引言
    隨著紅外輻射材料和紅外輻射加熱技術研究的發展，紅外輻射燃燒器在家用燃氣灶具、取暖器等產品上得到廣泛的應用，產品出口歐美的數量日益增加。熱輻射效率是歐美和國家標準中對熱輻射燃燒器的必要考核項目，也是研究如何提高紅外燃燒器燃燒效率的重要參考指標。
    紅外輻射是一種具有電磁波和粒子雙重特征的輻射，目前，燃氣具的紅外熱輻射性能測量存在困難：首先，燃氣燃燒器的熱輻射通常波長范圍廣，而一般的熱輻射測量設備對波長有選擇性，難準確測出全波段范圍的熱輻射。其次，由于燃氣具燃燒器的熱輻射是全空間非定向的輻射方式，但目前對物體的輻射測量時，都是以某空間上的指定點為參考位置進行測量的熱輻射量，單點的測試難以反映燃燒器的整體性能。準確的測量燃燒器向空間輻射的能量，意味著測量要穿過一個球型包絡面的熱輻射量。再次，目前按我國燃氣具國家標準和歐美標準測試穿過半球包絡面的熱輻射量時，需要根據不同燃氣具尺寸搭建體積龐大的球形熱輻射感應網絡，巨大網絡需要的感應探頭數量繁多，如美國標準ANSI Z83.19達500多個，價值不菲。因此，現有傳統手段進行燃氣具熱輻射性能測試中，無論是設備成本、設備適應被測對象尺寸的空間靈活性、以及測試大量數據采集便利性和數據準確性等方面都存在問題。本文探討了一種 “自動化熱輻射測試系統”的測試熱輻射的原理和方法，該系統為自主研發，旨在彌補現有測量方法中的不足，提高測試效率。

1 熱輻射測量方法原理
    紅外線燃燒器的熱輻射傳熱具有瞬時性、光譜性、空間性、無需介質傳遞和潔凈加熱等特點，典型代表有燃氣紅外輻射取暖器、紅外線燃氣灶具等。紅外線燃燒器輻射的熱能分布隨著時間、波長及發射方向變化而變，在研究燃氣具輻射性能時，可以采用以下物理量來描述其輻射性能。
    定義半球總熱輻射Q,單位時間內器具向半球空間發射出的一切波長的總能量的能力，單位kW，半球輻射力是最常用的表征器具發射的輻射能量大小的物理量。在理想情況下，將半球包絡面劃分為無窮多i個微元面積dA，Ei是在通過該面積內的所有波長的法向輻射熱輻射強度(W/ m2)，則：
    在燃氣標準中，采用輻射效率ηR來反映器具輻射加熱效果，輻射效率定義為單位時間內器具向半球空間輻射出去的能量與熱負荷之比。
上式中，IR為燃燒器熱負荷，Q為穿過半球包絡面的總熱輻射量。
    然而，實際測量半球包絡面的總熱輻射量時，我們不可能將半球包絡面分為無窮多個微元，只能通過近似測取有限多個面積元的熱輻射量，然后求和算得總熱輻射量。例如在我國燃氣取暖器國家和行業標準中，規定輻射測試裝置為使用33個測定點的半球面網絡。如圖2所示測取33個測定點的輻射強度，按球面積分加以計算，得出輻射效率。
    歐美標準中對熱輻射效率的測試方法與原理和上面所述相似。

2 熱輻射能效自動測試系統
2.1 系統結構圖
    熱輻射能效綜合測試系統根據熱輻射測試的方法和要求設計的，它需要滿足全波長段測量能力，能有效測取燃氣取暖器的半球熱輻射通量，還要適用于不同國家標準規定范圍。系統結構。
    熱輻射測量弧，是測試系統的核心部分。測量弧模擬熱輻射半球包面的一個切面圓弧，弧上裝有多個精密的熱輻射傳感器。探測熱輻射的探頭采用單向熱電堆輻射熱計。熱輻射傳感器按照標準測試裝置示意圖中的切面圓緯度位置按裝在測量弧上，并與智能數據采集模塊連接。
    測試樣品臺。本樣品臺為可上升下降和軸轉的3D移動支架，該支架以滿足不同空間的測量與距離的測量需求，樣品臺的轉軸由步進電機控制，按計算機控制程序命令進行動作。
    數據采集模塊和計算機控制系統。熱輻射測量弧的基座內部安裝有數據采集模塊，通過USB通訊線與計算機連接，計算機控制系統提供人機操作界面，控制步進電機動作，數據采集和處理。
2.2熱輻射強度測量
    本系統用電堆型熱阻式熱流計來對燃氣取暖器全波段的熱輻射強度測量。
    當被測對象的輻射入射到探頭時，輻射在電堆型熱阻式熱流計的熱阻層產生熱量，由于電堆型熱阻式熱流計的特殊結構原理，熱阻層在熱流通過時會產生一個溫度梯度△T（溫差），這個溫差與熱流強度成系數正比，遵循公式：
    同時該溫差使熱流計上的熱電偶產生一個溫差電動勢U，熱電偶的熱電勢     U與溫差也成正比。因此，通過測熱電偶的溫差熱電勢就可以反映熱流強密度的大小。
 q = C·U
    其中q為熱流強度，U為熱電偶溫差熱電勢，C為常數值（測頭分辨率）。熱電堆型熱阻式熱流計對輻射的波長沒有選擇性，所有通過測頭所在位置的熱輻射都將被吸收，其整體反映在側頭表面溫度的上升。此類型測頭在很低的熱流密度下就能產生較大信號，便于檢測與處理。
    數據采集方面，本系統使用了研華的熱電偶輸入模塊對熱電偶溫差熱電勢數據采集和計算機發送。
2.3半球熱輻射量測量
    測半球熱輻射量，按傳統的方式制作熱輻射半球測試包絡面，由于取暖類的燃氣產品幾何尺寸變換范圍較大，從室內紅外取暖器0.5m高度，到戶外傘形取暖器高達2m，尺寸的增大給制作完全的包絡面帶來設備占用空間和探頭數量增多、成本劇增的困難。
    我們通過空間變換模擬來實現包絡面。假設在三維空間上，有一被測輻射發射面，以發射面中心為圓心作一半圓弧，圓弧上分布有測試點。半圓弧以直徑軸轉180°，圓弧劃過的面形成半球面，同理若固定圓弧，將被測輻射面以直徑為軸轉180°，圓弧相對輻射面在空間劃過一個半球面。這樣通過被測對象與圓弧相對的旋轉運動，則可模擬形成熱輻射測試的半球包絡面。
    根據上面原理，如圖5所示的測量弧傳感器分布圖中，被測對象輻射面正對水平方向緯度0°，測量弧的最高頂點作為緯度90°，最低點為緯度-90°。在測量弧的-90°~90°緯度點之間，安裝20個熱輻射傳感器，來測試弧線各區間的輻射強度。
系統進行測量步驟如下：
    首先，使燃氣熱輻射器具處于不工作狀態，測本底輻射。測量熱輻射強度時，由計算機控制被測樣品每隔10秒繞軸旋轉10°進行一次數據采集，對于180°方向輻射的燃氣器具，共轉180°進行18次數據采集；對于360°方向輻射的燃氣器具，則轉動一周進行36次采集數據。所得的輻射強度值分別與測量弧劃過的面積元相乘積分，所得的包絡面熱輻射通量為測試環境的本底熱輻射量。其次，使燃氣熱輻射器具處于穩定工作狀態，測此時包絡面熱輻射通量，步驟和方法同測背景輻射。所得的熱輻射通量減去背景輻射量即為燃氣具的熱輻射量。
2.4半球熱輻射計算
    半球總熱輻射通量等于各微元上的熱輻射強度和對應的面積元的積分。本系統通過測試系統直接得到各測試點的熱輻射強度，對180°輻射方向的燃氣器具熱輻射測試，共測得半球面上344個點的輻射強度，計算公式見下:
    對于360°方向輻射的取暖器，計算機采集了兩個半球面上686個點的輻射強度Ei，按整個球面積分加以計算。
3結論
    計算機自動化測量系統測熱輻射的方法，采用空間變換模型來完成從離散型數據到連續型數據的轉換，簡化了熱輻射測試設備搭建的結構，降低成本，并有效實現球形包絡面的測試效果。使用計算機采集代替傳統手工的數據采集，使得檢測過程的操作步驟更加便捷，同時提高了測試精度；通過熱輻射測量系統測取準確可靠的熱輻射值，對今后深入研究燃氣具的紅外線熱輻射加熱技術，提高燃氣燃燒器的加熱效率等有重要作用。

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