红外热像仪测定红外线燃气具板面发射率的探讨

2015-10-17张全胜陈水辉刘艳春

陶瓷 2015年7期

张全胜陈水辉刘艳春,3

(1 广州市红日燃具有限公司广州 510430)(2 广州锐得森特种陶瓷科技有限公司广州 510460) (3 华南理工大学广州 510640)

前言

红外线燃气具以其高效节能、清洁环保的特色，成为节能环保产品领域的一个热点，已经得到了越来越多消费者的高度肯定。随着人们对节能环保产品的认知水平的日益提高，该类产品会成为消费者优先选择的标杆产品之一。红外线燃气具，顾名思义，是发射红外线进行传热的燃气具。其传热方式是辐射传热，而传统的大气式燃气具的传热方式是对流传热和辐射传热并存，单从传热方式来说，在高温时辐射传热的速度要高于对流传热。燃气具的辐射效率是制约燃具热效率的重要因素之一，制备高发射率的燃烧板面是提升热效率的核心技术之一。测定燃烧板面的发射率通常也是研究高发射率燃烧板面最直观的方法之一。

红外热成像测温技术是一种直观、准确、灵敏度高、快速、应用范围广泛的测定物体表面温度场分布的非接触测量技术[1]。事实上，由于实际进入热像仪的热辐射不仅有目标的自身热辐射，还有反射环境的热辐射和大气辐射等，而且，使用红外热成像仪测定被测物体表面温度一般是需要预先知道并输入被测物体的表面发射率，然而，发射率是波长、温度、物体材料与辐射体表面条件、结构等的函数，想要获得可靠的数据往往也是非常困难的。本文所述的红外线燃气具的燃烧板面是采用不同结构的陶瓷材料为机体，表面涂覆不同的红外发射涂料制作而成。鉴于红外成像测温系统的测量精度依赖多种因素，笔者提出使用标准曲线法求解特定使用条件下的燃烧器板面发射率，为红外线燃气具燃烧板面面发射率、板面温度的测定提供了一种简便直观的方法。

1 实验部分

1.1 陶瓷纤维催化取暖器燃烧板面面发射率的测定

所用的取暖器(RSC-B01型)的催化板面是分别采用高硅氧纤维和氧化铝纤维两种材料为载体制成的，催化板面前端均使用同样规格的不锈钢板冲网做防护。测定温度前需分别从冷态开始预热取暖器20 min以上，使其处于稳定的状态。在取暖器处于稳定状态下，使用NEC G120EXD红外热像仪(分别预设发射率为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)拍摄取暖器发热板面红外图像，使用设备专用的分析软件InfReC Analyzer分析采样位置的平均温度；同时，使用已检定合格的高灵敏度接触式表面温度计测定实际温度(在红外热像仪取样对应的部位，均匀取样20点测定板面温度取均值)。

1.2 红外线灶具的燃烧器表面发射率的测定

所用的灶具(818C-Y型)的燃烧板面分别使用圆孔白片、圆孔黑片、方孔白片、方孔黑片4种不同蜂窝陶瓷板制成，测试时板面上端无任何遮盖物。测定温度前需分别从冷态预热灶具5 min以上，使其处于稳定的状态。在稳定的状态下，使用NEC G120EXD红外热像仪(分别预设发射率为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0)拍摄燃烧器发热板面红外图像，使用设备专用的分析软件InfReC Analyzer分析采样位置的平均温度；同时，使用已检定合格的高灵敏度接触式表面温度计测定实际温度(在红外热像仪取样对应的部位，均匀取样20点测定板面温度取均值)。

2 结果与讨论

2.1 陶瓷纤维催化取暖器燃烧板面发射率的测定

2.1.1 高硅氧纤维载体催化板面发射率测定

图1 不同预设发射率对高硅氧纤维催化板面红外图像的影响

对照图1左边7幅不同发射率拍摄的图像与温度标尺可见，使用红外热像仪测定板面温度时，预设不同的发射率对温度示值有着非常显著的影响。利用热像仪专用分析软件InfReC Analyzer分别统计采样部位(图像的矩形区域)的平均温度如表1所示。利用表1制作板面温度-预设发射率(简写为T-ε，下同)标准曲线，同时结合接触式温度计测定的平均温度，使用内插法反向推算出板面材料在测试条件下的合成发射率为0.96(如图2所示)。

表1 不同预设发射率对板面平均温度的影响

图2 高硅氧载体催化板面T-ε标准曲线

2.1.2 氧化铝纤维载体催化板面发射率测定

对照图3左边7幅不同发射率拍摄的图像与温度标尺可见，使用红外热像仪测定板面温度时，预设不同的发射率对温度示值同样有着非常显著的影响。利用热像仪专用分析软件InfReC Analyzer分别统计采样部位(图像的矩形区域)的平均温度如表2所示。利用表2制作板面温度-预设发射率(简写为T-ε，下同)标准曲线，同时结合接触式温度计测定的平均温度，使用内插法反向推算出板面材料在测试条件下的合成发射率为0.87(如图4所示)。

图3 不同预设发射率对氧化铝纤维催化板面红外图像的影响

表2 不同预设发射率对板面平均温度的影响

图4 氧化铝载体催化板面T-ε标准曲线

事实上，以上催化板面使用的是同样的催化活性组分，但采用了不同的助催化剂和载体，在同样的燃气流量下，板面平均温度相差达50 ℃，且发射率高者表面温度较低。其实红外线燃气具使用的燃烧板面的发射率越高，其热效率就越高，这一点早已经为人们所熟知。因此选择合适的催化材料对催化取暖器的热效率的提升也尤为重要。

2.2 红外线燃气灶具燃烧板面面发射率的测定

相似地，将各种面板所测量得到的数据(见表3，表面温度计测定温度记为Tt)绘制成标准曲线如图5所示。利用Tt值在对应的曲线上求得圆孔黑片、圆孔白片、方孔黑片和方孔白片4种不同的燃烧板面对应的发射率分别为εcb=0.93，εcw=0.82，εrb=0.99，εrw=0.86。

2.3 物体发射率测定方法比较

1988年，J R Barry等[2]给出了3种测量物体发射率的经典方法，它们分别为双参考体法、双温度法和双背景法。以下3个公式中n取值主要和热像仪的工作波段有关，我们按最常用的(8～14)μm波段，其取值为4。

2.3.1 双参考体法

首先，双参考体法是用一个黑体和一个高发射率的漫反射板作为参考体，让被测试件保持与黑体温度相同，漫反射板温度则等于背景温度，分别用热像仪测量试件、黑体和漫反射板的温度，并使用式(1)计算得到被测试件的发射率。

表3 不同预设发射率对板面平均温度的影响

Tcb-圆孔黑片板面温度 Tcw-圆孔白片板面温度 Trb-方孔黑片板面温度 Trw-方孔白片板面温度

(1)

式中:εs——试件表面待测的发射率;

Tr、T0和Tu为热像仪测量的试件、黑体和背景的辐射温度,℃。

2.3.2 双温度法

该法仅需一个已知发射率的参考体。被测试件与参考体保持相同的温度，在两个不同的温度T1和T2时，同时用热像仪测量它们的辐射温度。假设为T1时，试件与参考体分别对应的辐射温度为Ts1和Tr1时；为T2时，它们分别对应的辐射温度为Ts2和Tr2，εr参考体的发射率，则试件发射率εs可表示为式(2)：

(2)

2.3.3 双背景法

当不能改变被测物体的温度时，可采用双背景法。这种方法是在两种不同的背景温度TBG1和TBG2下进行，试件和参考体在两次测量中保持温度不变。Ts1、Tr1和Ts2、Tr2分别为第一种和第二种背景条件用热像仪测得的试件和参考体表面的辐射温度，εr参考体的发射率，则试件发射率εs可表示为式(3):

(3)

理论上说，上述3种方法在测量过程中，有效地消除了因测量背景和目标真实温度产生的误差而影响发射率的测量误差。三种方法测量出给定的一种材料的发射率误差小于±0.02[2]。然而，3种方法均需保持两个物体的温度一致。对于红外线燃气具等实际应用的产品来说，很难找到该试验条件下理想的参考体，也很难保证两个物件的温度一致；另外使用参考体制成的涂料涂覆在陶瓷材料板面，会影响催化燃烧性能。对于本文第一个试验——催化取暖器来说，使用不合适的参考体材料可能导致板面根本无法起燃，更不要说测试或设法维持同样的温度。另一方面，如果不是放在燃气燃烧场合，而选用静态的恒温环境进行测定，显然是不符合实际的，这是因为物体的发射率不仅跟材质有关，还跟结构、使用状态、温度分布等相关。

使用接触法测定板面温度时显然也会影响到测量部位的燃烧状态从而导致测量温度与实际温度不一致。通过选用高灵敏度、小接触面积的热电偶可以减少接触时间和接触面积，最大限度减少对燃烧状态温度场的破坏，所测定的温度更符合实际温度。另外，使用表面温度计测量温度时，每次只能测量一个点，测量点的选择范围与数量，不仅影响平均温度，还影响到与热像仪测温区域的对应性。相对而言，使用该法测试红外线燃具的板面发射率的条件更易实现。