红外辐射测温理论第08章.ppt
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第八章辐射测温应用技术,8.1红外辐射测温中的干扰,辐射式温度计属于光学测量装置,在测量中常常受到光学方面的外界干扰。
这些干扰大致可分为光路中的干扰,外来光干扰和发射率变化干扰等几类。
此外,在辐射温度计本体的信号变换与处理过程中,不可避免地还会有机械振动、温度变化和电磁方面的干扰。
如在冶金生产中,为了冷却设备和产品,常常在被测表面上停留有水膜,在被测表面附近还经常存在着浓度经常变化的水蒸气。
水蒸气、二氧化碳等气体介质对辐射能的吸收是有选择性的,即对某些波长的辐射能有吸收能力,而对另一些波长的辐射能则是透明的。
由于这些气体介质在光路中对来自被测物体的辐射能有选择性的吸收,从而减弱了入射到辐射温度计中的辐射能,因而造成测量误差。
光路中的干扰,生产现场空气中还悬浮很多尘埃,这些尘埃对辐射能吸收是没有选择性的,但常常伴随有散射。
空气中的尘埃对于辐射的吸收和散射虽然物理本质不同,但其效果都是减弱入射到辐射温度计中的辐射能,从而造成测量误差。
被测表面和辐射温度计之间在测量上所必须行经的空间距离叫作光路。
图1辐射测温中的各种外部干扰,指从其他光源入射到被测表面上并且被反射出来,混入到测量光中的成分。
如在室外测量时的太阳光,在室内测量时的照明,附近的加热炉和火焰等都是外来光的光源。
外来光的干扰,发射率变化干扰,物体的发射率不仅与温度和波长有关,而且即使是同种物质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关。
如果对物体发射率评价的不准确或发射率在某已知平均值附近无规则变化,部将造成测量误差。
图1辐射测温中的各种外部干扰,图2被测目标的辐射能、光学材料透过率和探测器面的探测率的相关图,8.1.1光路中的干扰,可以看出,被测目标与辐射温度计的距离越远,即l越大,被测物体发出的辐射能被衰减的越多。
吸收性气体(水蒸气、二氧化碳等)在被测目标和辐射温度计之间浓度越大,即K越大,被测物体发出的辐射能也被衰减的越多。
根据第一章辐射能在吸收性气体中的哀减规律,即布尔定律:
水蒸气、二氧化碳和臭氧等多原子气体都具有相当强的吸收能力。
图3表示出水蒸气、二氧化碳和臭氧的吸收波段和它们吸收带的叠加。
在波长1.41.85、22.5、3.34、8-14mm内的辐射能被吸收较少,称为大气窗口。
一些辐射温度计的工作波长都选择在大气窗口的某一波段内,以减少光路中吸收性气体对被测辐射的吸收。
图4由于水蒸气产生的测量误差,为了研究水蒸气对辐射测温的影响,在个加热的圆盘和辐射温度计之间吹入水蒸气进行实验。
实验中,由于水蒸气定量困难,很难作到对于各种辐射温度计都复现相同的蒸气里,所以实验点分散较大。
但从图4中可以看出,探测器为热电堆或PbS的辐射温度计误差较大,在850时,误差分别为-85和-90左右,光电管高温计和硅光电池光电高温计的误差分别为-20和-27。
可见,在光路中存在有水蒸气时,在短波下测量,可以减小测量误差。
如果在加热的圆盘上形成0.2mm厚的水膜,用以热电堆和PbS为探测器的辐射温度计测量圆盘温度时,在圆盘温度为850时,其误差分别为-200和-290;用硅光电池光电高温计和用光电管高温计测量时,误差分别为-10和-17。
这是因为在短波下测量,水膜透过率较高的缘故,如图5和图6所示。
图5水膜产生的测量误差图6水膜透过率,光路中的水膜、水蒸气及尘埃对辐射温度计的正常测温都会带来非常不利的影响。
为了尽量消除这些不利因素,除按上述在短波下测量的方法以外,通常用压缩空气吹散水膜,或用仪表风清洗光路都是有效的。
如果仪表风不足,可用一般压缩空气,但必须经滤清器处理。
如果压缩空气中水分太多,也不宜直接使用,需要经脱湿机处理。
8.1.2外来光干扰,图7外来光干扰的形成,不透明的物体表面温度为T,发射率为,自身的单色辐射功率为Eb(,T)。
在测温现场往往还有作为辐射源的其他一些物体也向外辐射出能量,这些能量中有部分到达被测物体表面上,其中一部分被吸收,另一部分被反射而混入到测量光中,混入的这部分光即所谓外来光干扰。
设被测物体周围有n个温度不同、位置也不同的辐射光源,则被测物体的有效辐射为:
(k=1,2,3,n),因为有AaFak=FkaAk的关系,所以上式变为:
式中,Aa为被测物体的面积,Ak为温度Tk物体的面积,Fka为物体k对被测物体的角系数,Fak为被测物体对物体k的角系数,Eeff,k(,k)为k物体的有效辐射功率。
从上式中可以看出:
被测物体的发射率越小,则式中右边第二个求和项越大,即混入测量光中的外来光干扰量越大,外部光源的温度越高,这个干扰量也越大。
用光学高温计测量黑度为0.6l的钢材表面温度时,由于白昼光的干扰也会产生测量误差如图8所示,钢材的温度在1000以上时,照度在3000lx(勒克斯)以下的昼光干扰可以忽略不计。
钢材的温度在1000以下时,最好在较暗的条件下测量。
900以下时,照射在钢材表面上几百勒克斯的照度也是不能忽视的。
图8白昼光反射的干扰,对于一些固定的难以避免的外部光源,如不设置遮蔽装置,在测量中也会造成很大的测量误差。
为了防止遮蔽装置的内部与被测表面之间发生的多次反射,遮蔽装置的内侧面应涂黑。
遮蔽装置的设置不应阻碍生严操作,并尽量靠近被测表面。
当遮蔽装置将在很高的温度下工作,这样遮蔽装置本身又成了新的外部光源了。
这时应当用空气或水对遮蔽装置进行冷却,尽量压低它的辐射。
另外,还可以改变测量方向,躲过外来光对被测表面的照射。
8.1.3发射率变化产生的测量误差,对于不透明物体,如果没有反射成分,假定温度为T,发射率为时,应用维恩公式辐射温度计的输出为:
(1),式中,k为辐射温度计机构常数,C2为普朗克第二常数,为波长。
根据上式可求得温度T值:
(2),式
(1)对T求导,可得,(3),式
(1)对求导,可得,将(4)代入(3),可得:
(4),从该式可以看出:
由于发射率变化产生的温度测量误差与波长成正比,与温度(K)的平方成正比。
据此应尽量选择工作波段短的辐射温度计侧脸物体的温度,这样可以减小由于发射率变化产生的测量误差。
例:
辐射温度计工作波长=1.0m,发射率从0.8变化为0.82(2.5%)时,在1000(1273K)下测量,则由于发射率变化产生的温度测量误差为:
在500下(其它条件相同)温度测量误差为:
在1500下(其它条件相同)温度测量误差为:
如果辐射温度计工作波长=2.0m,在1000下(其它条件相同)温度测量误差为:
在500下(其它条件相同)温度测量误差为:
在1500下(其它条件相同)温度测量误差为:
可见,在其它条件不变的情况下,在短波下测量,可使由于发射率变化产生的温度测量误差成倍减小。
对于比色测温仪:
若被测物体为非灰体,由于两波长下发射率之比发生变化,则产生测量误差。
它的输出是两波长下能量比:
此处将r称为比色测温仪的有效波长,将R称为灰度,则有:
由此可以得到与(5)一样的表达形式:
可见,温度测量误差与单色温度计的形式相同,即由于灰度变化产生的温度误差与比色温度计的有效波长成正比与温度的平方成正比。
比色测温仪的两个波长设置根据测温范围而不同,作为典型的例子在800以上高温测量用比色测温仪为(0.85m/1.0m),在500以上中温测量用比色测温仪为(2.1m/2.4m),其各自的有效波长为:
当灰度R从1.0变化到1.01
(1)时,其温度测量误差的计算与单色温度计计算方法一样,即当测量温度为1000时,,当测量温度为500时,,当测量温度为1500时,,黑体空腔钢水连续测温方法与传感器,一、钢水连续测温意义与现状,冶金工业,炼钢、连铸过程:
控制钢水温度和成份的过程。
高温钢问题:
钢水质量下降能耗增加(约1元/.t)原材料消耗增大耐材消耗增大,解决高温钢问题的关键是:
准确和及时地测量钢水温度。
冶金生产过程,1.现行钢水测温方法(消耗式偶头人工间断式测温),钢水连续测温意义与现状,准确性较差,存在问题,较理想浇注温度:
10浇注过程温度波动:
1015测温不确定性:
810,高温钢,影响因素:
中包钢水过热度通常设为:
30,不能实时监测钢水温度(1015分钟测量一次),2.钢水连续测温国内外研究现状,钢水连续测温意义与现状,铂铑热电偶,内保护管,外保护管,钢水,绝缘管,局限性,铂铑热电偶昂贵,测温成本高,企业不用。
测量方法:
铂铑热电偶+保护管,Vesuvius、HeraeusElectro-Nite二大国际公司有此类产品。
3.钢水连续测温一直是没能较好解决的问题,钢水连续测温意义与现状,介质温度高(14601600)介质侵蚀性大(O、Mn、S)烟气、粉尘,高精度高可靠性低成本,条件恶劣,高温介质内部温度测量,铂铑热电偶工业应用中的唯一方法。
三者的矛盾,使钢水连续测温问题一直没能很好解决。
要求苛刻,方法单一,二、研究内容与创新点,1.发明黑体空腔钢水连续测温方法,2.建立在线黑体空腔理论公式,3.研制黑体空腔钢水连续测温传感器,黑体空腔钢水连续测温方法与传感器,1.发明黑体空腔钢水连续测温方法,钢水,空芯管黑体空腔测温传感器,底部发射红外辐射红外探测器,根据在线黑体空腔理论确定钢水温度。
红外探测器,空芯管,研究内容与创新点,与铂铑偶连续测温方法比较,本发明:
低成本空芯管实现钢水连续测温,研究内容与创新点,2.建立在线黑体空腔理论公式,
(1)经典黑体空腔理论用于在线黑体空腔存在的问题,c腔体积分发射率,近似1,约为常数EbPlanck公式确定的黑体辐射强度,
(1),实验室标准黑体辐射源,经典黑体空腔理论,在线黑体空腔,实际c计算曲线,cf(腔体等温性,介质温度,腔体结构,材料,波长)在线黑体空腔等温性差,导致各因素耦合影响,使c不确定。
分析,研究内容与创新点,建立了Kt一阶近似解析表达式:
提出腔体不等温系数Kt这一腔体参数,定义:
(4),
(2),0c腔体发射率(等温条件下腔体积分发射率);Kt腔体不等温系数。
建立了在线黑体空腔辐射公式,(3),
(2)在线黑体空腔理论公式的建立,研究内容与创新点,建立在线黑体辐射公式的意义,基于在线黑体空腔辐射公式:
与实验室分度方程(实验获得)结合,,则可建立在线分度方程:
(5),(6),(7),用Kt和0c两个腔体参数分别表达腔体的等温性和密闭性,分解了各因素的耦合影响。
0c和Kt均约为腔体常数,可以确定表达在线黑体空腔的辐射特性。
建立在线分度方程,确定腔体温度(钢水温度)。
研究内容与创新点,3.研制黑体空腔钢水连续测温传感器,外管材料铝碳等静压成型,抗钢水侵蚀冲刷,内管材料Al2O3管,保证光路清洁,解决内管炸裂问题,采取内管外壁粘涂Al2O3颗粒,外套管,连接管,黑体空腔传感器,钢水,内套管,解决既抗钢水侵蚀冲刷又保证光路清洁之间的,疏松颗粒层缓解内外管壁局部接触,热应力集中导致的内管炸裂。
插入钢水深度,传感器内径,15,插入钢水深度,传感器外径,3,确定结构尺寸,82,20,
(1)确定传感器结构和材质,矛盾,采用双层套管结构。
研究内容与创新点,设置静压管、导风管、节流环和通气孔,
(2)解决光学系统受污染问题,保证测量值的稳定性,研究内容与创新点,建立测量精度方程,腔体不等温系数误差Kt;,(8),腔体发射率误差0c;,红外测温系统误差
(2)。
主要影响因素:
测温管插入钢水的深度变化;传感器内管材料发射率变化。
外套管,连接管,黑体空腔传感器,钢水,中包盖,(3)确定传感器的准确性及技术条件,研究内容与创新点,实测腔体温度分布Kt随材料发射率和腔体插入深度变化,腔体发射率0c准确性的研究,腔体不等温系数Kt准确性的研究,0c随腔体插入深度和材料发射率变化,研究内容与创新点,黑体空腔传感器精度,比较:
工业铂铑热电偶的精度为:
4。
由于“腔体效应”,黑体空腔传感器的测温准确性优于工业用铂铑热电偶。
结论:
当测温管插入钢水深度300mm条件下,黑体空腔传感器的精度为:
1。
研究结果表明:
外套管,连接管,黑体空腔传感器,钢水,内套管,研究内容与创新点,0c随腔体插入深度和材料发射率变化,辐射增强:
即使材料发射率很低,腔体发射率0c仍达很高值;,腔体效应:
腔体辐射腔体材料固有辐射整个腔体内多次反射辐射,腔体效应作用:
空芯管黑体空腔传感器被测介质温度信号转换成稳定的近似黑体辐射,黑体空腔传感器的物理含义,辐射稳定:
当材料发射率变化很大,腔体发射率0c却变化很小。
红外探测器,空芯管,固有辐射,反射辐射,钢水,研究内容与创新点,系统精度:
3测温管平均寿命:
24h,三、性能与应用,经过19832003年的系统研究,形成具有自主知识产权的定型产品。
获得了辽宁省质量技术监督局计量认证,1.主要性能指标,与B型标准铂铑热电偶比较,黑体空腔连续测温曲线标准铂铑热电偶测温曲线,在包钢、宝钢等十几家钢厂连铸中间包应用现场与B型标准铂铑热电偶进行实验比较结果表明二者相差3。
性能与应用,2.现场应用图示,性能与应用,3.应用规模,在宝钢、首钢、鞍钢等20家钢铁企业,共25台铸机应用。
应用单位汇总,钢铁企业普遍认同,产生广泛影响力,已形成新一代钢水测温产品。
性能与应用,四、技术水平,获得中国发明专利、美国和俄罗斯专利,
(1)中国发明专利证书(2003年)ZL00120354.1
(2)美国专利证书(2005年2月)US6.846.105B2(3)俄罗斯专利授权通知书(2005年7月)(4)同时申请了日本、韩国专利,已受理,仍在审查中,中国发明专利证书,美国专利证书,俄罗斯专利授权通知书,2.技术先进性与市场竞争力,无黑体空腔式钢水连续测温同类应用技术比较。
(1)无黑体空腔同类技术比较,
(2)与铂铑热电偶连续测温技术比较,技术水平,(3)与现行消耗式偶头人工间断式测温比较,(4)小结:
实际应用规模表明,由于低成本和高精度实现钢水连续测温,本项技术具有明显的先进性和市场竞争力。
技术水平,3.科技成果鉴定意见,殷瑞钰、李正邦院士等组成的鉴定委员会的鉴定意见:
“该研究成果在理论上和技术上有重要的创新性,并在同类技术中居国际领先水平;其研究成果堪与当年作为冶金一大发明的钢液浓差定氧媲美”。
在王大珩、杨嘉墀、金国藩等三位院士提给国务院的“关于振兴我国仪器仪表产业对策与建议”报告中指出:
“黑体空腔式钢水连续测温仪、微波等离子体炬光谱仪、柔性控制系统、高强度聚焦超声肿瘤治疗系统等多项产品技术上领先国际水平。
”,技术水平,应用意义,1.对冶金技术进步的意义,降低钢水过热度,节能降耗,提高钢水质量,自动调整拉速和水量,提高连铸坯质量,降低漏钢絮钢生产事故发生,降低测温成本,提高了连铸自动化水平,实现了低成本、高精度钢水温度连续测量,2.对温度测量技术的意义,应用意义,建立黑体空腔测温传感器技术这一新的测温方法。
打破了高温介质内部温度测量采用铂铑热电偶这一单一模式。
并依此技术开发了其它应用产品。
铸坯表面温度在线测量系统,On-lineSurfaceTemperatureMeasuringSystemofCastingBlank,一、连铸坯温度测量意义与现状,二、红外与热像相结合的铸坯表面温度测量,三、基于铸坯传热凝固模型的滤波技术,五、应用一:
模型在线自校正技术,六、应用二:
二冷配水闭环控制,七、结论,四、系统构成与测量结果,连铸生产配水控制系统三大问题,图1、连铸测温位置示意图和铸坯环境,一、连铸坯温度测量意义与现状,1.温度不能监测:
矫直点;回温;温场分布,2.模型不确定:
冶金长度;坯壳厚度;配水表,3.不能闭环控制:
质量不稳定,二冷区内环境恶劣无法测量,二冷区外测不准,铸坯表面温度测量难点:
单点红外测温仪,超时平均滤波,峰值滤波,扫描式温度场测量设备,铸坯内部温度测量设备,仅适于测量铸坯内弧温度测量范围为非连续扫描线温度执行机构在高温、雾气、震动、灰尘环境中工作,维护量大无法克服剥离与非剥离氧化皮造成的测温波动,停止浇铸才可测温测量条件与生产条件不同,测量结果意义不大不能反映截面温度分布,接触式铸坯表面测温设备,热电偶铸坯表面测温装置,造成铸坯表面质量缺陷非连续性测量只能测量单点或若干点测温值受压入位置影响,造成铸坯表面划伤高温、磨损等导致维护量大剥离氧化皮造成测温值偏低只能测量若干点温度,二、红外与热像相结合的铸坯表面温度测量,铸坯表面特性与温场分布,铸坯表面特性复杂性决定了铸坯表面温度测量是至今没有解决的国际难题,红外技术与热像技术耦合测温必要性,热像仪温场测量优势,热像仪温场测量不足,红外技术与热像技术耦合测温原理框图,相关判定准则,红外单点测温仪测量点相关定位,其中,,对铸坯区域连续进行相关匹配,并基于概率方法去伪匹配点,获取点测检测点坐标。
温差评估及热像温度场修正方法,已知对应点关系的基础上,获取点测和面阵温度差,进而修正面阵测量偏移量。
最大概率温差作为点测温度偏移量修正值,用于热像仪数据修正。
三、基于传热凝固模型的滤波技术,铸坯传热凝固模型,基于模型的温度滤波技术,铸坯凝固二维传热微分方程:
边界条件,铸坯传热凝固模型机理,引入基于黑体空腔中间包钢水连续测温检测的中包温度,实现浇注温度、拉速和水量的动态优化控制,解决连铸过程中的由于浇注温度和拉速变化冷却不合理产生的铸坯质量问题。
初始条件,模型在线计算及截面温度分布,聚类分析及温场预处理,铸坯表面辐射特殊性决定无法依靠传统数据处理方法实现温度准确测量。
剥离状氧化皮,处理方法:
1.检测到剧烈温度梯度变化后,通过轮廓提取获取剥离氧化皮区域;,机理分析,2.利用区域外多点线性插值得到区域内部点温度。
剥离状氧化皮处理方法,辐射增强效应,外界物体遮挡,薄厚不均的氧化皮,薄厚变化导致发射率变化,温场均匀化,测量目标辐射被外物遮挡,近邻插值恢复,近似黑体空腔增强发射率,标记无效点,解决方法,解决方法,解决方法,横轴滤波,单线截面温度数据,由于铸坯辐射特征影响,单线截面温度数据的峰值数据不能可靠反映铸坯真实温度分布。
温场恢复后的表面峰值温度,纵轴滤波,由于氧化皮和噪声的影响,进行横轴滤波后,输出温度仍存在波动,为了进行温度反馈,需要提取其有用温度信息。
故需要在时间轴上进行温度数据处理。
本系统采用凝固传热模型、图像处理热图像高温面元温度梯度相结合的方法,进行滤波。
纵轴滤波前温度曲线,纵轴滤波后温度曲线,(测量稳定性达到5),(测量稳定性为12),四、连铸坯系统构成,系统工作说明,技术指标,测量范围:
8001300适用范围:
方坯、板坯连铸机二冷铸坯表面温度精度:
5维护周期:
3个月输出信号:
4-20mA;RS485;以太网,测量数据示例,现场数据回放,数据来源福建省三明市三明钢铁公司炼钢厂时间2006年12月8日,模型的不确定性,五、应用一:
模型在线自校正技术,模型计算方式:
模型物性参数:
模型边界条件:
维数、网格划分、网层间距,密度、导热、比热,中包温度、结晶器热流密度、二冷区换热系数、二冷水温度、铸坯表面温度、环境温度,不同经验公式得到的水流量与换热系数之间的关系,换热系数的影响,二次冷却作为连铸过程中对铸坯内部影响最重要的冷却段,其换热系数直接影响着计算的连铸过程温度场以及坯壳厚度以及铸坯表面回温和温降的变化。
目前,换热系数的确定主要由经验公式获得。
然而,不同的经验公式得出的计算结果存在较大的差别,并无法验证其可靠性。
二冷区传热方式主要有:
铸坯表面向空气中的辐射传热空气与铸坯之间的对流传热支撑辊与铸坯之间的接触传热水滴的蒸发传热水滴沿内弧表面浸渍而带走的热量,根据连续测温,通过逐步调节各段的冷却水差量,运用微分参数调节方法,经过多次计算迭代求解,最终获得各段合理的冷却水换热系数。
由,根据实验室数据确定,计算出由测量温度获取,然后调整,使得同理,逐步确定反复叠带直至确定确定冷却段相关系数,基于表面温度测量在线修正模型,1)恒水量,变拉速,变拉速水量实验中模型修正结果,实验工艺参数设定,实验数据比较,变拉速水量实验中模型修正结果,模型计算结果和测量值的比较,不同换热系数模型计算结果和测量值的比较,变拉速水量实验中模型修正结果,二冷区内温度场软测量的实现,铸坯传热凝固模型验证,L1,L2,L3,射钉坯壳厚度和模型计算坯壳厚度比较,铸坯质量稳定性,生产可靠性,开环控制不足,六、应用二:
二冷配水闭环控制,2.抗扰动性差,一旦系统工艺参数发生变化,没有纠偏能力,1.可靠性低,控制目标状态完全取决于模型参数的合理性,连铸坯表面温度的跟踪与控制成为连铸生产中的技术难题,1.连续测量铸坯表面温度,特别是温度场分布,能够与连铸控制系统(特别是二冷配水、铸坯矫直等)有机结合形成在线动态优化控制,闭环控制系统框图,二冷各段的温升和温降多目标控制,矫直点温度恒值控制,七、结论,1,表面温度测量稳定性为5;2,实现二冷恶劣环境下铸坯温度场的软测量;3,实现二冷配水闭环控制;4,实现矫直点恒温控制;,铸坯表面温度场与热图像测量,基于传热凝固模型的滤波技术,红外测温技术与热像技术的结合,基于表面温度的模型在线自校正,铸坯,
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- 红外 辐射 测温 理论 08