Va 和Vr 解方程组 1 2 3 将求得的发射率 值标定后即可实现发射率的在线长时测量 三 系统的总体结构 测量系统总体结构如图所示 包括传感器模块 信号处理模块和上 位机测量显示模块 传感器模块包括2个半球罩及热电堆传感器 4 路PT100 热电阻测量补偿温度和一路PT100测量被测面温度Ts 通 过测量表面温度得到发射率与温度的对应关系 信号处理模块为温 度测量部分提供电流驱动 并且采集7路信号进行A D转换后通 MODBUS协议将数据实时传输给上位机 上位机接收数据后通过补偿 模型计算出发射率值 并实时绘制被测面发射率随温度的变化曲线 在应用现场 传感器与上位机距离超过15 m 考虑到红外热电 堆传感器的输出为几mV 如果将信号通过长线传输至电路将会对本 来就很小的信号造成衰减 因此采用将电路与2个半球罩做成一体结 精品文档 12欢迎下载 构 如图中实线框所示 该结构对测量电路的测量精度与尺寸提出 了很高的要求 四 系统电路设计 4 1测量电路设计 系统待测辐射量很小 光电式传感器对工作环境要求较高 无 法适应高温环境 红外热电堆传感器不仅能够适应强震动和高温环 境 而且测量响应速度为m s级 无需复杂光学系统 综合各方面考 虑 系统采用红外热电堆传感器 测量系统采用传感器与电路一体的结构 电路板空间狭小 要求电 路具有很高的集成度 mV 级的热电堆输出电压不论在测量精度还 是抗干扰上都加大了难度 根据测量电路对 CPU 的要求 采用 ADuC845 微处理器 测量电路如图所示 CPU 外围电路结构简单 只 需要提供电源及参考电压 片内集成的可编程增益放大器 PGA 和高 精品文档 13欢迎下载 达 24 位分辨率的 型 ADC 完全满足测量要求 并且片内集 成的 400 A 电流源可直接驱动 PT100 信号 简化了电路 芯片内ADC上的斩波机制使其具有优良抑制直流失调及漂移性能 非常适用于对失调 噪声抑制和电磁兼容要求高的电路 通过寄存 器可将PGA 增益编程为8 级以满足不同的输入范围 并在测量电路 中添加1 25 V 偏置电压让输入信号工作在放大器的线性区 提高 测量精度 对于PGA 测量范围越小则测量的精度越高 在该应用中 传感器输出小于40 mV 因此为了充分利用芯片的精度 在该电路中 通过单片机程序识别输入信号的范围自动选择PGA 的增益 设定20 mV为阈值 在输入小于20 mV 时选择0 20 mV 当输入大于20 mV 时程序自动切换为0 40 mV 4 2 RS 485 通信电路 信号处理模块与上位机使用RS 485协议进行长距离通信 由 于电路所处的环境为强电磁干扰 因此为了增强抗干扰能力提高可 靠性 采用基于iCoup ler磁耦隔离技术的隔离RS 485收发器ADM 2483 磁耦隔离技术由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环 节 实现了低功耗和高集成度 并且具有更高的数据传输速率 时 精品文档 14欢迎下载 序精度和瞬态共模抑制能力 它在125 高温环境下性能和可靠性 并不下降 在抗高温影响方面远优于光耦合器 非常适用于该系统 的高温环境 通信电路如图所示 注意 VDD2与GND2必须是通过DC DC 隔离后的电压 才能实现系统的真正隔离 五 标定和实验结果 在补偿的基础上测量系统通过4 块第三方检定的标准发射率样板来 标定 发射率分别为0 23 0 34 0 64 0 92 通过线性拟合的到 最终发射率值 为了验证系统测量的准确性 采用红外热像仪校准 发射率方法进行比对 该测试装置经过了计量单位检验 热像仪校 准方法的基本测定方法简单描述如下 其基本计算原理是通过红外 热像仪得到被测面的温度场图像分布 通过温度场图像根据热像仪 的图像处理软件分析可以得到热像仪吸收的测量波长范围内的红外 能量 在需要测量发射率的测试点焊上热电偶测量实时的被测表面 精品文档 15欢迎下载 温度 根据