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烟气覆盖表面红外温度测量的实验分析
钟万里1, 王伟1, 林介东1, 张彪2, 许传龙2     
1. 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广州 510080;
2. 东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096
摘要: 为了研究辐射参与性烟气对红外测温法金属壁面温度测量的影响,首先根据实验中红外探测器测量得到的表面温度分布的特点,建立了一维表面红外测温模型;然后根据红外热成像测温原理及辐射传输理论,利用源项多流法分析模型计算了烟气覆盖表面在不同烟气厚度和不同表面温度下红外探测器获得的温度;最后利用马弗炉模拟不同温度的表面,振动筛模拟不同浓度和厚度的烟气环境,在实验室条件下设计搭建了模拟烟气覆盖表面的红外测温实验系统,实验验证了源项多流法分析模型,实验测量得到的温度与分析模型预测的温度吻合较好,并提出了利用反演方法修正红外测温的设想。
关键词: 红外测温     源项多流法     辐射传输     参与性介质     温度校正    
Experimental analysis on infrared temperature measurement of flue gas covering surface
ZHONG Wanli1, WANG Wei1, LIN Jiedong1, ZHANG Biao2, XU Chuanlong2     
1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510080, China;
2. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China
Received: 2015-12-02; Accepted: 2016-05-06; Published online: 2016-09-06 10:58
Foundation item: Science & Technology Program of China Southern Power Grid Co., Ltd. (K-GD2013-0497)
Corresponding author. ZHONG Wanli, E-mail:zhongwanli@163.com
Abstract: Radiative participant flue gas has important influence on the infrared surface temperature measurement of flue gas covering surface. According to the characteristic of the sample temperature distribution measured by an infrared CCD camera, a simplified one-dimensional model of infrared surface temperature measurement is established. Based on the simplified model, the detected infrared temperatures at different thickness of flue gas and surface temperature of sample are analyzed using source multi-flux method. Finally, a muffle furnace is used to heat the measured surface, and a vibrating screen is used to simulate flue gas covering environment. An infrared temperature measurement system is built for flue gas covering surface. The analytical model of source multi-flux is verified by the experiments, and the measured temperature by the experimental has a good agreement with the predicted temperature by the analytical model. The idea of modification for the infrared temperature measurement by inverse method is proposed.
Key words: infrared temperature measurement     source multi-flux method     radiance transfer     participating media     temperature correction    

在很多领域中,物体表面的温度都是非常重要的监测参数,对其进行在线连续稳定测量具有重要的实用价值[1-2]。目前,实际应用中一般都采用接触式的测量方法,如热电偶、热电阻等[3-4]。接触式测温的测量精度高,但会对被测物体原本温度场产生影响,且氧化、还原和腐蚀等恶劣测温条件会造成热电偶等测温元件的损坏。另外,热电偶的布置数量常常受到限制,测点有限,无法获得整个蒸汽管道的温度分布情况[5]。相比而言,辐射测温法是非接触式的,能够克服上述缺点,近年来得到了越来越多的重视。但是由于光谱发射率的影响,辐射高温计的温度示值并不是物体的真实温度,有辐射温度、亮度温度和比色温度。若想知道壁面的真实温度,就需要对上述温度进行发射率修正,以往所采用的方法主要有发射率修正法、逼近黑体法、辅助源法和偏振光法[6-10]

Liu等[11-12]通过求解辐射反问题的方法,反演了半透明介质的边界温度,随后又研究了湍流与辐射的耦合作用,分析了湍流脉动火焰的温度场反演的影响。若要通过辐射方法来测量过热器表面的温度,必然要考虑管壁的发射率、烟气中飞灰等参与性介质的辐射特性的影响,因此所获得的辐射信号是管道壁面和烟气整体的辐射信号,为了获得管道壁面温度特征,需将以上影响因素考虑在内,建立数学模型,进一步探索管道壁面温度、烟气流动参数和辐射信号之间的关系,进而寻找合适的算法来对辐射信号进行修正,从而获得管道壁面的真实温度。

根据红外热成像测温原理以及辐射传输理论,本文基于源项多流法建立了烟气流下过热器壁面红外测温模型,系统分析了烟气中飞灰对红外热成像测温的影响。搭建了温度测量实验装置,用标定好的CCD相机对在烟气流下的金属表面进行了温度测量实验,并在此基础上提出了利用反演方法修正红外测温以提高烟气遮蔽下壁面红外测温精度的设想。

1 测量原理

红外测温法是利用红外CCD相机接收被测物体表面的辐射来确定被测物体的温度。实际测量物体温度时,红外CCD相机接收到的有效辐射包括3部分:物体自身的发射、环境的反射和介质的参与,如图 1所示。红外CCD相机通常工作在2~5 μm、8~13 μm等不同波段,对于单色法测温来说,需要在镜头中加入一个滤波片,只允许某一窄波段的光通过,探测器接收该波段的辐射能后,将其转化为一个与能量成正比的电信号。红外测温的通用基本公式为[13]

图 1 红外测温有效辐射示意图 Fig. 1 Schematic of effective radiation in infrared temperature measurement
(1)

式中:V为探测器的电压信号;A为CCD相机的最小空间张角所对应的目标的可视面积;d为该目标到CCD相机之间的距离;τλ为介质在波长为λ下的透过率;ελ, obj为物体的光谱发射率;ελ, media为介质的等效光谱发射率;Eobj为物体表面发射的能量;Erefl为周围环境投射到物体表面的能量;Emedia为介质发射的能量。

普朗克定律是红外测温技术的理论基础,其揭示了黑体辐射能量在不同温度和不同波长下的分布规律,数学表达式为

(2)

式中:E为黑体的光谱辐射力;c1=3.741 5×10-12 W/cm2为第一辐射常数;c2=1.438 8 cm·K为第二辐射常数;T为黑体的绝对温度。

2 测量系统

图 2为金属壁面红外测温实验系统。系统主要由红外CCD相机、红外镜头、振动筛和马弗炉组成。实验所选用的红外CCD相机的型号为MAG62,探测器类型为非制冷焦平面,像素为640×480,像素尺寸为17 μm,工作距离为250 mm,帧率为50 Hz。红外镜头为MAGNITY C f25F1,中心通过波长为10 μm,可以有效避开水蒸气和二氧化碳的吸收峰,减少空气对辐射测温的影响。振动筛置于红外镜头和测温试件之间,用于模拟烟气中参与性介质飞灰对高温壁面温度测量的影响。振动筛轴向设有圆形的观察区,其中有可调节宽度的方形漏灰口,保证流速均匀稳定,实验时选用宽度分别为5、10、15、20、25和30 mm,用于模拟不同厚度烟气对高温金属壁面辐射的影响。马弗炉型号为SX2-4-10,功率为4 kW,具有温控功能,温度变化范围为20~1 000°C,马弗炉的侧盖中心开一个直径为100 mm的孔。本实验系统中金属试件的材料为15 CrMo,光学窗口所采用的材料为BaF,其在10 μm的波段有较高的透过率,透过率曲线如图 3所示。

图 2 金属壁面红外测温实验系统示意图 Fig. 2 Schematic of experimental system for infrared temperature measurement of metal surface
图 3 光学窗口的透过率曲线 Fig. 3 Transmittance curves of optical window
3 结果与讨论 3.1 分析模型

实验所用红外CCD相机在出厂时进行了标定,但由于实验室条件不同,因此需要对相机进行二次标定,标定实验在相机的工作距离下进行,采用的黑体炉是AMETEK公司生产的LANDCAL R1500T型黑体炉,其温度分辨率为1℃,稳定性 < 1 K/°C (温度设置为结束30 min以后),升温速率可以在30 min内达到1 450℃,发射率接近0.99。利用经过二次标定的红外CCD相机测量试件表面的温度,设定马弗炉温度为250℃,稳定0.5 h,在灰斗中无飞灰加入时,直接获得的试件表面温度分布如图 4(a)所示,取x=0和y=02条线上的温度分布,如图 4(b)4(c)所示。可以看出,试件表面温度分布较为均匀,平均温度为253 ℃,与马弗炉设定温度基本吻合,所产生的测温误差主要是马弗炉的温控热惯性大所导致。从图 4中还可以看出,整个试件温度的均匀性较好,因此可将此红外测温模型简化为一维大平板模型,如图 5所示。图中:ε为壁面的发射率;TwTg分别为壁面和飞灰的绝对温度;I0I分别为壁面发射和探测到的辐射强度;L为飞灰的厚度;κσs分别为飞灰的吸收和散射系数。

图 4 红外CCD相机测量的温度分布 Fig. 4 Temperature distribution measured by infrared CCD camera
图 5 一维大平板红外测温模型示意图 Fig. 5 Schematic of infrared temperature measurement for 1D plane-parallel slab model
3.2 影响分析

由于镜头选择的中心波长为10 μm,可以有效地减小空气对红外测温的影响,在没有飞灰的区域可认为辐射传输不产生衰减。飞灰的温度为室温27℃,在恒定流速下测量[14]得到飞灰的吸收系数为45.6 m-1,散射系数为3.5 m-1,考虑各向同性散射,在设定马弗炉温度为527℃不变,调节振动筛的宽度为1~50 mm,利用源项多流法[15-16]计算出试件表面发出的红外辐射能经过飞灰区域被吸收和散射后,被探测器接收到的能量大小,以试件中心直径为50 mm区域的平均能量作为特征能量,转化为壁面探测温度Td变化曲线后如图 6所示。可以看出,随着飞灰介质厚度的增加,探测器测量得到的温度呈指数降低,因此烟气中飞灰对金属壁面温度测量的影响不能被忽略。

图 6 红外CCD相机探测温度随振动筛宽度的变化曲线 Fig. 6 Variation curve of detected temperature measured by infrared CCD camera with width of vibrating screen

保持振动筛的宽度为20 mm不变,利用相同的飞灰保持流速恒定,即吸收系数、散射系数和飞灰温度恒定,马弗炉的设定温度为27~527℃,利用源项多流法计算出探测器的视在温度变化曲线如图 7所示。可以看出, 随着马弗炉设定温度的增加,探测器的视在温度与表面的真实温度之间的温差在增大,即在当前工况下测量误差增大。

图 7 红外CCD相机探测温度随表面真实温度的变化曲线 Fig. 7 Variation curve of detected temperature measured by infrared CCD camera with surface real temperature

马弗炉温度设定为250℃,振动筛的宽度分别为5、10、15、20、25和30 mm时,通过本文的测量设备得到的视在温度如图 8所示。以源项多流法计算得到的视在温度为参考,从图 8中可以看出,测量温度和模拟温度吻合的较好,最大误差为9.2℃。若利用红外CCD相机测量得到的视在温度作为测量值,源项多流法作为正算模型,就可以利用反演的方法对视在温度进行校正,该技术可应用于电站锅炉高温过热器表面温度在线检测领域。

图 8 不同振动筛宽度下测量与模拟的表面温度比较 Fig. 8 Comparison between measured and calculated temperatures of surface at different widths of vibrating screen
4 结论

本文开展了烟气对锅炉壁面红外测温影响的理论和实验研究,得出以下结论:

1) 建立了用于模拟烟气遮蔽条件下壁面的红外测温的源项多流法分析模型,并设计搭建了相应的实验系统。

2) 分析了表面温度和烟气厚度对探测器测量所得的视在温度的影响,得出视在温度随着烟气厚度的增加呈指数降低,随壁面温度的升高呈指数增长。

3) 在实验室条件下,通过实验验证了理论分析的结果,实验结果与模型预测结果匹配较好,提出利用反演方法修正红外测温以提高烟气遮蔽下壁面红外测温精度的设想,可将其应用到电站锅炉高温过热器的温度在线测量领域。

参考文献
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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0795
北京航空航天大学主办。
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文章信息

钟万里, 王伟, 林介东, 张彪, 许传龙
ZHONG Wanli, WANG Wei, LIN Jiedong, ZHANG Biao, XU Chuanlong
烟气覆盖表面红外温度测量的实验分析
Experimental analysis on infrared temperature measurement of flue gas covering surface
北京航空航天大学学报, 2017, 43(2): 218-223
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(2): 218-223
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2015.0795

文章历史

收稿日期: 2015-12-02
录用日期: 2016-05-06
网络出版时间: 2016-09-06 10:58

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