一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法

1.本发明属于电弧等离子体的温度测量领域，具体是一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法。


背景技术：

2.电弧等离子体常用的测温方式包括接触式测温与非接触式测温；
3.探针测温法作为接触式测温的常用方法，需要将探针末端伸入待测电弧等离子体中，不仅会对电弧等离子体的结构造成一定影响，也无法对移动的电弧等离子体进行准确测量。
4.辐射测温法是非接触测温最常用的方法，辐射测温法基于热辐射学理论，通过被测物体在某些特定频率下的辐射功率与光电探测器输出的信号之间的对应关系，计算得出被测物体的温度，且对电弧等离子结构不产生影响。
5.电弧等离子体属于光性薄的介质，可将其看作是完全“透明体”，因此不能在电弧等离子体的测温中简单地应用普朗克黑体辐射公式，必须结合具体的辐射过程进行计算。
6.电弧等离子体主要的辐射过程包含复合辐射与轫致辐射；复合辐射与轫致辐射都是连续光谱辐射，复合辐射是电子和离子碰撞导致彼此结合所发出的辐射，轫致辐射是电子与离子发生碰撞时电子动能改变所发出的辐射。
7.目前，虽然有研究人员利用轫致辐射过程对电弧等离子体的温度进行测量，但忽视了采集系统接收到的复合辐射，存在一定的不足。所以，考虑电弧等离子体具体的辐射过程，特别是考虑其中的复合辐射过程，对电弧等离子体温度测量方法的改进有很大意义。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术的不足，本发明提出一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，以光谱辐射理论为基础，根据电弧等离子体的具体辐射过程，利用复合辐射与轫致辐射公式，通过比色测温的方法最终得到更为准确的电弧等离子体温度。
9.所述考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，具体步骤如下：
10.步骤一、利用标准辐射源对彩色ccd高速摄像机的光学通道进行标定，得到每个光学通道包含曝光时间的模数转换比例系数k
10
和k
20
的比值；
11.首先，计算标准辐射源在中心频率f1和f2下分别对应的单色辐射亮度i1和i2；
[0012][0013][0014]
式中，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，t为温度。
[0015]
然后，利用ccd高速摄像机存储文件中单个像元对应的r(红)、g(绿)、b(蓝)三色值，计算包含曝光时间的模数转换(a/d转换)比例系数k
10
和k
20
的比值。
[0036]
步骤五、基于比色测温法，对经滤光片透光、相机感光和a/d转换后的数字量dt1与dt2做比值，消除辐射功率计算公式中无法直接计算的未知量，得到电弧等离子体温度；
[0037]
当f1和f2分别选择红色区域中的某个频率和蓝色区域中的某个频率时：
[0038]
r＝dt1[0039]
b＝dt2[0040]
计算公式为：
[0041][0042]
通过滤光片采集的是频率为f
h1
和f
l1
，f
h2
和f
l2
区段内的光辐射密度，可认为滤光片特性和光敏二极管频谱特性为矩形，其值在所测范围内为常数。等离子体中电子密度与离子密度相等。被测点直径相对到透镜距离很小，故被测点直径范围内对透镜所张立体可视为常数，同时被测点面积很小，此面积内光强和观测方向电弧厚度也可视为常数。
[0043]
则计算公式可简化为：
[0044][0045]
式中，
[0046]
te为电弧等离子体温度；z为原子序数；n是能级的主量子数，取值与中心频率f有关；en为电子能级；ne为电子密度；为量子力学效应所引起的修正因子；
[0047]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0048]
1.本发明一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，采集系统容易搭建，利用一台ccd彩色摄像机和一个双峰窄带滤光片，即可更为精准地实现对电弧等离子体的
非接触式测温；
[0049]
2.本发明一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，考虑了电弧等离子体具体的辐射过程，根据电弧等离子体复合辐射与轫致辐射强度与温度的关系，对电弧等离子体进行比色测温，更符合实际物理过程，为电弧等离子体诊断方法的改进提供重要思路。
附图说明
[0050]
图1是本发明一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法流程图；
[0051]
图2是本发明实施时利用彩色ccd摄像机和双峰窄带滤光片对电弧等离子体进行非接触式测温的示意图。
具体实施方式
[0052]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
[0053]
本发明公开了一种考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，利用彩色ccd高速摄像机配合双峰窄带滤光片对两中心频率的辐射功率进行准确计算，结合电弧等离子体复合辐射与轫致辐射过程，计算得到电弧等离子体温度。
[0054]
电弧等离子体是稀薄气体，其温度不能直接应用普朗克黑体辐射公式计算，需结合具体辐射过程中的复合辐射与轫致辐射过程进行计算。目前，有研究人员利用轫致辐射公式对电弧等离子体的温度进行测量，但忽视了采集系统接收到的复合辐射，存在一定的不足。本发明以光谱辐射理论为基础，特别考虑了电弧等离子体的复合辐射与轫致辐射过程，通过比色测温的方法最终得到更为准确的电弧等离子体温度，为电弧等离子体测温提供了一个重要的方法。
[0055]
所述考虑复合辐射的电弧等离子体温度测量方法，如图1所示，具体步骤如下：
[0056]
步骤一、利用标准辐射源对彩色ccd高速摄像机的光学通道进行标定，得到每个光学通道包含曝光时间的模数转换比例系数k
10
和k
20
的比值；
[0057]
首先，计算标准辐射源在中心频率f1和f2下分别对应的单色辐射亮度i1和i2；
[0058][0059][0060]
式中，c为光速，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，t为温度。
[0061]
然后，利用ccd高速摄像机存储文件中单个像元对应的r(红)、g(绿)、b(蓝)三色值，计算包含曝光时间的模数转换(a/d转换)比例系数k
10
和k
20
的比值。
[0062]
计算公式为：
[0063][0064]
式中，r、g、b分别为单个像元对应的r、g、b三色值，可由ccd高速摄像机存储的“.raw”格式文件中获取；
[0065]
η1为滤光镜在中心频率f1处的透过率，η2为滤光镜在中心频率f2处的透过率；
[0066]
{r1,r2}、{g1,g2}、{b1,b2}分别是中心频率f1和f2处的辐射功率在r、b、g三色像元上的光电响应系数，为已知量。
[0067]
上式中任意两个方程联立，即可求得a/d转换比例系数k
10
和k
20
的比值。
[0068]
步骤二、针对待测电弧，利用标定的彩色ccd高速摄像机，配合双峰窄带滤光片测量该电弧，得到电弧的.raw文件；
[0069]
双峰窄带滤光片的中心频率分别为f1和f2。根据ccd高速摄像机r(红)、g(绿)、b(蓝)三色响应曲线，尽量选择感光曲线重叠区域较小处的频率作为中心频率。
[0070]
步骤三、利用电弧的.raw文件，分别计算摄像机传感器在两个中心频率f1和f2下接收到的辐射功率i
h1
、i
h2
与r、g、b三色值的关系；
[0071]
ccd高速摄像机存储文件中像元对应的r(红)、g(绿)、b(蓝)三色值的计算公式如下式所示，将步骤一中标准辐射源的辐射亮度i1、i2替换为需要求解的辐射功率i
h1
与i
h2
，利用已知的r、g、b三色值、滤光镜在中心频率f1和f2处的透过率η1、η2、中心频率f1和f2处的辐射功率在r、b、g三色像元上的光电响应系数{r1,r2}、{g1,g2}、{b1,b2}与包含曝光时间的模数转换比例系数k1、k2联立方程，即可得到i
h1
、i
h2
与r、g、b三色值的关系。
[0072]
联立方程如下：
[0073][0074]
其中，k1和k2为拍摄电弧图像时包含曝光时间的a/d转换比例系数，k1/k2＝k
10
/k
20
。可以排除拍摄电弧图像时与利用标准辐射源标定相机光学通道时因相机光圈大小、曝光时间不同带来影响。
[0075]
双峰窄带滤光片选择感光曲线重叠区域较小处的频率作为中心频率f1和f2，每个中心频率处的辐射功率在r、b、g三色像元上的光电响应系数相差很大，例如f1和f2分别选择红色区域中的某个频率和蓝色区域中的某个频率，则关于r值进行计算时，摄像机在中心频率f2下的光电响应系数r2可以忽略不计，方程可以简化如下：
[0076][0077]
步骤四、利用电弧等离子体复合辐射与轫致辐射的辐射功率公式，计算摄像机的光电二极管接收到的该待测电弧的辐射功率i
h1
与i
h2
，经滤光片透光、相机感光和a/d转换后得到含有电弧等离子体温度的数字量dt1与dt2；
[0078]
辐射功率密度公式来自于《高温等离子体诊断技术》，根据实际物理过程中粒子运动推导得到；理论公式中含有无法直接测量的未知量。通过理论公式，能分别列出两个中心频率对应的辐射密度(包含复杂未知量，也包含最终要求的温度te)。根据辐射密度和数字量转换公式分别得到dt1与dt2，利用除法(此时分子分母都包含复杂未知量和温度te)，
可以消除分子分母中的复杂未知量，此时变成了只包含温度te和其它已知量的式子。当f1和f2分别选择红色区域中的某个频率和蓝色区域中的某个频率时，根据数字量比值＝摄像机.raw文件中r、b的比值，求解式子中惟一的未知量温度te。
[0079]
所述光电二极管接收到的辐射功率与数字量dt1与dt2，需考虑电弧等离子体复合辐射过程与轫致辐射过程中的辐射功率，结合采集系统光电转换系数和a/d转换技术进行计算。具体为：
[0080]
电子温度为te的等离子体，在每单位体积中、在频率为f间隔内轫致辐射过程所发射出的辐射功率密度为：
[0081][0082]
式中，ne和ni分别为电子和离子密度；为量子力学效应所引起的修正因子，岗特因子；z为原子序数；k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常数。
[0083]
单位体积、单位立体角、在频率为f间隔内等离子体辐射功率密度为：
[0084][0085]
电子温度为te的等离子体，在每单位体积中、在频率为f间隔内复合辐射过程所发射出的辐射功率密度为：
[0086][0087]
式中，n是能级的主量子数，取值与频率有关；en为电子能级。
[0088]
单位体积、单位立体角、在频率为f间隔内等离子体辐射功率密度为：
[0089][0090]
利用电弧等离子体复合辐射与轫致辐射过程中的辐射功率，分别计算中心频率f1和f2下摄像机传感器接收的辐射功率i
h1
与i
h2
；
[0091][0092][0093]
式中，k
gf
＝kg·
kf。
[0094]
式中，ω为被测点对透镜所张的立体角；s为像元所对应的被测点面积；w为观测方向电弧厚度；kg(f)为光敏二极管频谱特性；kf(f)为滤光片光谱特性；f
l1
与f
h1
分别是中心频
率为f1的滤光片在低频响应与高频响应为零时的频率；f
l2
与f
h2
分别是中心频率为f2的滤光片在低频响应与高频响应为零时的频率；
[0095]
和为功率密度，在计算时对f进行积分，本质是对连续现象求和。分子积分的上下限为f
h1
和f
l1
，代表积分的f从f
l1
至f
h1
包含f1。
[0096]
同理，分母积分的上下限为f
h2
和f
l2
，代表积分的f从f
l2
至f
h2
包含f2。
[0097]
通过滤光片采集的是频率为f
h1
和f
l1
，f
h2
和f
l2
区段内的光辐射密度，可认为滤光片特性和光敏二极管频谱特性为矩形，其值在所测范围内为常数。等离子体中电子密度与离子密度相等。被测点直径相对到透镜距离很小，故被测点直径范围内对透镜所张立体可视为常数，同时被测点面积很小，此面积内光强和观测方向电弧厚度也可视为常数。
[0098]
然后，利用光电二极管接收的辐射功率i
h1
与i
h2
分别计算经滤光片透光、相机感光和a/d转换后的数字量dt1与dt2；
[0099]
dt1＝i
h1
η1r1k1[0100]
dt2＝i
h2
η2b2k2[0101]
步骤五、基于比色测温法，对经滤光片透光、相机感光和a/d转换后的数字量dt1与dt2做比值，消除辐射功率计算公式中无法直接计算的未知量，得到电弧等离子体温度；
[0102]
首先，将数字量dt1与dt2改写为：
[0103][0104][0105]
式中，
[0106]
te为电弧等离子体温度；z为原子序数；n是能级的主量子数，取值与中心频率f有关；en为电子能级；ne为电子密度；为量子力学效应所引起的修正因子，岗特因子；
[0107]
当f1和f2分别选择红色区域中的某个频率和蓝色区域中的某个频率时：
[0108]
r＝dt1[0109]
b＝dt2[0110]
基于比色测温法计算电弧等离子体温度，计算公式为：
[0111][0112]
式中，
[0113]
实施例：
[0114]
利用如图2所示的彩色ccd摄像机与双峰窄带滤光片搭建光学采集系统，通过温度标准辐射源对光学系统进行标定，并对电弧等离子体进行拍摄；具体过程为：首先，利用温度标准辐射源对光学系统进行标定，并利用彩色ccd高速摄像机配合中心频率分别为f1和f2双峰窄带滤光片测量电弧图像；然后，由ccd高速摄像机存储文件得到两个中心频率下的辐射功率i
h1
、i
h2
与r、g、b三色值的关系；接着，根据电弧等离子体复合辐射与轫致辐射过程中的辐射功率，计算光电二极管接收到的辐射功率与数字量dt1、dt2；最后，避免因公式中多个未知参数导致无法求解出电弧等离子体的绝对光强的情况，通过电弧等离子体的相对光强，即可得到电弧等离子体温度，即基于比色测温法计算电弧等离子体温度。