技术

引言
    随着红外辐射材料和红外辐射加热技术研究的发展，红外辐射燃烧器在家用燃气灶具、取暖器等产品上得到广泛的应用，产品出口欧美的数量日益增加。热辐射效率是欧美和国家标准中对热辐射燃烧器的必要考核项目，也是研究如何提高红外燃烧器燃烧效率的重要参考指标。
    红外辐射是一种具有电磁波和粒子双重特征的辐射，目前，燃气具的红外热辐射性能测量存在困难：首先，燃气燃烧器的热辐射通常波长范围广，而一般的热辐射测量设备对波长有选择性，难准确测出全波段范围的热辐射。其次，由于燃气具燃烧器的热辐射是全空间非定向的辐射方式，但目前对物体的辐射测量时，都是以某空间上的指定点为参考位置进行测量的热辐射量，单点的测试难以反映燃烧器的整体性能。准确的测量燃烧器向空间辐射的能量，意味着测量要穿过一个球型包络面的热辐射量。再次，目前按我国燃气具国家标准和欧美标准测试穿过半球包络面的热辐射量时，需要根据不同燃气具尺寸搭建体积庞大的球形热辐射感应网络，巨大网络需要的感应探头数量繁多，如美国标准ANSI Z83.19达500多个，价值不菲。因此，现有传统手段进行燃气具热辐射性能测试中，无论是设备成本、设备适应被测对象尺寸的空间灵活性、以及测试大量数据采集便利性和数据准确性等方面都存在问题。本文探讨了一种 “自动化热辐射测试系统”的测试热辐射的原理和方法，该系统为自主研发，旨在弥补现有测量方法中的不足，提高测试效率。

1 热辐射测量方法原理
    红外线燃烧器的热辐射传热具有瞬时性、光谱性、空间性、无需介质传递和洁净加热等特点，典型代表有燃气红外辐射取暖器、红外线燃气灶具等。红外线燃烧器辐射的热能分布随着时间、波长及发射方向变化而变，在研究燃气具辐射性能时，可以采用以下物理量来描述其辐射性能。
    定义半球总热辐射Q,单位时间内器具向半球空间发射出的一切波长的总能量的能力，单位kW，半球辐射力是最常用的表征器具发射的辐射能量大小的物理量。在理想情况下，将半球包络面划分为无穷多i个微元面积dA，Ei是在通过该面积内的所有波长的法向辐射热辐射强度(W/ m2)，则：
    在燃气标准中，采用辐射效率ηR来反映器具辐射加热效果，辐射效率定义为单位时间内器具向半球空间辐射出去的能量与热负荷之比。
上式中，IR为燃烧器热负荷，Q为穿过半球包络面的总热辐射量。
    然而，实际测量半球包络面的总热辐射量时，我们不可能将半球包络面分为无穷多个微元，只能通过近似测取有限多个面积元的热辐射量，然后求和算得总热辐射量。例如在我国燃气取暖器国家和行业标准中，规定辐射测试装置为使用33个测定点的半球面网络。如图2所示测取33个测定点的辐射强度，按球面积分加以计算，得出辐射效率。
    欧美标准中对热辐射效率的测试方法与原理和上面所述相似。

2 热辐射能效自动测试系统
2.1 系统结构图
    热辐射能效综合测试系统根据热辐射测试的方法和要求设计的，它需要满足全波长段测量能力，能有效测取燃气取暖器的半球热辐射通量，还要适用于不同国家标准规定范围。系统结构。
    热辐射测量弧，是测试系统的核心部分。测量弧模拟热辐射半球包面的一个切面圆弧，弧上装有多个精密的热辐射传感器。探测热辐射的探头采用单向热电堆辐射热计。热辐射传感器按照标准测试装置示意图中的切面圆纬度位置按装在测量弧上，并与智能数据采集模块连接。
    测试样品台。本样品台为可上升下降和轴转的3D移动支架，该支架以满足不同空间的测量与距离的测量需求，样品台的转轴由步进电机控制，按计算机控制程序命令进行动作。
    数据采集模块和计算机控制系统。热辐射测量弧的基座内部安装有数据采集模块，通过USB通讯线与计算机连接，计算机控制系统提供人机操作界面，控制步进电机动作，数据采集和处理。
2.2热辐射强度测量
    本系统用电堆型热阻式热流计来对燃气取暖器全波段的热辐射强度测量。
    当被测对象的辐射入射到探头时，辐射在电堆型热阻式热流计的热阻层产生热量，由于电堆型热阻式热流计的特殊结构原理，热阻层在热流通过时会产生一个温度梯度△T（温差），这个温差与热流强度成系数正比，遵循公式：
    同时该温差使热流计上的热电偶产生一个温差电动势U，热电偶的热电势     U与温差也成正比。因此，通过测热电偶的温差热电势就可以反映热流强密度的大小。
 q = C·U
    其中q为热流强度，U为热电偶温差热电势，C为常数值（测头分辨率）。热电堆型热阻式热流计对辐射的波长没有选择性，所有通过测头所在位置的热辐射都将被吸收，其整体反映在侧头表面温度的上升。此类型测头在很低的热流密度下就能产生较大信号，便于检测与处理。
    数据采集方面，本系统使用了研华的热电偶输入模块对热电偶温差热电势数据采集和计算机发送。
2.3半球热辐射量测量
    测半球热辐射量，按传统的方式制作热辐射半球测试包络面，由于取暖类的燃气产品几何尺寸变换范围较大，从室内红外取暖器0.5m高度，到户外伞形取暖器高达2m，尺寸的增大给制作完全的包络面带来设备占用空间和探头数量增多、成本剧增的困难。
    我们通过空间变换模拟来实现包络面。假设在三维空间上，有一被测辐射发射面，以发射面中心为圆心作一半圆弧，圆弧上分布有测试点。半圆弧以直径轴转180°，圆弧划过的面形成半球面，同理若固定圆弧，将被测辐射面以直径为轴转180°，圆弧相对辐射面在空间划过一个半球面。这样通过被测对象与圆弧相对的旋转运动，则可模拟形成热辐射测试的半球包络面。
    根据上面原理，如图5所示的测量弧传感器分布图中，被测对象辐射面正对水平方向纬度0°，测量弧的最高顶点作为纬度90°，最低点为纬度-90°。在测量弧的-90°~90°纬度点之间，安装20个热辐射传感器，来测试弧线各区间的辐射强度。
系统进行测量步骤如下：
    首先，使燃气热辐射器具处于不工作状态，测本底辐射。测量热辐射强度时，由计算机控制被测样品每隔10秒绕轴旋转10°进行一次数据采集，对于180°方向辐射的燃气器具，共转180°进行18次数据采集；对于360°方向辐射的燃气器具，则转动一周进行36次采集数据。所得的辐射强度值分别与测量弧划过的面积元相乘积分，所得的包络面热辐射通量为测试环境的本底热辐射量。其次，使燃气热辐射器具处于稳定工作状态，测此时包络面热辐射通量，步骤和方法同测背景辐射。所得的热辐射通量减去背景辐射量即为燃气具的热辐射量。
2.4半球热辐射计算
    半球总热辐射通量等于各微元上的热辐射强度和对应的面积元的积分。本系统通过测试系统直接得到各测试点的热辐射强度，对180°辐射方向的燃气器具热辐射测试，共测得半球面上344个点的辐射强度，计算公式见下:
    对于360°方向辐射的取暖器，计算机采集了两个半球面上686个点的辐射强度Ei，按整个球面积分加以计算。
3结论
    计算机自动化测量系统测热辐射的方法，采用空间变换模型来完成从离散型数据到连续型数据的转换，简化了热辐射测试设备搭建的结构，降低成本，并有效实现球形包络面的测试效果。使用计算机采集代替传统手工的数据采集，使得检测过程的操作步骤更加便捷，同时提高了测试精度；通过热辐射测量系统测取准确可靠的热辐射值，对今后深入研究燃气具的红外线热辐射加热技术，提高燃气燃烧器的加热效率等有重要作用。

参考文献
    [1]Hanamura K, Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous medium[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1993,36:3201-3209
    [2]任晓辉，张旭东，何文，吴作贵.红外辐射材料的研究进展及应用。现代陶瓷技术，2007，(2)：26-31
    [3] 陈世志、刘艳春、曾令可.家用红外线节能灶具用多孔介质性能分析。 家用燃气具，2010.4 64-67
    [4]高强度红外辐射式取暖器 ANSI Z83.19-2009
    [5]家用燃气取暖器CJ/T 113-2000中国标准出版社，2000
    [6] 余其铮 辐射换热原理。哈尔滨工业大学出版社，2000
    [7] 路义萍，韩家德.燃气辐射器辐射方向性与均匀性研究。哈尔滨地图出版社，2005