太陽輻射對(duì)管道表面發(fā)射率測(cè)量影響分析

吳國忠，李宏佳，呂 妍，齊晗兵, 李 棟

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太陽輻射對(duì)管道表面發(fā)射率測(cè)量影響分析

吳國忠1，李宏佳1，呂 妍2，齊晗兵1, 李 棟1

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶石化公司 信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163318）

發(fā)射率是影響管道表面散熱損失一個(gè)重要物理量，其測(cè)量過程受環(huán)境影響較大，其中，太陽輻射是影響發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素。本文從紅外熱像儀測(cè)溫原理著手，根據(jù)表面輻射傳輸原理給出了管道表面發(fā)射率與輻射能量之間的關(guān)系，修正了測(cè)量管道表面發(fā)射率的方法，通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽輻射對(duì)管道表面發(fā)射率測(cè)量的影響。結(jié)果表明太陽輻射對(duì)管道表面發(fā)射率測(cè)量影響較大，其測(cè)量偏差超過25%。

管道表面；發(fā)射率；紅外熱像儀；太陽輻射

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，管道作為一種方便快捷運(yùn)輸工具被廣泛的應(yīng)用在石油化工領(lǐng)域。然而，各類管道散熱損失占能源消耗的比例越來越大[1]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過紅外熱像儀可以快速測(cè)量管道表面散熱量[2-3]，但其表面發(fā)射率是影響散熱量測(cè)量的主要參數(shù)[4-5]。管道表面發(fā)射率與其表面材料組分有關(guān)，還與表面物理狀態(tài)、表面光滑程度、溫度等因素有關(guān)，因此獲取表面發(fā)射率的精確值對(duì)測(cè)量各類管道表面散熱量具有重要的意義。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)發(fā)射率測(cè)量問題做出了大量的工作。例如，白敬晨等[6]修訂了紅外熱像儀原理中雙參考體方法計(jì)算模型，研究發(fā)現(xiàn)該方法可以獲得比較準(zhǔn)確的發(fā)射率測(cè)量結(jié)果。張澎等[7]通過標(biāo)準(zhǔn)黑體對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)定，可以在一定程度上消除熱像儀的系統(tǒng)誤差。張彤等[8]建立了目標(biāo)輻射物體的計(jì)算方法，開展了鋁板和碳納米管的紅外光譜發(fā)射率測(cè)試實(shí)驗(yàn)。Hui[9]等提出了在高溫動(dòng)態(tài)加熱條件狀態(tài)下材料發(fā)射率測(cè)量技術(shù)，測(cè)量了鋼和石墨的發(fā)射率。Campo[10]等指出了發(fā)射率的測(cè)量與輻射波長、樣品溫度和發(fā)射角有關(guān)，此外還與表面光潔度和氧化程度有關(guān)聯(lián)。齊宏等[11]基于不透明材料波段法向發(fā)射率的方法，設(shè)計(jì)了一套測(cè)量裝置，進(jìn)行了測(cè)量裝置的不確定性分析。劉華等[12]根據(jù)紅外發(fā)射率計(jì)算公式，搭建了測(cè)量毫米級(jí)非均勻粗糙表面發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量結(jié)果表明發(fā)射率的不確定度為2.11%。魏薇等[13]設(shè)計(jì)一套測(cè)量金屬材料表面發(fā)射率的裝置，通過加熱爐對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行加熱，研究出金屬表面氧化程度與發(fā)射率的關(guān)系。宋健等[14]建立了測(cè)量發(fā)射率的理論模型，研究了熱輻射環(huán)溫度的變化對(duì)發(fā)射率測(cè)量結(jié)果的影響，研究得出當(dāng)熱輻射環(huán)溫度與被測(cè)物體溫度差值很大時(shí)，其影響可以忽略不計(jì)。劉連偉等[15]提出通過消除環(huán)境輻射對(duì)物體表面發(fā)射率測(cè)量的影響，來提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。然而，國內(nèi)外學(xué)者在發(fā)射率測(cè)量中多數(shù)未考慮太陽輻射對(duì)其帶來的影響，從而對(duì)其在野外測(cè)量帶來了一定的限制。

本文建立了發(fā)射率理論模型，主要應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)管道外表面發(fā)射率進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并開展了太陽輻射環(huán)境下的管道表面發(fā)射率實(shí)驗(yàn)研究，分析了太陽輻射對(duì)管道表面發(fā)射率測(cè)量過程中存在的影響，該發(fā)射率測(cè)試方法不僅僅適用于管道，對(duì)于其他物體也同樣適用，本文主要針對(duì)管道表面發(fā)射率的測(cè)量進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 測(cè)量原理

測(cè)量儀器（紅外熱像儀）接收到管道表面有效輻射包括3個(gè)部分：管道表面自身輻射，管道外表面對(duì)周圍環(huán)境反射輻射和大氣輻射。

管道表面的輻射亮度：

＝b(0)＋b(u)＝b(0)＋(1－)b(u) (1)

式中：b(0)為管道外表面光譜輻射亮度；b(u)為反射環(huán)境光譜輻射亮度；為管道表面發(fā)射率；0為管道表面溫度；為管道表面吸收率；u為環(huán)境溫度；為表面反射率。

作用于熱像儀的輻射照度為：

＝0－2[ab(0)＋a(1－)b(u)＋ab(a)] (2)

熱像儀通常工作在2～5mm和8～13mm兩個(gè)波段，探測(cè)器在范圍波段上入射了輻射能，并把輻射能轉(zhuǎn)化為一個(gè)與能量值成正比的電信號(hào)值。照射在探測(cè)器上的某波段的輻射功率為：

＝×R(3)

式中：R為熱像儀整體透鏡的面積。

與輻射功率對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度電壓為[16]：

s＝{a[(0)＋(1－)(u)]＋a(a)} (4)

式中：s為電壓強(qiáng)度信號(hào)；為常量；a為大氣的發(fā)射率；為表面吸收率；0為管道表面溫度；u為反射環(huán)境溫度；a為大氣溫度。

根據(jù)普朗克輻射定律，將公式(4)進(jìn)行變換推導(dǎo)可得公式[16]：

式中：0￠為熱像儀測(cè)量管道表面溫度。

將式(5)進(jìn)行變形得公式[17]：

式(6)為管道表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式，由公式可以看出，管道表面真實(shí)溫度與表面發(fā)射率有關(guān)，當(dāng)發(fā)射率為1時(shí)，我們認(rèn)為管道表面為黑體。當(dāng)表面發(fā)射率小于1時(shí)，隨著發(fā)射率取值不同，計(jì)算出的真實(shí)溫度值就不同，發(fā)射率取的值越小，計(jì)算得出的真實(shí)溫度值就越大。

由灰體表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式(6)可得[17]：

公式(7)中發(fā)射率與熱像儀測(cè)量的溫度、外表面的真實(shí)溫度、大氣溫度值、環(huán)境溫度值、大氣透射率有關(guān)。當(dāng)在室內(nèi)或近距離測(cè)量時(shí)，大氣透射率的值取為1，環(huán)境溫度與大氣溫度取值相等。

本文運(yùn)用測(cè)量管道表面發(fā)射率的方法如下：

將熱像儀的發(fā)射率設(shè)置不同的值，用熱像儀對(duì)被測(cè)物體表面溫度進(jìn)行多次測(cè)量。將(7)進(jìn)行變換可得[17]：

令＝()，對(duì)公式(10)進(jìn)行變換擬合可得，＝＋。最終通過變換可得出發(fā)射率的計(jì)算公式[17]：

使用不同波段熱像儀，的取值不同，在2～5mm時(shí)，＝9.2554；在8～13mm時(shí)，＝3.9889。0為熱電偶測(cè)量管道表面目標(biāo)點(diǎn)的溫度值；室內(nèi)測(cè)量時(shí)，a取值為1，大氣溫度與反射環(huán)境溫度也近似相等即a＝u；將熱像儀發(fā)射率設(shè)置多組不同值，測(cè)出相應(yīng)的0￠，利用Matlab將測(cè)得0、a、refl、0￠進(jìn)行曲線擬合，得出值，帶入公式(9)可得出。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為測(cè)量發(fā)射率實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)裝置圖由被測(cè)目標(biāo)物體、測(cè)溫裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光源系統(tǒng)組成。被測(cè)目標(biāo)物體為長1m、直徑0.4m鍍鋅鐵皮管道，里面注滿常溫水，通過電加熱器對(duì)管道內(nèi)部的水進(jìn)行加熱。測(cè)溫裝置包括型號(hào)為Therma-CAM S65紅外熱像儀和T熱電偶，熱像儀中熱像圖上面不同的顏色代表被測(cè)物體不同溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)，熱電偶連接到采集儀實(shí)時(shí)記錄被測(cè)物體目標(biāo)點(diǎn)的溫度，最終傳輸至計(jì)算機(jī)中。光源系統(tǒng)為TRM-PD人工太陽模擬器，人工太陽模擬器核心部件是氙燈，氙燈的光照強(qiáng)度為200～1200W/m2，其光譜波段范圍與室外太陽光波段基本吻合，因此氙燈光線可模擬太陽光以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)太陽光的實(shí)驗(yàn)工作。

圖1 測(cè)量發(fā)射率實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量步驟如下：

①開啟電加熱器，給鍍鋅鐵皮管道加熱，加熱溫度調(diào)節(jié)為26℃。

②將熱電偶安置在鍍鋅鐵皮外表面某目標(biāo)點(diǎn)處，待熱電偶穩(wěn)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)采集儀記錄的數(shù)據(jù)。

③根據(jù)獲取發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)方法，開啟熱像儀，需要對(duì)熱像儀的測(cè)試距離和角度進(jìn)行調(diào)整，測(cè)試距離為1.5m，傾斜角度為30℃即可。分別設(shè)定熱像儀發(fā)射率為0.2、0.4、0.6、0.8，得出無太陽輻射時(shí)，熱像儀測(cè)量鍍鋅鐵皮外表面目標(biāo)點(diǎn)的溫度值。

④打開太陽輻射器，調(diào)節(jié)輻射器中氙燈相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，調(diào)節(jié)氙燈輻射發(fā)光面積0.5m×0.2m，被測(cè)物體表面距離光源1.6m，氙燈的光照強(qiáng)度為800W/m2,對(duì)準(zhǔn)鐵皮表面進(jìn)行輻射照射，20min后，分別記錄下數(shù)據(jù)采集儀和熱像儀測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的溫度值。

⑤最后分別計(jì)算出無太陽輻射和有太陽輻射情況下被測(cè)物體表面發(fā)射率值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2、圖3分別為熱像儀發(fā)射率設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)無太陽輻射和有太陽輻射紅外熱像圖，表1為管道表面發(fā)射率測(cè)量結(jié)果。

圖2 無太陽輻射時(shí)熱像儀測(cè)溫?zé)嵯駡D

圖3 有太陽輻射時(shí)熱像儀測(cè)溫?zé)嵯駡D

由圖2與圖3可知，隨著紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率增加，熱像儀測(cè)量鍍鋅鐵皮外表面目標(biāo)點(diǎn)處的溫度值減小。圖2中鍍鋅鐵皮外表面溫度分布均勻，溫度波動(dòng)范圍小，熱像儀測(cè)量時(shí)精確度較高。由圖3中目標(biāo)物體顏色分布可知，太陽輻射器垂直照射在鍍鋅鐵皮外表面，太陽輻射給被測(cè)目標(biāo)物體外表面帶來一定的溫度變化，因此熱像圖中溫度分布不均勻，部分區(qū)域有明顯差別，給熱像儀測(cè)溫的精確性帶來一定影響。

如表1所示，與參考發(fā)射率相比，無人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差值為8.3%，有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差值為26%。結(jié)果表明，利用傳統(tǒng)發(fā)射率的數(shù)學(xué)模型求解鍍鋅鐵皮管道外表面發(fā)射率會(huì)帶來一定誤差，特別是在有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算出發(fā)射率的誤差偏大。

太陽輻射給熱像儀測(cè)溫帶來一定誤差影響，由于太陽輻射器的照射，造成目標(biāo)物體的升溫將疊加在測(cè)量設(shè)備（熱像儀）的穩(wěn)定升溫上，從而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性，計(jì)算得出的發(fā)射率誤差值變大。

3 結(jié)束語

本文從紅外熱成像理論基本公式入手，推導(dǎo)出管道外表面發(fā)射率的計(jì)算公式，獲取一種管道外表面發(fā)射率的測(cè)量方法。通過傳統(tǒng)測(cè)量發(fā)射率的計(jì)算模型，分別計(jì)算出無太陽輻射和有太陽輻射時(shí)鍍鋅鐵皮管道發(fā)射率值，計(jì)算結(jié)果表明管道外表面發(fā)射率偏差超過25%，并分析了熱像儀在有太陽輻射測(cè)溫時(shí)帶來的實(shí)驗(yàn)偏差。

表1 管道表面發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

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Effect of Solar Radiation on Emissivity Measurement of Pipeline Surface

WU Guozhong1，LI Hongjia1，LV Yan2，QI Hanbing1，LI Dong1

(1. Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Information Technology Center, Daqing Petrochemical Company, Daqing 163318, China)

The emissivity is an important physical quantity which affects the heat loss of the pipeline surface and the measurement process is greatly influenced by the environment. The solar radiation is one of the important factors that affect the result of emissivity measurement. Based on the principle of infrared thermal imaging temperature measurement, the relationship between pipeline surface emissivity and radiation energy is given according to the principle of surface radiation transmission. Method for measuring surface emissivity of pipeline is corrected. The influence of solar radiation on the surface emissivity of the pipeline is studied. The results show that the solar radiation has a great influence on the surface emissivity of the pipeline and the measuring deviation is more than 25%.

pipeline surface，emissivity，infrared thermal imager，solar radiation

TN215

A

1001-8891(2016)11-0980-04

2016-04-04；

2016-07-26.

吳國忠（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：輻射測(cè)量技術(shù)。

齊晗兵（1975-）男，教授，現(xiàn)主要從事埋地管道泄漏檢測(cè)及三元廢水處理等方向的研究工作。E-mail：lidonglvyan@126.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51274071）；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目（2015D-5006-0605）。