引言
    隨著紅外輻射材料和紅外輻射加熱技術(shù)研究的發(fā)展，紅外輻射燃燒器在家用燃?xì)庠罹摺⑷∨鞯犬a(chǎn)品上得到廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品出口歐美的數(shù)量日益增加。熱輻射效率是歐美和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱輻射燃燒器的必要考核項(xiàng)目，也是研究如何提高紅外燃燒器燃燒效率的重要參考指標(biāo)。
    紅外輻射是一種具有電磁波和粒子雙重特征的輻射，目前，燃?xì)饩叩募t外熱輻射性能測(cè)量存在困難：首先，燃?xì)馊紵鞯臒彷椛渫ǔ２ㄩL(zhǎng)范圍廣，而一般的熱輻射測(cè)量設(shè)備對(duì)波長(zhǎng)有選擇性，難準(zhǔn)確測(cè)出全波段范圍的熱輻射。其次，由于燃?xì)饩呷紵鞯臒彷椛涫侨臻g非定向的輻射方式，但目前對(duì)物體的輻射測(cè)量時(shí)，都是以某空間上的指定點(diǎn)為參考位置進(jìn)行測(cè)量的熱輻射量，單點(diǎn)的測(cè)試難以反映燃燒器的整體性能。準(zhǔn)確的測(cè)量燃燒器向空間輻射的能量，意味著測(cè)量要穿過(guò)一個(gè)球型包絡(luò)面的熱輻射量。再次，目前按我國(guó)燃?xì)饩邍?guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐美標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試穿過(guò)半球包絡(luò)面的熱輻射量時(shí)，需要根據(jù)不同燃?xì)饩叱叽绱罱w積龐大的球形熱輻射感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，巨大網(wǎng)絡(luò)需要的感應(yīng)探頭數(shù)量繁多，如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI Z83.19達(dá)500多個(gè)，價(jià)值不菲。因此，現(xiàn)有傳統(tǒng)手段進(jìn)行燃?xì)饩邿彷椛湫阅軠y(cè)試中，無(wú)論是設(shè)備成本、設(shè)備適應(yīng)被測(cè)對(duì)象尺寸的空間靈活性、以及測(cè)試大量數(shù)據(jù)采集便利性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面都存在問(wèn)題。本文探討了一種 “自動(dòng)化熱輻射測(cè)試系統(tǒng)”的測(cè)試熱輻射的原理和方法，該系統(tǒng)為自主研發(fā)，旨在彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量方法中的不足，提高測(cè)試效率。

1 熱輻射測(cè)量方法原理
    紅外線(xiàn)燃燒器的熱輻射傳熱具有瞬時(shí)性、光譜性、空間性、無(wú)需介質(zhì)傳遞和潔凈加熱等特點(diǎn)，典型代表有燃?xì)饧t外輻射取暖器、紅外線(xiàn)燃?xì)庠罹叩取＜t外線(xiàn)燃燒器輻射的熱能分布隨著時(shí)間、波長(zhǎng)及發(fā)射方向變化而變，在研究燃?xì)饩咻椛湫阅軙r(shí)，可以采用以下物理量來(lái)描述其輻射性能。
    定義半球總熱輻射Q,單位時(shí)間內(nèi)器具向半球空間發(fā)射出的一切波長(zhǎng)的總能量的能力，單位kW，半球輻射力是最常用的表征器具發(fā)射的輻射能量大小的物理量。在理想情況下，將半球包絡(luò)面劃分為無(wú)窮多i個(gè)微元面積dA，Ei是在通過(guò)該面積內(nèi)的所有波長(zhǎng)的法向輻射熱輻射強(qiáng)度(W/ m2)，則：
    在燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)中，采用輻射效率ηR來(lái)反映器具輻射加熱效果，輻射效率定義為單位時(shí)間內(nèi)器具向半球空間輻射出去的能量與熱負(fù)荷之比。
上式中，IR為燃燒器熱負(fù)荷，Q為穿過(guò)半球包絡(luò)面的總熱輻射量。
    然而，實(shí)際測(cè)量半球包絡(luò)面的總熱輻射量時(shí)，我們不可能將半球包絡(luò)面分為無(wú)窮多個(gè)微元，只能通過(guò)近似測(cè)取有限多個(gè)面積元的熱輻射量，然后求和算得總熱輻射量。例如在我國(guó)燃?xì)馊∨鲊?guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定輻射測(cè)試裝置為使用33個(gè)測(cè)定點(diǎn)的半球面網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示測(cè)取33個(gè)測(cè)定點(diǎn)的輻射強(qiáng)度，按球面積分加以計(jì)算，得出輻射效率。
    歐美標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱輻射效率的測(cè)試方法與原理和上面所述相似。

2 熱輻射能效自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    熱輻射能效綜合測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)熱輻射測(cè)試的方法和要求設(shè)計(jì)的，它需要滿(mǎn)足全波長(zhǎng)段測(cè)量能力，能有效測(cè)取燃?xì)馊∨鞯陌肭驘彷椛渫浚€要適用于不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
    熱輻射測(cè)量弧，是測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。測(cè)量弧模擬熱輻射半球包面的一個(gè)切面圓弧，弧上裝有多個(gè)精密的熱輻射傳感器。探測(cè)熱輻射的探頭采用單向熱電堆輻射熱計(jì)。熱輻射傳感器按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試裝置示意圖中的切面圓緯度位置按裝在測(cè)量弧上，并與智能數(shù)據(jù)采集模塊連接。
    測(cè)試樣品臺(tái)。本樣品臺(tái)為可上升下降和軸轉(zhuǎn)的3D移動(dòng)支架，該支架以滿(mǎn)足不同空間的測(cè)量與距離的測(cè)量需求，樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)軸由步進(jìn)電機(jī)控制，按計(jì)算機(jī)控制程序命令進(jìn)行動(dòng)作。
    數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。熱輻射測(cè)量弧的基座內(nèi)部安裝有數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)USB通訊線(xiàn)與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供人機(jī)操作界面，控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，數(shù)據(jù)采集和處理。
2.2熱輻射強(qiáng)度測(cè)量
    本系統(tǒng)用電堆型熱阻式熱流計(jì)來(lái)對(duì)燃?xì)馊∨魅ǘ蔚臒彷椛鋸?qiáng)度測(cè)量。
    當(dāng)被測(cè)對(duì)象的輻射入射到探頭時(shí)，輻射在電堆型熱阻式熱流計(jì)的熱阻層產(chǎn)生熱量，由于電堆型熱阻式熱流計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)原理，熱阻層在熱流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度△T（溫差），這個(gè)溫差與熱流強(qiáng)度成系數(shù)正比，遵循公式：
    同時(shí)該溫差使熱流計(jì)上的熱電偶產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)U，熱電偶的熱電勢(shì)     U與溫差也成正比。因此，通過(guò)測(cè)熱電偶的溫差熱電勢(shì)就可以反映熱流強(qiáng)密度的大小。
 q = C·U
    其中q為熱流強(qiáng)度，U為熱電偶溫差熱電勢(shì)，C為常數(shù)值（測(cè)頭分辨率）。熱電堆型熱阻式熱流計(jì)對(duì)輻射的波長(zhǎng)沒(méi)有選擇性，所有通過(guò)測(cè)頭所在位置的熱輻射都將被吸收，其整體反映在側(cè)頭表面溫度的上升。此類(lèi)型測(cè)頭在很低的熱流密度下就能產(chǎn)生較大信號(hào)，便于檢測(cè)與處理。
    數(shù)據(jù)采集方面，本系統(tǒng)使用了研華的熱電偶輸入模塊對(duì)熱電偶溫差熱電勢(shì)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)發(fā)送。
2.3半球熱輻射量測(cè)量
    測(cè)半球熱輻射量，按傳統(tǒng)的方式制作熱輻射半球測(cè)試包絡(luò)面，由于取暖類(lèi)的燃?xì)猱a(chǎn)品幾何尺寸變換范圍較大，從室內(nèi)紅外取暖器0.5m高度，到戶(hù)外傘形取暖器高達(dá)2m，尺寸的增大給制作完全的包絡(luò)面帶來(lái)設(shè)備占用空間和探頭數(shù)量增多、成本劇增的困難。
    我們通過(guò)空間變換模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)包絡(luò)面。假設(shè)在三維空間上，有一被測(cè)輻射發(fā)射面，以發(fā)射面中心為圓心作一半圓弧，圓弧上分布有測(cè)試點(diǎn)。半圓弧以直徑軸轉(zhuǎn)180°，圓弧劃過(guò)的面形成半球面，同理若固定圓弧，將被測(cè)輻射面以直徑為軸轉(zhuǎn)180°，圓弧相對(duì)輻射面在空間劃過(guò)一個(gè)半球面。這樣通過(guò)被測(cè)對(duì)象與圓弧相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則可模擬形成熱輻射測(cè)試的半球包絡(luò)面。
    根據(jù)上面原理，如圖5所示的測(cè)量弧傳感器分布圖中，被測(cè)對(duì)象輻射面正對(duì)水平方向緯度0°，測(cè)量弧的最高頂點(diǎn)作為緯度90°，最低點(diǎn)為緯度-90°。在測(cè)量弧的-90°~90°緯度點(diǎn)之間，安裝20個(gè)熱輻射傳感器，來(lái)測(cè)試弧線(xiàn)各區(qū)間的輻射強(qiáng)度。
系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量步驟如下：
    首先，使燃?xì)鉄彷椛淦骶咛幱诓还ぷ鳡顟B(tài)，測(cè)本底輻射。測(cè)量熱輻射強(qiáng)度時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制被測(cè)樣品每隔10秒繞軸旋轉(zhuǎn)10°進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，對(duì)于180°方向輻射的燃?xì)馄骶撸厕D(zhuǎn)180°進(jìn)行18次數(shù)據(jù)采集；對(duì)于360°方向輻射的燃?xì)馄骶撸瑒t轉(zhuǎn)動(dòng)一周進(jìn)行36次采集數(shù)據(jù)。所得的輻射強(qiáng)度值分別與測(cè)量弧劃過(guò)的面積元相乘積分，所得的包絡(luò)面熱輻射通量為測(cè)試環(huán)境的本底熱輻射量。其次，使燃?xì)鉄彷椛淦骶咛幱诜€(wěn)定工作狀態(tài)，測(cè)此時(shí)包絡(luò)面熱輻射通量，步驟和方法同測(cè)背景輻射。所得的熱輻射通量減去背景輻射量即為燃?xì)饩叩臒彷椛淞俊?br />2.4半球熱輻射計(jì)算
    半球總熱輻射通量等于各微元上的熱輻射強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的面積元的積分。本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)直接得到各測(cè)試點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度，對(duì)180°輻射方向的燃?xì)馄骶邿彷椛錅y(cè)試，共測(cè)得半球面上344個(gè)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度，計(jì)算公式見(jiàn)下:
    對(duì)于360°方向輻射的取暖器，計(jì)算機(jī)采集了兩個(gè)半球面上686個(gè)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度Ei，按整個(gè)球面積分加以計(jì)算。
3結(jié)論
    計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)熱輻射的方法，采用空間變換模型來(lái)完成從離散型數(shù)據(jù)到連續(xù)型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了熱輻射測(cè)試設(shè)備搭建的結(jié)構(gòu)，降低成本，并有效實(shí)現(xiàn)球形包絡(luò)面的測(cè)試效果。使用計(jì)算機(jī)采集代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工的數(shù)據(jù)采集，使得檢測(cè)過(guò)程的操作步驟更加便捷，同時(shí)提高了測(cè)試精度；通過(guò)熱輻射測(cè)量系統(tǒng)測(cè)取準(zhǔn)確可靠的熱輻射值，對(duì)今后深入研究燃?xì)饩叩募t外線(xiàn)熱輻射加熱技術(shù)，提高燃?xì)馊紵鞯募訜嵝实扔兄匾饔谩?br />
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