基本信息
- 项目名称：
- 半透明介质环境下材料表面非接触测温的校正技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本技术根据半透明介质是否接触不透明材料表面两种状况，分别建立了半透明介质内辐射传输模型和辐射导热耦合换热模型，结合智能微粒群算法PSO反演材料表面温度和介质内部温度分布的反问题模型，实现对半透明介质内部和材料表面传统辐射测温的校正。项目最终完成RAD软件、RAD_CON软件及PSO_INVERSE软件的制作并申请发明专利一项。
- 详细介绍：
- 本文提出了一种半透明介质环境下非接触测温的校正技术。当采用非接触式辐射测温方法测量半透明介质温度或材料表面受到受到半透明介质遮蔽时，辐射测温设备受到半透明介质本身辐射的影响，不能准确得到半透明介质内部温度和材料表面温度。本技术根据半透明介质是否接触不透明材料表面两种状况，分别建立了半透明介质内辐射传输模型和辐射导热耦合换热模型，结合智能微粒群算法PSO反演材料表面温度和介质内部温度分布的反问题模型，实现对半透明介质内部和材料表面传统辐射测温的校正。其特点是：根据半透明介质的是否接触测温表面，选择不同的数学物理模型，以红外热像仪测量的辐射能量值作为已知量和参考量，通过正、反辐射传输问题的计算，得到被测表面的实际温度及半透明介质内部的温度场分布。其优点是：当被测半透明介质和不透明材料表面受到半透明参与性介质本身辐射影响时，通过红外辐射测温设备测量的热流密度值，采用PSO算法结合正算模型能够准确反演被测壁面温度，同时可获得半透明介质内部温度分布。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究的主要思路有： (1) 建立半透明材料内辐射传输计算模型和辐射导热耦合换热模型。 (2) 采用智能微粒群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO），结合辐射传输模型和辐射导热耦合计算模型，建立反演材料表面真实温度及半透明介质内温度分布的物理模型。 (3) 搭建实验台，通过实验验证反演模型的正确性。
科学性、先进性及独特之处
- 传统固体表面的红外辐射测温主要是采用红外辐射热像仪得到两光谱或多光谱下的辐射能量，结合已知的材料表面发射率或假设表面发射率分布函数，通过最小二乘近似等方法得到其真实温度。但对于半透明材料，由于辐射的沿程性，热像仪探测到的辐射能量来自其内部沿探测方向各点的辐射出射能量之和，这个能量与材料内部的温度、物性等有关，不能通过传统的方法得到其真实温度，必须考虑辐射物性的影响，结合反问题算法反演得到。
应用价值和现实意义
- 温度是确定物质状态的最重要参数之一，半透明材料的温度测量在很多工程领域中具有十分重要的意义，其典型工业应用包括：光学晶体生长、半透明材料的加工、考虑核反应堆安全时铀燃料的熔化和凝固、高温热能存贮系统中相变材料的熔化和凝固等。这些技术的进一步发展都急需准确测量高温半透明材料的真实温度。本项目的研究将深入研究半透明材料温度的精确测量，在上述工业领域具有良好的应用前景和直接的理论指导作用。
学术论文摘要
- 本文提出了一种半透明介质环境下非接触测温的校正技术。当采用非接触式辐射测温方法测量半透明介质温度或材料表面受到受到半透明介质遮蔽时，辐射测温设备受到半透明介质本身辐射的影响，不能准确得到半透明介质内部温度和材料表面温度。本技术根据半透明介质是否接触不透明材料表面两种状况，分别建立了半透明介质内辐射传输模型和辐射导热耦合换热模型，结合智能微粒群算法PSO反演材料表面温度和介质内部温度分布的反问题模型，实现对半透明介质内部和材料表面传统辐射测温的校正。其特点是：根据半透明介质的是否接触测温表面，选择不同的数学物理模型，以红外热像仪测量的辐射能量值作为已知量和参考量，通过正、反辐射传输问题的计算，得到被测表面的实际温度及半透明介质内部的温度场分布。其优点是：当被测半透明介质和不透明材料表面受到半透明参与性介质本身辐射影响时，通过红外辐射测温设备测量的热流密度值，采用PSO算法结合正算模型能够准确反演被测壁面温度，同时可获得半透明介质内部温度分布。
获奖情况
- “祖光杯”科技竞赛二等奖；
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] C. Pyatte. Some consideration of the errors of brightness and two-color types of spectral radiation pyrometer. Appl. Phys., 1954, 5: 264-26 [2] J. P. Hiernaut, R. Beukers. Submillisecond six-wavelength pyrometer for high temperature measurements in the range 2000 to 5000K. High Temp. High Press, 1986, (18): 617-625 [3] P. B. Coates. Wavelength specification in multi-wave- length pyrometry. High Temp. High Press, 1988, (20):443-448 [4] P. B. Coates. The least-squares approach to multi-wavelength pryometry. High Temp. High Press, 1988, (20):433-441 [5] 孙晓刚，戴景民，褚载祥. 基于多光谱法的固体火箭发动机羽焰温度测量. 清华大学学报，2003，43(7)：916-918 [6] 戴景民. 烧蚀材料的多光谱真温测量法.宇航学报，1996，17(3): 25-30 [7] 戴景民，卢小冬，褚载祥等. 具有同步数据采集系统的多点多波长高温计的研制. 红外与毫米波学报，2000，19(1)：62-66 [8] G. Ruffino, Z. X. Chu, S. Kang. Multi-wave-length pyrometer with photodiode array. Temp., its Measur. And Contr. in Sci. and Ind., 1993, 6(2):807-810
同类课题研究水平概述
- 国外方面，早在1954年，Pyatt等建议使用3波长的比色温度计，以得到发射率和波长的关系。到70年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。1979年，Cashdollar成功研制了3波长温度计，最高测温上2000K。同年，Svet等研制了4波长高温计，测温范围是300~3000K。Lyzenga等推出了6波长五年度测量装置，采用硅光电二极管作为0.4~0.8微米波长的检测元件，用以测量冲击波后的物体真温，温度范围4000~8000K，精度可达2%。1986年，Hiernaut等研制成功了亚毫秒级6波长高温计，用于2000~5000K温区内真温和光谱发射率的同时测量,温度测量精度为0.5%，发射率测量精度为1~5%。1988年，Coates等研究了多波长测温理论中工作波长的确定和最小二乘法数据拟合问题。1991年，Khan等总结了多波长高温计数据拟合方法，并推导了极限误差的技术方法。1991年Ruffino等研制了国际首创的棱镜分光式35波长高温计，并成功用于烧蚀材料真温及发射率测量。1992年，Gathers等讨论了多波长高温计中数据拟合的精度问题。 在国内，戴景民等对多光谱测温理论进行了系统的研究，校正了国际通用发射率模型对各种材料的适用性和有效性，进而提出了发射率模型自动识别的设想，实现了自动寻阶、逐步拟合的算法。2001年，又进一步将神经网络理论用于多光谱测温理论，取得了较大进展。 综上所述，目前国内外对半透明材料表面温度的红外辐射测量的研究，迄今为止文献未见报道或极少报道。
