[發(fā)明專利]半透明介質(zhì)環(huán)境下非接觸測溫的校正方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110304148.0
• 申請日: 2011-10-10
• 公開（公告）號: CN102353478A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 齊宏;張彪;阮立明;談和平
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G01K15/00
• 分類號: G01K15/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

1.一種半透明介質(zhì)環(huán)境下非接觸測溫的校正方法，其特征在于：它包括以下步驟：

步驟一：判斷半透明介質(zhì)與被測材料表面是否接觸，若接觸，執(zhí)行步驟二；否則，執(zhí)行步驟三；

步驟二：選擇一維耦合換熱模型，采用有限體積法進行正向模型的計算，得到測溫設備能夠獲得的理論輻射能量值，然后執(zhí)行步驟四；

步驟三：選擇一維純輻射換熱模型，采用有限體積法進行正向模型的計算，得到測溫設備能夠獲得的理論輻射能量值，然后執(zhí)行步驟四；

步驟四：采用測溫設備實際測量被測材料表面，得到測溫設備獲得的實際輻射能量值；

步驟五：根據(jù)所述理論輻射能量值和實際輻射能量值，采用智能微粒群優(yōu)化算法反演被測材料表面的真實溫度值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半透明介質(zhì)環(huán)境下非接觸測溫的校正方法，其特征在于：步驟二中獲得測量設備的理論輻射能量值的具體方法為：

選擇一維耦合換熱模型，根據(jù)計算精度要求將半透明介質(zhì)內(nèi)部沿與被測材料表面垂直的方向進行網(wǎng)格劃分，均分為多個網(wǎng)格單元，并采用天頂角和水平角均勻劃分的方法將半透明介質(zhì)內(nèi)部空間立體角離散劃分為N_Ω份，所述網(wǎng)格單元與被測材料表面平行；設定輻射源項q_R的初始值為0，利用該一維耦合換熱模型的能量守恒方程和耦合換熱邊界條件求出半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P中心節(jié)點的溫度T_p：

能量守恒方程：λ∂2T∂x2-qR=0,---(1)]]>

耦合換熱邊界條件：x=0,T=Twx=L,λ∂T∂x=hf(Tw′-Tf),---(2)]]>

采用有限體積法離散上述方程后，求解獲得離散后半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P的中心點溫度T_P：

TP=(TZ+TY-qR,P·Δx2λ)/2;---(3)]]>

式中：λ表示半透明介質(zhì)的導熱系數(shù)，T表示半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度，x表示半透明介質(zhì)水平坐標，T_w表示半透明介質(zhì)與被測材料表面的邊界溫度，T′_w表示半透明介質(zhì)環(huán)境表面的邊界溫度，T_f表示半透明介質(zhì)環(huán)境表面?zhèn)鹊沫h(huán)境溫度，h_f表示半透明介質(zhì)的環(huán)境表面的對流換熱系數(shù)，L表示半透明介質(zhì)厚度，T_Y表示與待求網(wǎng)格單元P相鄰的一側(cè)的網(wǎng)格單元Y的中心點溫度，T_Z表示與待求網(wǎng)格單元P相鄰的另一側(cè)的網(wǎng)格單元Z的中心點溫度，q_R，P為離散后的半透明介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格單元的輻射源項，Δx表示相鄰網(wǎng)格單元的中心點之間的距離；

根據(jù)半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度T，利用半透明介質(zhì)輻射傳輸模型中的輻射傳輸方程和邊界條件采用有限體積法求得半透明介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格單元在k譜帶內(nèi)方向輻射強度

所述輻射傳輸方程為：

dIkm(s)ds=-κe,kIkm(s)+κa,kIb,km(s)+κs,k4π∫Ωm′=4πIkm′(s)Φk(Ωm′,Ωm)dΩm′,---(4)]]>

所述邊界條件：

Iw,km=(nn0)2(1-ρ0,k)I0,km+f0ρkπ∫nw·Ωm′<0Iw,km′|nw·Ωm′|dΩm′+(1-f0)Iw,km′′,---(5)]]>

采用有限體積法求得半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P在k譜帶內(nèi)方向輻射強度為：

Ik,Pm=(ak,YmIk,Ym+ak,ZmIk,Zm+ck,Pm)/ak,Pm,---(6)]]>

其中：ak,Pm=Σj=z,ymax(AjDjm,0)+κe,k,PVPΔΩm,---(6-1)]]>

ak,Jm=max(-AjDjm,0)(J=Z,Y,j=z,y),---(6-2)]]>

Ck,Pm=κe,k,P·Uk,Pm·VP·ΔΩm,---(6-3)]]>

Uk,Pm=κa,k,Pκe,k,PσTP4π+κs,k,Pκe,k,P·14πΣm′Ik,PΦk(Ωm,Ωm′)ΔΩm′,---(6-4)]]>

式中，待求網(wǎng)格單元P在k譜帶內(nèi)的方向輻射強度中，m表示第m個立體角方向Ω^m，k表示譜帶，表示在k譜帶內(nèi)Ω^m方向的半透明介質(zhì)壁面輻射強度，表示在k譜帶內(nèi)Ω^m′方向的半透明介質(zhì)壁面輻射強度，表示在k譜帶內(nèi)方向黑體輻射強度，表示與離散后的待求網(wǎng)格單元P相鄰的靠近被測材料表面?zhèn)鹊木W(wǎng)格單元Z在k譜帶內(nèi)的Ω^m方向輻射強度，表示與離散后的待求網(wǎng)格單元P相鄰的靠近環(huán)境表面?zhèn)鹊木W(wǎng)格單元Y在k譜帶內(nèi)的Ω^m方向輻射強度；

κ_e，k表示譜帶衰減系數(shù)，κ_a，k表示譜帶吸收系數(shù)，κ_s，k表示譜帶散射系數(shù)，κ_e，k，P表示離散的待求網(wǎng)格單元P的譜帶衰減系數(shù)；表示線性方程組的系數(shù)、表示線性方程組的系數(shù)、表示線性方程組的系數(shù)，表示線性方程組的常數(shù)項，表示線性方程組常數(shù)項的一部分，為中間變量，Ω^m′表示第m′個立體角方向，ΔΩ^m′表示第m′個立體角的大小，Ω^m″表示Ω^m的鏡反射方向，Φ_k表示k譜帶內(nèi)Ω^m′方向在Ω^m方向上的介質(zhì)散射相函數(shù)，其中Ω^m′表示除了Ω^m以外的其他立體角方向；

n表示半透明介質(zhì)的折射率，n⁰表示環(huán)境折射率，ρ_0，k表示環(huán)境的譜帶反射率，ρ_k表示半透明介質(zhì)的譜帶反射率，f₀表示半透明介質(zhì)壁面上的漫反射占總反射能量的比例，n_w表示半透明介質(zhì)壁面的法向量，

j表示半透明介質(zhì)待求網(wǎng)格單元的表面序號，A_j表示半透明介質(zhì)第j個待求網(wǎng)格單元表面的面積，表示j表面法向在Ω^m方向的權(quán)重，V_P表示離散后的待求網(wǎng)格單元的體積，σ表示斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)：σ＝5.67×10^-8[W/(m²·K⁴)]；

根據(jù)半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P的溫度T_P和半透明介質(zhì)內(nèi)部網(wǎng)格單元在k譜帶內(nèi)方向輻射強度計算出半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P的輻射源項q_R，P：

qR,P=Σk=1Mbκa,k,P[4Bk,TPσTP4-Σm=1NΩIk,PmΩm];---(7)]]>

式中M_b表示譜帶份數(shù)，κ_a，k，P表示待求網(wǎng)格單元P在k譜帶內(nèi)的吸收系數(shù)，表示在溫度T_P下，譜帶模型k譜帶內(nèi)的輻射能量占總輻射能量的比例；

將半透明介質(zhì)內(nèi)部待求網(wǎng)格單元P的輻射源項q_R，P代入方程(1)，重復前述過程，直至求得收斂的半透明介質(zhì)內(nèi)部每個網(wǎng)格單元的溫度T_P，即前后兩次迭代的相對誤差小于預設精度閾值，再根據(jù)收斂的半透明介質(zhì)內(nèi)部每個網(wǎng)格單元的溫度T_P計算出邊界出射輻射熱流密度q_w，P：

qw,P=Σk=1Mbϵw,k[Bk,TwσTw4-Σm=1NΩ/2Iw,kmDwm],---(8)]]>

式中ε_w，k表示半透明介質(zhì)壁面的譜帶發(fā)射率，表示在半透明介質(zhì)與被測材料表面的邊界溫度T_w下，譜帶模型k譜帶內(nèi)的輻射能量占總輻射能量的比例，表示半透明介質(zhì)壁面法向在Ω^m方向的權(quán)重；

最后根據(jù)下述公式計算獲得測溫設備能夠獲得的理論輻射能量值Q，完成正算：

Q=τqw,PAP+(1-τ+ρτ)Σk=1MnϵkσTg4,---(9)]]>

式中，τ表示環(huán)境大氣透過率，A_P表示離散后的半透明介質(zhì)邊界單元面積，ε_k表示環(huán)境氣體光譜發(fā)射率，T_g表示環(huán)境大氣溫度。