燃?xì)馊∨鳠彷椛淠軠y試臺研制

0、引言

由于制造業(yè)快速發(fā)展國內(nèi)燃?xì)饩叱隹诘綒W美的數(shù)量迅猛增長，為了促進(jìn)企業(yè)健康發(fā)展，我中心與北美CSA、UL及歐盟KIWA-Gastec、SGS、TVU和IMQ等十多個(gè)檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，為企業(yè)開展CSA和CE認(rèn)證檢驗(yàn)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)出口認(rèn)證檢驗(yàn)本地化，促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品出口得到較大發(fā)展。由于國內(nèi)室外燃?xì)饩甙l(fā)展原來基本是空白，經(jīng)過十多年努力我實(shí)驗(yàn)室根據(jù)出口認(rèn)證國外標(biāo)準(zhǔn)要求，完善了許多檢測設(shè)備，但燃?xì)鉄彷椛湫阅軝z測缺失成為檢測的瓶頸，關(guān)系到此項(xiàng)目的產(chǎn)品要拿到國外檢驗(yàn)，時(shí)間長、費(fèi)用大，因此急需建立滿足北美及歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求的熱輻射性能檢測條件，并為研究向四周空間輻射的各種能量利用奠定基礎(chǔ)，推動我國測試及能源利用水平。

國外的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)對燃?xì)鉄彷椛洚a(chǎn)品有明確的要求，使我國燃?xì)饩弋a(chǎn)品出口到歐美國家受到了極大的限制，我中心研究此測試系統(tǒng)，在于為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，幫助企業(yè)進(jìn)行出口產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，為產(chǎn)品的改進(jìn)和提高提供依據(jù)；同時(shí)在國內(nèi)開展燃?xì)饩邿彷椛涞南嚓P(guān)基礎(chǔ)測試研究工作，掌握輻射燃燒傳熱的測試方法和燃燒器測試技術(shù)，為我國的燃?xì)饩哐邪l(fā)提供測試平臺。

1、系統(tǒng)目標(biāo)

本測試系統(tǒng)的首要目標(biāo)是能夠檢測燃?xì)獠膳b置的熱輻射能力以及輻射范圍，其最為核心的指標(biāo)是燃?xì)獠膳b置在一定時(shí)間范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱輻射總量（radiant flux），也稱為熱輻射功率（radiant power）。

測試系統(tǒng)還可以根據(jù)測量得到：（1）被測裝置在任何方向的輻射強(qiáng)度；（2）通過數(shù)值計(jì)算得到測量點(diǎn)的溫度；（3）得到被測裝置通過熱輻射在一定的外界環(huán)境下形成的溫度場分布。

2、涉及到該檢測項(xiàng)目要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

需要進(jìn)行熱輻射強(qiáng)度項(xiàng)目檢測表1所示

表1 涉及熱輻射檢測的標(biāo)準(zhǔn)

3、主要技術(shù)指標(biāo)為：

·輻射能量測量精度：≤±0.5%；

·測量范圍：0～31.9kW/m2 ；

·靈敏度：22.3kW/m2mv；

·溫度測量范圍：-250℃～280℃；

·溫度測量精度：≤±2%；

·電源：AC220V 50Hz 6.5kW。

4、設(shè)計(jì)思路：

本系統(tǒng)主要的測試對象是燃?xì)馊紵骶撸蚱湫螤睢⒔Y(jié)構(gòu)、尺寸及氣源不同則輻射效果差異很大，首要解決的問題是測試系統(tǒng)的廣泛適用性，即不同情況下均能準(zhǔn)確客觀反映測量實(shí)體的輻射效果，本系統(tǒng)研發(fā)時(shí)要充分考慮不同頻段光譜及易變換的測試陣列，同時(shí)、還要考慮采取數(shù)據(jù)的點(diǎn)成空間開展的網(wǎng)狀，且可空間旋轉(zhuǎn)，即陣列可變等因素。以保證能夠得到燃燒火焰的溫度場的等溫曲線，準(zhǔn)確進(jìn)口積分處理，獲得準(zhǔn)確進(jìn)行的輻射測量值。系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)：

4.1 熱輻射的測量：由于熱輻射是通過波的形式進(jìn)行傳遞的，被測裝置的熱輻射具有一定的波長范圍（可見光到6000納米），跨可見光和紅外區(qū)域；因此測量探頭需要可以接受這些波長范圍的熱輻射，同時(shí)還需要有較高的精確度、靈敏度和穩(wěn)定持久的性能。

4.2 包絡(luò)面的獲得：由于測量是被測裝置在一定時(shí)間內(nèi)的所有熱輻射量。這就意味著需要測量出被測裝置穿過某一包絡(luò)面所有熱輻射量。以往的檢測通常是做一個(gè)網(wǎng)絡(luò)球面來作為包絡(luò)面。但這對于本系統(tǒng)是不合適的，因?yàn)椋?）本系統(tǒng)測量對象幾何尺寸跨度大（從0.7米到2米），無法做一個(gè)合適的網(wǎng)狀球面；（2）網(wǎng)狀球面需要大量的測量探頭，對于本系統(tǒng)可能多達(dá)120個(gè)，這個(gè)成本是巨大的，而且使用也不是很方便。因此需要采用空間變換模型來實(shí)現(xiàn)一個(gè)包絡(luò)面。

4.3 空間變換模型的建立：空間變換模型實(shí)質(zhì)上就是通過有限測量點(diǎn)采用數(shù)學(xué)模型的方法最終還原出實(shí)際的包絡(luò)面。建立空間變換模型需要采用微積分、數(shù)學(xué)變換以及數(shù)值分析計(jì)算等多種數(shù)學(xué)工具，根據(jù)熱輻射的物理特征，通過編寫的軟件來完成。

4.4 自動控制與測量要求的協(xié)同：為了實(shí)現(xiàn)空間變換模型，達(dá)到測量目的，需要通過自動控制手段來達(dá)到。這就需要兩者之間建立良好的協(xié)同關(guān)系。

5、重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及先進(jìn)性

5.1 熱輻射短波、中波和長波全波段能量測試

當(dāng)原子內(nèi)部的電子受激和振動時(shí)，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，發(fā)射電磁波向空間傳播，這就是輻射。如果由于自身溫度或熱運(yùn)動的原因而激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，就稱為熱輻射。電磁波的波長范圍可從幾萬分之一微米到數(shù)千米，它們的名稱和分類圖1：

圖1 電磁波譜圖

通常把λ=0 .1～100μm范圍的電磁波稱為熱射線，其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線，它們投射到物體上能產(chǎn)生熱效應(yīng)。熱輻射的大部分能量位于紅外線區(qū)段的0.76～20μm范圍內(nèi)，其余的能量落在可見光部分和紫外線部分。熱輻射的能量按波長的分布如圖2：

圖2 熱輻射能量分布圖

但是，目前大部分熱輻射能量測試系統(tǒng)對波長的吸收均具有選擇性，因此，無法測定熱輻射全波段的能量，造成測試結(jié)果的偏差。針對這一問題，本熱輻射能效測試系統(tǒng)采用熱電堆型熱阻式熱流計(jì)，它對于熱輻射的波長沒有選擇性，所有通過熱流計(jì)所在位置的熱輻射都將被吸收，因此能測量全波段的熱輻射能量。熱電堆型熱阻式熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 熱電堆型熱阻式熱流計(jì)結(jié)構(gòu)圖

熱電堆型熱阻式熱流計(jì)測量熱輻射流量的原理是：當(dāng)有熱輻射通過熱流計(jì)時(shí)，在熱流計(jì)的熱阻層上產(chǎn)生溫度梯度，根據(jù)付立葉定律就可以得到通過熱流計(jì)的熱流密度。設(shè)熱流矢量方向是與等溫面垂直：

式中：ΔT為兩等溫面的溫差；ΔX為兩等溫面之間的距離。

只要知道熱阻層的厚度ΔX，通過測到的溫差ΔT就可以知道通過的熱流密度。當(dāng)用一對熱電偶測量溫差ΔT時(shí)，這個(gè)溫差是與熱流密度成正比的。溫差的數(shù)值也與熱電偶產(chǎn)生的電動勢的大小成正比例，因此測出溫差熱電勢就可以反映熱流密度的大小：

式中：C為熱流計(jì)比例系數(shù)，單位W/m2?mv；E為熱流計(jì)溫差熱電勢，單位mv

熱流計(jì)比例系數(shù)是熱阻式熱流計(jì)的重要性能參數(shù)，其數(shù)值的大小反映了熱流計(jì)的靈敏度。值越小則越靈敏，有時(shí)把該值的倒數(shù)稱為靈敏度。為了提高熱流計(jì)的靈敏度，需要加大熱流計(jì)的輸出信號，因此就需要將眾多的熱電偶串聯(lián)起來形成熱電堆，這樣測量的熱阻層兩邊的溫度信號是串連的所有熱電偶信號的逐個(gè)疊加，信號大能反映多個(gè)信號的平均特性。

本熱輻射能效測試系統(tǒng)采用的熱電堆型熱阻式熱流計(jì)是法國Captec公司生產(chǎn)的熱流輻射傳感器，共14個(gè)。每個(gè)傳感器如圖4所示，尺寸為30mm×30mm。

圖4 Captec公司的標(biāo)準(zhǔn)熱流輻射傳感器

熱流輻射傳感器性能先進(jìn)，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備技術(shù)指標(biāo)，它們的對比如表2：

表2 選用的熱流傳感器與標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備指標(biāo)比較

由上可見，本熱輻射能效測試系統(tǒng)采用的熱流輻射傳感器可以滿足產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)備技術(shù)指標(biāo)對系統(tǒng)提出的技術(shù)要求。

5.2 測試包絡(luò)面的獲得

由于是測量被測裝置在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)出的所有熱輻射量，這就意味著需要測量出被測裝置穿過某一包絡(luò)面的所有熱輻射量。以往的檢測通常是做一個(gè)網(wǎng)絡(luò)球面來作為包絡(luò)面。但這對于本系統(tǒng)是不合適的，首先是本系統(tǒng)測量對象幾何尺寸跨度大（從0.7米到2米），無法做一個(gè)合適的網(wǎng)狀球面，因此需要采用空間變換模型來實(shí)現(xiàn)一個(gè)包絡(luò)面。

本熱輻射能效測試系統(tǒng)建立了一個(gè)空間變換模型，通過有限的測量點(diǎn)，最終還原出實(shí)際的包絡(luò)面。測試系統(tǒng)的空間變換模型建立過程如下：

測試系統(tǒng)的14個(gè)熱輻射傳感器如圖5所示，布置在一個(gè)測試環(huán)上。若使用地球的經(jīng)線和緯線的坐標(biāo)概念，則相當(dāng)于14個(gè)傳感器布置在同一條經(jīng)線上，每個(gè)傳感器在緯度上相差10°。

圖5 熱電堆傳感器在測試環(huán)上安裝位置的示意圖

測試環(huán)不動，紅外輻射器具在轉(zhuǎn)盤的帶動下自轉(zhuǎn)一周，相當(dāng)于紅外輻射器具不動，測試環(huán)繞紅外輻射器具轉(zhuǎn)動一周。轉(zhuǎn)盤每次轉(zhuǎn)動10°，相當(dāng)于測試環(huán)每次轉(zhuǎn)動10°。由此，圍繞紅外輻射器具就形成了一個(gè)網(wǎng)狀包絡(luò)面，如圖6所示。設(shè)定測試的初始位置為經(jīng)度0°，1號傳感器的緯度為0°，2號傳感器的緯度為10°，……，如此類推，14號傳感器的緯度為130°。

圖6 輻射測試儀形成的網(wǎng)狀包絡(luò)面空間示意圖（圖中球狀物是熱輻射傳感器）

在圖6所示的測試系統(tǒng)形成的網(wǎng)狀包絡(luò)面里，每條經(jīng)線與緯線的交點(diǎn)，就相當(dāng)于一個(gè)熱輻射傳感器。在整個(gè)網(wǎng)狀包絡(luò)面上，相當(dāng)于共有504個(gè)熱輻射傳感器。經(jīng)線與緯線相交，還在網(wǎng)狀包絡(luò)面上劃分了多個(gè)網(wǎng)格。相鄰兩根經(jīng)線劃分成的曲面，由通過曲面的緯線劃分成了13個(gè)網(wǎng)格曲面，我們編號為網(wǎng)格S1、網(wǎng)格S2、……、網(wǎng)格S13。傳感器到網(wǎng)狀包絡(luò)面圓心的距離是1.5米，因此，可以計(jì)算出13個(gè)網(wǎng)格曲面的面積如表3：

S1 S3 S5 S7 S9S11 S130.0060 0.0289 0.0484 0.0620 0.0682 0.0661 0.0561

設(shè)在0°經(jīng)線上，1號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（1,0），2號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（2,0），……，14號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（14,0）；在10°經(jīng)線上，1號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（1,1），2號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（2,1），……，14號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是 q（14,1）；……，如此類推，在第350°經(jīng)線上，i號傳感器測出的熱輻射強(qiáng)度是q（i,35）。

在我們這個(gè)數(shù)學(xué)模型中，由于熱輻射傳感器足夠多，因此我們認(rèn)為每個(gè)網(wǎng)格曲面中的熱輻射強(qiáng)度都是接近均勻的。同時(shí)，設(shè)定每個(gè)網(wǎng)格上的平均熱輻射強(qiáng)度等于網(wǎng)格上相鄰兩個(gè)傳感器測得的熱輻射強(qiáng)度值的平均值。因此，單個(gè)網(wǎng)格上的熱輻射能量值是：

則網(wǎng)絡(luò)包絡(luò)面上熱輻射的總的能量值是：

在式（4）和（5）中，i是網(wǎng)格編號，m是經(jīng)度值除以10。通過公式（5），可以計(jì)算出通過測試包絡(luò)面的熱輻射能量值。

5.3 測試自動化的實(shí)現(xiàn)

本熱輻射能效自動測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測試過程的自動化。通過自主編寫的系統(tǒng)軟件，結(jié)合系統(tǒng)中的控制電路和步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)被測樣品自動達(dá)到測試位置，并可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對測試樣品位置的微調(diào)。對測試樣品的調(diào)節(jié)在軟件中可以通過圖7中紅圈內(nèi)的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。

測試樣品的承載平臺如圖8所示。移動箱可以在軟件的控制下前后移動，托盤可以在軟件控制下最高升高500mm，并可以作360°旋轉(zhuǎn)。

圖7 測試系統(tǒng)軟件示意圖

圖8 測試樣品的承載平臺

測試過程中熱輻射傳感器測出的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動采集、計(jì)算，顯示結(jié)果，并根據(jù)需要存儲測試數(shù)據(jù)和打印測試報(bào)告。測試完成后系統(tǒng)顯示的測試結(jié)果如圖9所示，實(shí)現(xiàn)了測試的自動化。

5.4 先進(jìn)性

本項(xiàng)目中的熱輻射能效測試系統(tǒng)為國內(nèi)首創(chuàng)，目前國內(nèi)尚未有同類檢測設(shè)備；國外有同類的熱輻射測試設(shè)備，但未有用少數(shù)傳感器還原測試包絡(luò)面的方法，因此，本設(shè)備填補(bǔ)了國內(nèi)燃?xì)饩邿彷椛錅y試的空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。圖10為我們研制的燃?xì)獠膳癄t熱輻射能檢測臺。

圖9 測試完成后的結(jié)果顯示

圖10 燃?xì)獠膳癄t熱輻射能檢測臺