ALLIOT Aymeric 徐秋麗 楊敬賢 郭浩然 楊斌 蔡小舒

摘要：針對輻射光譜測溫法測量誤差問題，利用黑體爐搭建了標(biāo)準(zhǔn)輻射測溫實驗平臺，選用200～1 100 nm波段光譜儀對標(biāo)準(zhǔn)高溫源進(jìn)行輻射光譜測量。討論了高溫源輻射光譜特征，并基于輻射光譜測溫法獲得了溫度測量值，該值與標(biāo)準(zhǔn)參考值的相對偏差小于4%，同時分析了測量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，為輻射測溫法應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：輻射光譜； 溫度測量； 光纖光譜儀； 測量誤差

中圖分類號： O 433.1； TH 811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

溫度測量是燃燒診斷的重要內(nèi)容之一[1-3]，長期以來燃燒溫度主要依靠熱電阻、熱電偶等接觸式手段測量[4]。隨著燃燒裝置向高度集成化發(fā)展，這些接觸式測量手段因存在響應(yīng)慢、易干擾流場等缺點(diǎn)，已無法滿足燃燒中高動態(tài)變化的測量要求。近年來，隨著激光與光電技術(shù)的飛速發(fā)展，光譜測溫技術(shù)可通過原子、分子結(jié)構(gòu)的信息將燃燒溫度參數(shù)測量出來，并且還具有空間分辨、高頻瞬態(tài)測量等優(yōu)勢，已成為燃燒研究的重要技術(shù)之一[5-8]。在光譜測溫技術(shù)中，輻射光譜測溫法通過測量火焰輻射光譜來實現(xiàn)燃燒溫度的在線測量，因其具有測溫范圍寬、響應(yīng)快及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于鍋爐與發(fā)動機(jī)等燃燒裝置的溫度監(jiān)測[9-12]。

輻射光譜測溫法主要根據(jù)燃燒火焰輻射強(qiáng)度分布擬合得到溫度參數(shù)，本文利用黑體爐搭建了標(biāo)準(zhǔn)輻射測溫實驗平臺，基于輻射光譜測溫法選用200～1 100 nm光譜范圍對標(biāo)準(zhǔn)高溫源進(jìn)行輻射光譜測量，并對獲得的溫度測量值進(jìn)行分析，由此獲得輻射光譜法測溫誤差。

2 實驗裝置與測量系統(tǒng)

輻射光譜測溫實驗裝置如圖1所示，主要由黑體爐（上海福源光電，HFY-203B型）、光纖光譜儀、透鏡、光纖探頭、計算機(jī)等組成。圖中：黑體爐內(nèi)設(shè)置直徑為40 mm的高溫輻射管，其有效發(fā)射率為0.98～0.99；光纖光譜儀選擇200～1 100 nm波段光譜儀（海洋光學(xué)，HR4000）。實驗時，將黑體爐加熱至指定溫度，產(chǎn)生的高溫輻射信號經(jīng)透鏡匯聚后由光纖探頭接收并傳送至光纖光譜儀，再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)化后送入計算機(jī)處理，最終得到不同溫度下測點(diǎn)位置處的光譜信號數(shù)據(jù)。實驗中，光譜儀連續(xù)記錄800～1 225 ℃范圍內(nèi)不同溫度下高溫黑體爐的輻射光譜，光譜儀積分時間設(shè)置為50 ms。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 典型高溫黑體輻射響應(yīng)光譜

實驗獲得了800～1 225 ℃范圍內(nèi)不同溫度下高溫黑體爐200～1 100 nm波段的輻射光譜圖，如圖2所示。在200～1 100 nm波段范圍內(nèi)，黑體輻射光譜受傳播介質(zhì)（空氣）影響較小，表現(xiàn)為連續(xù)分布特征，輻射光譜測溫效果好?？紤]信噪比等因素，輻射光譜擬合數(shù)據(jù)范圍應(yīng)選取700～900 nm波段。

3.2 單一溫度下測量精度分析

設(shè)定黑體爐目標(biāo)溫度為1 100 ℃，利用200～1 100 nm波段光譜儀對黑體爐熱輻射源進(jìn)行連續(xù)多次測量，得到的光譜測溫結(jié)果如表1所示。

取置信概率為99%，查t分布表t99（4）=4.6，取包含因子k=t99（4）=4.6，故該溫度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U=ku=24.8。

因此目標(biāo)溫度1 100 ℃下利用200～1 100 nm波段光譜儀進(jìn)行輻射光譜測溫，得到的溫度、置信概率 和自由度結(jié)果分別為：T=（1 103.1±24.8） ℃，p=99%，ν=4。

利用上述分析方法，設(shè)定不同目標(biāo)溫度，對同一測點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測量，經(jīng)計算分析得到其擴(kuò)展不確定度，如表2所示。由表2可以發(fā)現(xiàn)，輻射光譜測溫法具有較好的重復(fù)性，并且隨著目標(biāo)溫度的升高，采用200～1 100 nm波段光譜儀獲得的輻射光譜強(qiáng)度較高，信噪比較好。因此，輻射光譜測溫法的測量擴(kuò)展不確定度隨著目標(biāo)溫度升高逐漸縮小，對于1 000 ℃以上高溫測量，輻射光譜測溫結(jié)果與參考值更為接近。

3.3 輻射光譜測溫法誤差分析

針對800～1 225 ℃溫度范圍，用輻射光譜測溫法對不同目標(biāo)溫度的標(biāo)準(zhǔn)輻射源進(jìn)行溫度測量，測量結(jié)果與誤差如表3所示，表中測量溫度為5次測量平均值?？梢钥闯?，在800～1 225 ℃溫度范圍內(nèi)，用輻射光譜測溫法獲得的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相對偏差不超過4%，這個結(jié)果對于高溫測量來說，具有較高的精度。

4 結(jié) 論

本文研究了標(biāo)準(zhǔn)高溫源在200～1 100 nm波段范圍內(nèi)的輻射光譜，并進(jìn)行了測溫誤差分析。實驗結(jié)果表明：對于燃燒溫度測量，輻射光譜測溫法具有較好的重復(fù)性，并且隨著目標(biāo)溫度的升高，采用200～1 100 nm波段光譜儀獲得的輻射光譜強(qiáng)度較高，信噪比較好；在1 000 ℃以上高溫測量時，輻射光譜測溫結(jié)果與參考值更為接近；在800～1 225 ℃溫度范圍內(nèi)，測溫結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相對偏差不超過4%，由此驗證了輻射光譜測溫法在高溫測量時的準(zhǔn)確性。

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（編輯：劉鐵英）