CN101873728B - 黑体空腔辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黑体空腔辐射源。包括液体恒温器、液体恒温器内装有黑体空腔和控温装置、泵和标准温度计；黑体空腔内壁涂有黑色漫反射涂层的空腔内壳和空腔外壳，在液体恒温器内同轴安装前端为圆锥形空腔后端为圆柱形空腔的空腔内壳，空腔内壳外装形状相同的空腔外壳，形成等间距的空心夹层，空腔内壳的端面与液体恒温器的外壁连接；空腔外壳的圆锥形空腔开口与泵壳连通，泵壳通过开口与液体恒温器连通，泵壳内的叶轮经泵轴与电机相连接，标准温度计置于空心夹层内，空腔外壳等分开有开口。本发明增加空腔外壳和泵，使恒温器内的液体介质在空心夹层内循环流动，改善了黑体空腔的温度分布，使之具有等温的特征，从而提高黑体空腔的发射率。

Description

黑体空腔辐射源

技术领域

本发明涉及一种黑体空腔辐射源。

背景技术

随着红外探测器技术的不断发展，红外测温仪得到了越来越广泛的应用。前几年，“非典”以及“H1N1流感”的流行大大的加快了这一进程，使得我国使用红外测温仪的数量急剧的增加，据不完全统计，目前在我国多种场所使用的红外测温仪的数量已超过30万台。现在，红外测温仪总的趋势是向快速、长波以及中温、常温、低温领域发展，而这过去一般只用于500℃以上的短波区域。

红外测温仪可分为单色(窄波段)和全辐射(宽波段)两种。目前，我国进口甚多、种类繁杂、性能各异。这大大增加了计量校准发面的难度。毫无疑问，准确的对各种红外测温仪进行计量校准与分度对于提高产品质量以及保证人体健康都具有重要意义。

目前，红外测温仪的计量校准与分度主要是使用黑体炉。所谓黑体炉，一般是使用三段绕组进行加热和控温的炉子，并在炉内置入黑体空腔。由于结构和控温技术的限制，黑体空腔内的温度均匀性较差以及温度波动度较大，特别的用在中低温的情况下。这样，黑体空腔发射率只能达到0.99左右，限制了红外测温仪计量校准与分度准确度的提高。因此，研制一种新型的、实用的、中低温黑体辐射源是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黑体空腔辐射源，该黑体空腔辐射源改善了黑体空腔的温度分布，使之具有等温的特征，从而大大提高了黑体空腔的发射率。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括内置液体介质的液体恒温器、液体恒温器内装有黑体空腔和控温装置、泵和标准温度计；所述的黑体空腔包括内壁涂有黑色漫反射涂层的空腔内壳和空腔外壳，在液体恒温器内同轴安装前端为圆锥形空腔后端为圆柱形空腔的空腔内壳，空腔内壳外装形状相同的空腔外壳，空腔内壳与空腔外壳之间形成等间距的空心夹层，空腔内壳的端面与液体恒温器的外壁连接；所述的泵包括泵壳、叶轮、泵轴和电机，空腔外壳的圆锥形空腔开口与泵壳连通，泵壳通过开口与液体恒温器连通，安装在泵壳内的叶轮经泵轴与安装在液体恒温器上的电机相连接，标准温度计通过空腔外壳顶端的开口置于空心夹层内，空腔外壳等分开有开口。

所述空腔内壳的圆柱形空腔的直径与长度之比不大于1/4，圆锥形空腔的锥角为120度。

所述空腔外壳等分开有多个开口其六个圆心角均为30度。

所述空腔内壳和空腔外壳材料为铝合金。

所述液体介质为水或凝固点高于-50℃且沸点低于300℃的油。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过增加空腔外壳和泵，使恒温器内的液体介质可以在空腔内壳和空腔外壳之间的空心夹层内循环流动，改善了黑体空腔的温度分布，使之具有等温的特征，从而提高黑体空腔的发射率。

综上所述，本发明提供了一种高发射率，高稳定度，具有漫反射和等温特征的新型的黑体空腔辐射源，其主要技术指标：

a)温度范围：-50℃～300℃；

b)黑体空腔发射率：0.996以上；

c)空腔内壁表面发射率：0.9；

该黑体空腔辐射源适用于红外测温仪的计量校准与分度，在标准计量院以及相关的工业部门具有广泛的用途。

附图说明

图1是本发明黑体空腔辐射源结构示意图。

图2是本发明黑体空腔辐射源空腔外壳前端的剖面图。

图中：1、液体恒温器，2、圆柱形空腔，3、圆锥形空腔，4、空腔内壳，5、空心夹层，6、空腔外壳，7、开口，8、标准温度计，9、开口，10、泵壳，11、开口，12、叶轮，13、泵轴，14、电机，15、控温装置，16、液体介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的关键部件是黑体空腔。为了把标准器的量值准确地传递到被检的红外测温仪，黑体空腔的发射率(包括有效发射率和积分发射率)必须非常接近于1。鉴此，采取了如下措施：

1.黑体空腔设计

a)设计成带锥形底部的圆柱形空腔。加上锥形地有助于增加腔的多次反射的机会，从而提高黑体空腔的发射率；

b)腔口直径与腔体长度的比例值不大于1/4，即D/L≤1/4。理论上，该比值越小，空腔发射率越高。考虑到实际的校准与分度情况，1/4是一个合理的选择；

c)恒温器内的腔壁周围设计一夹层。这样，使恒温器的流体介质可以在黑体空腔的夹层内循环流动，从而大大改善了黑体空腔内的温度分布，使之具有等温的特征。与非等温腔相比，等温腔的发射率要高出许多。

2.工艺处理

a)黑体空腔由铝合金材料制成。要对腔体内壁进行黑化处理，其表面发射率在0.9以上，而且具有漫反射的特征。在加工中，取出经过黑化处理的内壁材料的样品，并利用积分球对样品的反射率进行测量。这样的工艺处理大大提高了黑体空腔的发射率。

b)在上述结构设计、加工、工艺处理和装配完成以及各项参数确定之后，就需计算黑体空腔的发射率。存在着各种计算空腔发射率的理论，例如积分方程理论(又称为Buckley-Sparrow-Bedford理论)、多重反射理论(又称为DeVos-Gouffe理论)，蒙特-卡洛(Monte Carlo)理论等，其中以积分方程理论最为准确。采用积分方程理论进行计算。无论是有效发射率，还是积分发射率，它们的计算结果均在0.996以上，大大高于红外测温仪检定规程所规定的0.990的要求。这使红外测温仪的校准与分度的准确度整整提高了一个数量级。

如图1、图2所示，本发明包括内置液体介质16的液体恒温器1、液体恒温器1内装有黑体空腔和控温装置15，泵和标准温度计8；其特征在于：所述的黑体空腔包括内壁涂有黑色漫反射涂层的空腔内壳4和空腔外壳6，在液体恒温器1内同轴安装前端为圆锥形空腔3后端为圆柱形空腔2的空腔内壳4，空腔内壳4外装形状相同的空腔外壳6，空腔内壳4与空腔外壳6之间形成等间距的空心夹层5，空腔内壳4的端面与液体恒温器1的外壁连接；所述的泵包括泵壳10、叶轮12、泵轴13和电机14，空腔外壳6的圆锥形空腔开口与泵壳10连通，泵壳10通过开口11与液体恒温器1连通，安装在泵壳10内的叶轮经泵轴13与安装在液体恒温器1上的电机相连接，标准温度计8通过空腔外壳6顶端的开口9置于空心夹层5内，空腔外壳6等分开有开口7。

所述空腔内壳4的圆柱形空腔2的直径与长度之比不大于1/4，圆锥形空腔3的锥角为120度。

所述空腔外壳6等分开有多个开口7其六个圆心角均为30度。

所述空腔内壳4和空腔外壳6材料为铝合金。

所述液体介质16为水或凝固点高于-50℃且沸点低于300℃的油。

图1中所示的控温装置为加热器和制冷器分别使用于不同的温度范围。它们分别在环境温度以上和以下启动。

图1中所示的标准温度计在这个温度范围内通常是采用标准水银温度计和贝克曼温度计；在200℃以上也可采用铂电阻温度计。

实施例1：

本例采用的液体恒温器1中的液体介质16为硅油(并不限于硅油，亦可为其它油种或者水)，控温装置15的控温范围为-50℃～300℃，控温精度小于±0.1℃。

本例采用二等标准铂电阻温度计WZPB-2(测量温度范围为-183～420℃)作为标准温度计8，测量空腔内壳4的温度。

图1所示空腔内壳4和空腔外壳6用厚度为5mm的铝制材料(并不限于铝，亦可以为铜等其它导热性良好的金属)加工而成，其中：

1)空腔内壳4由内径为30mm长度为120mm的圆柱形空腔2和锥角为120度、底面内径为30mm圆锥形空腔焊接而成，要求同心度偏差小于0.1mm；

2)空腔内壳4和空腔外壳6的开口端加工有唇边(如图1所示)，与液体恒温槽1的侧壁用耐高温的密封垫圈和螺栓密封固定；

3)空腔外壳6的开口端附近在同一截面上开六个圆心角为30度的开口7(如图2所示)，作为液体介质16在空心夹层5内循环流动的出口；

4)空腔外壳6的顶端开有直径为2cm的圆形开口，用于放置标准温度计8，本例采用二等标准铂电阻温度计WZPB-2(温度范围为-183～420℃)作为标准温度计，但标准温度计并不限于二等标准铂电阻温度计；

5)空腔外壳6的末端带有法兰结构，与泵壳10用螺栓密封连接；

6)空腔内壳4的内表面进行磨砂处理，并涂厚度为2mm的石墨涂层，使空腔内壳4的内表面材料发射率达到0.8以上。

空腔内壳4和空腔外壳6之间形成1cm的空心夹层5，泵(由泵壳10、叶轮12、轴13和电机14构成)将液体介质16经开口11注入空心夹层5内，然后从开口7和开口9流回到液体恒温槽1内。此种液体介质循环方式大大改善了空腔内壳4的温度分布，使之具有等温的特征，因此可以将标准温度计8测量得到的温度看作空腔内壳4的温度。

本例中黑体空腔是等温腔，空腔发射率ε_c的计算可采用多重反射理论(又称为De Vos-Gouffe理论)计算得到，计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_c=1-\mathrm{\ρ}\·\frac{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\π}}-\frac{{\mathrm{\ρ}}^2(1-\frac{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\π}})\frac{R}{S}}{1-{\mathrm{\ρ}}^2(1-\frac{R}{S})}---\left(1\right)$

ρ＝1-ε₀                   (2)

其中，ρ为空腔材料反射率，ε₀为空腔材料发射率，Ω为立体角，R为空腔开口面积，S为空腔内壳4表面积，ρ与ε₀满足式(2)。

不同材料发射率ε₀对应的空腔发射率ε_c的计算结果如表1所示。

表1本发明黑体空腔辐射源的空腔发射率值

实施例2：

本例采用的液体恒温器1中的液体介质16为水(并不限于水，亦可为硅油或其它油种)，控温装置15的控温范围为0℃～100℃，控温精度小于±0.1℃。

本例采用二等标准玻璃水银温度计WLB-21(根据需要选用测量温度范围为0～50℃或者50～100℃)作为标准温度计8，测量空腔内壳4的温度。

其它具体实施方式参考实施例1。

本例中黑体空腔是等温腔，空腔发射率ε_c的计算可采用积分方程理论(又称为Buckley-Sparrow-Bedford理论)计算得到，计算公式为

${\mathrm{\ϵ}}_a\left(x_0\right)={\mathrm{\ϵ}}_0+(1-{\mathrm{\ϵ}}_0)\underset{S}{\∫\∫}{\mathrm{\ϵ}}_a\left(x\right)d^2{F}_{x_0-x}---\left(3\right)$

ρ＝1-ε₀                          (4)

其中，ρ为空腔材料反射率，ε₀为空腔材料发射率，ε_a(x₀)和ε_a(x)为空腔内壳4不同点的发射率，

为角系数，ρ与ε₀满足式(4)。

积分方程(3)的计算采用迭代法。

不同材料发射率ε₀对应的空腔发射率ε_c的计算结果如表2所示。

表2本发明黑体空腔辐射源的空腔发射率值

Claims (5)

1.一种黑体空腔辐射源，包括内置液体介质(16)的液体恒温器(1)、液体恒温器(1)内装有黑体空腔和控温装置(15)、泵和标准温度计(8)；其特征在于：所述的黑体空腔包括内壁涂有黑色漫反射涂层的空腔内壳(4)和空腔外壳(6)，在液体恒温器(1)内同轴安装前端为圆锥形空腔(3)后端为圆柱形空腔(2)的空腔内壳(4)，空腔内壳(4)外装形状相同的空腔外壳(6)，空腔内壳(4)与空腔外壳(6)之间形成等间距的空心夹层(5)，空腔内壳(4)的端面与液体恒温器(1)的外壁连接；所述的泵包括泵壳(10)、叶轮(12)、泵轴(13)和电机(14)，空腔外壳(6)的圆锥形空腔开口与泵壳(10)连通，泵壳(10)通过开口(11)与液体恒温器(1)连通，安装在泵壳(10)内的叶轮经泵轴(13)与安装在液体恒温器(1)上的电机相连接，标准温度计(8)通过空腔外壳(6)顶端的开口(9)置于空心夹层(5)内，空腔外壳(6)等分开有开口(7)。

2.根据权利要求1所述的一种黑体空腔辐射源，其特征在于：所述空腔内壳(4)的圆柱形空腔(2)的直径与长度之比不大于1/4，圆锥形空腔(3)的锥角为120度。

3.根据权利要求1所述的一种黑体空腔辐射源，其特征在于：所述空腔外壳(6)等分开有六个开口(7)，其六个圆心角均为30度。

4.根据权利要求1所述的一种黑体空腔辐射源，其特征在于：所述空腔内壳(4)和空腔外壳(6)材料为铝合金。

5.根据权利要求1所述的一种黑体空腔辐射源，其特征在于：所述液体介质(16)为水或凝固点高于-50℃且沸点低于300℃的油。

Images