论文部分内容阅读
摘要：针对辐射光谱测温法测量误差问题，利用黑体炉搭建了标准辐射测温实验平台，选用200～1 100 nm波段光谱仪对标准高温源进行辐射光谱测量。讨论了高温源辐射光谱特征，并基于辐射光谱测温法获得了温度测量值，该值与标准參考值的相对偏差小于4%，同时分析了测量重复性引起的标准不确定度分量，为辐射测温法应用提供参考。
关键词：辐射光谱； 温度测量； 光纤光谱仪； 测量误差
中图分类号： O 433.1； TH 811 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.002
Abstract： In order to obtain the measurement error of radiation spectroscopy thermometry，the standard experimental platform was established by black body furnace.The spectrometer with 200～1 100 nm was selected to measure the radiation spectrums of standard high-temperature source.The spectral characteristics were discussed in detail.And the temperature results were determined based on spectroscopy thermometry.Compared with the standard value，the relative deviations are less than 4%.The uncertainty components of the repeated measurements were analyzed.It provides important reference for applications of radiation spectroscopy thermometry.
Keywords：radiation spectroscopy； temperature measurement； optical fiber spectrometer； measurement error
引 言
温度测量是燃烧诊断的重要内容之一[1-3]，长期以来燃烧温度主要依靠热电阻、热电偶等接触式手段测量[4]。随着燃烧装置向高度集成化发展，这些接触式测量手段因存在响应慢、易干扰流场等缺点，已无法满足燃烧中高动态变化的测量要求。近年来，随着激光与光电技术的飞速发展，光谱测温技术可通过原子、分子结构的信息将燃烧温度参数测量出来，并且还具有空间分辨、高频瞬态测量等优势，已成为燃烧研究的重要技术之一[5-8]。在光谱测温技术中，辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现燃烧温度的在线测量，因其具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点，已应用于锅炉与发动机等燃烧装置的温度监测[9-12]。
辐射光谱测温法主要根据燃烧火焰辐射强度分布拟合得到温度参数，本文利用黑体炉搭建了标准辐射测温实验平台，基于辐射光谱测温法选用200～1 100 nm光谱范围对标准高温源进行辐射光谱测量，并对获得的温度测量值进行分析，由此获得辐射光谱法测温误差。
2 实验装置与测量系统
辐射光谱测温实验装置如图1所示，主要由黑体炉（上海福源光电，HFY-203B型）、光纤光谱仪、透镜、光纤探头、计算机等组成。图中：黑体炉内设置直径为40 mm的高温辐射管，其有效发射率为0.98～0.99；光纤光谱仪选择200～1 100 nm波段光谱仪（海洋光学，HR4000）。实验时，将黑体炉加热至指定温度，产生的高温辐射信号经透镜汇聚后由光纤探头接收并传送至光纤光谱仪，再通过模/数转化后送入计算机处理，最终得到不同温度下测点位置处的光谱信号数据。实验中，光谱仪连续记录800～1 225 ℃范围内不同温度下高温黑体炉的辐射光谱，光谱仪积分时间设置为50 ms。
3 实验结果与分析
3.1 典型高温黑体辐射响应光谱
实验获得了800～1 225 ℃范围内不同温度下高温黑体炉200～1 100 nm波段的辐射光谱图，如图2所示。在200～1 100 nm波段范围内，黑体辐射光谱受传播介质（空气）影响较小，表现为连续分布特征，辐射光谱测温效果好。考虑信噪比等因素，辐射光谱拟合数据范围应选取700～900 nm波段。
3.2 单一温度下测量精度分析
设定黑体炉目标温度为1 100 ℃，利用200～1 100 nm波段光谱仪对黑体炉热辐射源进行连续多次测量，得到的光谱测温结果如表1所示。
取置信概率为99%，查t分布表t99（4）=4.6，取包含因子k=t99（4）=4.6，故该温度测量结果的扩展不确定度为U=ku=24.8。
因此目标温度1 100 ℃下利用200～1 100 nm波段光谱仪进行辐射光谱测温，得到的温度、置信概率 和自由度结果分别为：T=（1 103.1±24.8） ℃，p=99%，ν=4。
利用上述分析方法，设定不同目标温度，对同一测点进行多次重复测量，经计算分析得到其扩展不确定度，如表2所示。由表2可以发现，辐射光谱测温法具有较好的重复性，并且随着目标温度的升高，采用200～1 100 nm波段光谱仪获得的辐射光谱强度较高，信噪比较好。因此，辐射光谱测温法的测量扩展不确定度随着目标温度升高逐渐缩小，对于1 000 ℃以上高温测量，辐射光谱测温结果与参考值更为接近。
3.3 辐射光谱测温法误差分析 针对800～1 225 ℃温度范围，用辐射光谱测温法对不同目标温度的标准辐射源进行温度测量，测量结果与误差如表3所示，表中测量温度为5次测量平均值。可以看出，在800～1 225 ℃温度范围内，用辐射光谱测温法获得的结果与标准值相对偏差不超过4%，这个结果对于高温测量来说，具有较高的精度。
4 结 论
本文研究了标准高温源在200～1 100 nm波段范围内的辐射光谱，并进行了测温误差分析。实验结果表明：对于燃烧温度测量，辐射光谱测温法具有较好的重复性，并且随着目标温度的升高，采用200～1 100 nm波段光谱仪获得的辐射光谱强度较高，信噪比较好；在1 000 ℃以上高温测量时，辐射光谱测温结果与参考值更为接近；在800～1 225 ℃温度范围内，测温结果与标准值相对偏差不超过4%，由此验证了辐射光谱测温法在高温测量时的准确性。
参考文献：
[1] ECKBRETH A C.Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species[M].London：Taylor & Francis Books，Inc. ，1996.
[2] 戴景民，金钊.火焰温度测量技术研究[J].计量学报，2003，24（4）：297-302.
[3] 杨永军.温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术，2009，29（4）：62-65.
[4] 刘利秋，卢艳军，徐涛.传感器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2015.
[5] HANSON P K.Applications of quantitative laser sensors to kinetics，propulsion and practical energy systems[J].Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（1）：1-40.
[6] MCKENZIE R L.Progress in laser spectroscopic techniques for aerodynamic measurements-An overview[J].AIAA Journal，1993，31（3）：465-477.
[7] 胡志云，刘晶儒，关小伟，等.燃烧场参数的激光诊断技术研究[J].强激光与粒子束，2002，14（5）：702-706.
[8] 蔡小舒，周骛，杨荟楠，等.燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展[J].实验流体力学，2014，28（1）：12-20.
[9] 蔡小舒，罗武德.采用发射光谱法检测煤粉锅炉火焰的技术研究[J].动力工程，2000，20（6）：955-959.
[10] 程智海，蔡小舒.应用原子特征發射谱线法测量煤粉火焰温度[J].动力工程，2007，27（6）：918-922.
[11] 刘家汛，杨斌，蔡小舒.辐射光谱法电站锅炉燃烧检测诊断研究[J].工程热物理学报，2015，36（9）：2055-2059.
[12] 杨斌，桂欣扬，周骛，等.利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量[J].航空动力学报，2015，30（12）：2904-2909.
（编辑：刘铁英）
关键词：辐射光谱； 温度测量； 光纤光谱仪； 测量误差
中图分类号： O 433.1； TH 811 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2018.03.002
Abstract： In order to obtain the measurement error of radiation spectroscopy thermometry，the standard experimental platform was established by black body furnace.The spectrometer with 200～1 100 nm was selected to measure the radiation spectrums of standard high-temperature source.The spectral characteristics were discussed in detail.And the temperature results were determined based on spectroscopy thermometry.Compared with the standard value，the relative deviations are less than 4%.The uncertainty components of the repeated measurements were analyzed.It provides important reference for applications of radiation spectroscopy thermometry.
Keywords：radiation spectroscopy； temperature measurement； optical fiber spectrometer； measurement error
引 言
温度测量是燃烧诊断的重要内容之一[1-3]，长期以来燃烧温度主要依靠热电阻、热电偶等接触式手段测量[4]。随着燃烧装置向高度集成化发展，这些接触式测量手段因存在响应慢、易干扰流场等缺点，已无法满足燃烧中高动态变化的测量要求。近年来，随着激光与光电技术的飞速发展，光谱测温技术可通过原子、分子结构的信息将燃烧温度参数测量出来，并且还具有空间分辨、高频瞬态测量等优势，已成为燃烧研究的重要技术之一[5-8]。在光谱测温技术中，辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现燃烧温度的在线测量，因其具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点，已应用于锅炉与发动机等燃烧装置的温度监测[9-12]。
辐射光谱测温法主要根据燃烧火焰辐射强度分布拟合得到温度参数，本文利用黑体炉搭建了标准辐射测温实验平台，基于辐射光谱测温法选用200～1 100 nm光谱范围对标准高温源进行辐射光谱测量，并对获得的温度测量值进行分析，由此获得辐射光谱法测温误差。
2 实验装置与测量系统
辐射光谱测温实验装置如图1所示，主要由黑体炉（上海福源光电，HFY-203B型）、光纤光谱仪、透镜、光纤探头、计算机等组成。图中：黑体炉内设置直径为40 mm的高温辐射管，其有效发射率为0.98～0.99；光纤光谱仪选择200～1 100 nm波段光谱仪（海洋光学，HR4000）。实验时，将黑体炉加热至指定温度，产生的高温辐射信号经透镜汇聚后由光纤探头接收并传送至光纤光谱仪，再通过模/数转化后送入计算机处理，最终得到不同温度下测点位置处的光谱信号数据。实验中，光谱仪连续记录800～1 225 ℃范围内不同温度下高温黑体炉的辐射光谱，光谱仪积分时间设置为50 ms。
3 实验结果与分析
3.1 典型高温黑体辐射响应光谱
实验获得了800～1 225 ℃范围内不同温度下高温黑体炉200～1 100 nm波段的辐射光谱图，如图2所示。在200～1 100 nm波段范围内，黑体辐射光谱受传播介质（空气）影响较小，表现为连续分布特征，辐射光谱测温效果好。考虑信噪比等因素，辐射光谱拟合数据范围应选取700～900 nm波段。
3.2 单一温度下测量精度分析
设定黑体炉目标温度为1 100 ℃，利用200～1 100 nm波段光谱仪对黑体炉热辐射源进行连续多次测量，得到的光谱测温结果如表1所示。
取置信概率为99%，查t分布表t99（4）=4.6，取包含因子k=t99（4）=4.6，故该温度测量结果的扩展不确定度为U=ku=24.8。
因此目标温度1 100 ℃下利用200～1 100 nm波段光谱仪进行辐射光谱测温，得到的温度、置信概率 和自由度结果分别为：T=（1 103.1±24.8） ℃，p=99%，ν=4。
利用上述分析方法，设定不同目标温度，对同一测点进行多次重复测量，经计算分析得到其扩展不确定度，如表2所示。由表2可以发现，辐射光谱测温法具有较好的重复性，并且随着目标温度的升高，采用200～1 100 nm波段光谱仪获得的辐射光谱强度较高，信噪比较好。因此，辐射光谱测温法的测量扩展不确定度随着目标温度升高逐渐缩小，对于1 000 ℃以上高温测量，辐射光谱测温结果与参考值更为接近。
3.3 辐射光谱测温法误差分析 针对800～1 225 ℃温度范围，用辐射光谱测温法对不同目标温度的标准辐射源进行温度测量，测量结果与误差如表3所示，表中测量温度为5次测量平均值。可以看出，在800～1 225 ℃温度范围内，用辐射光谱测温法获得的结果与标准值相对偏差不超过4%，这个结果对于高温测量来说，具有较高的精度。
4 结 论
本文研究了标准高温源在200～1 100 nm波段范围内的辐射光谱，并进行了测温误差分析。实验结果表明：对于燃烧温度测量，辐射光谱测温法具有较好的重复性，并且随着目标温度的升高，采用200～1 100 nm波段光谱仪获得的辐射光谱强度较高，信噪比较好；在1 000 ℃以上高温测量时，辐射光谱测温结果与参考值更为接近；在800～1 225 ℃温度范围内，测温结果与标准值相对偏差不超过4%，由此验证了辐射光谱测温法在高温测量时的准确性。
参考文献：
[1] ECKBRETH A C.Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species[M].London：Taylor & Francis Books，Inc. ，1996.
[2] 戴景民，金钊.火焰温度测量技术研究[J].计量学报，2003，24（4）：297-302.
[3] 杨永军.温度测量技术现状和发展概述[J].计测技术，2009，29（4）：62-65.
[4] 刘利秋，卢艳军，徐涛.传感器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2015.
[5] HANSON P K.Applications of quantitative laser sensors to kinetics，propulsion and practical energy systems[J].Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（1）：1-40.
[6] MCKENZIE R L.Progress in laser spectroscopic techniques for aerodynamic measurements-An overview[J].AIAA Journal，1993，31（3）：465-477.
[7] 胡志云，刘晶儒，关小伟，等.燃烧场参数的激光诊断技术研究[J].强激光与粒子束，2002，14（5）：702-706.
[8] 蔡小舒，周骛，杨荟楠，等.燃烧与流场在线测量诊断方法研究进展[J].实验流体力学，2014，28（1）：12-20.
[9] 蔡小舒，罗武德.采用发射光谱法检测煤粉锅炉火焰的技术研究[J].动力工程，2000，20（6）：955-959.
[10] 程智海，蔡小舒.应用原子特征發射谱线法测量煤粉火焰温度[J].动力工程，2007，27（6）：918-922.
[11] 刘家汛，杨斌，蔡小舒.辐射光谱法电站锅炉燃烧检测诊断研究[J].工程热物理学报，2015，36（9）：2055-2059.
[12] 杨斌，桂欣扬，周骛，等.利用辐射光谱法开展发动机燃烧火焰参数在线测量[J].航空动力学报，2015，30（12）：2904-2909.
（编辑：刘铁英）