專利名稱：金屬平板表面溫度標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷軋金屬板帶熱處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及在金屬板帶的熱處理工藝中，用于標(biāo)定光潔無氧化金屬平板表面溫度的方法，該方法可應(yīng)用于冷軋金屬熱處理生產(chǎn)線，以及使用光潔表面金屬平板進(jìn)行實驗研究和產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著各產(chǎn)業(yè)對高質(zhì)量產(chǎn)品的需求不斷增加，金屬平板熱處理的工藝要求也越來越嚴(yán)格。在熱處理過程中，為了得到一定機(jī)械性能和良好表面特性的金屬平板產(chǎn)品，需要將金屬平板精確的加熱或冷卻到特定工藝溫度點(或溫度區(qū)間內(nèi))，以保障金屬平板的機(jī)械性能或表面質(zhì)量在產(chǎn)品所要求的范圍內(nèi)。因此，我們需要保證儀表測得的金屬平板表面溫度的準(zhǔn)確性。在連續(xù)性生產(chǎn)機(jī)組中，由于物料在連續(xù)運(yùn)動中，無法對金屬平板表面溫度進(jìn)行接觸式測量，因此非接觸式測量方式，如紅外線成像等，就成了主要的在線測量手段。然而非接觸測量方式受很多因素的干擾，如紅外熱像儀溫度測量的準(zhǔn)確性受被測物體表面的發(fā)射率、環(huán)境溫度、大氣溫度、大氣衰減率、太陽輻射等的影響，其中發(fā)射率的影響最為突出，直接進(jìn)行測量的結(jié)果往往不準(zhǔn)確。因此，我們需要在離線狀態(tài)下，先用接觸式的測量方式，對非接觸式溫度儀表需要準(zhǔn)確測量的溫度區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定，即通過接觸式溫度儀表直接測量一組被測物質(zhì)表面的溫度，作為基準(zhǔn)值，測算出該物質(zhì)表面的實際發(fā)射率，從而保證該非接觸儀表測量同樣的金屬物質(zhì)表面溫度時的準(zhǔn)確性。物質(zhì)表面的發(fā)射率不僅取決于物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)，同時還取決于物質(zhì)表面的物理狀態(tài)、光滑程度等，這些因素使得發(fā)射率的測量很復(fù)雜，而發(fā)射率數(shù)值的準(zhǔn)確直接影響紅外測溫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以如何確定被測物體表面的發(fā)射率已成為紅外熱像測溫技術(shù)中的一個主要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單、方便，能準(zhǔn)確地對金屬平板表面溫度進(jìn)行標(biāo)定的方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，
該方法以恒溫浴介質(zhì)作為加熱源，加熱被測金屬平板的一面，并且在此面安裝多個直接接觸式熱敏元件測量被測金屬平板的溫度；在被測金屬平板的另外一面則用非接觸式的測溫儀器測量被測金屬平板表面溫度；
根據(jù)紅外測溫儀器的測溫原理史蒂芬-波爾茲曼定律，測算出被測金屬平板的表面發(fā)射率；其中史蒂芬-波爾茲曼定律為黑體的輻射能量W與其溫度T的關(guān)系為W= e * O *T4，式中，波爾茲曼常數(shù)O =5. 67X 10_8W/m2. K4，T為被測物體的絕對溫度，單位為K ； e為被測物體表面發(fā)射率。
按上述方案，所述的方法的具體步驟為
第一步確定需要測量的金屬平板的溫度范圍，根據(jù)溫度范圍確定標(biāo)定的溫度區(qū)間，制作金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)以及確定金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)的恒溫浴介質(zhì)；
所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)由恒溫浴裝置和溫度測量裝置組成，所述的恒溫浴裝置包括恒溫浴箱，所述的恒溫浴箱由底板和壁面組成，所述的壁面由恒溫浴箱本體壁面和由被測金屬平板做的一個壁面組成，所述的恒溫浴箱內(nèi)置有恒溫浴介質(zhì)，所述的恒溫浴箱還包括有對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行加熱的加熱元件；所述的溫度測量裝置包括非接觸式的測溫儀和直接接觸式的熱敏元件，所述的直接接觸式的熱敏元件置于恒溫浴箱內(nèi)，并安設(shè)在被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上；所述的非接觸式的測溫儀安設(shè)在被測金屬平板外側(cè)的測量黑箱的觀測孔上，并與平板保持適合測量的距離；
第二步將恒溫浴介質(zhì)加熱到被測金屬平板需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的某一設(shè)定溫度值；第三步對金屬平板溫度進(jìn)行測量，并計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率；
第四步不斷的重復(fù)上述第二步和第三步，得出需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的各個標(biāo)定點的溫度值對應(yīng)的被測金屬平板表面發(fā)射率。按上述方案，第一步中確定標(biāo)定的溫度區(qū)間的具體步驟為在需要測量的金屬平板的溫度范圍內(nèi)每隔2(noo°c選一個標(biāo)定點，保證標(biāo)定點的間隔大于儀表測量誤差的4 5倍。按上述方案，當(dāng)標(biāo)定溫度區(qū)間位于金屬發(fā)生表面氧化的溫度區(qū)域時，將金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)置于充滿保護(hù)氣體的密閉空間內(nèi)進(jìn)行測量。按上述方案，第二步中將恒溫浴介質(zhì)加熱是從低溫向高溫逐漸進(jìn)行加熱，升溫速率< 1°C /分鐘；當(dāng)恒溫浴介質(zhì)加熱到設(shè)定溫度點后，保持30min以上的溫度恒定，
并在溫度恒定期間內(nèi)不斷檢測恒溫浴介質(zhì)測溫元件的讀數(shù)跳動，當(dāng)恒溫浴介質(zhì)測溫元件的讀數(shù)跳動幅度不高于恒溫浴介質(zhì)測溫元件的測量精度時，認(rèn)定為恒溫浴介質(zhì)的溫度恒定，可進(jìn)行第三步操作。按上述方案，所述的恒溫浴裝置還包括有對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行攪拌的攪拌器；
所述的溫度測量裝置還包括用于監(jiān)測恒溫浴介質(zhì)溫度的恒溫浴介質(zhì)測溫元件；
在恒溫浴介質(zhì)被加熱元件加熱的過程中，攪拌器對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行攪拌，以使整個恒溫浴介質(zhì)的溫度均勻；
所述的加熱元件為燃?xì)饧訜嵩?或電加熱元件。按上述方案，第三步中對金屬平板溫度進(jìn)行測量的具體步驟為
(1)先將被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面劃分為若干區(qū)域，區(qū)域數(shù)量為4個或4個以上；將多個直接接觸式的熱敏元件安設(shè)在被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上，并使直接接觸式的熱敏元件置于每個區(qū)域的中心；將一臺或一臺以上的非接觸式的測溫儀安設(shè)在被測金屬平板的外側(cè)；
(2)直接接觸式的熱敏元件和非接觸式的測溫儀(初始設(shè)定的發(fā)射率e^根據(jù)金屬材料查手冊得到)依次對每個區(qū)域進(jìn)行溫度測量，并記錄兩種儀表各自的測量值T1, T0 ；
第三步中計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率的具體步驟為
(I)根據(jù)公式S1* T14= Ttl4,依次計算出每個區(qū)域的被測金屬平板表面的真實表面發(fā)射率eI;
(2)剔除明顯的被測金屬平板表面的發(fā)射率壞值、然后求按各測量區(qū)域面積求加權(quán)平均值，加權(quán)平均值即為被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個溫度標(biāo)定點的表面發(fā)射率。(3)對該標(biāo)定溫度區(qū)間的表面發(fā)射率進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，通常采用線性回歸或二次回歸法。(注由于表面發(fā)射率往往不是恒定值，而是與材料的溫度存在某種函數(shù)關(guān)系，因此需要用回歸法來找出這種規(guī)律。)
按上述方案，在被測金屬平板的外側(cè)安設(shè)帶觀測孔的測量黑箱，測量黑箱通過金屬板密封裝置密封安設(shè)在被測金屬平板上，所述的非接觸式的測溫儀安設(shè)在測量黑箱的觀測孔上；
在測量黑箱內(nèi)部，接近被測金屬平板處，沿橫向和縱向方向安設(shè)直徑在Imm以下的標(biāo)記用金屬絲。按上述方案，所述的恒溫浴箱本體壁面上包覆有保溫材料；
所述的恒溫浴箱本體壁面的材質(zhì)與被測金屬平板的材質(zhì)一樣或者化學(xué)成分靠近。按上述方案，所述的被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有直接接觸式的熱敏元件的安裝孔，直接接觸式的熱敏元件直接插入安裝孔中；
所述的恒溫浴箱還包括有帶排氣孔的蓋子。為保證被測金屬平板5表面的發(fā)射率e不會隨著金屬平板表面狀態(tài)發(fā)生較大的變化，因此本發(fā)明僅限于光潔表面的金屬平板?？紤]到被測金屬平板5在高溫下的表面氧化問題，在進(jìn)行溫度標(biāo)定時，盡可能在不會發(fā)生明顯表面氧化的溫度范圍內(nèi)，或者將該系統(tǒng)置于充滿還原性氣體的密閉容器內(nèi)進(jìn)行溫度標(biāo)定。氧化的金屬平板表面或有涂鍍層的金屬平板表面，由于發(fā)射率與表面氧化/涂鍍層有關(guān)，測得的值不可靠，故不在本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的有益效果在于1、該方法簡單、方便實現(xiàn)。2、采用非接觸式的測溫儀和直接接觸式的熱敏元件對測溫，測溫結(jié)果準(zhǔn)確可靠。3、能準(zhǔn)確測算出被測金屬平板表面的發(fā)射率，以保證被測金屬平板表面的測溫準(zhǔn)確。4、該方法所用的金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)維護(hù)容易、經(jīng)濟(jì)性好，特別適合在實驗室和連續(xù)式生產(chǎn)工廠中推廣使用。


圖I是本發(fā)明金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是直接接觸式的熱敏元件在被測金屬平板內(nèi)側(cè)面上的分布示意圖。圖3是直接接觸式的熱敏元件在厚的被測金屬平板截面上的安裝示意圖。圖4是多臺紅外溫度測量儀與測量黑箱的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是單臺紅外溫度測量儀對被測金屬平板進(jìn)行溫度測量的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.測量黑箱；2.紅外溫度測量儀觀測孔；3.多孔介質(zhì)材料；4.紅外溫度測量儀；5.被測金屬平板；6.恒溫浴介質(zhì)；7.加熱元件；8.恒溫浴箱；9.恒溫浴介質(zhì)測溫元件；10.被測金屬平板測溫元件；11.攪拌器；12.安裝孔；13.金屬板密封裝置；14.金屬絲；15.觀測孔盲板；16.觀測孔。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實施例。
一種金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，該方法以恒溫浴介質(zhì)作為加熱源，加熱被測金屬平板的一面，并且在此面安裝多個直接接觸式熱敏元件測量被測金屬平板的溫度；在被測金屬平板的另外一面則用非接觸式的測溫儀器測量被測金屬平板表面溫度；
根據(jù)紅外測溫儀器的測溫原理史蒂芬-波爾茲曼定律，測算出被測金屬平板的表面發(fā)射率；其中史蒂芬-波爾茲曼定律為黑體的輻射能量W與其溫度T的關(guān)系為W= e * O *T4，式中，波爾茲曼常數(shù)O =5. 67X 10_8W/m2. K4，T為被測物體的絕對溫度，單位為K ； e為被測物體表面發(fā)射率?！N金屬平板表面溫度標(biāo)定方法的具體步驟為
第一步確定需要測量的金屬平板的溫度范圍，根據(jù)溫度范圍 確定標(biāo)定的溫度區(qū)間，制作金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)以及確定金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)的恒溫浴介質(zhì)；
根據(jù)生產(chǎn)機(jī)組或者實驗研究的物料溫度區(qū)間，確定需要測量的金屬平板的溫度范圍；確定標(biāo)定的溫度區(qū)間的具體步驟為在需要測量的金屬平板的溫度范圍內(nèi)，每隔2(T10(TC選一個標(biāo)定點；一般為每隔2(T50°C選一個標(biāo)定點，對于精度要求不高，且需要標(biāo)定的溫度范圍比較大的，可以隔100°C選一點，保證標(biāo)定點的間隔大于儀表測量誤差的4 5倍即可；
參見圖I至圖5，所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)，它由恒溫浴裝置和溫度測量裝置組成，所述的恒溫浴裝置包括恒溫浴箱8，所述的恒溫浴箱8由底板和壁面組成，所述的壁面由恒溫浴箱本體壁面和由被測金屬平板5做的一個壁面組成，所述的恒溫浴箱8內(nèi)置有恒溫浴介質(zhì)6，所述的恒溫浴箱8還包括有對恒溫浴介質(zhì)6進(jìn)行加熱的加熱元件7 ;所述的溫度測量裝置包括非接觸式的測溫儀和直接接觸式的熱敏元件，所述的直接接觸式的熱敏元件置于恒溫浴箱8內(nèi)，并安設(shè)在被測金屬平板5的內(nèi)側(cè)面上；在被測金屬平板5的外側(cè)安設(shè)帶觀測孔16的測量黑箱1，測量黑箱I通過金屬板密封裝置13密封安設(shè)在被測金屬平板5上，所述的非接觸式的紅外溫度測量儀4安設(shè)在測量黑箱I上；所述的恒溫浴裝置還包括有對恒溫浴介質(zhì)6進(jìn)行攪拌的攪拌器11，以保證恒溫浴介質(zhì)6的溫度均勻；所述的溫度測量裝置還包括用于監(jiān)測恒溫浴介質(zhì)6溫度的恒溫浴介質(zhì)測溫元件9 ；
所述的恒溫浴介質(zhì)6為水、非揮發(fā)性油、細(xì)沙、非揮發(fā)性鹽或鉛中的一種，通常情況下水浴溫度范圍0-100°C，油浴溫度范圍100-260°C，沙浴溫度400-600°C，鉛浴溫度350-1740°C。鹽浴溫度范圍與采用的金屬鹽有關(guān)，通常使用的金屬鹽有用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋇、硝酸鈉、硝酸鉀等。硝酸鹽在高溫下容易分解，最高溫度均不超過580°C，其中硝酸鈉最高工作溫度不超過380°C，硝酸鉀的最高工作溫度不超過400°C ;而氯鹽化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，氯化鈉的工作溫度為85(Tll00°C，氯化鉀為80(Tl000°C，氯化鋇為75(Tl350°C。因此，本發(fā)明可標(biāo)定的溫度范圍廣，在金屬平板表面不發(fā)生物理和化學(xué)變化的情況下，可標(biāo)定0-1500°C范圍內(nèi)的溫度點。第二步將恒溫浴介質(zhì)6加熱到被測金屬平板5需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的某一設(shè)定溫度值；
將恒溫浴介質(zhì)6加熱是從低溫向高溫逐漸進(jìn)行加熱，升溫速率< rc /分鐘；當(dāng)恒溫浴介質(zhì)6加熱到設(shè)定溫度點后，保持30min以上的溫度恒定，
并在溫度恒定期間內(nèi)不斷檢測恒溫浴介質(zhì)測溫元件9的讀數(shù)跳動，當(dāng)恒溫浴介質(zhì)測溫元件9的讀數(shù)跳動幅度不高于恒溫浴介質(zhì)測溫元件9的測量精度時，認(rèn)定為恒溫浴介質(zhì)6的溫度恒定，方可進(jìn)行第三步操作；
在恒溫浴介質(zhì)6被加熱元件7加熱的過程中，攪拌器11對恒溫浴介質(zhì)6進(jìn)行攪拌，以使整個恒溫浴介質(zhì)6的溫度均勻；
所述的加熱元件7為燃?xì)饧訜嵩?或電加熱元件；當(dāng)恒溫浴介質(zhì)6為導(dǎo)電體，則加熱元件7采用電加熱元件，在采用電加熱方式時應(yīng)使用陶瓷或石英絕緣套管。當(dāng)加熱溫度低于400°C，所需求的加熱功率較小，燃?xì)饧訜犭y以精確控制時，采用電加熱方式，以便較好的控制加熱功率；當(dāng)加熱溫度高于1000°C時，電加熱方式的電加熱體的材質(zhì)耐受程度大大降低，而燃?xì)饧訜嵊懈玫男?，因此采用燃?xì)饧訜岱绞?，即加熱元?為燃?xì)饧訜嵩划?dāng)加熱溫度為400-1000°C時，電加熱方式和燃?xì)饧訜岱绞骄?。第三步對金屬平板溫度進(jìn)行測量，并 計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率；
對金屬平板溫度進(jìn)行測量的具體步驟為
(I)先將被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面劃分為若干區(qū)域，區(qū)域數(shù)量為4個或4個以上；將多個直接接觸式的熱敏元件安設(shè)在被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上，并使直接接觸式的熱敏元件置于每個區(qū)域的中心；將一臺或一臺以上的非接觸式的測溫儀安設(shè)在被測金屬平板的外側(cè)；
(2)直接接觸式的熱敏測溫元件和非接觸式的測溫儀依次對每個區(qū)域進(jìn)行溫度測量，并記錄兩種儀表各自的測量值；
計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率的具體步驟
為
(1)根據(jù)公式E1*T14= e o* Ttl4,因此有E1=Etl* (T0/ T1)4,依次計算出每個區(qū)域的被測金屬平板表面的發(fā)射率；式中e ^為紅外溫度測量儀4的初始的發(fā)射率值(通過查物性參數(shù)表求得的被測金屬平板的初始發(fā)射率)，T1為直接接觸式的熱敏元件測得的溫度值(即被測金屬平板的真實溫度)，T0為非接觸式紅外測溫儀測得的金屬平板表面的溫度 山為紅外溫度測量儀測得溫度為T1時的被測金屬平板表面的實際發(fā)射率；
(2)剔除明顯的被測金屬平板表面的發(fā)射率壞值，然后求加權(quán)平均值(權(quán)重為該區(qū)域的面積百分比，當(dāng)所有區(qū)域面積相同時，可直接求平均值)，加權(quán)平均值即為被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率；
(3)對該標(biāo)定溫度區(qū)域的表面發(fā)射率進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，通常采用線性回歸或二次回歸法。注由于通常表面發(fā)射率不是恒定值，而是與材料溫度存在函數(shù)關(guān)系，因此需要用回歸法來找出這種規(guī)律。第四步不斷的重復(fù)上述第二步和第三步，得出需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的各個標(biāo)定點的溫度值的被測金屬平板表面發(fā)射率。從而，我們得到該區(qū)域經(jīng)過溫度標(biāo)定后的可供紅外溫度測量儀進(jìn)行準(zhǔn)確測量的發(fā)射率值e !(或與溫度的函數(shù)關(guān)系)(注e i是被測金屬平板的實際發(fā)射率)。得到整個溫度區(qū)間內(nèi)金屬平板5隨溫度變化的表面發(fā)射率(與表面加工狀態(tài)有關(guān)的真實發(fā)射率),此發(fā)射率可用于同類型號的紅外測溫儀表在連續(xù)式生產(chǎn)線上對同類金屬物料的溫度測量(注不同廠家或型號的紅外測溫儀在鏡片、紅外線感測元件、信號轉(zhuǎn)換模塊上有差別，因此通過本發(fā)明的方法測得的發(fā)射率值不可混用)。由于金屬平板表面進(jìn)行紅外熱輻射原理的溫度測量時，其表面發(fā)射率應(yīng)當(dāng)盡量穩(wěn)定，以保證測量到的溫度盡可能準(zhǔn)確，因此在進(jìn)行標(biāo)定時，必須保證金屬表面不發(fā)生明顯氧化(如純鐵、鋼、銅)，或者在標(biāo)定之前的常溫狀態(tài)下已完全氧化(如鋁及鋁合金)。若需要測量的溫度區(qū)間跨度大，會導(dǎo)致金屬平板在空氣+高溫環(huán)境下發(fā)生表面氧化這一過程，則需要在發(fā)生氧化的溫度區(qū)間內(nèi)將金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)置于充滿保護(hù)氣體的密閉空間內(nèi)進(jìn)行測量。
本實施例中，恒溫浴箱8在制作時，直接將被測金屬平板5作為它的一個壁面，使得被測金屬平板5的溫度盡可能接近恒溫浴介質(zhì)6的溫度?？紤]到加熱膨脹時恒溫浴箱8與被測金屬平板5的膨脹量需要一致，以減少熱變形和材料的熱應(yīng)力，因此恒溫浴箱本體壁面的材質(zhì)盡可能與被測金屬平板5的材質(zhì)相同，或者化學(xué)成分靠近(對于鋼、鋁合金、銅合金等這種合金材料來說)。為了保證恒溫浴介質(zhì)6的溫度恒定，需要在恒溫浴箱8本體壁面上包覆保溫材料。為確保恒溫浴介質(zhì)6的溫度準(zhǔn)確，對恒溫浴介質(zhì)6進(jìn)行溫度監(jiān)測的恒溫浴介質(zhì)測溫元件9為測溫?zé)犭娕蓟驘犭娮?根據(jù)溫度量程和精度要求選擇具體品種型號)。當(dāng)恒溫浴介質(zhì)6為揮發(fā)性介質(zhì)或有毒的介質(zhì)時，應(yīng)在恒溫浴箱8上設(shè)帶排氣孔的蓋子，并對排出的氣體進(jìn)行室外排廢或其它安全處理。若恒溫浴介質(zhì)6選用水、沙或者無毒無揮發(fā)性的油時，可將恒溫浴箱8做成頂部敞開的形式。本實施例中，所述的被測金屬平板測溫元件10可采用熱電偶或熱電阻，所述的測溫元件10有多個。被測金屬平板測溫元件10的數(shù)量與被測金屬平板5的面積有關(guān)，但其數(shù)量最好不少于4個，可均勻分布在被測金屬平板5內(nèi)側(cè)面上。當(dāng)被測金屬平板5的厚度較大時，由于截面方向熱阻較大，往往會在兩個表面產(chǎn)生不可忽略的溫差，因此需要在被測金屬平板5上，沿徑向方向(厚度方向)鉆出安設(shè)被測金屬平板測溫元件10或測溫電阻的安裝孔12，將測量被測金屬平板被測金屬平板測溫元件10直接插入安裝孔12中。一般要保證被測金屬平板5內(nèi)外兩側(cè)溫差不大于被測金屬平板測溫元件10的測溫精度。將被測金屬平板測溫元件10的探頭插入安裝孔12中，要保證兩側(cè)溫差不大于測溫元件被測金屬平板測溫元件的測溫精度，因此被測金屬平板測溫元件10端部與被測金屬平板5另外一面的最大厚度d_，需要由被測金屬平板測溫元件10的測溫精度At以及被測金屬平板5的導(dǎo)熱率k來計算獲得，假設(shè)被測金屬平板5面積相對其厚度足夠大(本測量實驗中平板的長、寬均不小于其厚度的100倍)，溫度恒定時的被測金屬平板5對外部空間的散熱量為q，被測金屬平板面積為A，根據(jù)無限大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論(注傳熱學(xué)教材中廣泛采用的稱呼)，cLx=q/(A*k*At)。關(guān)于被測金屬平板5對外部空間的散熱量q的估算方法，見本說明正文后半部分內(nèi)容。本實施例中，所述的非接觸式的測溫儀為紅外溫度測量儀4，所述的紅外溫度測量儀4有一臺或一臺以上。在被測金屬平板5的外側(cè)安設(shè)由多孔介質(zhì)材料3制成的測量黑箱I的目的是為了保證紅外溫度測量儀4測溫準(zhǔn)確。由于紅外溫度測量儀4的視野范圍有限，一臺測量儀可能無法覆蓋整個被測金屬平板5的表面區(qū)域，因此在測量黑箱I上開多個觀測孔16，架設(shè)多臺紅外溫度測量儀4同時進(jìn)行測量，參見圖4。當(dāng)僅有一臺紅外溫度測量儀4時，可采取圖5的方式，每次測量時，先用觀測孔盲板15封閉暫時不用的觀測孔16，以避免外部空間對熱成像造成影響，然后在同一穩(wěn)定的測量狀態(tài)下，用同一臺紅外溫度測量儀4分次測量，再將每次的熱成像照片進(jìn)行拼接，為了拼接圖像的方便，需要在金屬平板5或者熱成像照片上做標(biāo)記，但是普通的標(biāo)記無法在紅外熱成像照片上面投影，因此需要在測量黑箱I內(nèi)部，貼近被測金屬平板5處，沿橫向和縱向拉上數(shù)根細(xì)的金屬絲14(一般選用直徑在Imm以下的細(xì)鋼絲)，由于金屬絲14的溫度比被測金屬平板5的溫度低，會在紅外照片上形成一道細(xì)長的暗色線條，作為照片拼接的標(biāo)記線。本發(fā)明采用水/油/鹽/沙/鉛浴作為金屬平板的恒溫?zé)嵩?，按照需要?biāo)定的曲線，使金屬平板整體均勻的加熱到特定的溫度點，在特定溫度點下，以直接接觸金屬平板的測溫?zé)犭娕蓟驕y溫電阻所測得的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，對非接觸式的紅外溫度測量儀表的測量值進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證金屬平板的溫度測量準(zhǔn)確、可靠。本發(fā)明中，測量黑箱是為了避免環(huán)境中的紅外線對測量造成影響，因此將被測金屬平板與紅外溫度測量儀之間遮蔽起來的箱體，箱體內(nèi)壁盡量選用表面發(fā)射率接近I的材料(發(fā)射率值在0. 8以上即可)。
由于紅外測溫儀器的測溫原理基于史蒂芬-波爾茲曼定律，它給出的黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系為W=e*o*T4。式中，波爾茲曼常數(shù)o=5.67X10_8W/m2.K4;T為被測物體的絕對溫度，單位為K ; e為被測物體表面發(fā)射率。紅外溫度測量儀器依靠光學(xué)元件將紅外線聚焦在紅外探測器上，并通過探測器接收到的紅外線能量轉(zhuǎn)換成電信號，從而來確定被測物體的溫度高低。本金屬平板溫度標(biāo)定正是基于這一理論，在設(shè)定的環(huán)境條件下，用已知溫度的金屬平板，校正非接觸式溫度測量儀表(通常為紅外溫度測量儀)，得到該金屬平板表面的真實發(fā)射率e，從而保證同樣儀器在測量同種表面狀態(tài)的金屬時可以得出準(zhǔn)確可靠的表面溫度，以滿足實驗或在線生產(chǎn)的測量精度要求。由于每個區(qū)域的溫度偏差，以及儀器測量的偏差，需要對每個測量區(qū)域都進(jìn)行如此的測量、標(biāo)定，然后將各區(qū)域標(biāo)定后的發(fā)射率e :剔除明顯的壞值，求加權(quán)平均值(權(quán)重為該區(qū)域的面積百分比，當(dāng)所有區(qū)域面積相同時，可直接求平均值)，并進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，得到較準(zhǔn)確的被測物體的發(fā)射率值(或函數(shù))。本發(fā)明中“對金屬平板表面溫度進(jìn)行標(biāo)定”是指在先離線狀態(tài)下，用接觸式的測量方式，對非接觸式溫度儀表需要準(zhǔn)確測量的溫度區(qū)間進(jìn)行標(biāo)定，即通過接觸式溫度儀表直接測量一組被測物質(zhì)表面的溫度，作為基準(zhǔn)值，測算出該物質(zhì)表面的實際發(fā)射率，從而保證該非接觸儀表在線測量同樣的金屬物質(zhì)表面溫度時的準(zhǔn)確性。溫度恒定時的金屬平板5對外部空間的散熱量為q由下面的公式來估算
帶鋼表面的散熱量，以自然對流傳熱和輻射傳熱的方式進(jìn)行。綜合傳熱系數(shù)由輻射傳
熱系數(shù)和自然對流傳熱系數(shù)組成，即 散熱量3 = -(h-W
其中帶鋼的綜合傳熱系數(shù)az的理論計算如下
輻射傳熱的傳熱系數(shù)
=_(fol273}4]/( }(5. I)
100 100
式中，a; 一輻射傳熱系數(shù)，W/m2. 0C ； e 一表面發(fā)射率，取值0. 18 ；
C0 一系數(shù)，取值 5. 67ff/m2. K4 ；一金屬平板表面溫度(可近似的取恒溫浴溫度)，0C ； & 一環(huán)境溫度，V
帶鋼表面的對流傳熱以自然對流傳熱的方式進(jìn)行，垂直平板的自然對流傳熱的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 該方法以恒溫浴介質(zhì)作為加熱源，加熱被測金屬平板的一面，并且在此面安裝多個直接接觸式熱敏元件測量被測金屬平板的溫度；在被測金屬平板的另外一面則用非接觸式的測溫儀器測量被測金屬平板表面溫度； 根據(jù)紅外測溫儀器的測溫原理史蒂芬-波爾茲曼定律，測算出被測金屬平板的表面發(fā)射率；其中史蒂芬-波爾茲曼定律為黑體的輻射能量W與其溫度T的關(guān)系為W= e *0 *T4，式中，波爾茲曼常數(shù)0 =5. 67X 10_8W/m2. K4，T為被測物體的絕對溫度，單位為K ； e為被測物體表面發(fā)射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于具體步驟為 第一步確定需要測量的金屬平板的溫度范圍，根據(jù)溫度范圍確定標(biāo)定的溫度區(qū)間，制作金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)以及確定金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)的恒溫浴介質(zhì)； 所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)由恒溫浴裝置和溫度測量裝置組成，所述的恒溫浴裝置包括恒溫浴箱，所述的恒溫浴箱由底板和壁面組成，所述的壁面由恒溫浴箱本體壁面和由被測金屬平板做的一個壁面組成，所述的恒溫浴箱內(nèi)置有恒溫浴介質(zhì)，所述的恒溫浴箱還包括有對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行加熱的加熱元件；所述的溫度測量裝置包括非接觸式的測溫儀和直接接觸式的熱敏元件，所述的直接接觸式的熱敏元件置于恒溫浴箱內(nèi)，并安設(shè)在被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上；所述的非接觸式的測溫儀安設(shè)在被測金屬平板的外側(cè)； 第二步將恒溫浴介質(zhì)加熱到被測金屬平板需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的某個標(biāo)定點的溫度值； 第三步對金屬平板溫度進(jìn)行測量，并計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某一設(shè)定溫度值的表面發(fā)射率； 第四步不斷的重復(fù)上述第二步和第三步，得出需要標(biāo)定的溫度區(qū)間的各個標(biāo)定點的溫度值的對應(yīng)的被測金屬平板表面發(fā)射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于第一步中確定標(biāo)定的溫度區(qū)間的具體步驟為在需要測量的金屬平板的溫度范圍內(nèi)每隔2(T10(TC選一個標(biāo)定點，保證標(biāo)定點的間隔大于儀表測量誤差的4飛倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于當(dāng)標(biāo)定溫度區(qū)間位于金屬發(fā)生表面氧化的溫度區(qū)域時，將金屬平板表面溫度標(biāo)定系統(tǒng)置于充滿保護(hù)氣體的密閉空間內(nèi)進(jìn)行測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 第二步中將恒溫浴介質(zhì)加熱是從低溫向高溫逐漸進(jìn)行加熱，升溫速率< 1°C /分鐘；當(dāng)恒溫浴介質(zhì)加熱到設(shè)定溫度點后，保持30min以上的溫度恒定， 并在溫度恒定期間內(nèi)不斷檢測恒溫浴介質(zhì)測溫元件的讀數(shù)跳動，當(dāng)恒溫浴介質(zhì)測溫元件的讀數(shù)跳動幅度不高于恒溫浴介質(zhì)測溫元件的測量精度時，認(rèn)定為恒溫浴介質(zhì)的溫度恒定，可進(jìn)行第三步操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 所述的恒溫浴裝置還包括有對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行攪拌的攪拌器； 所述的溫度測量裝置還包括用于監(jiān)測恒溫浴介質(zhì)溫度的恒溫浴介質(zhì)測溫元件； 在恒溫浴介質(zhì)被加熱元件加熱的過程中，攪拌器對恒溫浴介質(zhì)進(jìn)行攪拌，以使整個恒溫浴介質(zhì)的溫度均勻； 所述的加熱元件為燃?xì)饧訜嵩?或電加熱元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 第三步中對金屬平板溫度進(jìn)行測量的具體步驟為 (1)先將被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面劃分為若干區(qū)域，區(qū)域數(shù)量為4個或4個以上；將多個直接接觸式的熱敏元件安設(shè)在被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上，并使直接接觸式的熱敏元件置于 每個區(qū)域的中心；將一臺或一臺以上的非接觸式的測溫儀安設(shè)在被測金屬平板的外側(cè)； (2)直接接觸式的熱敏元件和非接觸式的測溫儀依次對每個區(qū)域進(jìn)行溫度測量，并記錄兩種儀表各自的測量值； 第三步中計算出被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個標(biāo)定點的溫度值的表面發(fā)射率的具體步驟為 (1)根據(jù)公式S1*T14= Ttl4,依次計算出每個區(qū)域的被測金屬平板表面的發(fā)射率； (2)剔除明顯的被測金屬平板表面的發(fā)射率壞值、然后求按各測量區(qū)域面積求加權(quán)平均值，加權(quán)平均值即為被測金屬平板對應(yīng)于第二步中某個溫度標(biāo)定點的表面發(fā)射率 (3)對該標(biāo)定溫度區(qū)間的表面發(fā)射率進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，通常采用線性回歸或二次回歸法。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 在被測金屬平板的外側(cè)安設(shè)帶觀測孔的測量黑箱，測量黑箱通過金屬板密封裝置密封安設(shè)在被測金屬平板上，所述的非接觸式的測溫儀安設(shè)在測量黑箱的觀測孔上； 在測量黑箱內(nèi)部，接近被測金屬平板處，沿橫向和縱向方向安設(shè)直徑在Imm以下的標(biāo)記用金屬絲。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 所述的恒溫浴箱本體壁面上包覆有保溫材料； 所述的恒溫浴箱本體壁面的材質(zhì)與被測金屬平板的材質(zhì)一樣或者化學(xué)成分靠近。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，其特征在于 所述的被測金屬平板的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有直接接觸式的熱敏元件的安裝孔，直接接觸式的熱敏元件直接插入安裝孔中； 所述的恒溫浴箱還包括有帶排氣孔的蓋子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬平板表面溫度標(biāo)定方法，該方法以恒溫浴介質(zhì)作為加熱源，加熱被測金屬平板的一面，并且在此面安裝多個直接接觸式熱敏元件測量被測金屬平板的溫度；在被測金屬平板的另外一面則用非接觸式的測溫儀器測量被測金屬平板表面溫度；根據(jù)紅外測溫儀器的測溫原理史蒂芬-波爾茲曼定律，測算出被測金屬平板的表面發(fā)射率；其中史蒂芬-波爾茲曼定律為黑體的輻射能量W與其溫度T的關(guān)系為W=ε*σ*T4，式中，波爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10-8W/m2.K4，T為被測物體的絕對溫度，單位為K，ε為被測物體表面發(fā)射率。該方法簡單、方便實現(xiàn)；且能準(zhǔn)確測算出被測金屬平板表面的發(fā)射率，以保證被測金屬平板表面的測溫準(zhǔn)確。
文檔編號G01J5/00GK102620836SQ20121009520
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者伍成波, 廖慧 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司