基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法

：
1.本发明涉及红外测温及磁约束核聚变技术领域，具体涉及一种基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法。


背景技术：

2.进入21世纪以来，能源问题开始引起许多科研人员的注意。在过去的几十年里，化石能源作为主要的能源类型被开发和使用，包括煤炭、石油和天然气。可是由于人类过度的使用和化石能源自身存在的缺陷，导致出现了全球气候变暖、空气质量下降、冰川融化和海平面上升等诸多全球性的问题。因此，一种清洁且可持续发展的能源逐渐走进了科研人员的视野，那就是“聚变能”。而托卡马克装置就是利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
3.受控的核聚变技术的研究和发展，能使得人类在未来摆脱对化石能源的依赖，以此解决能源短缺的问题。随着科学技术的发展以及对托卡马克装置的深入研究，科研工作者也发现了托卡马克装置在运行过程中仍然面临着诸多的问题。在托卡马克装置运行的时候，等离子体会持续作用于第一壁上，等离子体和等离子体表面组件(pfcs)之间的长期相互作用会严重损伤第一壁上面的材料。最终还会在第一壁上形成较大的热负荷，这导致第一壁的安全性难以得到保障。为了能够承受热负荷，第一壁的材料一般选用的是耐热性能较好的材料。即使如此，温度过高也依然会导致第一壁的损坏，所以在托卡马克装置运行的过程中对第一壁的温度及热负荷进行实时监控是十分必要的。
4.在过去几十年，传统的测量温度的方法一般是使用电阻式传感器或者热电偶来接触式测量被测对象的温度。虽然接触式测量温度仍然有许多优点，比如测量精度较高，热电偶的造价便宜且适合批量生产等。可使用热电偶等接触式测量温度在大部分的情况下都只能测量被测对象表面的一个点的温度。在托卡马克装置运行的过程中，更希望能够测量第一壁这个面的温度，而且第一壁上面的温度是实时变化的，传统的接触式测量很难满足这些需求。因此，能够通过非接触式测量被测对象表面温度的红外相机开始被广泛使用。
5.红外相机具有许多优点：1)视场广，能够完整地测量第一壁的表面温度；
6.2)分辨率高，能够测量微小的温度变化；3)响应速度快，能够实时测量第一壁的表面温度。因此，具有高分辨率和非接触式温度测量的红外相机广泛应用于核聚变装置，如w7-x、jet、mast、east和其他装置。为了能够更加精确地测量被测对象的表面温度，需要了解其发射率特性。发射率是是指某一温度下物体向外辐射的能量与同温度下黑体向外辐射的能量之比。发射率会受到许多因素的影响，包括表面粗糙度、表面形状、材料、偏转角度等。由于第一壁的组成材料大部分为金属，金属的发射率较低。考虑到这种情况，许多结合红外相机使用的测量方法开始被科研人员研究，包括明度温度法、总辐射法、偏振测量法和色温法等。其中，偏振测温法被认为是最有前景的测量方法。红外全息线栅偏振器能够将通过的自然光转变为线偏振光，通过调整角度可以分别测量被测对象的p方向的发射率和s方
向的发射率，再根据发射率和温度之间的关系即可推导出被测对象的温度值。为了解使用红外相机和红外全息线栅偏振器以非接触式的方法测量的精确度，可以和使用热电偶直接测量第一壁表面得到的实际温度进行比较分析。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，该方法通过使用红外相机和偏振片测量得到不同偏振方向的发射率，使用幂律拟合模型对发射率和温度进行拟合从而得到它们之间的关系，进一步推导出第一壁的温度值；该方法在托卡马克装置运行的环境中进行标定和测量，更加具有可靠性。
8.本发明的目的在于提供一种基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，包括以下步骤：
9.(1)使用黑体炉在不同的温度下对红外全息线栅偏振器和红外相机进行标定，测量红外相机接收到被测对象发射出的辐射强度，拟合出被测对象发射出的辐射强度和红外相机接收到的辐射强度之间的关系式；
10.(2)在托卡马克装置烘烤状态下使用红外全息线栅偏振器和红外相机对第一壁进行测量，拟合出第一壁的温度和发射率之间的关系式；
11.(3)在托卡马克装置放电过程中利用红外相机测得图像的灰度值，计算出此时第一壁的真实温度。
12.优选地，所述步骤(1)中包括以下步骤：
13.(a)将红外全息线栅偏振器和红外相机放置在同一水平高度，使得红外相机的镜头和偏振片平行；托卡马克装置内部发射出的辐射通过znse窗口后被红外全息线栅偏振器转换为偏振状态，最终被红外相机接收；将黑体炉放入到托卡马克装置真空室的内部，通过红外全息线栅偏振器和红外相机对黑体炉在不同温度下进行测量时有如下方程：
14.e
camera
＝k
p
×eblack
ꢀꢀ
(1)
15.e
camera
＝k
p
×eblack
+nsꢀꢀ
(2)
16.其中，式(1)为理想状态下黑体炉发射出的辐射强度和红外相机接收的辐射强度之间的关系，k
p
表示辐射在传输过程中的透过率，辐射在经过黑体炉发射到红外相机接收的过程中会有部分的衰减，剩下的辐射才能被红外相机接收；e
camera
表示红外相机接收到的辐射强度，e
black
表示黑体炉发射出的辐射强度。式(2)为实际状态下黑体炉发射出的辐射强度和红外相机接收到的辐射强度之间的关系，ns表示噪声因素；e
black
和e
camera
代表在波长λ1到λ2的范围内，温度为t时的辐射度，可以根据普朗克辐射定律来表示：
[0017][0018]
其中，c1＝3.7419
×
10-16w·
m2，代表第一辐射常数；c2＝1.4388
×
10-2m·
k，代表第二辐射常数。本发明所用红外相机能够接收的波长范围是7.5～13μm，所以式(3)中的λ1＝7.5μm，λ2＝13μm。
[0019]
(b)将黑体炉温度依次从低到高加热，总共包括了n个不同的温度点，即t1、t2、
…
tn，通过这n个温度点可以计算出对应的黑体炉辐射强度e
b1
、e
b2
、
…ebn
。根据红外相机测量的图片灰度值计算出红外相机接收到的辐射强度e
c1
、e
c2
、
…ecn
，对黑体炉辐射和红外相机
接收到的辐射做线性拟合。将eb作为x轴，ec作为y轴，列出一组数据(xi,yi)，i＝0，1，
…
n-1。拟合直线p(x)＝a+bx，其中a代表噪声因素ns，b代表透过率k
p
，那么均方误差为：
[0020][0021]
根据微积分理论，q(a,b)的极小值要满足：
[0022][0023][0024]
将它们整理为矩阵的形式：
[0025][0026]
用消元法或者克莱姆方法解出方程：
[0027][0028][0029]
将a和b分别带入到拟合直线中就可以得到黑体炉辐射和红外相机接收到的辐射之间的线性关系。
[0030]
优选地，所述步骤(2)中包括以下步骤：
[0031]
(c)在托卡马克装置烘烤状态下测量第一壁的发射率，待测目标由黑体炉变为托卡马克装置第一壁，使用红外全息线栅偏振器和红外相机对烘烤状态下的托卡马克装置第一壁进行测量时有：
[0032]ep
(θ)＝k
p
×efir
(t1,λ)+nsꢀꢀ
(10)
[0033]
其中，θ表示红外相机和第一壁表面法向之间的角度，e
p
(θ)表示偏振方向为p方向，样片偏转角度为θ时红外相机接收到的辐射强度；e
fir
(t1,λ)表示加热的温度为t1，波长为λ时的第一壁的辐射强度；t1表示通过红外相机测得的托卡马克装置第一壁的温度。
[0034]
(d)式(10)中e
fir
(t1,λ)是待测的第一壁的发射出的辐射和干扰辐射的总和，具体包括了以下两个部分：(1)托卡马克装置第一壁发射出并且通过znse窗口和偏振方向为p方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射；(2)托卡马克装置内壁发射出的辐射经过第一壁表面反射之后再通过znse窗口和偏振方向为p方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射。
[0035]
两种不同的辐射通过下面的计算公式表示：
[0036]
(1)托卡马克装置第一壁发射出并且通过znse窗口和偏振方向为p方向的偏振片
最终被红外相机接收到的辐射e1：
[0037]
e1＝ε
p
(θ)
×
e(t
first
,λ)
ꢀꢀ
(11)
[0038]
其中，ε
p
(θ)表示红外相机和第一壁表面法向之间的角度为θ，偏振片的偏振方向为p方向的时候第一壁的发射率；e(t
first
,λ)表示温度为t
first
，波长为λ时的辐射强度；t
first
表示通过热电偶测量得到的第一壁表面的温度。
[0039]
(2)托卡马克装置内壁发射出的辐射经过第一壁表面反射之后再通过znse窗口和偏振方向为p方向的偏振片最终被红外相机接收到的辐射e2：
[0040]
e2＝εb×
[1-ε
p
(θ)]
×
e(tb,λ)
ꢀꢀ
(12)
[0041]
其中，εb表示托卡马克装置内壁的发射率，它的值趋近于1；e(tb,λ)表示温度为tb，波长为λ时的辐射强度；tb表示托卡马克装置内壁的温度。
[0042]
(e)综合式(11)和式(12)，第一壁发射出的总的辐射强度为：
[0043]efir
(t1,λ)＝ε
p
(θ)
×
e(t
first
,λ)+[1-ε
p
(θ)]
×
e(tb,λ)
ꢀꢀ
(13)
[0044]
其中，e(t
first
,λ)、e(tb,λ)通过式(3)计算出来，将式(13)带入到式(10)中可以变换得到红外相机和第一壁表面法向夹角为θ时的p偏振方向发射率的表达式：
[0045][0046]
同理，将偏振片旋转90
°
就可以测量得到s偏振方向的发射率：
[0047][0048]
(f)调节托卡马克装置的烘烤温度，依次设置为t1、t2、
…
tn。在每一个烘烤点测量一次第一壁的发射率，整个过程在n个烘烤温度下测量托卡马克装置第一壁的发射率。
[0049]
(g)使用红外全息线栅偏振器和红外相机测量并计算出第一壁在不同温度下的偏振发射率之后，使用幂律公式来拟合偏转角度为θ时托卡马克装置第一壁偏振发射率和温度之间的关系：
[0050]
ε＝atbꢀꢀ
(16)
[0051]
优选地，所述步骤(3)中包括以下步骤：
[0052]
(h)在得到了第一壁的偏振发射率和温度之间的关系之后，将式(16)带回到式(13)中计算出第一壁表面的温度。之前将热电偶直接接触测量的温度值作为t
first
的值，现在已知偏振发射率和温度之间的关系之后，就可以反推出t
first
的计算值。
[0053]
本发明的有益效果是：
[0054]
1、本发明采用了偏振技术，通过使用红外全息线栅偏振片和红外相机来测量第一壁的发射率。
[0055]
2、本发明考虑了被测对象发射出的辐射在传输过程中的损耗和外界噪声因素的干扰。
[0056]
3、本发明使用了幂律拟合模型来表示偏振发射率和温度之间的关系。
[0057]
4、本发明使用幂律拟合模型推导出第一壁的温度值，并比较了计算出的温度值和
热电偶直接测量的实际温度之间的偏差。
附图说明：
[0058]
图1为本发明由红外相机和红外全息线栅偏振器组成的热像仪以及特制光路相对于托卡马克装置的位置示意图；
[0059]
其中，1-托卡马克装置，2-中心柱，3-znse窗口，4-红外全息线栅偏振器，5-红外相机，6-工控机；
[0060]
图2为实施例1黑体炉发出的辐射能和红外相机接收到的辐射能的线性拟合图；
[0061]
图3为实施例1的偏转角度和偏振发射率之间的关系图；
[0062]
图4为实施例1在固定偏转角度下温度和偏振发射率之间的关系图；
[0063]
图5为实施例1采用幂律拟合模型来拟合温度和偏振发射率的关系图；
[0064]
图6为实施例1真实温度通过该方法测量得到的温度的对比图。
具体实施方式：
[0065]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
[0066]
本发明提供了一种基于偏振技术的托卡马克装置第一壁温度测量方法，包括以下步骤：
[0067]
(1)按照图1所示，将红外全息线栅偏振器放置在红外相机的正前方，保证光路能够通过托卡马克装置上的znse窗口以及偏振片并最终能够被红外相机采集。红外相机通过数据线和采集卡相连，通过软件可以显示出被测对象的灰度图。
[0068]
(2)红外热像仪通过千兆网线与工控机连接，工控机控制红外热像仪的所有操作，在工控机上的热像仪控制软件中将发射率设置为1，通过读取采集到的图像中某点的灰度值便可计算出热像仪测量到的该点的辐射值。
[0069]
(3)将黑体炉放置在托卡马克装置的内部，使黑体炉中心的窗口正对托卡马克装置的窗口，保证黑体炉发射出的辐射能够被红外相机接收，避免托卡马克装置内部的辐射干扰对测量造成影响。
[0070]
(4)通过数据线将红外相机和采集卡相连，开启红外相机和软件。使用软件上面的对焦功能使得能够清楚地观察到黑体炉，调整红外相机的位置使得黑体炉窗口尽可能处于灰度图的中心处。
[0071]
(5)调整位置以后，确定黑体炉窗口的坐标并记录下来。设置黑体炉的温度从100℃加热到300℃，温度间隔是25℃。
[0072]
(6)待黑体炉温度稳定，在软件上记录红外相机测得的图像。
[0073]
(7)每一个温度点重复步骤(6)的操作，直到黑体炉温度加热到300℃并完成测量之后，关闭黑体炉的加热装置等待黑体炉冷却。
[0074]
(8)完成上述步骤之后，红外相机可以测量得到9个温度点，使用普朗克辐射公式可以计算出温度对应的辐射值。
[0075]
(9)9个温度点分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9。通过这9个温度点可以计算出对
应的黑体炉辐射强度e
b1
、e
b2
、e
b3
、e
b4
、e
b5
、e
b6
、e
b7
、e
b8
、e
b9
。根据红外相机测量的图片灰度值计算出红外相机接收到的辐射强度e
c1
、e
c2
、e
c3
、e
c4
、e
c5
、e
c6
、e
c7
、e
c8
、e
c9
。
[0076]
(10)将eb作为x轴，ec作为y轴。可以列出一组数据(xi,yi)，i＝0，1，2，
…
，8。拟合直线p(x)＝a+bx，其中a代表噪声因素ns，b代表透过率k
p
。那么均方误差为根据微积分理论，q(a,b)的极小值要满足：
[0077][0078][0079]
用消元法或者克莱姆方法解出方程：
[0080][0081][0082]
(11)通过步骤(10)就可以得到图2中黑体炉发出的辐射能和红外相机接收到的辐射能的线性拟合图，即ec＝a+beb。
[0083]
(12)移去黑体炉，将红外相机镜头对准第一壁表面，使得第一壁表面辐射通过znse窗口和红外全息线栅偏振器能够被红外相机接收。对焦完毕后，将托卡马克装置设置为烘烤状态。
[0084]
(13)当托卡马克装置加热到一定的温度之后，待其稳定，使用软件记录第一壁的灰度图。同时记录下使用热电偶直接测量第一壁表面的温度t
first
以及托卡马克装置内壁的温度tb。
[0085]
(14)根据

技术实现要素：
所述，红外相机接收到的总辐射由两个部分组成，即e
fir
(t1,λ)＝ε
p
(θ)
×
e(t
first
,λ)+εb×
[1-ε
p
(θ)]
×
e(tb,λ)。其中εb表示托卡马克装置内壁的发射率，它的值趋近于1。再结合公式e
p
(θ)＝k
p
×efir
(t1,λ)+ns就可以推导出偏振发射率的表达式：
[0086][0087]
s方向的偏振发射率也是同理：
[0088][0089]
(16)设置一个固定的烘烤温度100℃，改变红外相机的位置来调整第一壁表面法
线和红外相机之间的夹角，起始夹角为0
°
，每隔10
°
测量一次，总共可以测量0
°
到90
°
的偏振发射率。从图3中可以观察到偏振发射率随偏转角度的变化。
[0090]
(15)调整红外相机的位置使得夹角为0
°
，设置托卡马克装置的加热温度从100℃到300℃，温度间隔为25℃，总共测量9个温度点。可以测量出这9个温度点对应的偏振发射率。图4为温度和偏振发射率之间的关系。
[0091]
(16)在确定了温度和偏振发射率之间的关系之后，选用幂律拟合模型ε＝atb来拟合两者之间的关系。图5即为偏振发射率和温度之间的拟合图。
[0092]
(17)获得偏振发射率和温度之间的关系后，将其带入公式e
fir
(t1,λ)＝ε
p
(θ)
×
e(t
first
,λ)+εb×
[1-ε
p
(θ)]
×
e(tb,λ)中，这样可以反推出第一壁的温度值。对比计算出的温度值和实际测量值，图6为两个温度值的对比图。
[0093]
实施例1针对托卡马克装置，按照托卡马克装置烘烤及放电的环境，利用黑体炉与高温炉模拟托卡马克装置烘烤和放电过程，验证本发明的有效性。
[0094]
本发明中黑体炉标定的实际测量数据，如表1所示。
[0095]
表1
[0096][0097]
根据最小二乘拟合得到黑体炉发射出的辐射eb和红外相机接收到的辐射ec之间的线性关系，即ec＝a+beb。拟合得到a＝0.2169，b＝124.9374。a为透过率k
p
，b为噪声因素ns。由表1即可得到图2所示的线性拟合图。
[0098]
调整红外相机的位置改变红外相机和第一壁表面法线之间的夹角，就可以得到不同角度下的偏振发射率的值，如表2所示。
[0099]
表2
[0100][0101][0102]
由表2可以得到当托卡马克装置烘烤温度一定时偏转角度和偏振发射率之间的关系，结果如图3所示。
[0103]
固定偏转角度为0
°
，设置托卡马克装置的烘烤温度从100℃加热到300℃，温度间隔25℃。可以得到温度和偏振发射率之间的关系，如表3所示。
[0104]
表3
[0105]
温度(℃)p偏振方向发射率s偏振方向发射率1000.342680.325771250.379930.373581500.436650.418061750.462690.434042000.481150.471632250.506110.484822500.493720.482512750.506160.491263000.515600.49341
[0106]
图4即为偏振发射率和温度之间的关系图。根据幂律拟合模型对温度和偏振发射率进行拟合，表4列出了使用幂律拟合模型拟合完成后的参数。
[0107]
表4
[0108]
参数p偏振方向s偏振方向a0.07412
±
0.015610.06928
±
0.01418b0.34336
±
0.039170.34911
±
0.03806
[0109]
图5即为偏转角度为0
°
的情况下，温度和偏振发射率之间的拟合曲线。在得到了温度和偏振发射率之间的关系之后，将其带入公式
[0110]efir
(t1,λ)＝ε
p
(θ)
×
e(t
first
,λ)+εb×
[1-ε
p
(θ)]
×
e(tb,λ)中反推出第一壁的温度值。表5分别列出了计算得到的温度值和使用热电偶直接测量得到的温度值。
[0111]
表5
[0112]
烘烤温度(℃)计算温度值(℃)热电偶测量温度(℃)10098.2100.8125127.9130.3150160.4157.5175189.7186.3200215.7212.4225241.8236.5250260.4262.5275283.7286.8300306.9311.9
[0113]
图6表示了在不同的烘烤温度下，使用热电偶直接测量的第一壁表面温度和计算出的温度。可以从表5中看到大部分的温度点的计算误差在
±
3℃左右，个别温度点误差稍大，在
±
5℃左右。
[0114]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。