本发明涉及火焰温度和发射率分布测量方法，特别是涉及一种辐射谱线测量火焰温度和发射率的方法，属于火焰光谱分析技术领域。
背景技术：
辐射传热是热量传递的三种主要方式之一，随着温度的升高，辐射传热的作用显著增强，因而基于辐射的温度测量技术是一种重要的测温手段，尤其是对燃烧火焰这类高温、动态、对扰动敏感，近距离测量难以实现的对象，辐射测温技术有明显的优势。辐射能量是温度和发射率的函数，通过光谱检测设备可以很容易地得到待测火焰的辐射谱线，测量得到的辐射谱线通常包含一定的噪声，而现有的基于辐射谱线实施的测温方法均较易受到测量噪声的干扰，所以发展一种基于发射谱线可靠地给出温度和发射率分布的测量方法具有重大的实际意义。
技术实现要素：
为了克服现有基于辐射谱线的测温方法抗噪性能较差的不足，本发明提供了一种基于辐射谱线测量碳氢发烟火焰温度和发射率的方法，该方法能够基于辐射谱线有效地给出碳氢发烟火焰的温度和发射率随波长的分布。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于辐射谱线测量碳氢发烟火焰温度和发射率的方法，该方法包括如下步骤：
1)利用光谱检测设备获得待测火焰辐射谱线，输出测量范围内的设备响应值及相应火焰不同波长的辐射强度；
2)设定可能的温度上下限(碳氢火焰温度一般低于4000k，可直接设定初始温度范围为0k至4000k)，从温度下限开始，以100k为步长增加温度，遍历设定的温度范围；
3)对于步骤2)中每一个温度值，以谱线中间波长处辐射强度为计算起始点，分别向长波和短波区域计算辐射强度，计算波长区域与检测谱线相同，每一波长下的辐射强度按照以下公式(ⅰ)计算：
式中，i(λ1)为计算起始点辐射强度，λ1为计算起始点处波长，λ2为待计算辐射强度处波长，t为温度，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，e(m)是烟黑复折射率m的函数；
4)对于步骤3)中拟合得到的每一条辐射谱线，计算该条谱线与测量谱线的总偏差，用以下公式(ⅱ)评估两条谱线的接近程度：
式中，n为辐射谱线的总波长数，αi为第i个波长下归一化后的光谱检测设备响应值，引入这一参数是为了减小设备响应值较低波段下可靠性较低的辐射强度对于计算结果的影响，ical,i和imea,i分别是拟合谱线和实际测量谱线在第i个波长下的辐射强度；
5)确定步骤4)中与测量谱线最接近的谱线所对应的温度值，即为100k步长精度下的最佳温度；
6)围绕步骤5)中得到的最佳温度，缩小温度上下限及步长，重复上述过程，找到更高精度下的最佳温度，缩小后的温度上下限需至少覆盖步骤2)中的两个步长；
7)不断缩小温度上下限及步长，提高计算精度，直到得到需求精度下的最佳温度；
8)依据最佳温度拟合得到的辐射谱线，计算所有测量波长处的发射率分布；
9)将得到的最佳温度和随波长变化的发射率分布视为火焰温度和发射率的测量结果。
本发明提供的方法能够根据待测碳氢发烟火焰辐射谱线得到待测火焰的温度和随波长变化的发射率分布，抗噪性能好，结果可靠。
附图说明
图1为本发明方法的总体流程图。
图2为计算实例的仪器响应值和相应的辐射谱线。
图3为实测辐射谱线及1600k、1700k、1800k、1900k拟合的辐射谱线。
图4为0k至4000k，100k的步长，拟合辐射谱线总偏差。
图5为1600k至1800k，10k的步长，拟合辐射谱线总偏差。
图6为1740k至1760k，1k的步长，拟合辐射谱线总偏差。
图7为需求精度设为小数点后三位小数时的计算结果。
具体实施方式
图1为本发明方法的总体流程图，该方法首先利用光谱检测设备获得待测火焰辐射谱线，输出光谱检测设备测量范围内的响应值及相应火焰不同波长的辐射强度；在设定的温度范围和步长下，以中间波长下的辐射强度为计算起始点，逆向拟合相同波长范围内的辐射谱线，确定谱线与测量辐射谱线最接近的温度值；不断缩小温度范围和温度步长，不断提高最佳温度的精度，需求精度条件下的最佳精度和发射率分布即为输出结果，具体实施过程如下：
一、辐射谱线的逆向拟合
由维恩定律可知，辐射强度的计算公式为：
式中，ε为发射率，随波长λ变化而变化，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，t为待测温度。不考虑散射的条件下，发射率可以由视线上火焰内部的吸收系数计算得到，依据瑞利近似，上述公式(ⅲ)可以进一步改写为：
式中，fv是烟黑颗粒体积分数，e(m)是烟黑复折射率m的函数，对于碳氢火焰，可以由以下的经验公式(ⅴ)计算：
n＝1.811 0.1263lnλ 0.027ln2λ 0.0417ln3λ
κ＝0.5821 0.1213lnλ 0.2309ln2λ 0.00011ln3λ
对于同一条谱线，谱线对应的烟黑颗粒体积分数分布是固定的：
因此，已知一个波段下的辐射强度i(λ1)和温度t，另一波段λ2的辐射强度i(λ2)可以由以下公式(ⅰ)计算得到：
以谱线中间波长处辐射强度为计算起始点，分别向长波和短波区域计算辐射强度，计算波长区域与检测谱线相同，一个温度值即可拟合出一条辐射谱线。
二、辐射谱线接近程度的评估
对于上述过程得到的辐射谱线，本方法采用相对误差绝对值的加权和来进行与实测谱线接近程度的评估。光谱检测设备在不同波段测量数据的可靠性不同，因此，本方法将光谱检测设备响应值归一化后作为评估的权重，以此来减少设备响应值较低波段下可靠性较低的辐射强度对于计算结果的影响，也是增大设备响应值较高波段下可靠性较高的辐射强度对于结果的作用。评估以相对误差绝对值的加权和为标准，采用公式(ⅱ)计算：
式中，n为辐射谱线的总波长数，αi为第i个波长下归一化后的光谱检测设备响应值，ical,i和imea,i分别是拟合谱线和实际测量谱线在第i个波长下的辐射强度。
三、实施例
采用光谱仪测量同轴层流扩散火焰某一条辐射谱线，火焰由194ml/min乙烯及284l/min空气非预混燃烧生成，燃烧器燃料喷口内径为10.9mm，氧化剂在燃料喷口周围喷出，喷口为与燃料喷口同心的圆环，氧化剂喷口内径为88.6mm。测量火焰高度10.5mm，径向位置2.3mm处的辐射谱线，以该辐射谱线为计算实例。
图2给出了光谱仪的响应值及标定后的辐射谱线。采用本发明的方法，首先设定温度范围为0k至4000k，步长为100k，从0k开始，以100k为步长，遍历设定的温度范围共41个温度值(0k、100k、200k、300k、400k、500k、600k、700k、800k、900k、1000k、1100k、1200k、1300k、1400k、1500k、1600k、1700k、1800k、1900k、2000k、2100k、2200k、2300k、2400k、2500k、2600k、2700k、2800k、2900k、3000k、3100k、3200k、3300k、3400k、3500k、3600k、3700k、3800k、3900k、4000k)。辐射谱线共在998个波段测量辐射强度，去除其中无意义的负值，中间波段位于第500个波段595.87nm处，以1600k、1700k、1800k以及1900k四个温度为例，图3给出了依据这四个温度拟合得到的辐射谱线，可以看出1700k和1800k拟合曲线明显与测量谱线更接近。图4给出了这41个温度下拟合辐射谱线依据公式(ⅱ)计算的总偏差。有些温度下拟合谱线中出现复数，这样的谱线不会实际存在，本方法将此时的总偏差直接赋值为归一化后的仪器响应值绝对值的总和，即认为每个波长下辐射强度的相对误差均为100％，这也是为什么图4的曲线左端出现了总偏差相同的情况。由图4可知，在这个精度下，最佳温度为1700k，即完成一次搜寻计算。围绕1700k进行更高精度的计算，设定温度范围为1600k至1800k，步长为10k，共21个温度值(1600k、1610k、1620k、1630k、1640k、1650k、1660k、1670k、1680k、1690k、1700k、1710k、1720k、1730k、1740k、1750k、1760k、1770k、1780k、1790k、1800k)，这21个温度值拟合辐射谱线的总偏差如图5所示，此时的最佳温度为1750k。进一步缩小温度范围为1740k至1760k，步长缩小至1k，共21个温度值(1740k、1741k、1742k、1743k、1744k、1745k、1746k、1747k、1748k、1749k、1750k、1751k、1752k、1753k、1754k、1755k、1756k、1757k、1758k、1759k、1760k)，由图6可知，此时的最佳温度为1746k。重复上述过程，在需求精度为小数点后3位小数的条件下，可以得出最佳温度为1745.795k。此时拟合得到的谱线和对应的发射率分布如图7所示。
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。
1.一种基于辐射谱线测量碳氢发烟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：
1)利用光谱检测设备获得待测火焰辐射谱线，输出测量范围内的设备响应值及相应火焰不同波长的辐射强度；
2)设定可能的温度上下限，从温度下限开始，以100k为步长增加温度，遍历设定的温度范围；
3)对于步骤2)中每一个温度值，以谱线中间波长处辐射强度为计算起始点，分别向长波和短波区域计算辐射强度，计算波长区域与检测谱线相同；
4)对于步骤3)中拟合得到的每一条辐射谱线，计算并评估该条谱线与测量谱线的接近程度；
5)步骤4)中与测量谱线最接近的谱线对应的温度值确定为100k步长精度下的最佳温度；
6)围绕步骤5)中得到的最佳温度，缩小温度上下限及步长，重复上述过程，找到更高精度下的最佳温度，缩小后的温度上下限需至少覆盖上述步骤2)中的两个步长；
7)不断缩小温度上下限及步长，提高计算精度，直到得到需求精度下的最佳温度；
8)依据最佳温度拟合得到的辐射谱线，计算所有测量波长下的发射率分布；
9)将得到的最佳温度和随波长变化的发射率分布视为火焰温度和发射率的测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于辐射谱线测量碳氢发烟火焰温度和发射率的方法，其特征在于：所述步骤3)中每一波长下的辐射强度按照公式(ⅰ)计算：
式中，i(λ1)为计算起始点辐射强度，λ1为计算起始点处波长，λ2为待计算辐射强度处波长，t为温度，c1为第一辐射常数，c2为第二辐射常数，e(m)是烟黑复折射率m的函数。
3.根据权利要求1或2所述的基于辐射谱线测量碳氢发烟火焰温度和发射率的方法，其特征在于：所述步骤4)中两条谱线的接近程度用公式(ⅱ)评估：
式中，n为辐射谱线的总波长数，αi为第i个波长下归一化后的光谱检测设备响应值，ical,i和imea,i分别是拟合谱线和实际测量谱线在第i个波长下的辐射强度。
技术总结