CN102072916B - 一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量材料热物理参数技术领域，特别涉及一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置，该测量方法包括步骤：在真空环境中，选用多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段中心区域作为目标分析区域；将通电后的加热模块贯穿嵌入待测样品的内部；通过测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品中间段和目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。本发明采用将加热模块内嵌于圆柱套筒状待测样品内部的加热方法，满足了高温下对非金属材料进行半球向全发射率测量的需求，并且具有测量装置结构简单、测量数据精度高等优点。

Description

一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及测量材料热物理参数技术领域，特别涉及一种非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置。

背景技术

半球向全发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面热辐射能力，是研究辐射热传递与热效率分析的重要基础物性数据。在航空航天、能源动力等高新技术领域，新型耐高温非金属材料被广泛使用，然而作为表征材料性能的热物性数据，非金属材料的高温半球向发射率十分缺乏。

目前测量方法主要可分为卡计法、反射率法、能量比较法等。其实验原理是通过测量样品在热平衡状态下的换热量和表面温度，计算出材料表面的半球向全发射率。其中，卡计法由于所用的设备结构简单，操作方便，具有较高的准确性，因此最为广泛的应用。采用卡计法的主要相关工作如下：

第一种方案为在真空室中利用加热片对材料底面进行加热，通过测量电流、电压以及材料上表面温度，计算材料的全波长发射率(TheInstitute of Physics J.Phys.E：Sci.Instrum.，13：873-876，1980；太阳能学报，3(2)：202-211，1982)。

第二种方案为将两片样品薄片紧贴在加热片的两面，利用加热片的导线将其悬挂在真空室中，通以电流加热，通过测量电功率以及材料表面温度，求解半球向全发射率(Journal of heat transfer，128：302-306，2006；低温物理学报，30(3)：266-269，2008)。

上述两种典型测量方法存在一些局限性：

1)样品表面加热后的温度非均匀分布，给发射率的计算带来误差；

2)热平衡时辐射换热量采用加热的电功率值，未对测量值的可靠性给予详细分析；

3)样品测试温度较低(＜400℃)，未见有能满足高温(＞1000℃)测量的说明与实际测试。

另外，现有技术还有采用脉冲电流对样品进行瞬间加热至高温(1200～2000℃)，通过测量电功率计算出平衡时的辐射换热量，利用激光光学测温技术得到样品表面温度，进而计算样品半球向全发射率(Meas.Sci.Technol.12(2001)2095-2102.)。尽管这种方法能满足高温下的测量需求，结果也比较精确，但是实验系统复杂昂贵，而且所测材料仅限于导体，不能用来测量非导体的非金属材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种简单、可靠的非金属材料高温半球向全发射率的测量方法和装置，克服现有的半球向全发射率测量方法不能适用于高温非金属材料，装置复杂以及测试精度不高等缺点。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明一方面提供一种非金属材料半球向全发射率的测量方法，包括步骤：

S1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；

S2，将通电后的加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部；

S3，测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、所述待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。

另一方面，本发明提供一种非金属材料半球向全发射率的测量装置，包括：

选定多段组合的圆柱套筒状待测样品中间段的中心区域作为目标分析区域；

真空模块，包括真空室和真空泵，用于真空环境；

加热模块，通过将加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部，加热所述待测样品；

测量模块，测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、所述待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。

(三)有益效果

本发明提供的非金属材料半球向全发射率的测量方法和装置，与现有技术相比，具有如下突出优点：

(1)加热模块采用高熔点金属制成的圆柱形的加热棒，非金属待测样品采用多段圆柱套筒结构设计，加热棒内嵌于待测样品中，为非金属样品提供均匀稳定的热源，适用于非导体材料的加热，辐射换热量的计算简单、准确，同时可以使测试样品的温度范围达到20～1600℃，优于现有的实验装置，满足了高温半球向全发射率测量的需求。

(2)非金属待测样品采用多段组合的圆柱套筒结构设计，选择待测样品中间段的中心区域作为测量目标分析区域，其温度分布具有较好的均匀性，解决了测试样品温度非均匀分布给发射率计算带来的影响。同时，采用接触式和非接触测温两种技术在线测量样品表面的温度分布，解决了20～1600℃宽温度范围的有效测量，从而有效地保证了温度测量数据的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例非金属材料半球向全发射率的测量方法流程示意图；

图2是本发明实施例非金属材料半球向全发射率的测量装置结构示意图。

图中：1、真空室；2、真空泵；3、加热棒；4、窗口；5、冷却罩；6、支架；7、夹子；8、待测样品；9、电源接线端；10-13、热电偶；14、电压测量端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1，本发明实施例非金属材料半球向全发射率的测量方法具体包括如下步骤：

步骤1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品中间段的中心区域作为目标分析区域。

具体为：真空环境内涂以高发射率涂料，用于提供一个近似黑体的环境，真空环境中的真空度为小于1×10^-3Pa。待测样品采用多段组合的圆柱套筒状非金属样品，将待测样品平均分为三段，分别为待测样品上段，待测样品中间段，待测样品下段。在本发明实施例中，待测样品为三段圆柱套筒状样品的组合体。本发明实施例选定待测样品的中间段中心区域作为测量的目标分析区域。选定中心区域的具体操作为：先将其中一个热电偶安装在待测样品中间段的正中央，然后两个热电偶等距离安装在处于中央位置的热电偶的两边，远离中央位置处热电偶的间距根据待测样品的实际长度和待测样品导热性能有关。若该待测样品的导热系数较大时，则该间距可以先设置得小一些，反之，该间距可以先设置得大一些。观察三个热电偶测得的温度，若该三个电热偶测得的温度存在较大差异时，调整处于两边热电偶的放置位置。直到该三个热电偶测得的温度基本达到一致时，两边热电偶的放置点被确定下来。此时位于两侧的热电偶之间距离的区域，选定为待测样品中间段的中心区域。该中心区域保证了温度传导的均匀性，确保位于中心区域上的三个热电偶测得的温度均匀，并且误差较小。将待测样品选用多段的圆柱套筒状，可以有效地减少待测样品的温度梯度，得到温度均匀分布的目标分析区域，有利于测量的准确性。

步骤2，将通电后的加热模块贯穿嵌入待测样品的内部。

具体为：加热模块采用高熔点金属制成的圆柱形加热棒，将加热棒贯穿嵌入待测样品中，为待测样品提供受热均匀稳定的热源。为了使待测样品与加热棒充分接触，该加热棒的外径与待测样品的内径相同，长度与该待测样品的长度相近。通过热传导效应，加热棒可以使待测样品加热到所需温度。本实用新型实施例中，该加热棒的工作温度范围为100-2000℃，该待测样品的温度范围为20-1600℃。

步骤3，通过测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。

具体为：采用将一个热电偶安装在真空环境中，用于测量真空环境内部温度T₂。通过安装在待测样品中心区域的三个热电偶直接测量出目标分析区域的表面温度。或者，在真空环境中采用辐射测温仪器，非直接接触测量出目标分析区域的表面温度。由于待测样品的温度范围为20-1600℃，因此，根据实际需求，可以采用热电偶测量该温度范围中较低的温度段，例如1200℃以下的温度；采用辐射测温仪器测量该温度范围较高的温度段，例如1200℃以上的温度，这样可以有效地保证温度测量数据的准确性。将多次测量得出的目标分析区域的表面温度值求平均值，得出目标分析区域的表面温度平均值T₁。采用千分尺测量出待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸，包括待测样品中间段长度S，目标分析区域长度H和外径D。

通过测量内嵌于待测样品中的加热棒的电流值和待测样品中间段两端的电压值，计算目标分析区域的热量功率。当电热棒通电升温后，由于加热棒两端与固定待测样品的样品夹接触产生热传导，会使加热棒上出现轴向的温度梯度，而导体的电阻率与温度有关，因此加热棒上的电压分布并非均匀。而加热棒中段上温度梯度较小，温度分布基本一致，所以此处的电压分布可以根据长度而均分，获得加热棒中央段对应长度下测量电压的折算值，由于待测样品的目标分析区域包覆于加热棒中央段的外围，目标分析区域的热能量直接来源于加热棒的径向导热，因此，目标分析区域的辐射换热量功率可以等效为对应的加热棒中央段的热功率值，即电压折算值乘以电流值。

待测样品吸收的热量和真空环境辐射热量达到热平衡时，半球向全发射率的计算公式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Q}{\mathrm{F\σ}(T_1^4-T_2^4)};---\left(1\right)$

其中，ε为待测样品表面的半球向全发射率；Q为热平衡状态下目标分析区域的辐射换热量；F为目标分析区域的面积；T₁为目标分析区域的表面温度平均值；T₂为真空环境内部温度；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。由于待测样品的目标分析区域为圆柱套筒状，则F＝πDH。

设待测样品的目标分析区域对应的加热棒区域的电流和电压值分别为I、V，则热平衡时，分析区域与真空环境内的热辐射换热量

将计算出的F和Q数值，代入公式(1)中，则可计算出半球向全发射率。

参考图2，本发明实施例非金属材料半球向全发射率的测量装置包括真空模块，该真空模块包括真空室1和真空泵2；真空室1为采用不锈钢制成的单层圆筒，上底面密封。真空室1上具有窗口4，该窗口4可以采用石英玻璃材料，用于观测时使用。窗口4处装有辐射测温仪器，用于非接触测量待测样品的表面温度。真空室1的内壁装有冷却罩5，冷却罩5上具有液氮冷却的金属盘管，可在测量较低温度下的样品参数时开启，保证低温下测量的准确性。冷却罩5的内壁均匀涂有高发射率的涂料，涂料发射率应大于0.9，以提供一个近似黑体的环境。冷却罩5内壁安装热电偶10，用于测量真空环境内部温度。真空泵2，可以采用机械泵和扩散泵的组合，使真空室1内的压力小于1×10^-3Pa。

待测样品8为非金属材料，采用多段圆柱套筒状，可以减少待测样品的轴向温度梯度，将该待测样品8平均分为三段，三段样品紧密连接。在本发明实施例中，待测样品为三段圆柱套筒状样品的组合体。选取待测样品8中间段的中心区域作为目标分析区域，具体选定中心区域的方法为：先将其中一个热电偶11安装在待测样品中间段的正中央，另外两个热电偶12、13等距离安装在处于中央位置的热电偶的两边，远离中央位置处的热电偶11的间距根据待测样品的实际长度和待测样品导热性能有关。若该待测样品的导热系数较大时，该间距可以先设置得小一些，反之，该间距可以先设置得大一些。观察三个热电偶测得的温度，若该三个电热偶11、12、13测得的温度存在较大差异时，调整处于两边热电偶12、13放置的位置。直到该三个热电偶11、12、13测得的温度基本达到一致时，两边热电偶12、13的放置位置被确定下来。此时位于两边的热电偶12、13之间距离的区域，确认为待测样品中间段的中心区域。该中心区域保证了温度传导的均匀性，确保位于中心区域上的三个热电偶11、12、13测得的温度均匀，可以有效地避免待测样品表面温度轴向分布不均匀、加热边缘效应以及换热量计算有误差等影响。该三个热电偶11、12、13直接测量目标分析区域的表面温度。采用千分尺测量出待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸，包括待测样品中间段长度S，目标分析区域长度H和外径D。

该非金属材料半球向全发射率测量装置的加热模块，采用高熔点金属制成的圆柱形的加热棒3，将加热棒3贯穿于待测样品8的内部，加热棒3的外径与待测样品8的内径相等，加热棒3的长度与待测样品8的总长度相近，这样可以保证加热棒3与待测样品8充分接触，通过热传导，使待测样品8加热到所需的高温。加热棒3的两端需要留出一定的距离，便于将加热棒3通过夹子7固定在支架6上，支架6采用金属材料制成，上端固定，下端可以移动，防止待测样品8在加热过程中发生热膨胀而损坏，支架6上可以安装冷却水循环系统，在高温度时开启该冷却水循环系统，保证支架6可以在高温下正常工作。

电源接线端9外接低压大电流直流电源并且串联连接电流表。电压测量端14接在电热棒3上，位于目标分析区域所在的待测样品中间段的两端。根据目标分析区域的长度，计算出目标分析区域对应的加热棒3两端电压的折算值，进而等效于目标分析区域的电压值。

其中，加热棒3的工作温度范围为100-2000℃，待测样品8的温度范围为20-1600℃。

在实际测量过程中，分别读出目标分析区域的表面温度，真空环境内部温度，电压表和电流表值，待连续三次观察得到的上述数值变化幅度不差过1％时，此时，认为该待测样品8与真空环境的换热量已经达到热平衡，记录好各数值，根据公式(1)计算出非金属样品表面的半球向全发射率。

本发明采用将加热棒内嵌于待测样品内部的测量方法，满足了高温下对非金属材料进行半球向全发射率测量的需求，并且具有测量装置结构简单、测量数据精确高等优点。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，包括步骤： 

S1，在真空环境中，选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；其中：待等距离放置在待测样品中间段上的三个热电偶所测得的温度保持一致时，位于两侧的两个热电偶之间的距离区域作为待测样品中间段的中心区域 ；

S2，将通电后的加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部； 

S3，通过测量所述待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。 

2.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述真空环境中的真空度小于1×10^-3Pa。 

3.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述加热模块为圆柱形，所述待测样品的内径与所述加热模块的外径相等。 

4.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，在所述步骤S3中， 

通过安装在待测样品中间段上的三个热电偶，直接测量目标分析区域的表面温度； 

或者通过辐射测温仪器测量目标分析区域的表面温度。 

5.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，所述通电后加热模块的工作温度范围为100-2000℃。 

6.如权利要求1所述的非金属材料半球向全发射率的测量方法，其特征在于，在热平衡状态下，半球向全发射率的计算公式为： 

其中，ε为待测样品表面的半球向全发射率；Q为热平衡状态下 目标分析区域的辐射换热量；F为目标分析区域的面积；T₁为目标分析区域的表面温度平均值；T₂为真空环境内温度；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。 

7.一种非金属材料半球向全发射率的测量装置，其特征在于，包括： 

选定多段组合的圆柱套筒状待测样品的中间段的中心区域作为目标分析区域；其中：待等距离放置在待测样品中间段上的三个热电偶所测得的温度保持一致时，位于两侧的两个热电偶之间的距离区域作为待测样品中间段的中心区域 ；

真空模块，包括真空室和真空泵，用于真空环境； 

加热模块，通过将加热模块贯穿嵌入所述待测样品的内部，加热所述待测样品； 

测量模块，测量待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸以及在热平衡状态下，真空环境内部温度、所述待测样品目标分析区域的表面温度和热量功率，计算出半球向全发射率。 

8.如权利要求7所述的非金属材料半球向全发射率的测量装置，其特征在于，所述加热模块为圆柱形，所述待测样品的内径与所述加热模块的外径相等。 

9.如权利要求7所述的非金属材料半球向全发射率的测量装置，其特征在于，所述测量模块包括千分尺、电压表、电流表、热电偶和辐射测温仪器，所述千分尺用于测量所述待测样品中间段和目标分析区域的几何尺寸； 

通过安装在所述真空环境内壁上的热电偶，测量真空环境内部温度； 

通过安装在所述加热模块两端的电流表和待测样品中间段两端的电压表，测量计算所述待测样品目标分析区域的热量功率； 

通过安装在待测样品的目标分析区域上的三个热电偶，测量目标 分析区域的表面温度；或者通过辐射测温仪器测量目标分析区域的表面温度。 

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