一维高温温度场测试技术

　　0　引　言

　　温度是物体内能变化的重要标志.通过对温度场的测量,不但有助于对物体内部能量的变化及热能传递方向、大小进行判断和准确计算,还可以根据热平衡方程和边界条件得到试样的导热系数、导温系数等热物性参数[1].

　　辐射测温具有响应速度快、测温上限高等优点[2],通过与其它光学系统组合可对高温温度场进行快速测量.但由于辐射测温技术必须考虑光谱发射率对测量结果的影响,而光谱发射率还是一个随物体组份、表面状态、考察波长及当前温度变化而变化的物理量,因此在对梯度较大的温度场进行逐点测量时始终不能达到应有的测量精度[3].由于比色测温法可以消除光谱发射率的影响,并且测量结果与物体真温相差很小,因此本文提出了一种新的一维温度场测量方法,这种方法主要采用旋转反射镜快速将试样一维方向上的热辐射反射到温度计测试窗口,然后利用比色高温计测量出相应的温度,最后再通过上位机将温度场的分布描绘出来.与现有的温度场测量技术相比,这种新方法的温度场测量速度更快、准确性更高,装置的研制难度也低得多,完全满足一维温度场的测试要求.

　　1　比色测温模型[4]

　　高于绝对零度的任何物体都要向自然界进行红外热辐射,比色高温计就是通过物体的热辐射能量进行温度测量的.普朗克定律定量地表示出光谱辐射亮度分布与温度间的关系

　　式中:K1,K2分别为两个通道的几何因子,它与该波长下探测器的光谱响应率、光学元件透过率及几何因素有关,可以通过标定得到;ε(λ1,T),ε(λ2,T)分别为目标真实温度为T时的光谱发射率;λ1,λ2为两个通道的有效波长.

　　由于比色高温计的工作波长相近,可以认为这两个波长下的光谱发射率是相等的,这样式(3)与式(4)相除可得

　　显然,通过这种方法得到的物体温度不再受光谱发射率的影响.因此,比色温度计可以广泛用于各种发射率难以精确测定的测温环境.

　　2　测量装置的研制

　　2.1　旋转式光学系统的研制

　　这套旋转式光学系统的研制目的主要是提高测量精度和速度,以替换原有的摆镜式光学系统[5].它的结构原理如图1所示,试样某一位置发出的红外辐射能被旋转反射镜和固定反射镜连续反射后以固定角度入射到高温计物镜窗口,最后被比色高温计的光学传感器转化为相应的电信号,从而实现了对该位置温度的测量.考虑到固定反射镜的反射角度及比色高温计的安装位置,因此旋转反射镜的最大测试角度为40°.测量过程中,扫描的角度主要通过旋转反射镜与试样间的距离来控制,旋转反射镜转动一周即可实现对试样表面的6次扫描,而转动速度可通过驱动电机进行即时调节.由于旋转反射镜始终以驱动电机为轴心对物体表面作单向扫描,纠正了传动杆带动摆镜做往返扫描时因工作轨迹不一致而对测试结果造成的误差,从而提高了一维测量的线性度.