[发明专利]半透明介质环境下非接触测温的校正方法

权利要求书

1.一种半透明介质环境下非接触测温的校正方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：判断半透明介质与被测材料表面是否接触，若接触，执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤二：选择一维耦合换热模型，采用有限体积法进行正向模型的计算，得到测温设备能够获得的理论辐射能量值，然后执行步骤四；

步骤三：选择一维纯辐射换热模型，采用有限体积法进行正向模型的计算，得到测温设备能够获得的理论辐射能量值，然后执行步骤四；

步骤四：采用测温设备实际测量被测材料表面，得到测温设备获得的实际辐射能量值；

步骤五：根据所述理论辐射能量值和实际辐射能量值，采用智能微粒群优化算法反演被测材料表面的真实温度值。

2.根据权利要求1所述的半透明介质环境下非接触测温的校正方法，其特征在于：步骤二中获得测量设备的理论辐射能量值的具体方法为：

选择一维耦合换热模型，根据计算精度要求将半透明介质内部沿与被测材料表面垂直的方向进行网格划分，均分为多个网格单元，并采用天顶角和水平角均匀划分的方法将半透明介质内部空间立体角离散划分为N_Ω份，所述网格单元与被测材料表面平行；设定辐射源项q_R的初始值为0，利用该一维耦合换热模型的能量守恒方程和耦合换热边界条件求出半透明介质内部待求网格单元P中心节点的温度T_p：

能量守恒方程：λ∂2T∂x2-qR=0,---(1)]]>

耦合换热边界条件：x=0,T=Twx=L,λ∂T∂x=hf(Tw′-Tf),---(2)]]>

采用有限体积法离散上述方程后，求解获得离散后半透明介质内部待求网格单元P的中心点温度T_P：

TP=(TZ+TY-qR,P·Δx2λ)/2;---(3)]]>

式中：λ表示半透明介质的导热系数，T表示半透明介质内部温度，x表示半透明介质水平坐标，T_w表示半透明介质与被测材料表面的边界温度，T′_w表示半透明介质环境表面的边界温度，T_f表示半透明介质环境表面侧的环境温度，h_f表示半透明介质的环境表面的对流换热系数，L表示半透明介质厚度，T_Y表示与待求网格单元P相邻的一侧的网格单元Y的中心点温度，T_Z表示与待求网格单元P相邻的另一侧的网格单元Z的中心点温度，q_R，P为离散后的半透明介质内部网格单元的辐射源项，Δx表示相邻网格单元的中心点之间的距离；

根据半透明介质内部温度T，利用半透明介质辐射传输模型中的辐射传输方程和边界条件采用有限体积法求得半透明介质内部网格单元在k谱带内方向辐射强度

所述辐射传输方程为：

dIkm(s)ds=-κe,kIkm(s)+κa,kIb,km(s)+κs,k4π∫Ωm′=4πIkm′(s)Φk(Ωm′,Ωm)dΩm′,---(4)]]>

所述边界条件：

Iw,km=(nn0)2(1-ρ0,k)I0,km+f0ρkπ∫nw·Ωm′<0Iw,km′|nw·Ωm′|dΩm′+(1-f0)Iw,km′′,---(5)]]>

采用有限体积法求得半透明介质内部待求网格单元P在k谱带内方向辐射强度为：

Ik,Pm=(ak,YmIk,Ym+ak,ZmIk,Zm+ck,Pm)/ak,Pm,---(6)]]>

其中：ak,Pm=Σj=z,ymax(AjDjm,0)+κe,k,PVPΔΩm,---(6-1)]]>

ak,Jm=max(-AjDjm,0)(J=Z,Y,j=z,y),---(6-2)]]>

Ck,Pm=κe,k,P·Uk,Pm·VP·ΔΩm,---(6-3)]]>

Uk,Pm=κa,k,Pκe,k,PσTP4π+κs,k,Pκe,k,P·14πΣm′Ik,PΦk(Ωm,Ωm′)ΔΩm′,---(6-4)]]>

式中，待求网格单元P在k谱带内的方向辐射强度中，m表示第m个立体角方向Ω^m，k表示谱带，表示在k谱带内Ω^m方向的半透明介质壁面辐射强度，表示在k谱带内Ω^m′方向的半透明介质壁面辐射强度，表示在k谱带内方向黑体辐射强度，表示与离散后的待求网格单元P相邻的靠近被测材料表面侧的网格单元Z在k谱带内的Ω^m方向辐射强度，表示与离散后的待求网格单元P相邻的靠近环境表面侧的网格单元Y在k谱带内的Ω^m方向辐射强度；

κ_e，k表示谱带衰减系数，κ_a，k表示谱带吸收系数，κ_s，k表示谱带散射系数，κ_e，k，P表示离散的待求网格单元P的谱带衰减系数；表示线性方程组的系数、表示线性方程组的系数、表示线性方程组的系数，表示线性方程组的常数项，表示线性方程组常数项的一部分，为中间变量，Ω^m′表示第m′个立体角方向，ΔΩ^m′表示第m′个立体角的大小，Ω^m″表示Ω^m的镜反射方向，Φ_k表示k谱带内Ω^m′方向在Ω^m方向上的介质散射相函数，其中Ω^m′表示除了Ω^m以外的其他立体角方向；

n表示半透明介质的折射率，n⁰表示环境折射率，ρ_0，k表示环境的谱带反射率，ρ_k表示半透明介质的谱带反射率，f₀表示半透明介质壁面上的漫反射占总反射能量的比例，n_w表示半透明介质壁面的法向量，

j表示半透明介质待求网格单元的表面序号，A_j表示半透明介质第j个待求网格单元表面的面积，表示j表面法向在Ω^m方向的权重，V_P表示离散后的待求网格单元的体积，σ表示斯蒂芬-波尔兹曼常数：σ＝5.67×10^-8[W/(m²·K⁴)]；

根据半透明介质内部待求网格单元P的温度T_P和半透明介质内部网格单元在k谱带内方向辐射强度计算出半透明介质内部待求网格单元P的辐射源项q_R，P：

qR,P=Σk=1Mbκa,k,P[4Bk,TPσTP4-Σm=1NΩIk,PmΩm];---(7)]]>

式中M_b表示谱带份数，κ_a，k，P表示待求网格单元P在k谱带内的吸收系数，表示在温度T_P下，谱带模型k谱带内的辐射能量占总辐射能量的比例；

将半透明介质内部待求网格单元P的辐射源项q_R，P代入方程(1)，重复前述过程，直至求得收敛的半透明介质内部每个网格单元的温度T_P，即前后两次迭代的相对误差小于预设精度阈值，再根据收敛的半透明介质内部每个网格单元的温度T_P计算出边界出射辐射热流密度q_w，P：

qw,P=Σk=1Mbϵw,k[Bk,TwσTw4-Σm=1NΩ/2Iw,kmDwm],---(8)]]>

式中ε_w，k表示半透明介质壁面的谱带发射率，表示在半透明介质与被测材料表面的边界温度T_w下，谱带模型k谱带内的辐射能量占总辐射能量的比例，表示半透明介质壁面法向在Ω^m方向的权重；

最后根据下述公式计算获得测温设备能够获得的理论辐射能量值Q，完成正算：

Q=τqw,PAP+(1-τ+ρτ)Σk=1MnϵkσTg4,---(9)]]>

式中，τ表示环境大气透过率，A_P表示离散后的半透明介质边界单元面积，ε_k表示环境气体光谱发射率，T_g表示环境大气温度。