紅外熱像儀測(cè)定紅外線燃?xì)饩甙迕姘l(fā)射率的探討

張全勝 陳水輝 劉艷春,3

(1 廣州市紅日燃具有限公司 廣州 510430)(2 廣州銳得森特種陶瓷科技有限公司 廣州 510460) (3 華南理工大學(xué) 廣州 510640)

前言

紅外線燃?xì)饩咭云涓咝Ч?jié)能、清潔環(huán)保的特色，成為節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，已經(jīng)得到了越來(lái)越多消費(fèi)者的高度肯定。隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的認(rèn)知水平的日益提高，該類產(chǎn)品會(huì)成為消費(fèi)者優(yōu)先選擇的標(biāo)桿產(chǎn)品之一。紅外線燃?xì)饩?，顧名思義，是發(fā)射紅外線進(jìn)行傳熱的燃?xì)饩?。其傳熱方式是輻射傳熱，而傳統(tǒng)的大氣式燃?xì)饩叩膫鳠岱绞绞菍?duì)流傳熱和輻射傳熱并存，單從傳熱方式來(lái)說(shuō)，在高溫時(shí)輻射傳熱的速度要高于對(duì)流傳熱。燃?xì)饩叩妮椛湫适侵萍s燃具熱效率的重要因素之一，制備高發(fā)射率的燃燒板面是提升熱效率的核心技術(shù)之一。測(cè)定燃燒板面的發(fā)射率通常也是研究高發(fā)射率燃燒板面最直觀的方法之一。

紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)是一種直觀、準(zhǔn)確、靈敏度高、快速、應(yīng)用范圍廣泛的測(cè)定物體表面溫度場(chǎng)分布的非接觸測(cè)量技術(shù)[1]。事實(shí)上，由于實(shí)際進(jìn)入熱像儀的熱輻射不僅有目標(biāo)的自身熱輻射，還有反射環(huán)境的熱輻射和大氣輻射等，而且，使用紅外熱成像儀測(cè)定被測(cè)物體表面溫度一般是需要預(yù)先知道并輸入被測(cè)物體的表面發(fā)射率，然而，發(fā)射率是波長(zhǎng)、溫度、物體材料與輻射體表面條件、結(jié)構(gòu)等的函數(shù)，想要獲得可靠的數(shù)據(jù)往往也是非常困難的。本文所述的紅外線燃?xì)饩叩娜紵迕媸遣捎貌煌Y(jié)構(gòu)的陶瓷材料為機(jī)體，表面涂覆不同的紅外發(fā)射涂料制作而成。鑒于紅外成像測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量精度依賴多種因素，筆者提出使用標(biāo)準(zhǔn)曲線法求解特定使用條件下的燃燒器板面發(fā)射率，為紅外線燃?xì)饩呷紵迕婷姘l(fā)射率、板面溫度的測(cè)定提供了一種簡(jiǎn)便直觀的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 陶瓷纖維催化取暖器燃燒板面面發(fā)射率的測(cè)定

所用的取暖器(RSC-B01型)的催化板面是分別采用高硅氧纖維和氧化鋁纖維兩種材料為載體制成的，催化板面前端均使用同樣規(guī)格的不銹鋼板沖網(wǎng)做防護(hù)。測(cè)定溫度前需分別從冷態(tài)開始預(yù)熱取暖器20 min以上，使其處于穩(wěn)定的狀態(tài)。在取暖器處于穩(wěn)定狀態(tài)下，使用NEC G120EXD紅外熱像儀(分別預(yù)設(shè)發(fā)射率為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)拍攝取暖器發(fā)熱板面紅外圖像，使用設(shè)備專用的分析軟件InfReC Analyzer分析采樣位置的平均溫度；同時(shí)，使用已檢定合格的高靈敏度接觸式表面溫度計(jì)測(cè)定實(shí)際溫度(在紅外熱像儀取樣對(duì)應(yīng)的部位，均勻取樣20點(diǎn)測(cè)定板面溫度取均值)。

1.2 紅外線灶具的燃燒器表面發(fā)射率的測(cè)定

所用的灶具(818C-Y型)的燃燒板面分別使用圓孔白片、圓孔黑片、方孔白片、方孔黑片4種不同蜂窩陶瓷板制成，測(cè)試時(shí)板面上端無(wú)任何遮蓋物。測(cè)定溫度前需分別從冷態(tài)預(yù)熱灶具5 min以上，使其處于穩(wěn)定的狀態(tài)。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，使用NEC G120EXD紅外熱像儀(分別預(yù)設(shè)發(fā)射率為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)拍攝燃燒器發(fā)熱板面紅外圖像，使用設(shè)備專用的分析軟件InfReC Analyzer分析采樣位置的平均溫度；同時(shí)，使用已檢定合格的高靈敏度接觸式表面溫度計(jì)測(cè)定實(shí)際溫度(在紅外熱像儀取樣對(duì)應(yīng)的部位，均勻取樣20點(diǎn)測(cè)定板面溫度取均值)。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷纖維催化取暖器燃燒板面發(fā)射率的測(cè)定

2.1.1 高硅氧纖維載體催化板面發(fā)射率測(cè)定

圖1 不同預(yù)設(shè)發(fā)射率對(duì)高硅氧纖維催化板面紅外圖像的影響

對(duì)照?qǐng)D1左邊7幅不同發(fā)射率拍攝的圖像與溫度標(biāo)尺可見，使用紅外熱像儀測(cè)定板面溫度時(shí)，預(yù)設(shè)不同的發(fā)射率對(duì)溫度示值有著非常顯著的影響。利用熱像儀專用分析軟件InfReC Analyzer分別統(tǒng)計(jì)采樣部位(圖像的矩形區(qū)域)的平均溫度如表1所示。利用表1制作板面溫度-預(yù)設(shè)發(fā)射率(簡(jiǎn)寫為T-ε，下同)標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時(shí)結(jié)合接觸式溫度計(jì)測(cè)定的平均溫度，使用內(nèi)插法反向推算出板面材料在測(cè)試條件下的合成發(fā)射率為0.96(如圖2所示)。

表1 不同預(yù)設(shè)發(fā)射率對(duì)板面平均溫度的影響

圖2 高硅氧載體催化板面T-ε標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.1.2 氧化鋁纖維載體催化板面發(fā)射率測(cè)定

對(duì)照?qǐng)D3左邊7幅不同發(fā)射率拍攝的圖像與溫度標(biāo)尺可見，使用紅外熱像儀測(cè)定板面溫度時(shí)，預(yù)設(shè)不同的發(fā)射率對(duì)溫度示值同樣有著非常顯著的影響。利用熱像儀專用分析軟件InfReC Analyzer分別統(tǒng)計(jì)采樣部位(圖像的矩形區(qū)域)的平均溫度如表2所示。利用表2制作板面溫度-預(yù)設(shè)發(fā)射率(簡(jiǎn)寫為T-ε，下同)標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時(shí)結(jié)合接觸式溫度計(jì)測(cè)定的平均溫度，使用內(nèi)插法反向推算出板面材料在測(cè)試條件下的合成發(fā)射率為0.87(如圖4所示)。

圖3 不同預(yù)設(shè)發(fā)射率對(duì)氧化鋁纖維催化板面紅外圖像的影響

表2 不同預(yù)設(shè)發(fā)射率對(duì)板面平均溫度的影響

圖4 氧化鋁載體催化板面T-ε標(biāo)準(zhǔn)曲線

事實(shí)上，以上催化板面使用的是同樣的催化活性組分，但采用了不同的助催化劑和載體，在同樣的燃?xì)饬髁肯拢迕嫫骄鶞囟认嗖钸_(dá)50 ℃，且發(fā)射率高者表面溫度較低。其實(shí)紅外線燃?xì)饩呤褂玫娜紵迕娴陌l(fā)射率越高，其熱效率就越高，這一點(diǎn)早已經(jīng)為人們所熟知。因此選擇合適的催化材料對(duì)催化取暖器的熱效率的提升也尤為重要。

2.2 紅外線燃?xì)庠罹呷紵迕婷姘l(fā)射率的測(cè)定

相似地，將各種面板所測(cè)量得到的數(shù)據(jù)(見表3，表面溫度計(jì)測(cè)定溫度記為Tt)繪制成標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖5所示。利用Tt值在對(duì)應(yīng)的曲線上求得圓孔黑片、圓孔白片、方孔黑片和方孔白片4種不同的燃燒板面對(duì)應(yīng)的發(fā)射率分別為εcb=0.93，εcw=0.82，εrb=0.99，εrw=0.86。

2.3 物體發(fā)射率測(cè)定方法比較

1988年，J R Barry等[2]給出了3種測(cè)量物體發(fā)射率的經(jīng)典方法，它們分別為雙參考體法、雙溫度法和雙背景法。以下3個(gè)公式中n取值主要和熱像儀的工作波段有關(guān)，我們按最常用的(8～14)μm波段，其取值為4。

2.3.1 雙參考體法

首先，雙參考體法是用一個(gè)黑體和一個(gè)高發(fā)射率的漫反射板作為參考體，讓被測(cè)試件保持與黑體溫度相同，漫反射板溫度則等于背景溫度，分別用熱像儀測(cè)量試件、黑體和漫反射板的溫度，并使用式(1)計(jì)算得到被測(cè)試件的發(fā)射率。

表3 不同預(yù)設(shè)發(fā)射率對(duì)板面平均溫度的影響

Tcb-圓孔黑片板面溫度 Tcw-圓孔白片板面溫度 Trb-方孔黑片板面溫度 Trw-方孔白片板面溫度

(1)

式中:εs——試件表面待測(cè)的發(fā)射率;

Tr、T0和Tu為熱像儀測(cè)量的試件、黑體和背景的輻射溫度,℃。

2.3.2 雙溫度法

該法僅需一個(gè)已知發(fā)射率的參考體。被測(cè)試件與參考體保持相同的溫度，在兩個(gè)不同的溫度T1和T2時(shí)，同時(shí)用熱像儀測(cè)量它們的輻射溫度。假設(shè)為T1時(shí)，試件與參考體分別對(duì)應(yīng)的輻射溫度為Ts1和Tr1時(shí)；為T2時(shí)，它們分別對(duì)應(yīng)的輻射溫度為Ts2和Tr2，εr參考體的發(fā)射率，則試件發(fā)射率εs可表示為式(2)：

(2)

2.3.3 雙背景法

當(dāng)不能改變被測(cè)物體的溫度時(shí)，可采用雙背景法。這種方法是在兩種不同的背景溫度TBG1和TBG2下進(jìn)行，試件和參考體在兩次測(cè)量中保持溫度不變。Ts1、Tr1和Ts2、Tr2分別為第一種和第二種背景條件用熱像儀測(cè)得的試件和參考體表面的輻射溫度，εr參考體的發(fā)射率，則試件發(fā)射率εs可表示為式(3):

(3)

理論上說(shuō)，上述3種方法在測(cè)量過(guò)程中，有效地消除了因測(cè)量背景和目標(biāo)真實(shí)溫度產(chǎn)生的誤差而影響發(fā)射率的測(cè)量誤差。三種方法測(cè)量出給定的一種材料的發(fā)射率誤差小于±0.02[2]。然而，3種方法均需保持兩個(gè)物體的溫度一致。對(duì)于紅外線燃?xì)饩叩葘?shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，很難找到該試驗(yàn)條件下理想的參考體，也很難保證兩個(gè)物件的溫度一致；另外使用參考體制成的涂料涂覆在陶瓷材料板面，會(huì)影響催化燃燒性能。對(duì)于本文第一個(gè)試驗(yàn)——催化取暖器來(lái)說(shuō)，使用不合適的參考體材料可能導(dǎo)致板面根本無(wú)法起燃，更不要說(shuō)測(cè)試或設(shè)法維持同樣的溫度。另一方面，如果不是放在燃?xì)馊紵龍?chǎng)合，而選用靜態(tài)的恒溫環(huán)境進(jìn)行測(cè)定，顯然是不符合實(shí)際的，這是因?yàn)槲矬w的發(fā)射率不僅跟材質(zhì)有關(guān)，還跟結(jié)構(gòu)、使用狀態(tài)、溫度分布等相關(guān)。

使用接觸法測(cè)定板面溫度時(shí)顯然也會(huì)影響到測(cè)量部位的燃燒狀態(tài)從而導(dǎo)致測(cè)量溫度與實(shí)際溫度不一致。通過(guò)選用高靈敏度、小接觸面積的熱電偶可以減少接觸時(shí)間和接觸面積，最大限度減少對(duì)燃燒狀態(tài)溫度場(chǎng)的破壞，所測(cè)定的溫度更符合實(shí)際溫度。另外，使用表面溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)，每次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)的選擇范圍與數(shù)量，不僅影響平均溫度，還影響到與熱像儀測(cè)溫區(qū)域的對(duì)應(yīng)性。相對(duì)而言，使用該法測(cè)試紅外線燃具的板面發(fā)射率的條件更易實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論與展望

使用T-ε標(biāo)準(zhǔn)曲線法可以直觀、迅速地測(cè)定紅外線燃?xì)饩吒鞣N板面的發(fā)射率，這為紅外線燃?xì)饩哳I(lǐng)域開發(fā)高紅外發(fā)射率的板面材料提供了一種方便可靠的評(píng)價(jià)方法，同時(shí)為使用熱像儀準(zhǔn)確測(cè)定紅外線燃?xì)饩甙迕鏈囟忍峁┝嘶A(chǔ)的輻射率數(shù)據(jù)。通過(guò)縮小預(yù)設(shè)輻射率的范圍，采用更精確靈敏的表面溫度計(jì)可以提升發(fā)射率的測(cè)試精度。

紅外熱像儀應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，然而在紅外線燃?xì)饩哳I(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。其實(shí)，利用熱像儀在紅外線燃具領(lǐng)域當(dāng)然不僅限于發(fā)射率的測(cè)定，我們還可以直接或間接地測(cè)定燃具的很多性能、診斷故障等。