太阳辐射对管道表面发射率测量影响分析

吴国忠，李宏佳，吕 妍，齐晗兵, 李 栋



太阳辐射对管道表面发射率测量影响分析

吴国忠1，李宏佳1，吕 妍2，齐晗兵1, 李 栋1

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆 163318）

发射率是影响管道表面散热损失一个重要物理量，其测量过程受环境影响较大，其中，太阳辐射是影响发射率测量结果的一个重要因素。本文从红外热像仪测温原理着手，根据表面辐射传输原理给出了管道表面发射率与辐射能量之间的关系，修正了测量管道表面发射率的方法，通过实验研究了太阳辐射对管道表面发射率测量的影响。结果表明太阳辐射对管道表面发射率测量影响较大，其测量偏差超过25%。

管道表面；发射率；红外热像仪；太阳辐射

0 引言

近年来随着经济的快速发展，管道作为一种方便快捷运输工具被广泛的应用在石油化工领域。然而，各类管道散热损失占能源消耗的比例越来越大[1]，造成了巨大的经济损失。通过红外热像仪可以快速测量管道表面散热量[2-3]，但其表面发射率是影响散热量测量的主要参数[4-5]。管道表面发射率与其表面材料组分有关，还与表面物理状态、表面光滑程度、温度等因素有关，因此获取表面发射率的精确值对测量各类管道表面散热量具有重要的意义。

国内外众多学者针对发射率测量问题做出了大量的工作。例如，白敬晨等[6]修订了红外热像仪原理中双参考体方法计算模型，研究发现该方法可以获得比较准确的发射率测量结果。张澎等[7]通过标准黑体对红外热像仪进行标定，可以在一定程度上消除热像仪的系统误差。张彤等[8]建立了目标辐射物体的计算方法，开展了铝板和碳纳米管的红外光谱发射率测试实验。Hui[9]等提出了在高温动态加热条件状态下材料发射率测量技术，测量了钢和石墨的发射率。Campo[10]等指出了发射率的测量与辐射波长、样品温度和发射角有关，此外还与表面光洁度和氧化程度有关联。齐宏等[11]基于不透明材料波段法向发射率的方法，设计了一套测量装置，进行了测量装置的不确定性分析。刘华等[12]根据红外发射率计算公式，搭建了测量毫米级非均匀粗糙表面发射率的实验装置，测量结果表明发射率的不确定度为2.11%。魏薇等[13]设计一套测量金属材料表面发射率的装置，通过加热炉对被测物体进行加热，研究出金属表面氧化程度与发射率的关系。宋健等[14]建立了测量发射率的理论模型，研究了热辐射环温度的变化对发射率测量结果的影响，研究得出当热辐射环温度与被测物体温度差值很大时，其影响可以忽略不计。刘连伟等[15]提出通过消除环境辐射对物体表面发射率测量的影响，来提高测量的准确性。然而，国内外学者在发射率测量中多数未考虑太阳辐射对其带来的影响，从而对其在野外测量带来了一定的限制。

本文建立了发射率理论模型，主要应用红外热像仪对管道外表面发射率进行相关实验测量，并开展了太阳辐射环境下的管道表面发射率实验研究，分析了太阳辐射对管道表面发射率测量过程中存在的影响，该发射率测试方法不仅仅适用于管道，对于其他物体也同样适用，本文主要针对管道表面发射率的测量进行了研究。

1 实验方法

1.1 测量原理

测量仪器（红外热像仪）接收到管道表面有效辐射包括3个部分：管道表面自身辐射，管道外表面对周围环境反射辐射和大气辐射。

管道表面的辐射亮度：

＝b(0)＋b(u)＝b(0)＋(1－)b(u) (1)

式中：b(0)为管道外表面光谱辐射亮度；b(u)为反射环境光谱辐射亮度；为管道表面发射率；0为管道表面温度；为管道表面吸收率；u为环境温度；为表面反射率。

作用于热像仪的辐射照度为：

＝0－2[ab(0)＋a(1－)b(u)＋ab(a)] (2)

热像仪通常工作在2～5mm和8～13mm两个波段，探测器在范围波段上入射了辐射能，并把辐射能转化为一个与能量值成正比的电信号值。照射在探测器上的某波段的辐射功率为：

＝×R(3)

式中：R为热像仪整体透镜的面积。

与辐射功率对应的信号强度电压为[16]：

s＝{a[(0)＋(1－)(u)]＋a(a)} (4)

式中：s为电压强度信号；为常量；a为大气的发射率；为表面吸收率；0为管道表面温度；u为反射环境温度；a为大气温度。

根据普朗克辐射定律，将公式(4)进行变换推导可得公式[16]：

式中：0¢为热像仪测量管道表面温度。

将式(5)进行变形得公式[17]：

式(6)为管道表面真实温度的计算公式，由公式可以看出，管道表面真实温度与表面发射率有关，当发射率为1时，我们认为管道表面为黑体。当表面发射率小于1时，随着发射率取值不同，计算出的真实温度值就不同，发射率取的值越小，计算得出的真实温度值就越大。

由灰体表面真实温度的计算公式(6)可得[17]：

公式(7)中发射率与热像仪测量的温度、外表面的真实温度、大气温度值、环境温度值、大气透射率有关。当在室内或近距离测量时，大气透射率的值取为1，环境温度与大气温度取值相等。

本文运用测量管道表面发射率的方法如下：

将热像仪的发射率设置不同的值，用热像仪对被测物体表面温度进行多次测量。将(7)进行变换可得[17]：

令＝()，对公式(10)进行变换拟合可得，＝＋。最终通过变换可得出发射率的计算公式[17]：

使用不同波段热像仪，的取值不同，在2～5mm时，＝9.2554；在8～13mm时，＝3.9889。0为热电偶测量管道表面目标点的温度值；室内测量时，a取值为1，大气温度与反射环境温度也近似相等即a＝u；将热像仪发射率设置多组不同值，测出相应的0¢，利用Matlab将测得0、a、refl、0¢进行曲线拟合，得出值，带入公式(9)可得出。

1.2 实验装置

图1为测量发射率实验装置图。实验装置图由被测目标物体、测温装置、数据采集系统、光源系统组成。被测目标物体为长1m、直径0.4m镀锌铁皮管道，里面注满常温水，通过电加热器对管道内部的水进行加热。测温装置包括型号为Therma-CAM S65红外热像仪和T热电偶，热像仪中热像图上面不同的颜色代表被测物体不同温度。数据采集系统包括数据采集仪和计算机，热电偶连接到采集仪实时记录被测物体目标点的温度，最终传输至计算机中。光源系统为TRM-PD人工太阳模拟器，人工太阳模拟器核心部件是氙灯，氙灯的光照强度为200～1200W/m2，其光谱波段范围与室外太阳光波段基本吻合，因此氙灯光线可模拟太阳光以实现室内太阳光的实验工作。

图1 测量发射率实验装置

测量步骤如下：

①开启电加热器，给镀锌铁皮管道加热，加热温度调节为26℃。

②将热电偶安置在镀锌铁皮外表面某目标点处，待热电偶稳定时读取数据采集仪记录的数据。

③根据获取发射率的实验方法，开启热像仪，需要对热像仪的测试距离和角度进行调整，测试距离为1.5m，倾斜角度为30℃即可。分别设定热像仪发射率为0.2、0.4、0.6、0.8，得出无太阳辐射时，热像仪测量镀锌铁皮外表面目标点的温度值。

④打开太阳辐射器，调节辐射器中氙灯相关实验参数，调节氙灯辐射发光面积0.5m×0.2m，被测物体表面距离光源1.6m，氙灯的光照强度为800W/m2,对准铁皮表面进行辐射照射，20min后，分别记录下数据采集仪和热像仪测出目标点的温度值。

⑤最后分别计算出无太阳辐射和有太阳辐射情况下被测物体表面发射率值。

2 实验结果及分析

图2、图3分别为热像仪发射率设置为0.2、0.4、0.6、0.8时无太阳辐射和有太阳辐射红外热像图，表1为管道表面发射率测量结果。

图2 无太阳辐射时热像仪测温热像图

图3 有太阳辐射时热像仪测温热像图

由图2与图3可知，随着红外热像仪设置的发射率增加，热像仪测量镀锌铁皮外表面目标点处的温度值减小。图2中镀锌铁皮外表面温度分布均匀，温度波动范围小，热像仪测量时精确度较高。由图3中目标物体颜色分布可知，太阳辐射器垂直照射在镀锌铁皮外表面，太阳辐射给被测目标物体外表面带来一定的温度变化，因此热像图中温度分布不均匀，部分区域有明显差别，给热像仪测温的精确性带来一定影响。

如表1所示，与参考发射率相比，无人工太阳辐射时，计算发射率的误差值为8.3%，有人工太阳辐射时，计算发射率的误差值为26%。结果表明，利用传统发射率的数学模型求解镀锌铁皮管道外表面发射率会带来一定误差，特别是在有人工太阳辐射时，计算出发射率的误差偏大。

太阳辐射给热像仪测温带来一定误差影响，由于太阳辐射器的照射，造成目标物体的升温将叠加在测量设备（热像仪）的稳定升温上，从而影响测温的准确性，计算得出的发射率误差值变大。

3 结束语

本文从红外热成像理论基本公式入手，推导出管道外表面发射率的计算公式，获取一种管道外表面发射率的测量方法。通过传统测量发射率的计算模型，分别计算出无太阳辐射和有太阳辐射时镀锌铁皮管道发射率值，计算结果表明管道外表面发射率偏差超过25%，并分析了热像仪在有太阳辐射测温时带来的实验偏差。

表1 管道表面发射率测量结果

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Effect of Solar Radiation on Emissivity Measurement of Pipeline Surface

WU Guozhong1，LI Hongjia1，LV Yan2，QI Hanbing1，LI Dong1

(1. Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Information Technology Center, Daqing Petrochemical Company, Daqing 163318, China)

The emissivity is an important physical quantity which affects the heat loss of the pipeline surface and the measurement process is greatly influenced by the environment. The solar radiation is one of the important factors that affect the result of emissivity measurement. Based on the principle of infrared thermal imaging temperature measurement, the relationship between pipeline surface emissivity and radiation energy is given according to the principle of surface radiation transmission. Method for measuring surface emissivity of pipeline is corrected. The influence of solar radiation on the surface emissivity of the pipeline is studied. The results show that the solar radiation has a great influence on the surface emissivity of the pipeline and the measuring deviation is more than 25%.

pipeline surface，emissivity，infrared thermal imager，solar radiation

TN215

A

1001-8891(2016)11-0980-04

2016-04-04；

2016-07-26.

吴国忠（1961-），男，教授，博士生导师，研究方向：辐射测量技术。

齐晗兵（1975-）男，教授，现主要从事埋地管道泄漏检测及三元废水处理等方向的研究工作。E-mail：lidonglvyan@126.com。

国家自然科学基金项目（51274071）；中国石油科技创新基金研究项目（2015D-5006-0605）。