李疏芬

辛綜述《工韭加熱》第３６卷２００７年第１糍

非接觸紅外測溫在火焰加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用及局限性

楊浩林１一，趙黛青２，楊衛(wèi)斌２

（１．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系，安徽合肥２３００２７；２。中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州５１０６４０）

摘要：綜述了非接觸紅外測溫法的基本原理，重點(diǎn)介紹了利用紅外光進(jìn)行火焰溫度測量的幾種方法的基本原理及其在一些火焰溫度

場測楚孛的波用，并指出了各種測濕方法的局限性。娥后還鼴望了ｊ＃接觸紅於測瀑將來的研究方向。

關(guān)鍵詞：非接觸；紅外；紅外測溫；火焰

孛圖分類號：ＴＮ２１９文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００２一１６３９（２００７）０１—０００５－０５

Ｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ；ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｉｎｆｒａｒｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｆｌａｍｅ

火焰溫度是燃燒過程中最重要的熱力學(xué)參數(shù)之一，它

不僅關(guān)系到燃燒的效率和穩(wěn)定性，還關(guān)系到污染物（ｃｏｘ，

ＮＯｘ，ＳＯｘ等）的生成秘?cái)偡牛瑢鹧鏈囟鹊臏y鱉有助于

改善燃燒性能，提高燃燒效率并了解化學(xué)反應(yīng)過程ｍ２［。

收稿日期：２００６·１０—１０；修圓日期：２００６—１０－２５

律者麓奔：楊浩棟（ｔ９７６．），勇，蠢囂平遙久，中莓秘學(xué)技術(shù)大

學(xué)博士研究生，在中國科學(xué)院廣州能源研究所作研究課

題，主要從事贏效抵污染富氧燃燒基秘及應(yīng)趲爨寵。

由于燃燒火焰溫度場分布的隨機(jī)性以及其離溫特性，給

火焰漱度場的測量帶來了很大的困難，因此如何及時(shí)準(zhǔn)

確地測量火焰溫度一直是國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員竭

力研究的重要課題。

疆蘸火焰溫度的測量技術(shù)很多，按測鱉方法可以分

為接觸與非接觸式兩大類。接觸式測溫時(shí)感溫元件直接

與被測火蕊接麓，響應(yīng)速度漫，還必須經(jīng)受各種惡劣條

件如氯化、腐蝕、還原等的考驗(yàn)，而且當(dāng)被測火焰很小

舉斟套強(qiáng)葛氈套憩笞己苔＆搭ｇ！霧乏涔苔邑乏淬谷強(qiáng)！祭苔甄警蘆茜慧芬ｋ葛跫葛毪豁豆苗烏替＆芬毛備ｓ苔豆葛黔各熟薈黔各熬豁黽苔豆芬黽薔強(qiáng)：零象舄差孓；孓磊ｓ零芬靴岔迎器象淬之孓苔現(xiàn)甕孓苕鞋墨潞

冀】張仁元，朱澤臻，朱煥慧，等．穗變《復(fù)合）儲麓技術(shù)應(yīng)ｊｊ｛ｌ【９】ＧＬＵＣＫＡ，ＴＡＭＭＥＲ，ＫＡＬＦＡＨ，ｅｌａｌ。Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

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與開發(fā)可行性研究報(bào)告【Ｒ】．廣州：中國科學(xué)院廣州能源研ＴｅｓｔｉｎｇｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴＥＳＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＳｏｌａｒＴｈｅｒｍａｌＣｅｎｔｒａｌＲｅ－

究所援鯔家紀(jì)委節(jié)麓褥，ｔ９８８．

ｃｅｉｅｒＰｌａｎｔｓ汝】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＳｏｌａｒＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ

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【５】ＴＥＲＲＹＤＣＬＡＡＲ，ＥＡＹＥＬＡＴＯＮＧ．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳａｌｔＣｅｒａｍｉｃｂｙＭ．Ｅ．Ａｒｄｅｎ．Ｏｘｆｏｒｄ，ＰｅｒｇａｍｏｍＰｒｅｓｓ，１９９１．１９４３—１９４８．

ＭｅｄｉａｆｏｒＴｈｅｒｍａｌ

ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ａ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｆ１０】ＳＴＥＩＮＥＲＤ，ＷＩＥＲＳＥ

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９８２．２０４３．２０４８．

【Ａ】ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲａｎｇｅ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ

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ＳｏｌａｒＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ…．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９１，（１２）：

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３８６—３９６．

【７】李愛菊，張仁元，柯秀芳．工業(yè)爐用Ｎａ２Ｓ０４／Ｓｉ０２復(fù)合蓄熱材

［１２】ＴＡＭＭＥＲ，ＴＡｕＴ

Ｕ，ＳＴＲＵＢＥＲ

Ｃ．Ａｄｖａｎｃｅｄ

Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ

料的研究閉．穗籽導(dǎo)援，２００３，（１１）：６９—７１．

ＭｅｄｉａｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄＳｏｌａｒＴｈｅｒｍａｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ａ１·Ｐｒｏ＋

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【１３】張仁元，櫥秀勢，李愛菊．無枧鹽／陶瓷基復(fù)合姥能樹料的

【Ｃ】·Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，１９８５·５５７－５６８·

研究［Ｊ】．材料研究學(xué)報(bào)．２０００，（６）：６５２—６５６．

氣

萬方數(shù)據(jù)

時(shí)，插入感溫元件會較大地破壞溫度的原始分布，引起

較大的測量誤差。另外，接觸式測溫方法屬于點(diǎn)測溫，無

法獲得被測火焰的瞬時(shí)溫度場分布［２，３１。當(dāng)測量煙塵比較

大的火焰時(shí)，感溫元件還可能被灰塵覆蓋，引起測量誤

差和響應(yīng)時(shí)間的延長［４］。現(xiàn)在燃燒實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)代工業(yè)對火焰

溫度測量的要求越來越嚴(yán)格，接觸式測溫的這些缺點(diǎn)越

來越明顯，因此眾多先進(jìn)的非接觸式測溫手段取得了巨

大的進(jìn)步，被廣泛地應(yīng)用于火焰測溫中。

非接觸式測溫按原理可以分為聲學(xué)法和光學(xué)法，后

者又分為輻射光譜法和激光光譜法［５］。激光光譜法需要激

光作為光源、激發(fā)源或探測器進(jìn)行火焰溫度測量，由于

其對環(huán)境要求比較高，在工業(yè)條件下裝配困難，價(jià)格昂

貴［６］，因此多用于實(shí)驗(yàn)室燃燒研究。輻射光譜法利用火焰

自身的發(fā)射光譜或吸收光譜，通過測量譜線強(qiáng)度、譜線

的位移和加寬或連續(xù)譜的強(qiáng)度得到火焰溫度，一般分為

輻射強(qiáng)度法、發(fā)射吸收法、紅外發(fā)射ＣＴ法以及傅里葉變

換紅外光譜法等［２，５Ｉ。在高溫火焰自身輻射中，Ｃ０２，Ｈ２０

以及固體粒子對火焰光譜的影響起主導(dǎo)作用，其中紅外

區(qū)的輻射是最主要的［１＇７｜，因此利用紅外光譜測溫成為火

焰測溫的重要方法。

非接觸紅外測溫有很多優(yōu)點(diǎn)［１，３，５，８｜，如它的測量不

干擾被測火焰，不影響溫度場分布，測溫范圍廣，響應(yīng)

時(shí)間短，反應(yīng)速度快，易于快速與動態(tài)測量，可測多維

溫度場，操作方便等。國內(nèi)外非接觸紅外測溫技術(shù)的發(fā)

展非常迅速，也開發(fā)了許多用于火焰溫度測量的新方法。

本文首先對紅外測溫的原理進(jìn)行簡述，然后著重介紹了

非接觸紅外測溫在火焰溫度測量中的應(yīng)用情況及其局限

性，文章的結(jié)尾對非接觸紅外測溫在火焰溫度測量中的

前景進(jìn)行了展望。

１非接觸紅外測溫基本原理

非接觸紅外測溫的關(guān)鍵元件之一是紅外輻射探測器，

根據(jù)作用原理可以分為熱探測器和光子探測器兩大類［８，９｜。

熱探測器是利用入射紅外輻射引起探測器的溫度變化，進(jìn)

而使相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量有關(guān)物理

參數(shù)的變化來確定紅外探測器所吸收的紅外輻射。光子

探測器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生

光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量電學(xué)性

質(zhì)的變化，確定紅外輻射的強(qiáng)弱。雖然它們探測紅外輻

射強(qiáng)弱的原理不同，但由探測到的信號轉(zhuǎn)化為被測對象

溫度所依據(jù)的基本原理一致。

１．１Ｐｌａｎｋ定律

Ｐｌａｎｋ定律描述了熱力學(xué)平衡狀態(tài)下黑體單色輻射力

與溫度吸波長Ａ的函數(shù)關(guān)系［１０｜，即

Ｅｂ（Ａ，力＝號ｐ一·）～（１）

式中：Ｃ１和Ｃｚ分別為第一和第二輻射常數(shù)。

圖１為黑體光譜分布，可以看出隨著溫度升高，物體

的輻射能量越強(qiáng)，輻射峰值向短波方向移動（向左），峰值

６

處的波長ｋ。。與絕對溫度賊反比。當(dāng)溫度為６０００Ｋ

時(shí)，峰值波長即輻射測溫最佳工作波長為０．８ｇｍ，因

此在輻射測溫的溫度范圍內(nèi)，最佳工作波長全部落在

紅外波段‘１１｜。

ｌｏｇＥｂ（）］．，ｒ）

圖１

Ｐｌａｎｋ定律ｌｏ９９６（Ａ，丁）

Ｐｌａｎｋ定律是設(shè)計(jì)紅外測溫儀及理解其運(yùn)行詳情的基

礎(chǔ)。但是，Ｐｌａｎｋ定律只能應(yīng)用于理想黑體，將紅外測溫

儀應(yīng)用于實(shí)際物體的中心問題是該物體并不是理想黑體。

１．２Ｗｉｅｎ位移定理

Ｗｉｅｎ位移定理表明對應(yīng)黑體的單色輻射力翰的最大值

的波書飄。。。隨溫度珀勺升高向短波方向移動，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Ａ。。。丁＝２

８９７．７９

ｇｍ·Ｋ（２）

利用Ｗｉｅｎ位移定理，根據(jù)黑體的輻射光譜分布，通

過測量峰值波長Ａ。。可以得到黑體的溫度ｔ這種方法常

用來測極高溫［８，１０｜。

１．３Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定律

根據(jù)Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定律，黑體的輻射力歷（７１）與

溫度珀勺４次方成正比［１０］，即

島（力＝盯Ｐ（３）

式中：盯為Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常數(shù)。

實(shí)際物體不是黑體，其輻射能力可表示為

Ｅ（丁）＝ｅＥｂ（力（４）

式中：￡為發(fā)射率，定義為物體的實(shí)際輻射能力Ｅ（即與同

溫度下黑體輻射能力歷（丁）之比。實(shí)際物體的ｓ是波長Ａ

和溫度喲函數(shù)。

由式（３）和（４）可得

丁＝腰（力／叫Ⅲ（５）

式（５）是物體的熱輻射在紅外波長范圍內(nèi)測溫的理論基

礎(chǔ)［１２］。

１．４Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ定律

Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ定律表明在溫度相等的熱平衡條件下，物

體的發(fā)射率８等于它的吸收率ｏ［［１０］，即

ｓ＝ａ（６）

該定律表明物體的輻射力越大，它的吸收率也越大。

萬方數(shù)據(jù)

帶綜述《工業(yè)加熱》第３６卷２００７年第１期

２非接觸紅外測溫用于火焰溫度測量

２．１基于火焰輻射的光學(xué)測溫法

（１）單色測溫

根據(jù)Ｐｌａｎｋ定律，當(dāng)波長Ａ一定時(shí)，輻射力歷是溫度

珀勺單值函數(shù)，因此，可以通過測量某一特定波長的輻射

量來獲得所測目標(biāo)的溫度。其計(jì)算公式為［３１：

百ｌ一專＝擊·ｎ去（７）

疋丁Ｃ２…矗

…７

式中：ｒｓ為亮度溫度，定義為黑體在此溫度時(shí)的亮度Ｂ“

與被測對象在溫度鄺寸的亮度島相等。由式（７）可知，在

測得亮度溫度疋后，必須同時(shí)知道被測對象的單色發(fā)射率

勖才可求出實(shí)際溫度。

對于高溫火焰，輻射力的峰值位于紅外區(qū)，常用的

單色測量波長有Ｃ０２的４．２４～４．３ｇｍ，ＣＯ的４．６４ｐ．ｍ，

Ｎ０２的４．４７ｌａｍ和ＮＯ的５．３ｇｍ。一些研究表明，用Ｃ０２

發(fā)射的波長測量火焰溫度比較準(zhǔn)確“］。Ｊｉｒ－Ｍｉｎｇ

ＣｈａｒＥｌｌ通

過測量Ｃ０２在４．３ｇｍ波長處的輻射強(qiáng)度獲得了穩(wěn)定的丙

烷火焰的溫度，并且與熱電偶測量溫度進(jìn)行了對比，表

明用紅外技術(shù)測量火焰溫度是可行的。但是，火焰單色

發(fā)射率旬的修正實(shí)際上是測量中的主要內(nèi)容，不僅要考慮

碳黑輻射的影響，還要考慮發(fā)射率修正時(shí)的計(jì)算方法。因

此，此方法適用于發(fā)射率已知或變化很小的對象，而在

火焰溫度測量中存在很大的局限性。

細(xì)絲測溫法（ＴＦＰ）［１３￣１

５Ｊ是２０世紀(jì)８０年代末由

ＶＶｉｌｉｍｐｏｃ發(fā)展起來的，屬于接觸式與非接觸式測量的

綜合方法，它通過測量火焰中∥－ＳｉＣ纖維的紅外輻射來獲

得火焰的溫度分布，其時(shí)空分辨率分別可達(dá)１．５ｎ】ｓ和１００ｕｒｎ，

現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到一些火焰系統(tǒng)中。但這種方法受到碳黑

沉積的影響，適合于測量無碳黑或者抖動的火焰，但后

者又涉及到氣流速度和濃度場波動對換熱的影響，而且

這種方法的校準(zhǔn)還是一個(gè)難題，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

（２）雙色測溫

它是測量出兩個(gè)給定波長Ａ－和Ａ：的輻射功率之比

西（丁），經(jīng)其單色發(fā)射率勖１、旬２校正后確定被測對象的溫

度［３，５，８，１６］。其計(jì)算表達(dá)式為專一擊：擊㈦

丁瓦Ｃ２悼一｛１¨７

式中：疋為比色溫度，定義為與被測對象溫度啪兩個(gè)輻

射強(qiáng)度比值相等的理想黑體的溫度。

理論上講，雙色測溫需要知道被測對象分別在兩個(gè)

波長Ａ１和Ａ２下的發(fā)射率旬１和翰２，因此比單色測溫更復(fù)雜。

但如果選取合適的工作波長，使勖·＝ｅａ２，則比色溫度瓦即

被測對象真實(shí)溫度丁。即使被測對象單色發(fā)射率翻變化較

大，但勖１和勖２的比值變化可能很小，因此雙色測溫可以

獲得比較高的準(zhǔn)確度，而且中問介質(zhì)和周圍環(huán)境的影響

雙色法應(yīng)用對象應(yīng)該為灰體，對一般非灰體對象會

造成較大的誤差［】７Ｊ，因此比較適合測量有煤煙的火焰溫

度。而且用比色測溫法實(shí)現(xiàn)的測量裝置仍然不能消除水

汽對Ａ·，２２分別吸收帶來的測量誤差，而且測溫范圍受到

嚴(yán)格限制ｕ

由于柴油燃燒形成含有大量碳黑的明亮火焰，接近

灰體輻射，因此雙色法在柴油燃燒中有廣泛的應(yīng)用。

Ｓｔｏｊｋｏｖｉｃ［ｗ］詳細(xì)討論了雙色法測量煤煙溫度的方法并對

其敏感性和不確定性因素進(jìn)行了分析。Ｈ．Ｚｈａｏｔ２０］等綜述

了雙色法在柴油發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，認(rèn)為火焰中碳黑以及

溫度的不均勻性都會對測溫造成影響，而且當(dāng)選擇紅外

波長時(shí)，固體壁面的反射引起的誤差可達(dá)５０～１５０Ｋ，

而選擇可見波長時(shí)誤差僅２～３Ｋ。

（３）多波長測溫

為了進(jìn)一步減少發(fā)射率變化及中間介質(zhì)吸收等帶來

的誤差ｆ１８｜，研究人員又發(fā)展了三波長甚至更多波長的測

溫儀。１９８６年ＨｉｅｒｎａｕｔＬ２１ｌ研究出亞毫米級的６波長高溫

計(jì)，用于２０００～５０００Ｋ真實(shí)溫度的測量。哈爾濱工業(yè)

大學(xué)研制成了棱鏡分光的３５波長高溫計(jì)，并用于燒蝕材

料的真實(shí)溫度測量［２２｜。

多波長輻射測溫法是利用目標(biāo)的多光譜輻射測量信

息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到真實(shí)溫度和材料光譜發(fā)射率［２３。。當(dāng)

物體的發(fā)射率與波長成線性關(guān)系時(shí)，三波長法可測得物

體的真實(shí)溫度。其基本原理是測量三個(gè)不同波長區(qū)間的

積分輻射強(qiáng)度，相減后求比值。

妒＝畿等齊等精皤㈩

由式（９）根據(jù)比值妒計(jì)算出物體溫度［１８｜。

Ｐａｎａｇｉｏｔｏｕｌ２４］Ｊ隼Ｊ三波長高溫計(jì)監(jiān)控聚合物顆粒的燃

燒，獲得了比雙色高溫計(jì)更準(zhǔn)確的溫度預(yù)測。盧小冬［２５］

利用多點(diǎn)多波長高溫計(jì)，成功地測試了固體火箭發(fā)動機(jī)

的羽焰溫場。戴景民［１７］對多波長測溫的技術(shù)和理論發(fā)展

進(jìn)行了比較詳細(xì)的綜述，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于多光

譜測溫?cái)?shù)據(jù)的處理上，提高了測量精度［２３，２６１。總體來說，

多波長測溫法在輻射真實(shí)溫度測量中已顯出很大潛力，在

高溫，特別是瞬變高溫對象的真實(shí)溫度測量方面，多波

長測溫法很有前途。

２．２紅外發(fā)射一吸收光譜法

輻射一吸收光譜法基本原理是通過測定某一波長或整

個(gè)光譜積分的光譜輻射亮度與光譜吸收率，利用Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ

定律和Ｐｌａｎｋ定律來確定溫度。該方法假定火焰內(nèi)吸收系

數(shù)為常數(shù)、沿測量光路的火焰溫度為某一常值，通過測

量參考光源的輻射，ｏ、火焰本身的輻射厶、火焰與參考光

源兩者的總輻射矗來獲得發(fā)射率ｓ和火焰溫度疋，理論計(jì)

算公式為

瓦ｌ』Ｃ２｛譬Ｐ卜ｃ—ｘｐ７薷Ｈ＋·｝（１０）

％一Ｉ毛Ａ死／１ｊ“Ｊ

¨…

７

萬方數(shù)據(jù)

式中：下標(biāo)ｇ為火焰氣體；Ｔｏ為參考光源的亮度溫度。由

式（１０）可以看出，此法不需知道火焰發(fā)射率或吸收率，

而可以直接依據(jù)輻射亮度去計(jì)算火焰的溫度值［２７￣３引。

黃德中ｆ２９］利用紅外發(fā)射－吸收光纖傳輸測溫系統(tǒng)對平面

預(yù)混火焰進(jìn)行了測量，并認(rèn)為這種方法測量精度高于其他

光學(xué)方法。李疏芬等［３０１應(yīng)用紅外發(fā)射－吸收法測量了煤氣燈

火焰的溫度，并對造成測量誤差的原因進(jìn)行了分析。發(fā)射一

吸收法在推進(jìn)劑火焰的測溫中研究較多【２’２８｜，但由于發(fā)動

機(jī)羽焰本身的特性，使該方法的應(yīng)用受到了很大的限制。

２．３紅外發(fā)射－吸收ＣＴ法

傳統(tǒng)發(fā)射一吸收法只能得到一個(gè)火焰溫度沿測量光

路的平均值，而無法獲得火焰內(nèi)部的溫度分布［２引。近年

來發(fā)展起來的紅外發(fā)射一吸收ＣＴ法將計(jì)算機(jī)斷層掃描技

術(shù)（ＣＴ）與傳統(tǒng)發(fā)射－吸收法相結(jié)合，形成了一種能夠獲

得火焰三維溫度分布的新方法。

ＣＴ技術(shù)是基于投影重建的技術(shù)，在紅外發(fā)射一吸收

ＣＴ法中，輻射的投影可表示為

，（墨０）＝ＦＥ（ｘ，Ｙ）ｅｘｐ（一Ｋｎ（ｘ，Ｙ）ｄＹ）ｄＹ（１１）

式中：６ｃ為局部光譜吸收系數(shù)，在局部熱平衡條件下，等

于局部光譜發(fā)射系數(shù)；Ｅ（ｘ，Ｙ）為火焰的局部光譜發(fā)射能；

ｙ１和ｙ２為積分上下限。對式（１１）中ａ進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

理，即可利用ＣＴ方法算出Ｅ（ｘ，少），由此可進(jìn)一步利用

Ｐｌａｎｋ定律算出溫度場ｒ（ｘ，Ｙ），也可用迭代法考慮０【的影

響［５Ｊ。具體的計(jì)算方法可以參考文獻(xiàn)［２９，３１～３３］。

該方法目前常用于實(shí)驗(yàn)室中的小型燃?xì)饣鹧鏈y溫，許

多研究者將火焰簡化為軸對稱，燃燒介質(zhì)被劃分為一系

列的同心圓，其內(nèi)部的發(fā)射系數(shù)通過代數(shù)重建的方法導(dǎo)

出，而內(nèi)部吸收系數(shù)則通過帶或不帶參考光源的輻射強(qiáng)

度計(jì)算獲得【５。。沈紅峰等［２９７，田豐等［３１］，李徑定等［３３］利

用該方法成功地對平面軸對稱火焰內(nèi)部截面上的溫度分

布進(jìn)行了測量，并計(jì)算出了火焰的局部吸收系數(shù)，達(dá)到

了較高的測量精度。楊振中等【３２］對平面預(yù)混非發(fā)光火焰

進(jìn)行了研究，并認(rèn)為測量的主要誤差來自黑體爐的溫度

波動帶來的測量誤差，但不大于５％。劉林華等［３４ｊ則利用

ＣＴ技術(shù)中的ＡＲＴ（代數(shù)重建）算法，發(fā)展了一種基于發(fā)

射一透射輻射測量的反演非對稱層流自由火焰溫度場的新

方法，擴(kuò)大了該方法的應(yīng)用范圍。

由于進(jìn)行ＣＴ計(jì)算需要有不同方向，不同位置上的多

組測量值，因此為了測量實(shí)際工程中瞬態(tài)火焰溫度分布，

必須提高測量速度并獲得所需的信號，而用現(xiàn)代光纖技術(shù)

結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會使這種測量成為可能。另外，由

于這一方法在計(jì)算溫度的過程中，還計(jì)算出局部吸收系數(shù)，

而吸收系數(shù)與火焰中的組分分濃度有關(guān)，因此，該方法理

論上還可以用于火焰中燃?xì)饨M分濃度分布的測量【２

２．４傅里葉變換紅外光譜法（ＦＴＩＲ）

ＦＴＩＲ—Ｅ／Ｔ法通過傅里葉變換紅外光譜儀測量目標(biāo)的

８

發(fā)射和吸收光譜來確定溫度，對于非散射樣品，入射到

樣品上的輻射被部分吸收和透過，即

ｌｏ。＝Ｚｏ。６ｔ。＋Ｉｏｒｌ７ｖ（１２）

式中：ｌｏ。為波數(shù)ｖ下的入射輻射強(qiáng)度；吼和“分別為樣品

吸收率和透射率。根據(jù)Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定律和Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ

定律，由上式可得：

磁（Ｔ）＝Ｒ。（ｒ）／（１一Ｚ＂ｖ）（１３）

式中：磁（即是在標(biāo)定測量中所采用的黑體輻射強(qiáng)度；Ｒ。（Ｔ）

為樣品的輻射強(qiáng)度。對比標(biāo)準(zhǔn)化輻射強(qiáng)度感（丁）表達(dá)式

感（力＝Ｒ。（力／（１一ｒｖ）（１４）

可知，式（１３）右邊就是所定義的標(biāo)準(zhǔn)化輻射強(qiáng)度。這

樣，通過對樣品發(fā)射和吸收的測量，可以確定出礎(chǔ)（力隨

波數(shù)變化的光譜，從而可以根據(jù)其溫度與最大輻射強(qiáng)度

所對應(yīng)的波數(shù)ｖ。。。之間的關(guān)系確定樣品的溫度［３引。有關(guān)

ＦＴＩＲ－Ｅ／Ｔ在散射樣品中的應(yīng)用可以參考文獻(xiàn)［３５～４０］。

利用傅立葉變換紅外光譜儀發(fā)射崦射光譜（ＦＴＩＲ－Ｅ／Ｔ）

進(jìn)行火焰測溫的研究開始于２０世紀(jì)５０年代末，應(yīng)用范

圍已經(jīng)從層流預(yù)混火焰擴(kuò)展到擴(kuò)散火焰、煤炭以及焦炭

火焰等，甚至可以用來測量火箭推進(jìn)劑火焰的溫度和組分，

并且已有研究者將ＣＴ法應(yīng)用于ＦＴｍ技術(shù)［３６，３７，４１－－４３１。國內(nèi)

在近幾年開始了這種方法的研究工作，已從酒精火焰擴(kuò)

展到煤粉火焰［３５，３９，４０，４４。，在溫度測量方面顯示了良好的

適用性。

需要強(qiáng)調(diào)的是，從理論推導(dǎo)看，樣品光學(xué)薄、顆粒

等溫、滿足獨(dú)立單次散射條件是應(yīng)用ＦＴＩＲ發(fā)射／透射測

量技術(shù)所必須滿足的［３

９Ｉ，否則會引起較大的測量誤差。

３結(jié)語——非接觸紅外測溫發(fā)展展望

雖然紅外測溫方法存在一些很難解決的問題［４５，４６｜，

但作為一種重要的火焰溫度測量方法，非接觸紅外測溫

充分利用了火焰自身發(fā)光的特性及其發(fā)射和吸收光譜的

多樣性，不僅從方法上豐富了火焰溫度測量手段，而且

在測溫范圍、精度、適應(yīng)性、選擇性及物理量綜合測量

等方面得到了很大的發(fā)展，這些也仍將是未來紅外測溫

技術(shù)發(fā)展的主要方向。

（１）重構(gòu)方法的發(fā)展使得三維分布的熱物理場測量

成為可能［４７｜，尤其是計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（ＣＴ）以及各

種以激光為核心的測試技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了紅外

測溫方法的進(jìn)步，成為火焰溫度場測量方法的重要發(fā)展

方向。（２）隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，除測量溫度以外，通

過輻射的測量和轉(zhuǎn)換還可測量其它物理量，因此，可同

時(shí)測量溫度和其它不同物理量或氣體成分的紅外測量方

法也具有廣闊的發(fā)展空間。（３）紅外測溫的校準(zhǔn)是決定

紅外測溫方法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵之一，校準(zhǔn)方法也會隨著紅

外測溫技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展更新，以滿足更高的要求。

（４）新的數(shù)據(jù)處理方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的引入將會使紅外

萬方數(shù)據(jù)

睪綜述《工業(yè)加熱》第３６卷２００７年第１期

測瀑方法的應(yīng)用褥到更大發(fā)展。《５）磐何消除發(fā)射率對

溫度測量的影響仍是學(xué)者們重點(diǎn)研究的方向之一。

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萬方數(shù)據(jù)

高溫紅外輻射節(jié)能涂料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

馮勝山，魯曉勇，許順紅

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，湖北武漢４３００７０）

摘要：介紹了高溫紅外輻射涂料的組成、

關(guān)鍵詞：紅外輻射；節(jié)能；涂料；機(jī)理

中圖分類號：ＴＮ２１９；ＴＱ６３１．７１

節(jié)能機(jī)理和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討了其應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００２—１６３９（２００７）０１—００１０—０５

ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄ

Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

ＴｒｅｎｄｏｆｔｈｅＩｎｆｒａｒｅｄＲａｄｉａｔｉｏｎ

ＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＣｏａｔｉｎｇｓ

Ｕｓｅｄａｔ

ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ＦＥＮＧ

Ｓｈｅｎｇ—ｓｈａｎ，ＬＵＸｉａｏ—ｙｏｎｇ，ＸＵＳｈｕｎ—ｈｏｎｇ

ｆＲｅｓｅａｒｃｈ＆Ｄｅｓｉｇｎ

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｂｅｉ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ·ｓａｖｉｎｇ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎ

ｃｏａｔｉｎｇｓ

ｕｓｅｄａｔｈｉ曲ｔｅｍ－

ｐｅｒａｔｕｒｅ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ

ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

ｔｒｅｎｄａｎｄ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

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Ｋｅｙ

ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ

ｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ；ｃｏａｔｉｎｇｓ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

紅外線通常是指波長在２．５～１０００ｕｍ范圍內(nèi)的電

磁波，該電磁波能夠被物體吸收使物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生共

振，從而使物體溫度上升。隨著輻射物材質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)

和溫度等條件的不同，其輻射波長也各不相同。對于以

輻射傳熱為主的工業(yè)爐，在爐襯表面應(yīng)用高溫紅外輻射

涂料可提高爐內(nèi)參與輻射傳熱的物體表面輻射系數(shù)，顯

著改善爐內(nèi)傳熱過程，達(dá)到節(jié)能、增效的目的。

１高溫紅外輻射節(jié)能涂料的組成及分類

高溫紅外輻射節(jié)能涂料須具備以下特性：

（１）較高的紅外發(fā)射率，高溫下衰減緩慢；

（２）耐高溫（８００。Ｃ以上），熱穩(wěn)定性良好；

（３）涂刷后，涂層與基體之問具有良好的密著性。

因此，高溫紅外輻射節(jié)能涂料一般由輻射粉體基料、

收稿日期：２００６一１１－０７；修回日期：２００６—１２—０７

作者簡介：馮勝山（１９６５一），男，湖北麻城人，漢族，研究員，主

要從事高溫功能材料和環(huán)境工程材料的研究與開發(fā)．

粘結(jié)劑和載液組成。輻射粉體基料提供高輻射性能，粘

結(jié)劑使涂料牢固地粘結(jié)在基體表面。有時(shí)在涂料中還加

入燒結(jié)劑，其目的是促進(jìn)涂料在高溫時(shí)的燒結(jié)，提高涂

層致密度和強(qiáng)度，改善涂料輻射性能。

隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了許多物

質(zhì)的紅外光譜發(fā)射率較高，并以這些物質(zhì)為基料研制出

多種紅外輻射涂料，以改善物體表面的輻射特性，達(dá)到

強(qiáng)化輻射傳熱的目的。

早期紅外輻射涂料主要以碳化硅、氧化鋯、鋯英砂

等單物質(zhì)或化合物為輻射成分，以簡單無機(jī)鹽為粘結(jié)劑；

現(xiàn)在，紅外輻射涂料的輻射成分由多種物質(zhì)或化合物通

過特殊的材料復(fù)合工藝制成，其粘結(jié)劑為多種微粉、溶

膠及化學(xué)粘結(jié)劑組成的復(fù)合溶體。目前，紅外輻射涂料

的粉體基料主要是金屬氧化物的復(fù)合物和碳化物，主要

有Ｃｒ２０３，Ｔｉ０２，Ｚｒ０２，Ｆｅ２０３，Ｍｎ０２，ＮｉＯ，ＣｏＯ，ＣｕＯ，

Ｓｉ０２，Ａ１２０３，ＭｇＯ，Ｌａ２０３，ＣｅＯ，ＳｉＣ等ｕｊ。表１列出

了幾種常用材料的輻射率和高溫性能［２］。對于低溫干燥爐

霧霧霧零棼霧；孓零霧零｛孓｛萍乏孓祭等皂零｛孓乏孓｛孓等飄零｛孓乏薄霧｛孓嚳ｂ霧｛孓苕強(qiáng)霧霧笞己霧零霧零｛孓零；孓笞黽霧零｛孓磊思棼罌攀攀乏蘆

【３９】于娟，章明川，王晶，等．ＦＴＩＲ發(fā)射一透射光譜法測［４３］ＢＯＵＲＡＹＯＵＲ，ＶＡＩＬＬＯＮＲ，Ｓａｃａｄｕｒａ

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Ｐ

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Ｒ

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】０

萬方數(shù)據(jù)

非接觸紅外測溫在火焰加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用及局限性

作者：楊浩林，趙黛青，楊衛(wèi)斌，YANGHao-lin，ZHAODai-qing，YANGWei-bin

作者單位：楊浩林,YANGHao-lin(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系,安徽合肥230027;中國科學(xué)院

廣州能源研究所,廣東廣州510640)，趙黛青,楊衛(wèi)斌,ZHAODai-qing,YANGWei-bin(中國科

學(xué)院廣州能源研究所,廣東廣州510640)

刊名：

工業(yè)加熱

英文刊名：INDUSTRIALHEATING

年，卷(期)：2007,36(1)

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