利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法及测量系统

摘要

本发明公开了一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法及测量系统，本发明应用“能级结构修正”进行更加理论化的数据处理，可以利用辐射谱的全部信息。采用键盘的输入方式或数据传输的输入方式，获取到“能级结构修正参数”，并最终获取到被测火焰更加准确的实际温度值。本发明有效地克服了人们在采用“多光谱测温法”时，必须经过计算工作量大的数据处理进行“辐射率修正”，才能得到火焰实际温度的缺陷。目前已有的“多光谱测温法”只能利用辐射谱中的几个“单色辐射本领”信息；本发明能够利用辐射谱中的全部，一般有几千个“单色辐射本领”的信息。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域的辐射谱测温方法及设备领域，尤其涉及一种利用辐射谱的 全部信息测火焰实际温度的方法及测量系统。

背景技术

火焰温度测量技术目前是国内外研究的热门课题。它在节能减排、航空航天、战略和 战术武器的开发等领域都具有重要的意义和应用价值。火焰温度的测量方法很多，主要有 接触法、成像法、激光光谱法、声波法和辐射法等。从国际实用温标的角度来看，无论是 用于温度标准的复现还是实际的测量，在银凝固点(1234.0开)以上的温区，辐射测温方 法都是首选方法。辐射法分为“发射-吸收光谱法”和“高温计法”。“发射-吸收光谱法” 的缺点是：结构庞大、造价昂贵、技术复杂、容易破坏被测火焰的组分和热平衡状态等。 “高温计法”的缺点是：需要进行“辐射率修正”后才能知道火焰的真实温度。目前获得 物体真温和“辐射率”数据最有效的方法是“多光谱测温法”，它是利用多个光谱下的火 焰辐射亮度信息，经过数据处理进行“辐射率修正”得到火焰的真实温度。

根据黑体辐射理论，人们定义了三种光学温度。即1、根据黑体的“辐射总能量”来 测量的“辐射温度”；2、根据黑体“光谱中能量的分布”来测量的“色温度”；3、根据 黑体在“某一波段内的辐射能量”来测量的“亮温度”。对于理想黑体，上述光学温度与 实际温度是相同的；但对于实际物体，上述光学温度与实际温度并不相同。

目前公知的，获得火焰真温和“辐射率”数据最有效的方法是“多光谱测温法”，它 是利用多个(实际上只有几个)光谱下的火焰辐射亮度信息，经过数据处理进行“辐射率 修正”得到火焰的真实温度。因为“辐射率修正”需要的计算工作量大，只能利用有限几 个光谱信息，所以这种方法的测温准确度难以进一步提高。“多光谱测温法”属于根据黑 体的“光谱中能量的分布”来测量的“色温度”法。

发明内容

本发明提供了一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法及测量系统，本发明 提高了测温的准确度，降低了计算的复杂度，详见下文描述：

一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)通过处于校准状态的实际温度测量系统中的数字化光谱仪，测出待测对象在任 意一已知温度下的发射本领随波长λ变化的第一数字化分布谱，求出峰值波长λ_m；

(2)将第一数字化分布谱输入到安装有第一物理模型的单片机或PC机上进行数据处 理，用最小二乘法对第一数字化分布谱作曲线拟合，获取反映能级结构的参数X(1)、X(2)；

(3)获取待测对象的维恩位移定律修正公式，并作为第二物理模型输入到实际温度 测量系统中的单片机或PC机上；

(4)将验证后的反映能级结构参数的X(2))输入到所述第二物理模型中，实现对实际 温度测量系统的校准；

(5)通过处于测温状态的实际温度测量系统中的光谱仪，测出待测对象在待测温度下 的发射本领随波长λ变化的第二数字化分布谱，获得峰值波长λ_m的具体数值；

(6)将步骤(5)获得的峰值波长λ_m，输入处于测温状态的实际温度测量系统内的 PC机或单片机，根据所述第二物理模型进行运算处理，获取待测对象的温度值；

(7)将待测对象的温度值通过显示器予以显示。

所述第一物理模型具体为：

在适用于理想黑体的普朗克公式中，添加X(1)、X(2)两个能级结构修正参数后形成 的公式：

$E(\lambda ,T)=X\left(1\right)C_1{\lambda }^{-5}{(e^{\frac{X\left(2\right)C_2}{\mathrm{\lambda T}}}-1)}^{-1}$

其中，E(λ,T)为非黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁＝3.741844 ×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C₂＝1.438832544cm·K，称为第二辐射常数；λ为 辐射波长，单位为μm；T为待测对象的任一已知固定温度，单位为K；X(1)、X(2)为能 级结构参数，是在普朗克公式中添加的两个待定参数。

所述第二物理模型具体为：

λ_mT＝X(2)×2.898×10^-3(米*开)。

所述实际温度测量系统具有校准和测温两种状态，校准是为了获取待测对象反映能级 结构的参数X(1)、X(2)的具体数值；测温是为了获取待测对象的温度值。

一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的测量系统，所述测量系统包括：

数字化光谱仪，具有校准和测温两种功能状态，当处于校准状态时，用于测出待测对 象在任意一已知温度下的发射本领随波长λ变化的第一数字化分布谱，求出峰值波长λ_m； 当处于测温状态时，用于测出待测对象在待测温度T下的发射本领随波长λ变化的第二数 字化分布谱；

第一输入装置，用于将第一数字化分布谱输入到安装有第一物理模型的第一数据处理 装置；

第一数据处理装置，采用最小二乘法对第一数字化分布谱作曲线拟合，获取反映能级 结构的参数X(1)、X(2)；获取待测对象的维恩位移定律修正公式，维恩位移定律修正公 式作为第二物理模型；

第二输入装置，用于将第二物理模型输入到第二数据处理装置；

校准装置，用于将验证后的反映能级结构参数的X(2))输入到第二物理模型中，实现 对数字化光谱仪的校准；

第三输入装置，用于将第二数字化分布谱输入到第二数据处理装置；

第二数据处理装置，用于由第二数字化分布谱获得峰值波长λ_m的具体数值；根据峰值 波长λ_m、第二物理模型进行运算处理，获取待测对象的温度值；

显示装置，用于显示待测对象的温度值。

所述数字化光谱仪具有校准和测温两种状态，校准是为了获取待测对象反映能级结构 的参数X(1)、X(2)的具体数值；测温是为了获取待测对象的温度值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：目前已有的“比色法”，因为“辐射率修正” 计算工作量大，一般只能选择有限几个单波长的“单色辐射本领”进行数据处理，有的研 究还用到人工神经网络技术。本发明将只能适用于理想黑体的维恩位移定律，通过“能级 结构修正”，改造成为能够适用于特定非黑体待测对象的“广义维恩位移定律”。理论化程 度高、计算工作量小(测温时只需做简单的除法)，可以将光谱仪接收到的多达几千个单 波长“单色辐射本领”，全部用于数据处理，精度大为提高。此外，本发明除了具有一般 “色温度法”抗环境干扰能力强的优点外，还有理论清晰、计算简单、测温准确度高、校 准程序只需要在一个温度点进行等优势。上述各项优势都是利用自然规律本身实现的。因 此，本发明提供的技术方案及仪器，可以推广到整个辐射测温领域。

附图说明

图1为一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的方法的流程图；

图2为一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的测量系统的结构示意图；

图3为理想二极管灯丝温度为1800K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.55X(1)＝688.151507034063的示意图；

图4为理想二极管灯丝温度为1880K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.60X(1)＝565.451265451300的示意图；

图5为理想二极管灯丝温度为1960K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.65X(1)＝319.697031070087的示意图；

图6为理想二极管灯丝温度为2040K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.70X(1)＝405.677545908357的示意图；

图7为理想二极管灯丝温度为2120K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.75X(1)＝322.483340509147的示意图；

图8为理想二极管灯丝温度为2200K时，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线，I_f(A)＝0.80X(1)＝256.636032423250的示意图；

图9为理想二极管灯丝发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线的峰值波长λ_m，随温度T 增高向短波方向移动。两者间的关系由“广义维恩位移定律”λ_mT＝X(2)×2.898×10^-3确 定。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。

本发明将只能适用于理想黑体的维恩位移定律，通过“能级结构修正”，改造成为能 够适用于特定非黑体待测对象的“广义维恩位移定律”。对于该非黑体待测对象，其“色 温度”与实际温度相同，具体说明如下：

维恩位移定律的内容是：在理想黑体的，发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线上， E(λ,T)有一最大值称为峰值，即最大的单色发射本领。相应于这最大值的波长，用λ_m表 示，叫做峰值波长。对于每一温度，有一条发射本领E(λ,T)按波长λ分布曲线。随着温度 T的增高，λ_m向短波方向移动，两者间的关系由以下公式确定：

λ_mT＝2.898×10^-3(米*开)   (1)

称为维恩位移定律。

说明：引用“物理学基本常数”计算更准确的常数值，公式(1)应改写为： λ_mT＝2.8979507428634305162188796020618×10^-3(米*开)。

由光谱仪测得峰值波长λ_m后，即可由公式(1)计算出温度T来。但这样算出的温度， 只是待测对象的“色温度”(即假设待测对象是黑体时的温度)，不是待测对象的实际温度。

下面具体阐明本发明怎样将只能适用于理想黑体的维恩位移定律，通过“能级结构修 正”改造成为能够适用于特定非黑体待测对象的“广义维恩位移定律”。达到对于该非黑 体待测对象其“色温度”与实际温度相同的目的，详见下文描述：

101：通过处于校准状态的实际温度测量系统中的数字化光谱仪测出待测对象在任意 一已知温度下的发射本领随波长λ变化的第一数字化分布谱，并求出其中的峰值波长λ_m；

实际应用时，数字化光谱仪的可测波长范围应将峰值波长λ_m包含在内；利用公式(1)可以估 算是否满足上述要求。其中，任意一已知温度可由“标准仪器”测得，例如：标准光电高温计、标 准光学高温计、标准铂铑30-铂铑6。

102：将第一数字化分布谱输入到安装有第一物理模型的单片机或PC机上进行数据处 理，用最小二乘法对第一数字化分布谱作曲线拟合，获取反映能级结构的参数X(1)、X(2)；

第一物理模型是指：在只能适用于理想黑体的普朗克公式中，添加X(1)、X(2)两个 “能级结构修正参数”后形成的公式：

$E(\lambda ,T)=X\left(1\right)C_1{\lambda }^{-5}{(e^{\frac{X\left(2\right)C_2}{\mathrm{\lambda T}}}-1)}^{-1}---\left(2\right)$

其中，E(λ,T)为非黑体发射的光谱辐射通量密度，单位为Wcm^-2·μm^-1；C₁＝3.741844 ×10^-12W·cm^-2，称为第一辐射常数；C₂＝1.438832544cm·K，称为第二辐射常数；λ为 辐射波长，单位为μm；T为待测对象的任一已知固定温度，单位为K。X(1)、X(2)为“能 级结构修正参数”，是在普朗克公式中添加的两个待定参数。

说明：C₁、C₂更准确的常数值，引用“物理学基本常数”计算应为：

C₁＝3.7418439644240131737525825×10^-12W·cm^-2

C₂＝1.4388325438316932513026737224237cm·K

为了提高测量的准确度，以上步骤101-102也可以在多个已知温度点进行，然后将得 到的多个X(2)值平均。

103：获取待测非黑体的维恩位移定律修正公式，并作为第二物理模型输入到实际温 度测量系统中的单片机或PC机上；

将只能适用于黑体的维恩位移定律(公式3)改写为能适用于待测非黑体的维恩位移 定律修正公式，即公式(4)：

λ_mT＝2.898×10^-3(米*开)   (3)

λ_mT＝X(2)×2.8×98^-3(米*开)   (4)

其中，维恩位移定律修正公式(4)的推证过程如下：

在公式(2)中引入

$X=\frac{X\left(2\right)C_2}{\mathrm{\lambda T}}$则

$\mathrm{dX}=-\left(\frac{X\left(2\right)C_2}{{\lambda }^{2}T}\right)\mathrm{d\lambda }=-\left(\frac{{\mathrm{TX}}^2}{X\left(2\right)C_2}\right)\mathrm{d\lambda }$

公式(2)变为

$E(\lambda ,T)=\frac{C_1{T}^5{X}^5}{{C_2}^5(e^x-1)}$

为了求出上式中极大值的位置，需要对它求微分并令其等于零。

$\frac{\mathrm{dE}(\lambda ,T)}{\mathrm{dx}}=\frac{C_1{T}^5\{(e^X-1){5X}^4-X^5{e}^x\}}{{C_2}^5{(e^X-1)}^2}=0$

由此得出满足上式的条件为：

5e^X-Xe^X-5＝解0此方程得X_m＝4.965即或λ_mT＝X(2)×1.44 cm·K/4.965＝X(2)×2.898×10^-3(米*开)，此即公式(4)。

104：将验证后的反映能级结构参数的X(2))输入到第二物理模型中，实现对实际温度 测量系统的校准；

其中，对反映能级结构参数的X(2)的验证具体为：将步骤101中获得的λ_m和已知温度， 以及步骤102获得的X(2)代入公式(4)，验证正确性。当误差较小时，将验证后的反映能 级结构参数的X(2))输入到第二物理模型中，实现对实际温度测量系统的校准；否则，即 误差较大时，回到步骤101，重新进行校正过程。

另外，如果被测对象是透明火焰(辐射线状或带状光谱)，在采集光谱样本时需要在火 焰内人工加入烟粒，使其变为发光火焰(辐射连续光谱)。

105：通过处于测温状态的实际温度测量系统中的光谱仪，测出待测对象在待测温度T 下的单色发射本领E(λ,T)随波长λ变化的第二数字化分布谱，从而获得峰值波长λ_m的具 体数值；

其中，峰值波长λ_m应包含在光谱仪的可测波长范围之内，以便能直接测出它的数值； 利用公式(1)可以估算是否满足上述要求。

106：将步骤105获得的峰值波长λ_m，输入处于测温状态的实际温度测量系统内的PC 机或单片机，根据第二物理模型进行运算处理，获取被测对象的温度值；

107：将被测对象的温度值通过显示器予以显示。

其中，实际温度测量系统有确定被测对象反映能级结构参数、以及确定被测对象温度 的两种功能。

一种利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的测量系统，参见图2，该系统包括：

数字化光谱仪，具有校准和测温两种功能状态，当处于校准状态时，用于测出待测对 象在任意一已知温度下的发射本领随波长λ变化的第一数字化分布谱，求出峰值波长λ_m； 当处于测温状态时，用于测出待测对象在待测温度T下的发射本领随波长λ变化的第二数 字化分布谱；

第一输入装置，用于将第一数字化分布谱输入到安装有第一物理模型的第一数据处理 装置；

第一数据处理装置，采用最小二乘法对第一数字化分布谱作曲线拟合，获取反映能级 结构的参数X(1)、X(2)；获取待测对象的维恩位移定律修正公式，维恩位移定律修正公 式作为第二物理模型；

第二输入装置，用于将第二物理模型输入到第二数据处理装置；

校准装置，用于将验证后的反映能级结构参数的X(2))输入到第二物理模型中，实现 对数字化光谱仪的校准；

第三输入装置，用于将第二数字化分布谱输入到第二数据处理装置；

第二数据处理装置，用于由第二数字化分布谱获得峰值波长λ_m的具体数值；根据峰值 波长λ_m、第二物理模型进行运算处理，获取待测对象的温度值；

显示装置，用于显示待测对象的温度值。

本发明实施例对上述各部件不做限制，只要能完成上述功能的器件均可，例如：第一 数据处理装置和第二数据处理装置可以为单片机或PC机；第一输入装置、第二输入装置 和第三输入装置可以为USB接口或WIFI等无线传输方式；显示装置可以为显示器等。

由优选实例可以看出，X(2)和λ_mT基本上不随温度T变化，其微小变化为实验误差所 致。这一结果直接证明了我们的理论预期：由黑体模型导出的普朗克公式，其函数形式可 以适用于任何热辐射物体，各种热辐射体的区别可以由该函数形式中“反映能级结构的参 数”不同来描述。因此，黑体辐射理论中，包括维恩位移定律在内的所有结论都可以推广 到其它热辐射体。这是本发明的理论和实验基础。

本实验充分地揭示了自然规律的本来面目，暴露了“辐射率修正”方法的缺陷。现代 量子论认为，热(光)辐射的本质是微观粒子量子跃迁。历史的经验表明，这种涉及物质 内部微观过程的问题，经典理论(“辐射率修正”方法的理论基础)已经显得无能为力， 只有用现代量子理论(本发明的理论基础)才能解决。

本优选实例采用的非黑体热辐射源为“理想二级管”灯丝。它是0.075毫米的细长钨 丝，可以近似地视为“无限长直导线”。钨丝的“辐射率”为0.44，显然属于非黑体。理 想二极管的灯丝温度可以由电流控制。厂家已事先设计并测出了理想二极管灯丝电流与温 度之间的关系，如表1所示。表1中所列温度，是灯丝的实际温度。

表1理想二极管灯丝电流与温度关系

I_f(A) 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 T(×10³k) 1.72 1.80 1.88 1.96 2.04 2.12 2.20

表2测温范围为1800开到2000开的实验数据

表3测温范围为2000开到2200开的实验数据

由于条件限制，目前提供的实验数据中，λ_m值是由实测数据外推得到的，误差较大。 但是，如果根据以上数据分两档来测温度，其测温准确度亦可在目前规定的“工作计量器 具”允许误差范围之内。可比较仪器是“比色测温仪”，其允许的误差范围是0.01到0.025。

提供的实验数据计算处理如下：

第一档测温范围为1800开到2000开。

λ_mT的平均值为2427.191*10^-6(米*开)，因而采用的公式为：λ_mT＝2427.191*10^-6(米 *开)；由此计算得：

T(0.55A)＝2427.191*10^-6/1.32755*10^-6＝1828(开)；绝对误差为：1828-1800＝28(开)。 相对误差为：28/1800＝0.016。

T(0.60A)＝2427.191*10^-6/1.2903*10^-6＝1881(开)；绝对误差为：1881-1880＝1(开)。 相对误差为：1/1880＝5.3*10^-4＝0.00053。

T(0.65A)＝2427.191*10^-6/1.2583*10^-6＝1929(开)；绝对误差为：1929-1960＝-31(开)。 相对误差为：-31/1960＝-0.0158。

最大绝对误差为31开；相对误差为0.016，已在目前规定的“工作计量器具”允许误 差范围之内。

第二档测温范围为2000开到2200开。

λ_mT的平均值为2514.938*10^-6(米*开)，因而采用的公式为：λ_mT＝2514.938*10^-6(米 *开)；由此计算得：

T(0.70A)＝2514.938*10^-6/1.2348*10^-6＝2037(开)；绝对误差为：2037-2040＝-3(开)。 相对误差为：3/1960＝0.0015。

T(0.75A)＝2514.938*10^-6/1.18485*10^-6＝2123(开)；绝对误差为：2123-2120＝3(开)。 相对误差为：3/2120＝0.0014。

T(0.80A)＝2514.938*10^-6/1.1427*10^-6＝2201(开)；绝对误差为：2201-2200＝1(开)。 相对误差为：1/2200＝0.0005。

最大绝对误差为3开；相对误差为0.0015，已经在目前规定的“计量标准器具”允许 误差(2—15开)范围之内。

上述实验结果中，第一档误差较大；第二档误差较小。原因是：本实验所用光谱仪只 能测1微米以下波长的光。第一档温度较低，峰值波长较长，为1.2583-1.32755微米。因 此，实验数据中实测数较少、外推数较多，结果误差较大。第二档温度较高，峰值波长较 短，为1.1427-1.2348微米。因此，实验数据中实测数较多、外推数较少，结果误差较小。

可以预测，如果规定“对于数字化光谱仪的要求是：其可测波长范围应将峰值波长λ_m包含在内”，那么“利用辐射谱的全部信息测火焰实际温度的测量系统”的测温准确度更 会有所提高，完全可以在目前规定的辐射测温仪“计量标准器具”允许的误差(2—15开) 范围之内。

说明：如果不分档，采用的公式应为：

λ_mT＝X(2)*b＝0.8550*2.897*10^-3＝2.455*10^-3(米*开)

图3-图9为实验数据拟合曲线：粗线为测得的谱线，细线为拟合得到的曲线。横轴的 单位是m。通过上述图形可以看出本发明取得了较好的实验效果，验证了本发明的可行性。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。