CN109163810A - 高温转子辐射测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温转子辐射测温装置及方法，所述测温装置包括密闭的设备舱和加热炉，还包括：中波热像仪、遮蔽器和传动机构，加热炉设置在设备舱内，转子设置在加热炉内，加热炉的炉壁上设置通孔，使遮蔽器可以在传动机构的带动下进出加热炉；遮蔽器为内空腔结构，遮蔽器在加热炉内处于转子的第一级转子端面和所述炉壁之间，并与第一级转子端面和炉壁之间存在间隙；中波热像仪固定在设备舱内，中波热像仪的探测器探头对正于遮蔽器的内空腔；中波热像仪的探测器与成像镜头之间安装波段选择滤光片。本发明在双波段测温的基础上，可实现发动机转子性能测试过程中的温度场精确测量。

Description

高温转子辐射测温装置及方法

技术领域

本发明涉及非接触温度测量技术领域，尤其涉及一种高温转子辐射测温装置及方法。

背景技术

发动机转子性能测试中，需要获得高温环境下的转子温度，为转子热疲劳试验评估提供可靠数据支撑。

目前，有接触式和非接触式两种测温方法。对于高温环境下高速旋转的发动机转子，其恶劣的工作环境限制了接触式测温传感器的使用。而辐射非接触式测温，由于具有响应快、寿命长、非接触等优点，很好地弥补了接触式测温的缺陷。

现有的非接触式测温是利用某一选定波段的红外探测设备，对目标表面的红外辐射特性进行数据采集，然后对所述红外探测设备进行辐射定标，获得目标的定量辐射数据，再结合目标的发射率数值及大气传输修正参数等进行反演，得到目标的真实温度。这种方法只有在准确测量得到目标的发射率数值后，才能进行精确反演得到温度数据。然而，在实际工程应用中，高温环境下目标的发射率不太容易准确获取。首先，高温发射率测试设备笨重，测试流程复杂，并且测试只能在实验室进行；其次，实验室的测试结果在很多情况下很难表征材料在现场的真实情况；尤其对于发动机高温转子的性能测试，由于转子在加热炉内表面会受到油污污染、氧化以及粉尘污染等作用，转子表面的红外发射率会发生显著变化，此时，转子表面发射率相当于一个未知量，无法利用上面的反演方法得到转子的真实温度。

同时，采用现有非接触式测温设备对转子进行测温时，还会由于发动机转子所在的反射/散射高温炉内的环境辐射对测量结果造成影响，产生很大的误差。这种情况下，测温设备接收到的能量是转子本身和散射环境辐射耦合在一起的结果，而只有获得转子自身辐射才是反演真实温度有用的物理量。因此，现有的辐射测温方法，需要有效去除周围环境的辐射，才能反演出准确的温度数据。而这个过程很难准确的实现。

因此，针对以上不足，需要采用一种新的测温思路来获得转子表面真实温度，从而有效规避目标光谱发射率不能准确获得带来的影响，实现转子温度的精确测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有高温转子辐射测温中，由于无法准确获得转子表面发射率，并且测量的辐射能量也受到环境辐射影响，从而无法获得转子真实温度的缺陷，提供一种高温转子辐射测温装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温转子辐射测温装置，包括密闭的设备舱和加热炉，还包括：中波热像仪、遮蔽器和传动机构，

加热炉设置在设备舱内，转子设置在加热炉内，加热炉的炉壁上设置通孔，使遮蔽器可以在传动机构的带动下进出加热炉；遮蔽器为内空腔结构，遮蔽器在加热炉内处于转子的第一级转子端面和所述炉壁之间，并与第一级转子端面和炉壁之间存在间隙；中波热像仪固定在设备舱内，中波热像仪的探测器探头对正于遮蔽器的内空腔；中波热像仪的探测器与成像镜头之间安装波段选择滤光片。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述中波热像仪设置在低温防护舱内，低温防护舱对应于所述探测器探头的位置设置探测孔。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述低温防护舱具有水冷夹层，水冷夹层通过水冷管道连接循环制冷水箱。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述中波热像仪为制冷型中波热像仪。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述中波热像仪通过支架固定在设备舱的轨道上。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述遮蔽器具有附加夹层，附加夹层通过附加水冷管道连接循环制冷水箱。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述装置还包括数据处理单元，用于对中波热像仪获取的辐射能量数据进行处理，获得转子温度。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温装置中，所述装置还包括控制单元，用于对传动机构进行传动控制，使遮蔽器周期性的进出加热炉；并且用于对应控制中波热像仪的数据采集频率。

本发明还提供了一种基于所述高温转子辐射测温装置的高温转子辐射测温方法，包括：

设定遮蔽器的运动周期，通过所述控制单元控制传动机构，使遮蔽器按照所述运动周期进出加热炉；

选定波段选择滤光片的一次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

再选定波段选择滤光片的二次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的最长波长与最短波长差值范围相同；所述一次选择窄波段的最长波长与最短波长差值至多为0.5μm；所述一次选择窄波段的最长波长与二次选择窄波段的最短波长的差值范围在0.3μm-1.5μm之间；

采用数据处理单元对中波热像仪采集的数据进行处理，由分别对应于一次选择窄波段和二次选择窄波段获取的转子辐射能量计算获得辐射能量比，再进一步计算获得转子温度。

在根据本发明所述的高温转子辐射测温方法中，

所述数据处理单元对中波热像仪采集的数据进行处理的具体方法为：

数据处理单元对采集的数据进行处理，获得对应于一次选择窄波段的转子辐射能量为对应于二次选择窄波段的辐射能量为

则二者的辐射能量比R为：

设定一次选择窄波段λ₁对应于波长范围(a，b)，二次选择窄波段λ₂对应于波长范围(c，d)，则有：

式中ε₁表示转子一次表面光谱发射率，ε₂表示转子二次表面光谱发射率，T表示转子温度，c₁表示第一辐射常数，c₂表示第一辐射常数；a为一次选择窄波段的下限波长值，b为一次选择窄波段的上限波长值；c为二次选择窄波段的下限波长值，d为二次选择窄波段的上限波长值；

在选定的一次选择窄波段和二次选择窄波段情况下，设定转子一次表面光谱发射率ε₁与转子二次表面光谱发射率ε₂相同，则辐射能量比R变形为：

采用辐射能量比R的公式进行计算，获得转子温度T。

实施本发明的高温转子辐射测温装置及方法，具有以下有益效果：本发明为了解决目标表面光谱发射率不易准确获得的问题，在中波热像仪上采用了波段选择滤光片，测温过程中，可分别选定两个波段后获取相应的辐射能量，根据两次测得的辐射能量比值进行计算，即可推导获得一级转子端面的真实温度；本发明以双波段测温的方式有效规避了转子表面光谱发射率带来的影响。同时本发明在辐射能量的测量过程中，为了防止环境辐射与转子本身辐射相耦合带来的附加影响，设置了遮蔽器来遮挡周围环境，使中波热像仪在获取数据的过程中，受到的环境温度影响小，从而进一步减小测量误差。本发明根据双波段测温原理和高温电机转子的红外辐射特性，对两次测量时的波段进行合理选择，可以大大减小转子表面光谱发射率变化给温度测量结果带来的误差，从而提高温度测量精度。

附图说明

图1为根据本发明的高温转子辐射测温装置的示例性示意图；

图2为中波热像仪设置在低温防护舱内，低温防护舱通过支架与轨道连接的示例性示意图；

图3为低温防护舱与水冷管道连接的示例性示意图；

图4为根据本发明的高温转子辐射测温方法的控制过程示例性示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明的第一方面，提供了一种高温转子辐射测温装置，结合图1所示，包括密闭的设备舱1和加热炉2，还包括：中波热像仪4、遮蔽器5和传动机构6，

加热炉2设置在设备舱1内，转子3设置在加热炉2内，加热炉2的炉壁上设置通孔，使遮蔽器5可以在传动机构6的带动下进出加热炉2；遮蔽器5为内空腔结构，遮蔽器5在加热炉2内处于转子3的第一级转子端面和所述炉壁之间，并与第一级转子端面和炉壁之间存在间隙；中波热像仪4固定在设备舱1内，中波热像仪4的探测器探头对正于遮蔽器5的内空腔；中波热像仪4的探测器与成像镜头之间安装波段选择滤光片。

本实施方式所述装置用于采集加热炉2内第一级转子端面的温度，由于温度数据不能直接获得，因此通过中波热像仪4采集第一级转子端面的辐射能量后，再计算获得转子表面温度。加热炉2内部设置有电热丝2-1，通过电热丝2-1对转子3进行高温加热。

所述传动机构6可以是任何能带动遮蔽器5往复运动的驱动结构，例如可以采用电机实现往复驱动。

所述波段选择滤光片是本公开中能获得双波段数据的关键组件，可通过旋转滤光片轮的方式变换滤光片来实现波段的选择。对滤光片波段的选择，需要结合转子的实际温度范围及其辐射峰值波段进行合理选择，例如：当转子的工作温度为600℃-800℃时，其特性为辐射峰值在中波3μm-5μm波段范围内，因此选择滤光片的波段时，优先考虑在中波3μm-5μm的范围内选取，可以得到更高的信噪比；在此波段内，再按照一次选择窄波段和二次选择窄波段的选取原则进行选择即可。

所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的选取原则为：所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的最长波长与最短波长差值范围相同；所述一次选择窄波段的最长波长与最短波长差值至多为0.5μm；所述一次选择窄波段的最长波长与二次选择窄波段的最短波长的差值范围在0.3μm-1.5μm之间。

由于设备舱1为高温环境，为了保证中波热像仪4的计量准确，可以在设备舱1内设置黑体，在每次使用前，对中波热像仪4进行校准。

遮蔽器5作为环境辐射控制件，在进入加热炉2后要对周围环境的辐射进行有效遮挡，在不影响其他机构运转的前提下，要尽量接近转子端面，但不能与转子端面有接触，以免受到转子端面高温的影响。

进一步结合图2所示，由于中波热像仪4工作的设备舱1内处于温度100℃，低压100Pa的情况，为了保证热像仪能够正常工作，需要对中波热像仪4进行特殊防护，例如，可以将所述中波热像仪4设置在低温防护舱8内，低温防护舱8对应于所述探测器探头的位置设置探测孔。采用低温防护舱8为中波热像仪4提供一个可靠的工作环境，能提高测试结果的准确度。

再进一步，结合图3所示，实现低温防护舱8内低温环境的具体方法可以是：

在所述低温防护舱侧壁上设置水冷夹层，再将水冷夹层通过水冷管道11连接循环制冷水箱。循环制冷水箱可以处于设备舱1外部，为水冷夹层提供制冷水源。

与采用低温防护舱8方式相并列，还可以选择中波热像仪4为制冷型中波热像仪，然后利用其自身的制冷功能来保证在高温环境下的稳定工作。

作为示例，结合图2所示，所述中波热像仪4可以通过支架9固定在设备舱1的轨道10上。中波热像仪4在设备舱1内为固定位置安放，其探测器探头需要通过遮蔽器5内腔隔离出的无干扰环境来采集转子端面数据，其固定方式及位置只要能够满足与遮蔽器5的位置恰好对应即可。

作为示例，结合图3所示，为避免向加热炉2内引入新的辐射干扰，遮蔽器5需要保持相对较低的温度进入。可以对遮蔽器5采用水冷设计，例如，在遮蔽器5的侧壁上设置附加夹层，附加夹层通过附加水冷管道连接循环制冷水箱，从而与外界的循环制冷水箱形成一个循环冷却通道。遮蔽器5可以与低温防护舱8采用相同的制冷原理，例如，二者可以分别通过管路与外界的循环制冷水箱连接，实现同步制冷。遮蔽器5的水冷设计也可以是在内部加工水槽，使水槽通过软管与循环制冷水箱连接。

作为示例，遮蔽器5可以采用铜合金制成。

作为示例，结合图4所示，由于本公开中的辐射测温装置的直接测量数据为转子端面的辐射能量，这并不是最终要获得的温度数据，因此需要对数据进行后续处理，以获得转子温度。例如可以采用数据处理单元，用于对中波热像仪4获取的辐射能量数据进行处理，获得转子温度。所述数据处理单元可以嵌入在计算机内，如图1所示，数据处理单元通过数据传输线接收中波热像仪4输出的数据，然后进行处理。数据传输线及设备舱1内的各部件电源线都可以通过设备舱1舱壁上设置的法兰7实现过境由设备舱1内向外穿过。

作为示例，结合图4所示，所述装置还包括控制单元，用于对传动机构6进行传动控制，使遮蔽器5周期性的进出加热炉2；并且用于对应控制中波热像仪4的数据采集频率。

数据处理单元对数据的处理过程如下：

首先，结合普朗克公式，可以算出目标在温度为T，波长为λ时的辐射能量M_λ：

式中ε是目标表面光谱发射率，c₁是第一辐射常数，c₂是第二辐射常数；

如果选取两个不同波长，两波长对应的辐射能量比值数学表达式为：

在实际情况下，由于光谱连续性，即使选用滤光片也无法得到单一波长的红外光，因此选用窄波段滤光片，使尽可能窄的波段内的辐射能量到达中波热像仪4。采用能量积分理论，计算窄波段(a，b)，(c，d)内总体辐射能量，此时能量比数学表达式为：

在本发明中，由于选取的两波段(a，b)，(c，d)非常靠近，可以认为两个窄波段差值Δλ内的平均表面光谱发射率几乎相同，大气衰减基本相同，不会影响辐射能量比值，即此时可以认为ε₁(λ₁，T)＝ε₂(λ₂，T)，进而得到能量比表达式如下：

由辐射能量比R与转子温度T的函数关系，利用上式推导即可获得转子温度T。

采用本公开所述的测温装置对转子端面相应位置进行数据测试后，经过数据处理和温度反演，能够获取第一级转子端面的径向温度分布，可为发动机转子热疲劳试验过程提供可靠的温度数据支撑。

具体实施方式二、结合图4所示，本发明的另一方面还提供了一种基于所述高温转子辐射测温装置的高温转子辐射测温方法，包括：

设定遮蔽器5的运动周期，通过所述控制单元控制传动机构6，使遮蔽器5按照所述运动周期进出加热炉2；

选定波段选择滤光片的一次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪4对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

再选定波段选择滤光片的二次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪4对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的选取原则为：所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的最长波长与最短波长差值范围相同；所述一次选择窄波段的最长波长与最短波长差值至多为0.5μm；所述一次选择窄波段的最长波长与二次选择窄波段的最短波长的差值范围在0.3μm-1.5μm之间；

举例说明：假设转子的工作温度为600℃-800℃时，其特性为辐射峰值在中波3μm-5μm波段范围内，则一次选择窄波段可以选择为3-3.5μm，二次选择窄波段可以选择为4-4.5μm，一次选择窄波段的最长波长与二次选择窄波段的最短波长差值为0.5μm。

采用数据处理单元对中波热像仪4采集的数据进行处理，由分别对应于一次选择窄波段和二次选择窄波段获取的转子辐射能量计算获得辐射能量比，再进一步计算获得转子温度。

本实施方式在实际使用过程中，由于光谱连续性，即使选用滤光片也无法得到单一波长的红外光，因此选用窄波段滤光片。为了后续的计算要求，一次选择窄波段和二次选择窄波段的波长范围要比较靠近，才能保证不会影响计算过程的准确性。

所述遮蔽器5周期性的进出加热炉2，实现了对设备舱1内环境辐射的间隔式遮挡，并实现了对转子辐射信号的调制，即遮蔽器5进入加热炉2时，中波热像仪4获得有效的测试信号，遮蔽器5移出加热炉2时，中波热像仪4获得的信号包含了环境辐射信号，进行数据处理时可根据运动周期进行筛选。

本实施方式需要至少两次测试结果，一次选择窄波段对应的中波热像仪4采集数据和二次选择窄波段对应的中波热像仪4采集数据，才能进行计算，最终获得转子温度。

再进一步，作为示例，所述数据处理单元对中波热像仪4采集的数据进行处理的具体方法为：

数据处理单元对采集的数据进行处理，获得对应于一次选择窄波段的转子辐射能量为对应于二次选择窄波段的辐射能量为

则二者的辐射能量比R为：

设定一次选择窄波段λ₁对应于波长范围(a，b)，二次选择窄波段λ₂对应于波长范围(c，d)，则有：

式中ε₁表示转子一次表面光谱发射率，ε₂表示转子二次表面光谱发射率，T表示转子温度，c₁表示第一辐射常数，c₂表示第一辐射常数；a为一次选择窄波段的下限波长值，b为一次选择窄波段的上限波长值；c为二次选择窄波段的下限波长值，d为二次选择窄波段的上限波长值；

在选定的一次选择窄波段和二次选择窄波段情况下，由于选取的两个波段靠的非常近，窄波段Δλ内的平均表面光谱发射率几乎相同，大气衰减基本相同，不会影响比值，可以认为此时转子一次表面光谱发射率ε₁与转子二次表面光谱发射率ε₂相同，则辐射能量比R变形为：

由中波热像仪4采集的辐射能量数据获得辐射能量比R，再采用上式进行计算，获得转子温度T。

综上所述，本发明在双波段测温的基础上，解决了传统辐射测温中环境辐射散射影响测温精度的问题，可实现发动机转子性能测试过程中的温度场精确测量，为热疲劳试验评估提供可靠温度数据支撑。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高温转子辐射测温装置，包括密闭的设备舱(1)和加热炉(2)，其特征在于还包括：中波热像仪(4)、遮蔽器(5)和传动机构(6)，

加热炉(2)设置在设备舱(1)内，转子(3)设置在加热炉(2)内，加热炉(2)的炉壁上设置通孔，使遮蔽器(5)可以在传动机构(6)的带动下进出加热炉(2)；遮蔽器(5)为内空腔结构，遮蔽器(5)在加热炉(2)内处于转子(3)的第一级转子端面和所述炉壁之间，并与第一级转子端面和炉壁之间存在间隙；中波热像仪(4)固定在设备舱(1)内，中波热像仪(4)的探测器探头对正于遮蔽器(5)的内空腔；中波热像仪(4)的探测器与成像镜头之间安装波段选择滤光片。

2.根据权利要求1所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：

所述中波热像仪(4)设置在低温防护舱(8)内，低温防护舱(8)对应于所述探测器探头的位置设置探测孔。

3.根据权利要求2所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：所述低温防护舱具有水冷夹层，水冷夹层通过水冷管道(11)连接循环制冷水箱。

4.根据权利要求1所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：

所述中波热像仪(4)为制冷型中波热像仪。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：所述中波热像仪(4)通过支架(9)固定在设备舱(1)的轨道(10)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：所述遮蔽器(5)具有附加夹层，附加夹层通过附加水冷管道连接循环制冷水箱。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：所述装置还包括数据处理单元，用于对中波热像仪(4)获取的辐射能量数据进行处理，获得转子温度。

8.根据权利要求7所述的高温转子辐射测温装置，其特征在于：所述装置还包括控制单元，用于对传动机构(6)进行传动控制，使遮蔽器(5)周期性的进出加热炉(2)；并且用于对应控制中波热像仪(4)的数据采集频率。

9.一种基于权利要8所述高温转子辐射测温装置的高温转子辐射测温方法，其特征在于包括：

设定遮蔽器(5)的运动周期，通过所述控制单元控制传动机构(6)，使遮蔽器(5)按照所述运动周期进出加热炉(2)；

选定波段选择滤光片的一次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪(4)对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

再选定波段选择滤光片的二次选择窄波段，通过所述控制单元控制中波热像仪(4)对应于所述运动周期对高速旋转的转子端面进行数据采集；

所述一次选择窄波段和二次选择窄波段的最长波长与最短波长差值范围相同；所述一次选择窄波段的最长波长与最短波长差值至多为0.5μm；所述一次选择窄波段的最长波长与二次选择窄波段的最短波长的差值范围在0.3μm-1.5μm之间；

采用数据处理单元对中波热像仪(4)采集的数据进行处理，由分别对应于一次选择窄波段和二次选择窄波段获取的转子辐射能量计算获得辐射能量比，再进一步计算获得转子温度。

10.根据权利要9所述的高温转子辐射测温方法，其特征在于：

所述数据处理单元对中波热像仪(4)采集的数据进行处理的具体方法为：

数据处理单元对采集的数据进行处理，获得对应于一次选择窄波段的转子辐射能量为对应于二次选择窄波段的辐射能量为

则二者的辐射能量比R为：

设定一次选择窄波段λ₁对应于波长范围(a，b)，二次选择窄波段λ₂对应于波长范围(c，d)，则有：

式中ε₁表示转子一次表面光谱发射率，ε₂表示转子二次表面光谱发射率，T表示转子温度，c₁表示第一辐射常数，c₂表示第一辐射常数；a为一次选择窄波段的下限波长值，b为一次选择窄波段的上限波长值；c为二次选择窄波段的下限波长值，d为二次选择窄波段的上限波长值；

在选定的一次选择窄波段和二次选择窄波段情况下，设定转子一次表面光谱发射率ε₁与转子二次表面光谱发射率ε₂相同，则辐射能量比R变形为：

采用辐射能量比R的公式进行计算，获得转子温度T。