本发明属于火焰光谱分析技术领域，尤其是涉及一种基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法。
背景技术：
作为继石油等石化能源之后的第四大能源，生物质能源的利用潜力巨大，在能源体系中占有重要地位。相比于传统燃料，不同种类的生物质燃料在密度、水分、热值方面均有差异，生物质燃烧过程中的温度、速率、燃烧稳定性等燃烧特性也随之变化，因而进行生物质燃料的燃烧特性研究意义重大。
当生物质燃料在锅炉里燃烧时，会发生一系列复杂的物理化学反应，并向周围空间发出热辐射。对于这种炉膛内部高温度、无法近距离测量、变化复杂的对象，无法使用热电偶、热电阻等接触式测温方式，因此基于辐射传热测温是一种实用且重要的测量方法。利用光谱的原理检测生物质火焰可以获得多波长下的火焰辐射光谱信息，得到随波长变化的辐射强度，而辐射能量与温度和波长均有关，因此基于光谱辐射强度测量温度是十分可取的。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：利用光谱仪获得待测生物质火焰光谱辐射强度，输出光谱仪测量范围内相应火焰波长与光谱辐射强度，假设沿测量方向火焰辐射源项均匀分布，可以得到：
h(λ,t)＝i(λ,t)/l
式中，i为辐射强度，h为光谱辐射源项，λ为波长，t为温度，l为火焰厚度；
步骤2：根据瑞利近似假设，将光谱辐射源项表示为：
式中，κ为吸收系数，fv为烟黑颗粒体积分数，ib为黑体辐射强度，c1＝3.741832×108w·μm4/m2，为第一辐射常数，c2＝1.4388×104μm·k，为第二辐射常数；
发射率ε与吸收系数κ有如下关系：
ε＝1-e(-κl)
步骤3：选取中间波段的波长λmid和辐射源项hmid作为初值，假定一个初始温度，所述初始温度不低于800k，生物质火焰温度一般低于2500k，设定初始温度范围800-2500k，将波长λmid和辐射源项hmid作为初值求解相邻波段λmid-1和λmid 1相对应的hmid-1和hmid 1，并继续求解相邻波段的辐射源项，并逐步求解至整个波段，进而得到整个波段的辐射强度曲线；
步骤4：以相对残差的1范数评估两条辐射强度曲线的偏差：
式中，imeasure为测量的辐射强度值，ical为计算的辐射强度值；
步骤5：重复步骤3与步骤4，更新温度值，逐步提高计算精度直到偏差小于设定值，将收敛的温度视为温度的测量结果，根据中间波长λmid和辐射源项hmid计算烟黑颗粒体积分数fv，进而得到吸收系数，再根据吸收系数得到发射率。
优选的，步骤2的吸收系数用下式表示：
优选的，步骤3的相邻波段的辐射源项由以下过程得到：
相邻两个波长对应辐射源项相除，可以得到下式：
式中，e(m)为碳烟光学常数的函数，
已知一个波长的辐射源项，则相邻波长辐射源项可以表示为：
优选的，步骤5进一步包括以下子步骤：
步骤5.1，重复步骤3与4，更新温度值，逐步提高计算精度直到偏差小于设定值；
步骤5.2，将收敛温度视为所测温度，由下式计算碳烟颗粒体积分数；
步骤5.3，由碳烟颗粒体积分数计算吸收系数；
步骤5.4，由吸收系数计算发射率；
如在光学薄情况下则可直接求出发射率为κl，如在光学厚情况下则利用下式求得发射率：
ε＝1-e(-κl)
式中，l为火焰厚度。
附图说明
图1为本发明所述方法的总体流程图。
图2为本发明所述方法的计算实例所对应的光谱辐射强度。
图3a为逐步提升精度重建之后的辐射强度；图3b为相对残差的1范数曲线。
图4为发射率随波长分布计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述方法的总体流程图如图1所示，利用光谱仪获得待测生物质火焰光谱辐射强度作为输入数据并得到对应光谱辐射源项，假定温度，根据瑞利近似假设求解该温度下所有波长的辐射源项并与实测曲线评估偏差，重复上述步骤，更新温度值，提高精度直到收敛，即为所求温度，并得到随波长变化的发射率。
具体实施过程如下：
利用光谱仪获得待测生物质火焰光谱辐射强度，输出光谱仪测量范围内相应火焰波长与光谱辐射强度，如图2所示。
假设沿测量方向火焰辐射源项均匀分布，可以得到：
h(λ,t)＝i(λ,t)/l
式中，i为辐射强度，h为光谱辐射源项，λ为波长，t为温度，l为火焰厚度；
根据瑞利近似假设，将光谱辐射源项表示为：
式中，κ为吸收系数，fv为烟黑颗粒体积分数，ib为黑体辐射强度，c1＝3.741832×108w·μm4/m2，为第一辐射常数，c2＝1.4388×104μm·k，为第二辐射常数；
发射率ε与吸收系数k有如下关系：
ε＝1-e(-κl)
选取中间波段的波长λmid和辐射源项hmid作为初值，假定一个初始温度，所述初始温度不低于800k，生物质火焰温度一般低于2500k，设定初始温度范围800-2500k。相邻两个波长对应辐射源项相除，可以得到下式：
式中，e(m)为碳烟光学常数的函数，
已知一个波长的辐射源项，则相邻波长辐射源项可以表示为：
由上式，用波长λmid和辐射源项hmid逐步求解至整个波段，进而得到整个波段的辐射强度曲线，如图3a所示；
以相对残差的1范数评估两条辐射强度曲线的偏差，如图3b所示；
式中，imeasure为测量的辐射强度值，ical为计算的辐射强度值；
重复上述步骤，逐步提高计算精度直到偏差小于设定值。
将收敛时的温度视为温度的测量结果，本例中测得的生物质火焰温度为1748.06k。
由下式计算碳烟颗粒体积分数；
由碳烟颗粒体积分数计算吸收系数；
再由吸收系数计算发射率；
如在光学薄情况下则可直接求出发射率为κl，如在光学厚情况下则利用下式求得发射率：
ε＝1-e(-κl)
式中，l为火焰厚度。发射率随波长分布如图4。
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述；各实施例采用递进的方式描述，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。
1.一种基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：利用光谱仪获得待测生物质火焰光谱辐射强度，输出光谱仪测量范围内相应火焰波长与光谱辐射强度，假设沿测量方向火焰辐射源项均匀分布，可以得到：
式中，i为辐射强度，h为光谱辐射源项，λ为波长，t为温度，l为火焰厚度；
步骤2：根据瑞利近似假设，将光谱辐射源项表示为：
式中，κ为吸收系数，fv为烟黑颗粒体积分数，ib为黑体辐射强度，c1＝3.741832×108w·μm4/m2，为第一辐射常数，c2＝1.4388×104μm·k，为第二辐射常数；
发射率ε与吸收系数κ有如下关系：
ε＝1-e(-κl)；
步骤3：选取中间波段的波长λmid和辐射源项hmid作为初值，假定一个初始温度，所述初始温度不低于800k，将波长λmid和辐射源项hmid作为初值求解相邻波段λmid-1和λmid 1相对应的hmid-1和hmid 1，并继续求解相邻波段的辐射源项，并逐步求解整个波段的辐射源项，进而得到整个波段的辐射强度曲线；
步骤4：以相对残差的1范数评估两条辐射强度曲线的偏差：
式中，imeasure为测量的辐射强度值，ical为计算的辐射强度值；
步骤5：重复步骤3与步骤4，更新温度值，逐步提高计算精度直到偏差小于设定值，将收敛的温度视为温度的测量结果，根据中间波长λmid和辐射源项hmid计算烟黑颗粒体积分数fv，进而得到吸收系数，再根据吸收系数得到发射率。
2.根据权利要求1所述的基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法，其特征在于，所述步骤2中的吸收系数用下式表示：
3.根据权利要求1所述的基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法，其特征在于，所述步骤3中的相邻波段的辐射源项由以下过程得到：
相邻两个波长对应辐射源项相除，可以得到下式：
式中，e(m)为碳烟光学常数的函数，
已知一个波长的辐射源项，则相邻波长辐射源项可以表示为：
4.根据权利要求1所述的基于瑞利近似测量生物质火焰温度和发射率的方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括以下子步骤：
步骤5.1，重复3与4步骤，更新温度值，逐步提高计算精度直到偏差小于设定值；
步骤5.2，将收敛温度视为所测温度，由下式计算碳烟颗粒体积分数：
步骤5.3，由碳烟颗粒体积分数计算吸收系数：
步骤5.4，由吸收系数计算发射率；
如在光学薄情况下则可直接求出发射率为κl，如在光学厚情况下则利用下式求得发射率：
ε＝1-e(-κl)；
式中，l为火焰厚度。
技术总结