ICS27.060.30

CCSJ98

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CBWA00XX-202X

基于光譜檢測(cè)的溫度測(cè)量技術(shù)規(guī)范

Technicalspecificationfortemperaturemeasurementbasedonspectral

detection

(征求意見稿)

20XX-XX-XX發(fā)布20XX-XX-XX實(shí)施

中國鍋爐及鍋爐水處理協(xié)會(huì)發(fā)布

基于光譜檢測(cè)的溫度測(cè)量技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了基于光譜檢測(cè)的高溫工業(yè)爐溫度測(cè)量技術(shù)所需的基本硬件與軟件要求，光譜檢

測(cè)系統(tǒng)輻射標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)步驟，不同類型輻射對(duì)象的光譜發(fā)射率建模方法，光譜檢測(cè)的溫度測(cè)量技

術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)步驟，以及光譜檢測(cè)的溫度測(cè)量技術(shù)精度評(píng)價(jià)等方面技術(shù)要求。

本文件適用于基于輻射光譜檢測(cè)的高溫工業(yè)爐溫度測(cè)量技術(shù)。爐內(nèi)溫度在800-2000°C范圍內(nèi)

的工業(yè)爐可參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引

用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修

改單）適用于本文件。

GB/T16839.1熱電偶第1部分：分度表

GB/T16839.2熱電偶第2部分：允差

JB/T9238工業(yè)熱電偶技術(shù)條件

GB/T13277.1壓縮空氣第1部分：污染物凈化等級(jí)

GB/T1576工業(yè)鍋爐水質(zhì)

GB/T12145火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量

GB/T10184電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1

熱輻射thermalradiation

物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。

3.2

輻射對(duì)象radiationobject

待檢測(cè)的熱輻射目標(biāo)

3.3

光譜檢測(cè)系統(tǒng)spectraldetectionsystem

獲得物體光譜信息的器件所構(gòu)成的整體。

3.4

連續(xù)光譜continuousspectrum

輻射強(qiáng)度隨波長變化呈連續(xù)分布的光譜。

3.5

光譜信號(hào)spectralsignal

光譜檢測(cè)系統(tǒng)所采集的光譜能量信息。

4

3.6

光譜發(fā)射率模型spectralemissivitymodel

光譜發(fā)射率與波長之間的函數(shù)關(guān)系。

3.7

信號(hào)分析處理系統(tǒng)signalanalysisandprocessingsystem

處理光譜信號(hào)及顯示檢測(cè)結(jié)果所需的硬件總成。

3.8

波長重復(fù)性wavelengthrepeatability

對(duì)同一輻射源多次測(cè)量時(shí)峰值波長測(cè)量結(jié)果的一致程度，通常取峰值波長測(cè)量結(jié)果的極值作

為衡量波長重復(fù)性的指標(biāo)。

3.9

數(shù)據(jù)位深databitdepth

每個(gè)波長下的光譜信號(hào)占用二進(jìn)制位的位數(shù)。

3.10

光纖損耗opticalfiberloss

指光纖在單位長度上的衰減，單位為dB/km。

3.11

碳煙火焰sootflame

燃燒產(chǎn)物中固態(tài)組分僅含有碳煙的火焰。

3.12

輻射對(duì)象模型radiationobjectmodel

與輻射對(duì)象具有相似輻射特性的模型，用于建立輻射對(duì)象的發(fā)射率模型

4基本原理

物體由于熱的原因不斷向外界輻射電磁波，這些電磁波中蘊(yùn)含著關(guān)于該物體溫度以及光譜發(fā)

射率的具體信息。使用經(jīng)由輻射標(biāo)定的光譜檢測(cè)系統(tǒng)采集目標(biāo)物體的熱輻射光譜，并將其發(fā)射率

假設(shè)為波長的函數(shù)，從而構(gòu)建目標(biāo)物體溫度及其發(fā)射率模型參數(shù)的方程組，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體溫

度與發(fā)射率的同步求解。

5

采集輻射對(duì)象光采集黑體爐光譜

譜信號(hào)信號(hào)

輻射對(duì)象輻射標(biāo)定

光譜輻射強(qiáng)度Iλλ=f(,τcounts)

率建模

ελ(ii)=f(λ)

圖1光譜測(cè)溫流程圖

5光譜檢測(cè)系統(tǒng)

光譜檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，應(yīng)選用技術(shù)成熟可靠、穩(wěn)定性好的產(chǎn)品。光譜檢測(cè)系

統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，連續(xù)工作時(shí)長應(yīng)不低于設(shè)備檢修周期，且工作時(shí)間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集

不間斷。

5.1硬件組成

5.1.1光譜檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括準(zhǔn)直鏡、光纖、光纖光譜儀、傳輸線纜、信號(hào)分析處理系統(tǒng)以及

冷卻系統(tǒng)。

a)光纖光譜儀有效工作波長應(yīng)包含400-700nm，光譜分辨率應(yīng)不低于20nm，波長示值誤差

不超過±2nm，波長重復(fù)性應(yīng)不超過0.5nm，數(shù)據(jù)位深應(yīng)不低于8bit；

b)光纖單點(diǎn)損耗不應(yīng)超過0.1dB/km，準(zhǔn)直鏡刻度、刻字清晰，無劃痕、碰傷；

c)光纖前端應(yīng)位于準(zhǔn)直鏡的一倍后焦距處，兩者結(jié)合后的視場(chǎng)角應(yīng)不高于2°；

d)光纖、準(zhǔn)直鏡的有效工作波長應(yīng)覆蓋光纖光譜儀的工作波長；

e)傳輸線纜宜采用數(shù)字信號(hào)傳輸，可采用光纖或網(wǎng)線，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議宜采用IEEE802.3

1000baseT，接口標(biāo)準(zhǔn)宜采用基于千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議開發(fā)的GigEVision。當(dāng)信號(hào)傳輸距離大于80

米時(shí)，應(yīng)選擇采用光纖；

f)信號(hào)分析處理系統(tǒng)所用處理器的運(yùn)行頻率不小于80MHz、內(nèi)存不低于16GB、硬盤容量根

據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量進(jìn)行選擇；

g)光譜檢測(cè)系統(tǒng)所處環(huán)境溫度高于工作溫度時(shí)需要配備冷卻系統(tǒng)；

h)冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)可選用風(fēng)冷或水冷。采用風(fēng)冷時(shí)冷卻風(fēng)應(yīng)清潔、干燥，冷卻風(fēng)顆粒物等

級(jí)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T13277.1-2023固體顆粒等級(jí)0-5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、濕度等級(jí)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T13277.1-2023

濕度等級(jí)0-5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用水冷時(shí)冷卻水應(yīng)采用清潔的軟水或除鹽水，水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T

1576-2018中規(guī)定的采用鍋外水處理的自然循環(huán)蒸汽鍋爐和汽水兩用鍋爐水質(zhì)額定蒸汽壓力大于

1MPa的給水水質(zhì)要求或滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T12145-2016規(guī)定鍋爐給水質(zhì)量最低標(biāo)準(zhǔn)要求。

6

5.2軟件組成

5.2.1軟件包括連續(xù)光譜采集軟件和溫度計(jì)算軟件。

5.2.2連續(xù)光譜采集軟件應(yīng)具有積分時(shí)間調(diào)節(jié)、光譜采集頻率控制、扣除背景光譜等功能。

5.2.3基于輻射光譜的溫度計(jì)算軟件應(yīng)滿足計(jì)算過程快速、準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于1秒，計(jì)算溫

度相對(duì)偏差應(yīng)不大于5%。

5.2.4積分時(shí)間可以自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整，應(yīng)保證光譜信號(hào)強(qiáng)度峰值處于數(shù)據(jù)位深的70%-95%之間。

6輻射標(biāo)定

6.1技術(shù)要求

6.1.1使用黑體爐對(duì)光譜檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輻射強(qiáng)度標(biāo)定，應(yīng)對(duì)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)測(cè)量通道分別構(gòu)

建標(biāo)定函數(shù)。

6.1.2構(gòu)建標(biāo)定函數(shù)時(shí)自變量為積分時(shí)間與光譜信號(hào)強(qiáng)度，因變量為光譜輻射強(qiáng)度。

6.1.3黑體爐發(fā)射率大于0.99。

6.1.4標(biāo)定過程中光譜檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件需處于正常運(yùn)行的狀態(tài)。

6.1.5標(biāo)定過程中的積分時(shí)間和光譜信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)覆蓋測(cè)量過程中的積分時(shí)間和光譜信號(hào)強(qiáng)度。

6.1.6標(biāo)定過程中黑體爐溫度設(shè)定的間隔應(yīng)不超過20℃，黑體爐的溫度設(shè)定范圍應(yīng)確保黑體爐

的光譜信號(hào)強(qiáng)度覆蓋被檢測(cè)對(duì)象的光譜信號(hào)輻射強(qiáng)度。

6.1.7標(biāo)定過程中準(zhǔn)直鏡正對(duì)黑體爐爐膛中心。

6.2輻射標(biāo)定順序

6.2.1啟動(dòng)黑體爐。

6.2.2黑體爐溫度升高到標(biāo)定溫度后，調(diào)節(jié)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的積分時(shí)間，采集不同積分時(shí)間下的黑

體爐光譜信號(hào)強(qiáng)度，記錄標(biāo)定溫度和積分時(shí)間。

6.2.3調(diào)節(jié)黑體爐溫度，重復(fù)上一步。

6.2.4黑體爐溫度升高到標(biāo)定溫度上限后，停止采集黑體爐光譜，標(biāo)定過程結(jié)束。

6.2.5根據(jù)黑體爐溫度計(jì)算黑體光譜輻射強(qiáng)度，擬合光譜信號(hào)強(qiáng)度、積分時(shí)間與黑體光譜輻射強(qiáng)

度的函數(shù)關(guān)系式，具體算法見附錄A。

6.3標(biāo)定誤差

6.3.1根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)反算黑體爐光譜輻射強(qiáng)度，與黑體爐設(shè)定溫度下的黑體光譜輻射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)

比，確定標(biāo)定誤差。

6.3.2當(dāng)標(biāo)定誤差超過3%時(shí)，應(yīng)檢查光譜檢測(cè)系統(tǒng)和黑體爐是否工作正常，判斷造成誤差原因，

選擇正常工作的光譜檢測(cè)系統(tǒng)和黑體爐，按照6.2步驟重新進(jìn)行標(biāo)定。

7光譜發(fā)射率建模

在進(jìn)行光譜測(cè)溫前宜對(duì)輻射對(duì)象的光譜發(fā)射率分布準(zhǔn)確建模。發(fā)射率建模前需要先構(gòu)建與輻

射對(duì)象具有相似輻射特性的輻射對(duì)象模型。

7.1技術(shù)要求

7.1.1推薦的輻射對(duì)象模型構(gòu)建方法分為發(fā)射法和吸收法兩種，其中發(fā)射法適用于固體表面及含

有固體顆粒物的火焰，吸收法僅適用于含有固體顆粒物的火焰（詳見附錄B）。

7.1.2在采用發(fā)射法建立發(fā)射率模型時(shí)，應(yīng)利用熱電偶測(cè)量輻射對(duì)象模型的溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度參

考。

7.1.3光譜發(fā)射率建模所用熱電偶的技術(shù)條件要符合JB/T9238-1999。

7

7.1.4應(yīng)采取必要措施，防止熱電偶測(cè)溫過程在收到傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射影響導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真。

7.2建模步驟

7.2.1對(duì)光譜檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行輻射標(biāo)定。

7.2.2建立與輻射對(duì)象具有相似輻射特性的輻射對(duì)象模型，并測(cè)量輻射對(duì)象模型的光譜發(fā)射率分

布（參考附錄B）。

7.2.3根據(jù)光譜發(fā)射率分布檢測(cè)值，選擇合適的函數(shù)擬合，建立光譜發(fā)射率模型（參考附錄C）：

ελ(ii)=fi(λ),=1,2,K,m(1)

式中：

ε——光譜發(fā)射率

λ——波長(m)

i——波長序號(hào)

m——波長個(gè)數(shù)

7.2.4所選函數(shù)對(duì)光譜發(fā)射率檢測(cè)值的擬合優(yōu)度要大于0.8

8基于光譜檢測(cè)的溫度計(jì)算步驟

8.1讀取輻射對(duì)象的光譜信號(hào)、積分時(shí)間。

8.2根據(jù)輻射標(biāo)定結(jié)果將輻射對(duì)象光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為光譜輻射強(qiáng)度。

8.3將輻射對(duì)象光譜輻射強(qiáng)度分布中的特征輻射及吸收峰剔除。

IT(,)λ

8.4在得到輻射對(duì)象的m個(gè)波長下的光譜輻射強(qiáng)度i后，結(jié)合光譜發(fā)射率模型建立如下的

方程組：

2πhc2

IT(λ,)=?=ελ()，i1,2,K,m(2)

ii5hcλikT

λi(e?1)

式中：

IT(,)λ

i——光譜輻射強(qiáng)度(W/m3.sr)

T——溫度(K)

h——普朗克常數(shù)(J·s)

c——光速(m/s)

k——玻爾茲曼常數(shù)(J/K)

m

8.5當(dāng)方程組中方程的個(gè)數(shù)大于等于式(1)光譜發(fā)射率模型中未知系數(shù)的個(gè)數(shù)+1時(shí)，方程組正2

f

定或超定，可以利用枚舉法求解溫度和未知系數(shù)，即找到一個(gè)溫度T和一組未知系數(shù)使得殘差

最小化。

2

n2

22πhc

=λ??ελ=

fI∑(ii)()5hcλkT,i1,2,K,m(3)

i=1λ(e?1)

附錄A

（規(guī)范性）

光譜檢測(cè)系統(tǒng)輻射標(biāo)定算法

黑體爐輻射標(biāo)定數(shù)據(jù)中包含多組積分時(shí)間和光譜信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度，據(jù)此可以建

立輻射標(biāo)定函數(shù)。

8

aaa111213Ka1p

aaaa

212223L2p

，λ

設(shè)待定系數(shù)矩陣為A=aaa313233La3p則光譜檢測(cè)系統(tǒng)在波長下檢測(cè)到的光

MMMOM

aaap123ppLapp

Icounts

譜輻射強(qiáng)度λ可以表示為積分時(shí)間τ和光譜信號(hào)強(qiáng)度λ的輻射標(biāo)定函數(shù)：

Iλλ=f(,τcounts)

=exp(BΤAC)(A-1)

aaa111213Ka1p1

aaaLaln(counts)

2122232pλ

=ττ22τp

exp1ln()ln()Lln()aaa313233La3pln(countsλ)

MMMOMM

ln(counts)p

aaap123ppLappλ

式中：

=

p——輻射標(biāo)定函數(shù)的階數(shù)，推薦p3

a==

ij——輻射標(biāo)定函數(shù)中的系數(shù)，ip1,2,K,，jp1,2,K,

將黑體爐輻射標(biāo)定數(shù)據(jù)帶入式(A-1)，通過二元非線性回歸可以求得待定系數(shù)矩陣A，建立輻

射標(biāo)定函數(shù)。在實(shí)際檢測(cè)過程中，將光譜檢測(cè)系統(tǒng)的積分時(shí)間和光譜信號(hào)強(qiáng)度帶入式(A-1)，可以

得到被測(cè)對(duì)象的輻射強(qiáng)度。

9

附錄B

（資料性）

輻射對(duì)象模型構(gòu)建及光譜發(fā)射率檢測(cè)方法

推薦的輻射對(duì)象模型構(gòu)建方法分為發(fā)射法和吸收法兩種。

B.1發(fā)射法

發(fā)射法適用于固體表面及含有固體顆粒物的火焰，對(duì)應(yīng)的輻射對(duì)象模型構(gòu)建及光譜發(fā)射率

檢測(cè)方法如下：

當(dāng)輻射對(duì)象為固體表面：

圖B-1固體表面的發(fā)射法發(fā)射率建模方法

a)取與固體表面輻射對(duì)象成分相同的方形塊狀樣品，表面打磨平整，保持與輻射對(duì)象表

面相同的粗糙度。若輻射對(duì)象表面粗糙度不均勻，則取均值作為參考；

b)樣品尺寸建議取50×50×5mm；

c)利用電阻絲在樣品背面加熱，加熱過程中做好保溫措施；

d)將樣品加熱到輻射對(duì)象的工作溫度范圍的上限、中值和下限，采集光譜輻射強(qiáng)度，每

個(gè)溫度采集三次以上，相同溫度下的光譜輻射強(qiáng)度取均值；

e)加熱過程中樣品的溫度可以通過緊貼在樣品背面中心處的熱電偶檢測(cè)。

當(dāng)輻射對(duì)象為含有固體顆粒物的火焰：

圖B-2含有固體顆粒物的火焰的發(fā)射法發(fā)射率建模方法

a)取與目標(biāo)火焰相同的燃料接入燃燒器中點(diǎn)燃；

b)若燃料為氣體，宜采用擴(kuò)散燃燒器；

c)若燃料為固體粉末，宜采用中心帶粉管的Hencken、McKenna型燃燒器或沉降爐；

d)采集火焰高度3/4、1/2、1/4處的光譜輻射強(qiáng)度，每個(gè)位置采集三次以上，同一位置處

10

的光譜輻射強(qiáng)度取均值；

e)利用熱電偶測(cè)量火焰上述對(duì)應(yīng)位置處的溫度，從火焰中心到邊緣沿徑向等距取三個(gè)點(diǎn)

位測(cè)量，取均值。

對(duì)于上述發(fā)射法，光譜發(fā)射率可以通過下式計(jì)算：

I(λi)

ελ(i)=(B-1)

ITb(λit,)

式中：

ITbi(,)λ——黑體光譜輻射強(qiáng)度(W/m3.sr)

T

t——熱電偶檢測(cè)到的輻射對(duì)象模型的溫度(K)

B.2吸收法

圖B-3含有固體顆粒物的火焰的吸收法發(fā)射率建模方法

吸收法僅適用于含有固體顆粒物的火焰，對(duì)應(yīng)的輻射對(duì)象模型構(gòu)建及光譜發(fā)射率檢測(cè)方法

如下：

a)取與目標(biāo)火焰成分相同的燃燒產(chǎn)物置于石英氣體池中；

b)利用氣體池中內(nèi)置的葉片吹掃燃燒產(chǎn)物；

c)將可見光平行光源和光譜檢測(cè)系統(tǒng)的接收端置于石英氣體池兩端，光譜檢測(cè)系統(tǒng)透過

石英氣體池采集光譜輻射強(qiáng)度，得到光源透過石英氣體池后被光譜檢測(cè)系統(tǒng)接收到的光譜輻射

強(qiáng)度；

d)移除石英氣體池，光譜檢測(cè)系統(tǒng)直接采集可見光光源的光譜輻射強(qiáng)度，得到光源發(fā)出

的光譜輻射強(qiáng)度。

對(duì)于上述吸收法，光譜發(fā)射率可以通過下式計(jì)算：

II光源(λλii)?透射()

ελ(i)=(B-2)

I透射(λi)

式中：

I光源(λi)——光源發(fā)出的光譜輻射強(qiáng)度(W/m3.sr)

I透射(λi)——光源透過石英氣體池后被光譜檢測(cè)系統(tǒng)接收到的光譜輻射強(qiáng)度(W/m3.sr)

11

附錄C

（資料性）

推薦的發(fā)射率模型

推薦的發(fā)射率模型包括：

a)多項(xiàng)式發(fā)射率模型

q

j

ελ(i)=∑ajiλ(C-1)

j=0

式中