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基本信息

項目名稱：
半透明介質(zhì)環(huán)境下材料表面非接觸測溫的校正技術(shù)
小類：
能源化工
簡介：
本技術(shù)根據(jù)半透明介質(zhì)是否接觸不透明材料表面兩種狀況，分別建立了半透明介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸模型和輻射導(dǎo)熱耦合換熱模型，結(jié)合智能微粒群算法PSO反演材料表面溫度和介質(zhì)內(nèi)部溫度分布的反問題模型，實(shí)現(xiàn)對半透明介質(zhì)內(nèi)部和材料表面?zhèn)鹘y(tǒng)輻射測溫的校正。項目最終完成RAD軟件、RAD_CON軟件及PSO_INVERSE軟件的制作并申請發(fā)明專利一項。
詳細(xì)介紹：
本文提出了一種半透明介質(zhì)環(huán)境下非接觸測溫的校正技術(shù)。當(dāng)采用非接觸式輻射測溫方法測量半透明介質(zhì)溫度或材料表面受到受到半透明介質(zhì)遮蔽時，輻射測溫設(shè)備受到半透明介質(zhì)本身輻射的影響，不能準(zhǔn)確得到半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度和材料表面溫度。本技術(shù)根據(jù)半透明介質(zhì)是否接觸不透明材料表面兩種狀況，分別建立了半透明介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸模型和輻射導(dǎo)熱耦合換熱模型，結(jié)合智能微粒群算法PSO反演材料表面溫度和介質(zhì)內(nèi)部溫度分布的反問題模型，實(shí)現(xiàn)對半透明介質(zhì)內(nèi)部和材料表面?zhèn)鹘y(tǒng)輻射測溫的校正。其特點(diǎn)是：根據(jù)半透明介質(zhì)的是否接觸測溫表面，選擇不同的數(shù)學(xué)物理模型，以紅外熱像儀測量的輻射能量值作為已知量和參考量，通過正、反輻射傳輸問題的計算，得到被測表面的實(shí)際溫度及半透明介質(zhì)內(nèi)部的溫度場分布。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)被測半透明介質(zhì)和不透明材料表面受到半透明參與性介質(zhì)本身輻射影響時，通過紅外輻射測溫設(shè)備測量的熱流密度值，采用PSO算法結(jié)合正算模型能夠準(zhǔn)確反演被測壁面溫度，同時可獲得半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度分布。

作品圖片

  • 半透明介質(zhì)環(huán)境下材料表面非接觸測溫的校正技術(shù)
  • 半透明介質(zhì)環(huán)境下材料表面非接觸測溫的校正技術(shù)
  • 半透明介質(zhì)環(huán)境下材料表面非接觸測溫的校正技術(shù)
  • 半透明介質(zhì)環(huán)境下材料表面非接觸測溫的校正技術(shù)
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本研究的主要思路有： (1) 建立半透明材料內(nèi)輻射傳輸計算模型和輻射導(dǎo)熱耦合換熱模型。 (2) 采用智能微粒群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization, PSO），結(jié)合輻射傳輸模型和輻射導(dǎo)熱耦合計算模型，建立反演材料表面真實(shí)溫度及半透明介質(zhì)內(nèi)溫度分布的物理模型。 (3) 搭建實(shí)驗(yàn)臺，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證反演模型的正確性。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

傳統(tǒng)固體表面的紅外輻射測溫主要是采用紅外輻射熱像儀得到兩光譜或多光譜下的輻射能量，結(jié)合已知的材料表面發(fā)射率或假設(shè)表面發(fā)射率分布函數(shù)，通過最小二乘近似等方法得到其真實(shí)溫度。但對于半透明材料，由于輻射的沿程性，熱像儀探測到的輻射能量來自其內(nèi)部沿探測方向各點(diǎn)的輻射出射能量之和，這個能量與材料內(nèi)部的溫度、物性等有關(guān)，不能通過傳統(tǒng)的方法得到其真實(shí)溫度，必須考慮輻射物性的影響，結(jié)合反問題算法反演得到。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義

溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一，半透明材料的溫度測量在很多工程領(lǐng)域中具有十分重要的意義，其典型工業(yè)應(yīng)用包括：光學(xué)晶體生長、半透明材料的加工、考慮核反應(yīng)堆安全時鈾燃料的熔化和凝固、高溫?zé)崮艽尜A系統(tǒng)中相變材料的熔化和凝固等。這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展都急需準(zhǔn)確測量高溫半透明材料的真實(shí)溫度。本項目的研究將深入研究半透明材料溫度的精確測量，在上述工業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和直接的理論指導(dǎo)作用。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文提出了一種半透明介質(zhì)環(huán)境下非接觸測溫的校正技術(shù)。當(dāng)采用非接觸式輻射測溫方法測量半透明介質(zhì)溫度或材料表面受到受到半透明介質(zhì)遮蔽時，輻射測溫設(shè)備受到半透明介質(zhì)本身輻射的影響，不能準(zhǔn)確得到半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度和材料表面溫度。本技術(shù)根據(jù)半透明介質(zhì)是否接觸不透明材料表面兩種狀況，分別建立了半透明介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸模型和輻射導(dǎo)熱耦合換熱模型，結(jié)合智能微粒群算法PSO反演材料表面溫度和介質(zhì)內(nèi)部溫度分布的反問題模型，實(shí)現(xiàn)對半透明介質(zhì)內(nèi)部和材料表面?zhèn)鹘y(tǒng)輻射測溫的校正。其特點(diǎn)是：根據(jù)半透明介質(zhì)的是否接觸測溫表面，選擇不同的數(shù)學(xué)物理模型，以紅外熱像儀測量的輻射能量值作為已知量和參考量，通過正、反輻射傳輸問題的計算，得到被測表面的實(shí)際溫度及半透明介質(zhì)內(nèi)部的溫度場分布。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)被測半透明介質(zhì)和不透明材料表面受到半透明參與性介質(zhì)本身輻射影響時，通過紅外輻射測溫設(shè)備測量的熱流密度值，采用PSO算法結(jié)合正算模型能夠準(zhǔn)確反演被測壁面溫度，同時可獲得半透明介質(zhì)內(nèi)部溫度分布。

獲獎情況

“祖光杯”科技競賽二等獎；

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

[1] C. Pyatte. Some consideration of the errors of brightness and two-color types of spectral radiation pyrometer. Appl. Phys., 1954, 5: 264-26 [2] J. P. Hiernaut, R. Beukers. Submillisecond six-wavelength pyrometer for high temperature measurements in the range 2000 to 5000K. High Temp. High Press, 1986, (18): 617-625 [3] P. B. Coates. Wavelength specification in multi-wave- length pyrometry. High Temp. High Press, 1988, (20):443-448 [4] P. B. Coates. The least-squares approach to multi-wavelength pryometry. High Temp. High Press, 1988, (20):433-441 [5] 孫曉剛，戴景民，褚載祥. 基于多光譜法的固體火箭發(fā)動機(jī)羽焰溫度測量. 清華大學(xué)學(xué)報，2003，43(7)：916-918 [6] 戴景民. 燒蝕材料的多光譜真溫測量法.宇航學(xué)報，1996，17(3): 25-30 [7] 戴景民，盧小冬，褚載祥等. 具有同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多點(diǎn)多波長高溫計的研制. 紅外與毫米波學(xué)報，2000，19(1)：62-66 [8] G. Ruffino, Z. X. Chu, S. Kang. Multi-wave-length pyrometer with photodiode array. Temp., its Measur. And Contr. in Sci. and Ind., 1993, 6(2):807-810

同類課題研究水平概述

國外方面，早在1954年，Pyatt等建議使用3波長的比色溫度計，以得到發(fā)射率和波長的關(guān)系。到70年代末80年代初興起了多光譜輻射測溫技術(shù)的熱潮。1979年，Cashdollar成功研制了3波長溫度計，最高測溫上2000K。同年，Svet等研制了4波長高溫計，測溫范圍是300~3000K。Lyzenga等推出了6波長五年度測量裝置，采用硅光電二極管作為0.4~0.8微米波長的檢測元件，用以測量沖擊波后的物體真溫，溫度范圍4000~8000K，精度可達(dá)2%。1986年，Hiernaut等研制成功了亞毫秒級6波長高溫計，用于2000~5000K溫區(qū)內(nèi)真溫和光譜發(fā)射率的同時測量,溫度測量精度為0.5%，發(fā)射率測量精度為1~5%。1988年，Coates等研究了多波長測溫理論中工作波長的確定和最小二乘法數(shù)據(jù)擬合問題。1991年，Khan等總結(jié)了多波長高溫計數(shù)據(jù)擬合方法，并推導(dǎo)了極限誤差的技術(shù)方法。1991年Ruffino等研制了國際首創(chuàng)的棱鏡分光式35波長高溫計，并成功用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率測量。1992年，Gathers等討論了多波長高溫計中數(shù)據(jù)擬合的精度問題。 在國內(nèi)，戴景民等對多光譜測溫理論進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，校正了國際通用發(fā)射率模型對各種材料的適用性和有效性，進(jìn)而提出了發(fā)射率模型自動識別的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了自動尋階、逐步擬合的算法。2001年，又進(jìn)一步將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論用于多光譜測溫理論，取得了較大進(jìn)展。 綜上所述，目前國內(nèi)外對半透明材料表面溫度的紅外輻射測量的研究，迄今為止文獻(xiàn)未見報道或極少報道。
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