一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法与流程

本发明涉及冶金
技术领域：
，特别涉及一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法，可在合理设置红外测温设备参数的前提下，预先进行数据处理工作并结合现场实测数据，实现对测试结果的修正。
背景技术：
：温度测量在冶金过程中是非常重要的因素。金属冶炼的过程中，一些重要的化学反应需要在特定的温度条件下才能进行；钢渣界面反应也需要合适的温度才能具备合适的动力学条件；在金属热处理的过程中，组织相变也需要特定的温度。因此，在这些过程中测量准确的温度值是成败的关键。在实际生产中，主要存在接触式和非接触式两类测温方法。接触式测温主要是采用各类热电偶，通过实体接触取得目标的温度。这种测温方式直接而精准，在冶金过程中被广泛采用。但这种方式存在一定的缺点：第一，在需要密集测温的情况下测温速度较慢；第二，每次测温如果需要人工操作的话带有一定的危险性，例如炉外精炼测温需要停止给电起弧；第三，对于高温固体，采用热电偶测试时需要将其焊接在固体表面，否则测温不准；第四，高温测温通常采用一次性热电偶，每次测温需要产生一定的消耗，较大密度测量时这种消耗更高；更换新的热电偶也会消耗工时。非接触式红外测温可对一些温度很高的区域、流动的钢水等目标进行远距离测量；使用方便、安全、快捷，目前在冶金领域已经有一定的应用。其主要原理是通过测量目标自身的辐射能量，根据对接收到的电磁波的波长、能量强度进行统计和计算，得出目标的表面温度。电磁波其辐射强度波长、温度有关，如式1。式中：Mλ为单位面积黑体的辐射功率；λ为波长；T为绝对温度：C1为第一辐射常数；C2为第二辐射常数。非接触式红外测温仪按不同的原理可分为：全辐射式测温仪、部分辐射式测温仪、双色测温仪。1)全辐射测温仪又称辐射感温仪，利用辐射总量的大小来判断物体的温度。接收元件一般是热探测器，如电热堆。这种方式机构简单，但灵敏度低，受发射率影响大。由于不同物体的总发射率不同，即使是同温度的物体必须引入不同的修正。但因为实际目标的发射率常常难以确定，加上烟尘、热空气波动等环境因素影响，修正难度较大。2)部分辐射式测温仪又称亮度式测温仪，是选取某一波段的辐射功率大小来判断目标的温度，又称单色测温仪。其接收元件一般是光电探测器，如硅光电池；接收的波段是选择的，其特点是灵敏度高，但由于是根据接收辐射能量的大小来判别目标的温度，仍然受单色发射率和环境因素的影响。对测温距离、目标大小有严格要求，通常工作在短波区，适合测量高温。3)双色测温仪又称比色测温，可以减少发射率和烟尘、水汽、距离变化及物体局部被遮挡等因素的影响。它不是根据直接接收到的物体热辐射能量的大小来判别温度，而是分别接收物体红外辐射中两个相邻波段的能量，并求其比，再根据这个比值的大小来确定物体的温度。只要物体的温度相同，两相邻波段辐射能量的比值基本保持不变；如果物体温度发生变化，则比值相应发生变化。因此采用红外双色测温，一般可不进行发射率修正。但测温时应当选择合适的工作波长，若波长选择不合适，测量误差会变大；而且两个波段的测量是分开的，信号处理速度不快，相应时间长，对运动和温度变化快的高温物体误差很大。且因设备测温及内部构造的缘故，设备体积会很大，携带不便。非接触式红外测温仪按不同的测温方法可分为：点式测温、面扫描测温。点式测温仪能测目标表面某一点的温度，面扫描测温仪能测试一个面的温度。便携式的点式测温仪和面扫描测温仪通常应用单色测温，受发射率和环境因素影响较大。对面扫描而言，测量过大的物体精度也很差。综上所述，非接触式红外测温存在的误差因测温原理不同而有所不同，主要归纳为以下几点：第一，单色测温受发射率、工作波长、测温距离、环境温度、粉尘、水汽等条件的影响；第二，双色测温受工作波长的选择、响应时间(目标的运动状态、目标的温度稳定性)等条件的影响；第三，点式测温所受的影响因测温原理而异，如果应用单色测温原理，还受测温角度的影响(辐射率与测试角度有关)；第四，面扫描测温还受目标尺寸大小影响，因为测试目标过大或者过小都会受到背景辐射能量的影响，通常保证测试目标尺寸超过视场大小的50％为佳，且保持1m远的测量距离。以上的红外测温装置存在的误差因为应用的方式的原因难以消除，在钢铁厂测试铸造钢锭这种高温环境中，测试误差非常的大。如某特钢公司拥有模铸平台4座，一个平台可同时浇注2～6只钢锭。模铸车间采用移动浇铸车进行4个平台的依次连续浇注作业。因浇注制度及保温制度的原因，钢锭锭身存在大量的缺陷，这些缺陷等级和类型在探伤或轧制之后才能得知。该公司采用非接触式红外测温监控铸锭温度。该公司G156.8t四方钢锭锭模表面的实际温度与采用单色原理的红外测温枪和红外热像测量温度如表1所示。表1.某厂钢锭测量温度对比可以看出，尽管在测试之前依据目标的材质和距离调整了发射率，但2种红外测温设备测得的值与热电偶测出的真实值仍然有较大的差距，甚至两种测温设备之间也存在明显的误差。热像仪受环境影响较大，误差最高超过200℃，红外测温枪在高温下误差略小于热像仪，较低温度下与热像仪误差基本相同。且这些数据的规律混乱，需要采用特殊方法修正。优化装置内部的算法、改善光波的接收装置、开发新的比色测温仪等方式被认为是提高测试精度的有效方法。但目前市场上并未出现一种使用方便，可以在钢厂高温环境下同时测试高中温物体，精度较高且不用固定安装的红外测温设备；说明这方面的应用并没有工业化，可能存在一些技术难题。中国专利申请“红外测温方法和红外测温系统”(申请号：201110036109.7)。主要通过自动可变双波长红外检测装置测试目标的2种波长，通过带入计算得到给定波长下目标的辐射强度和被目标温度之间的对应曲线，获取较高精度的测量温度。但后续的报道显示，发明者利用该专利制造出的设备不能在高温环境下使用。中国专利申请“红外线高温测温装置及方法”(申请号：201010512667.1)。该装置和方法可测试各种真空或有惰性气体保护的超高温设备的温度，但该专利并没有提到能否在其非真空设备上使用。中国专利申请“红外测温方法及装置”(申请号：201310653761.2)。其主要是在设备元件的配置上有一定优化，高温环境下仍然存在较大的误差。针对已存在的红外装置进行校准的方法也存在一些专利。如中国专利申请“一种红外测温实时校准的方法及装置”(申请号：200610072947.9)。主要是通过设置一个与被测物体相同的恒温源，通过测试恒温源的实际温度与目标红外温度，实现校准的目的。但实际上该方式并未提及是否对连续变温的高温目标适用，对恶劣环境是否能克服。中国专利申请“一种红外测温在线自校准装置及其方法”(申请号：200710031427.8)。这方法主要是在设备内部设置黑体和光路反射镜等部件，实时校准测试温度，可便携在野外使用。但同样，不能适用于高温目标及恶劣环境。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法，以克服红外测温设备在高温、粉尘区域使用时难以测得较为准确温度的问题。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法，包括以下步骤：1)外部模型设置：1.1)使热电偶偶头接触被测目标；1.2)在测试现场的测试角度范围内和测试距离范围内设置若干个测试位置；2)红外数据测量：设置红外测温设备的发射率，按照步骤1.2)设置的测试位置测试被测目标的温度；同时，热电偶进行同步测温；3)计算公式建立与修正：3.1)函数模型建立计算公式的系数和乘数的取值；计算公式为：y＝a+bx+cx2……Nxn-1；x＝j1x1+j2x2+j3x3……jixi；其中，y表示最终修正得到的温度；n表示级数；xi为函数变量，表示涉及到的因素；ji表示函数标量的系数，i为因素的个数；a、b、c……N表示n>1时，每一级系数的变化乘数；所述因素为距离L、角度α、锭模厚度D中的一种或多种及固定的红外温度ta；然后确认级数n后，将公式变形，合并函数的系数j1、j2、j3……ji和变化乘数a、b、c……N，形成新的拟合公式模型：基于合并后的公式模型，对步骤2)测量得到的若干组热电偶和红外测温设备温度数据，采用SPSS软件进行回归分析：以热电偶测温数据为因变量y，确认公式模型的系数，修正红外温度；3.2)函数稳定性测试：采用得到的计算公式转换红外温度为修正温度，分析修正温度与热电偶温度之间的偏移情况；如果偏移程度超过限定误差，则依据误差变化调整公式的长度和系数的初始取值；如仍不满足则返回步骤2)进行逻辑筛查，然后重新回归计算系数取值；直到建立的回归公式完全满足限定误差的要求；3.3)函数精确性测试：对该环境下，红外测温设备测定的任意数据进行修正，对比修正数据与热电偶温度的偏移情况，调整公式的系数，直至获得精确的修正公式完全满足限定误差和随机验证的要求；4)在测试现场采用同种红外测温设备对目标进行红外测温，通过步骤3.3)获得的修正公式对测温温度进行修改正，获得真实的目标温度。进一步的，步骤3.1)中，对3因素，n的取值为2；当因素大于3时，n的取值为3。进一步的，步骤1.1)中如果目标为金属，将热电偶焊接在目标之上，热电偶延长端做温度补偿；如目标无法使用电焊，将偶头浅埋入目标表面，并用钢丝束缚反向固定。进一步的，步骤1.2)中测试角度范围为30～90°；测试距离范围为1～10m；步骤2)中测温时采用固定支架固定红外测温设备。进一步的，步骤2)中外测温设备测完完成后，进行逻辑筛查，选出不合理的数据重新测量。进一步的，3因素，N＝1时，y＝a+bx1+cx2+dx3，式中最多有4个可赋予系数的单元(此处的a、b、c…为合并后的系数)。进一步的，3因素，N＝2时，y＝a+bx1+cx2+dx3+ex12+fx22+gx32+hx1x3+ix1x2+jx2x3+(kx1x2x3)，式中最多有11个可赋予系数的单元。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)采用本发明修正过的温度数据与实际温度的误差：60％以上的温度点误差<3％，其余的温度点误差<5％。(2)针对同一种材质的测温目标和红外测温设备，只需要进行一次修正，并可用该种修正方法针对该设备测出的该材质的温度进行修正。(3)本发明可对连续变温的目标进行测量修正，所能修正的温度区间大、适宜修正恶劣条件环境条件下测得的数据。(4)本发明适合修正多种红外测温设备所测量的值，包括且不限于手持式测温设备(单色)、固定安装的红外感温器、双色红外测温仪等。如设备不能满足高温复杂环境下的测试，也可以利用本发明得到该环境下较为精确的值。(5)超大型的目标温度采用本发明修正，具有明显优势。除了针对固体目标的测量，也可针对溶液、烟气等目标的测量。附图说明图1为目标为钢锭模时红外测温修正方法的示意图。图2为实际温度测试的示意图。图3为spss软件对公式1进行线性回归得出的结果示意图。具体实施方式本发明提出了一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法，对复杂测温坏境、不适应高温测量的设备测得的数据进行修正，修正后接近目标的真实温度。在具体实施过程中，要根据设备类型、目标尺寸、温度区间等因素，对相关参数和测温条件适当调整。参考
发明内容和图1，本发明实施主要是针对拟修正的目标或者与拟修正目标同材质同测温条件的代替品进行。以测温距离、测温角度、红外温度为自素变量，采用红外测温设备测试因素变量持续变化时的目标温度。参考图2，测试真温度时采用检测合格的S型电偶或K型热电偶。请参阅图1及图2所示，本发明一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法，包括以下步骤：1、外部模型设置与热电偶测温：1)根据温度不同采用对应测温范围的热电偶；如1200度以下，可采用K型热电偶；1500度以上采用S型热电偶。2)使热电偶偶头接触被测目标：锯开热电偶保护管3前端(如果有保护管)，采用点焊将热电偶裸露的偶头焊接在目标表面(金属物体)；如对无机非金属目标可将偶头浅埋入目标表面(挖浅坑)，并用钢丝束缚热电偶保护管，反向固定。3)热电偶温度补偿，采用恒温冰桶4；冰桶放置在安全区域。4)热电偶测试的温度可采用电脑软件直接读取；也可采用人工读数，温度波动在±2℃时读数。5)大尺寸目标，用粉笔或锉刀在目标上进行标记，保证点测温设备每次测试同一个点。6)根据现场或实验室情况标注距离和角度，距离通常1～10m，与目标的测试角度90°、60°、30°；7)在每个角度的距离上，标注红外设备放置的位置(红外设备采取支架固定，降低手持产生的误差)。2、红外测温。1)调整发射率，对照参数表，设置与测试目标材质一致或者接近目标材质的真实发射率；对焦之后尽量不移动设备。2)如测试目标尺寸巨大，面测温设备分镜测试，切分摄入部位时在目标上选择合理参照点，可在热像照片上分清楚目标切分部位。3)在不同距离和角度测量，点测温红外设备，应保证温度波动低于±5℃，面测温设备应保证图像无虚影且采用垂直90°测温。3、函数式建立与修正。1)数据归纳：同一个真温度下，以测温距离、测温角度为自变量，形成一组目标温度数据，数据组应尽量多、精确；2)数据逻辑筛查：两类数据进行组内对比和相互对比，分析温度数据在距离、角度变化时的起伏规律，如有不符合规律的数据进行标记，然后重新测量该红外温度。3)系数的回归计算：采用SPSS软件初次计算公式的系数，观测公式的R2值及系数的相关程度；当这两者过高时，可调整系数的初次取值和公式的长度；然后确定公式的初次系数取值。4)函数稳定性测试：对比采用函数修正后的温度与热电偶温度的偏移情况，可设定5％的偏移上限；如果偏移程度超过限定误差，则优先调整回归方程的长度(增加或舍弃式中的某个单元素)和系数的初始取值，如重修回归计算再无法满足趋势要求，则根据规律重新进行逻辑筛查，重新核实该部分数据，同时可简化数据组；直到建立的修正函数完全满足稳定性要求。3)函数精确性测试：采用修正函数修正红外测温设备在任意距离、角度和真实温度的条件下测得的红外温度(例如点测温设备在距离3.2m、角度35°、大于800度的高温区测试；面测温设备角度90°，其他两者任意)，对比修正数据与真实温度的偏移情况，修正公式系数及乘数，直至获得精确的修正公式。以下是给出的实施例只是部分的例子，本发明不限于这些实施例。实施例：某特钢厂6.8t钢锭的锭模表面温度测量(1)基本情况：采用浇钢车浇注G156.8t钢锭，一盘6枚。需要得知注模过程和冷却过程中，铸模温度的变化情况，以确认钢锭凝固状态并为数值模拟提供相应参数。测量点数多、时间紧且环境恶劣，宜采用非接触式测温。采用3i2mSc/C2型红外测温枪测定的温度如表2所示。表2、红外测温枪和红外热像仪测定的6.8t钢锭锭模表面温度(2)应用方式实际上采用热电偶人工测量得到的锭模温度区间在100～200℃。因此通过建立数据链，拟合模型得到修正之后的温度如表4和表5所示。对比2者修正后的变化然后计算2者的偏差。(3)应用过程1)模型建立和温度测定在相同的钢锭上随机选2～3个择测量点位(数量按照需求选取，但所包含的测温范围应大于将要修正的数据)，其他条件不变，记录随时间变化每个点位的变量值。变量有测量角度(rad)、距离，分别用红外测温枪和红外热像仪测量温度。原始数据如表3所示，数据为126组，未全部列出数据；每组都采用红外测温枪测温，其中42组采用红外热像仪测温(角度垂直)。限定误差，60％以上的温度点误差<3％，其余的温度点误差<5％。表3.热电偶在相同钢锭上测得的原始数据在spss软件中，输入以上表3的数据，同时输入对应的红外测温值和热电偶真实测温值，如表3.1。红外热像仪的变量中没有角度，如表3.2。表3.1在spss中输入的红外测温枪数据AngleDistanceTestTempTrueTemp11.571.00711.00446.0021.571.00651.00384.0031.571.00593.00350.0041.571.00555.00335.0051.571.00516.00297.0061.571.00471.00255.0071.572.00709.00446.0081.572.00651.00384.0091.572.00597.00350.00表3.2在spss中输入的红外热像仪数据2)红外测温枪温度修正公式的建立影响变量有角度和距离，自变量有红外测温枪的温度，目标量为真温度。n未知，N＝a、b、c，j＝3，公式表示为：y＝a+bx+cx2……Nxn-1，x＝j1x1+j2x2+j1x3；其中：y表示最终修正得到的温度；n表示级数；xi为函数变量，表示涉及到的因素；ji表示函数标量的系数，i为因素的个数；a、b、c……N表示n>1时，每一级系数的变化乘数；所述因素为距离L、角度α、锭模厚度D中的一种或多种及固定的红外温度ta；当n＝2时，y＝a+bj1x1+bj2x2+bj1x3；当n＝3时，y＝a+bj1x1+bj2x2+bj1x3+c(j1x1+j2x2+j1x3)2。以上排列可以简化为：y＝a+bx1+cx2+dx3(式1)y＝a+bx1+cx2+dx3+ex12+fx22+gx32+hx1x3+ix1x2+jx2x3+(kx1x2x3)(式2)公式1为线性关系，进入spss软件，对公式1进行线性回归。得出的结果如图3，上表中sig.值为极小，说明数据列之间相关极显著；F值为345，通过检验；拟合公式如下：y＝-144.1-11.725x1-10.118x2+0.897x3(式3)输入excel进行验证，式3的误差如表3.3所示。很明显未达到限定误差的目标。表3.33)红外测温枪温度修正公式的长度及系数取值调整公式3的误差很高，不能满足预设的误差要求，因此采用公式2进行计算。但公式2很长，满足要求的公式未必涵盖所有的分项。进入spss软件，对公式2进行非线性回归，误差如表3.4所示。表3.4发现误差变得更高，因此多次调整公式的长度和取值发现，始终存在较高的绝对误差。其中两次调整后的误差如表3.5和表3.6所示所示。表35表3.64)热枪修正公式稳定性测试因此可能存在部分数值测量不准确，返回表3内进行逻辑筛查。筛查发现无论公式长度如何调整、参数取值如何变化，其中4对数据的误差一直很大，因此返回去重新测量；发现这几对数据测量不准确，将这4对数据重新修正。修正之后，使用spss重复上文3)的工作，计算出拟合公式为：y＝-180.975+10.751x1+74.148x2+0.932x3-81.191x1x2-0.202x1x3-0.038x3x2+0.085x1x2x3+61.908x12-2.207x22(式4)得出的误差如表3.7所示，拟合公式4的精确度不能完全满足误差设定的要求，存在5％的误差。对公式4的系数取值进行一定的调整，重新采用软件对公式4进行修正得到公式5。y＝-172.324+4.61x1+72.166x2+0.921x3-79.341x1x2-0.194x1x3-0.035x3x2+0.082x1x2x3+61.663x12-2.25x22(式5)表3.7如表3.7所示，拟合公式5的精确度能满足误差设定的要求，64％的修正数据绝对误差在3％以内，最大绝对误差不超过5％。修正后红外测温枪测定的钢锭模表面温度如表4所示。表4.修正后的红外测温枪测定的6.8t钢锭模表面温度5)红外热像仪温度修正公式的长度及系数取值调整按照以上同样的方法，修正表3中的数据。y＝a+bx1+cx2(式5)y＝a+bx1+cx2+dx12+ex22+gx1x2(式6)按照线性函数式5进行计算，得到y＝a+8.902x1+0.556x2，误差统计如表3.8所示。不符合设定偏差，因此采用式6，进行非线性拟合。表3.86)红外热像仪温度修正公式的稳定性测试经过多次拟合，调整系数及公式长度，得到拟合公式7，如下：y＝93.637-1.751x1+0.417x2-1.202x12+0.044x1x2(式7)误差统计如表3.9所示：表3.9拟合公式7的精确度能满足误差设定的要求，满足修正后红外热像仪测定的钢锭模表面温度如表5所示。表5.修正后的红外热像仪测定的6.8t钢锭锭模表面温度(3)应用结果1)两种红外温度设备的修正公式进行精确性测试对比表4和5，将两个表格的数据与真实值对照，计算两种修正的绝对误差，如表6所示。可以发现，两个修正公式修正得出的数据，其绝对误差均小于5％，绝大部分小于3％。表6.红外测温枪和红外热像仪修正数据的绝对误差表7修正后的两种数据的绝对误差统计百分比0-3％116个96.6670-5％120个100.0当前第1页1 2 3