輻射光譜測溫法測量誤差實驗研究

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準輻射測溫實驗平臺，選用200～1 100 nm波段光譜儀對標準高溫源進行輻射光譜測量。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，該值與標準參考值的相對偏差小于4%，同時分析了測量重復性引起的標準不確定度分量，為輻射測溫法應用提供參考。

關鍵詞：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 文獻標志碼： 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展，這些接觸式測量手段因存在響應慢、易干擾流場等缺點，已無法滿足燃燒中高動態變化的測量要求。近年來，隨著激光與光電技術的飛速發展，光譜測溫技術可通過原子、分子結構的信息將燃燒溫度參數測量出來，并且還具有空間分辨、高頻瞬態測量等優勢，已成為燃燒研究的重要技術之一[5-8]。在光譜測溫技術中，輻射光譜測溫法通過測量火焰輻射光譜來實現燃燒溫度的在線測量，因其具有測溫范圍寬、響應快及可靠性高等優點，已應用于鍋爐與發動機等燃燒裝置的溫度監測[9-12]。

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

2 實驗裝置與測量系統

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、計算機等組成。圖中：黑體爐內設置直徑為40 mm的高溫輻射管，其有效發射率為0.98～0.99；光纖光譜儀選擇200～1 100 nm波段光譜儀（海洋光學，HR4000）。實驗時，將黑體爐加熱至指定溫度，產生的高溫輻射信號經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/數轉化后送入計算機處理，最終得到不同溫度下測點位置處的光譜信號數據。實驗中，光譜儀連續記錄800～1 225 ℃范圍內不同溫度下高溫黑體爐的輻射光譜，光譜儀積分時間設置為50 ms。

3 實驗結果與分析

3.1 典型高溫黑體輻射響應光譜

實驗獲得了800～1 225 ℃范圍內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，黑體輻射光譜受傳播介質（空氣）影響較小，表現為連續分布特征，輻射光譜測溫效果好。考慮信噪比等因素，輻射光譜擬合數據范圍應選取700～900 nm波段。

3.2 單一溫度下測量精度分析

設定黑體爐目標溫度為1 100 ℃，利用200～1 100 nm波段光譜儀對黑體爐熱輻射源進行連續多次測量，得到的光譜測溫結果如表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，故該溫度測量結果的擴展不確定度為U=ku=24.8。

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

利用上述分析方法，設定不同目標溫度，對同一測點進行多次重復測量，經計算分析得到其擴展不確定度，如表2所示。由表2可以發現，輻射光譜測溫法具有較好的重復性，并且隨著目標溫度的升高，采用200～1 100 nm波段光譜儀獲得的輻射光譜強度較高，信噪比較好。因此，輻射光譜測溫法的測量擴展不確定度隨著目標溫度升高逐漸縮小，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溫度的標準輻射源進行溫度測量，測量結果與誤差如表3所示，表中測量溫度為5次測量平均值。可以看出，在800～1 225 ℃溫度范圍內，用輻射光譜測溫法獲得的結果與標準值相對偏差不超過4%，這個結果對于高溫測量來說，具有較高的精度。

4 結 論

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

參考文獻：

[1] ECKBRETH A C.Laser Diagnostics for Combustion Temperature and Species[M].London：Taylor & Francis Books，Inc. ，1996.

[2] 戴景民，金釗.火焰溫度測量技術研究[J].計量學報，2003，24（4）：297-302.

[3] 楊永軍.溫度測量技術現狀和發展概述[J].計測技術，2009，29（4）：62-65.

[4] 劉利秋，盧艷軍，徐濤.傳感器原理與應用[M].北京：清華大學出版社，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，劉晶儒，關小偉，等.燃燒場參數的激光診斷技術研究[J].強激光與粒子束，2002，14（5）：702-706.

[8] 蔡小舒，周騖，楊薈楠，等.燃燒與流場在線測量診斷方法研究進展[J].實驗流體力學，2014，28（1）：12-20.

[9] 蔡小舒，羅武德.采用發射光譜法檢測煤粉鍋爐火焰的技術研究[J].動力工程，2000，20（6）：955-959.

[10] 程智海，蔡小舒.應用原子特征發射譜線法測量煤粉火焰溫度[J].動力工程，2007，27（6）：918-922.

[11] 劉家汛，楊斌，蔡小舒.輻射光譜法電站鍋爐燃燒檢測診斷研究[J].工程熱物理學報，2015，36（9）：2055-2059.

[12] 楊斌，桂欣揚，周騖，等.利用輻射光譜法開展發動機燃燒火焰參數在線測量[J].航空動力學報，2015，30（12）：2904-2909.

（編輯：劉鐵英）