CN103969291A - 一种稳态量热计法半球发射率测试仪 - Google Patents

Abstract

一种稳态量热计法半球发射率测试仪,包括真空室、试样加热组件、抽真空装置、恒温冷却装置以及数据测量与处理装置；真空室包括真空罩以及固设在真空罩内壁上的热沉；试样加热组件设置在真空室对试样进行加热，包括主加热器；抽真空装置与该真空室的真空测试空间连通；恒温冷却装置与真空室的冷却介质通道连通；数据测量与处理装置采集试样温度、热沉温度、真空室内真空度以及主加热器的功率，并计算出试样的半球发射率。克服了测试过程对材料导热系数与比热容的苛刻要求，测试精度高，测试温区宽，可以测试材料在不同温度条件下尤其是在低温下的半球发射率。利用该测试装置的测试结果，可方便地计算出材料的半球发射率，测试与计算较简单。

Description

一种稳态量热计法半球发射率测试仪

技术领域

本发明涉及半球发射率测试仪领域，尤其是一种稳态量热计法半球发射率测试仪。

背景技术

半球发射率是固体材料的一个重要物理性能参数，它体现了材料在特定温度下相对黑体的辐射能力。材料半球发射率的测试方法包括卡计法和光学方法。其中卡计法又包括瞬态卡计法和稳态卡计法（稳态量热计法）。瞬态卡计法能在较短的时间内连续测量试样在不同温度条件下的发射率，但在测试中要求试样的导热性好，以保证在冷却过程中试样内部没有温度梯度。因而，用其测试低热导率材料的半球发射率较为困难。此外，采用瞬态卡计法需获取材料在不同温度下的比热容，然而许多新型功能材料热控材料的热力学参数非常缺乏，这也限制了瞬态卡计法的应用。

发明内容

为了满足热辐射材料特别是隔热涂料在不同温度条件下尤其是低温下热发射率的测量要求，本发明合理设计了一台基于稳态量热计法的半球发射率测试仪。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种稳态量热计法半球发射率测试仪,包括真空室、试样加热组件、抽真空装置、恒温冷却装置以及数据测量与处理装置；

所述真空室包括真空罩以及固设在真空罩内壁上呈半包围状的热沉；所述热沉朝内的一面构成真空测试空间，朝外的一面与真空罩的内壁之间留有一条冷却介质通道；所述冷却介质通道内设有一冷却介质入口与冷却介质出口；

所述试样加热组件设置在真空室的真空测试空间内对试样进行加热，包括主加热器；所述主加热器与一标准电阻以及直流电源构成串联回路；

所述抽真空装置通过管道与该真空室的真空测试空间连通；

所述恒温冷却装置通分别过管道与冷却介质通道的冷却介质入口和冷却介质出口连通；

所述数据测量与处理装置采集试样温度、热沉温度、真空室内真空度以及主加热器的功率；当数据测量与处理装置检测到真空室内的压力达到1.0X10^-3Pa以下，且试样温度达到所设定的温度时，该数据测量与处理装置根据试样温度、热沉温度、主加热器的功率以及试样的辐射表面积计算出试样的半球发射率。

相比于现有技术，本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪包括真空室、恒温冷却装置、试样加热组件、抽真空装置以及数据测量与处理装置，通过稳态量热计法，克服了测试过程对材料导热系数与比热容的苛刻要求，测试精度较高，测试温区宽，应用较为广泛，可以测试材料在不同温度条件下尤其是在低温下的半球发射率。利用该测试装置的测试结果，可方便地计算出材料的半球发射率，测试与计算较简单。

进一步，所述数据测量与处理装置包括第一温测单元、第二温测单元、第三温测单元、第四温测单元、第一电压计、第二电压计以及处理单元；所述第一温测单元设置在试样上，测量试样温度；第二温测单元设置在热沉上；所述第三温测单元设置在冷却介质入口处；所述第四温测单元设置在冷却介质出口处；所述第一电压计与该主加热器并联，测量主加热器的电压；所述第二电压计并联在该标准电阻上，测量标准电阻的电压；所述处理单元根据第一电压计与第二电压计的数值以及标准电阻的阻值计算主加热器的功率。

进一步，所述抽真空装置包括油扩散泵、储气罐以及机械泵；真空室、油扩散泵、储气罐以及机械泵依次通过管道连通；该真空室与该油扩散泵之间的管道上设有高真空阀。

进一步，所述抽真空装置还包括一个三通阀；该三通阀包括一个主端口与两个选择端口；该主端口通过管道与该机械泵连通；其中一选择端口通过管道与该储气罐连通，另一个选择端口通过管道与该真空室直接连通；该数据测量与处理装置还包括高真空计、第一低真空计和第二低真空计；所述高真空计设置在高真空阀与油扩散泵之间的管道上；所述第一低真空计设置在三通阀与机械泵之间的管道上；所述第二低真空计设置在三通阀与真空室之间的管道上。高真空机构与低真空机构共用一个机械泵，并可通过三通阀切换，简化了管路连接，省去了成本。

进一步，该试样加热组件包括主加热器和辅助加热器；该辅助加热器呈半包围状，该主加热器设置在该辅助加热器的半包围空间内。该辅助加热器用于对试样温度补偿。

进一步，该试样加热组件还包括一均热板，该均热板设置在该主加热器上。使试样均匀加热。

进一步，还包括与真空罩固定连接的升降销轴，该升降销轴配有动力单元以及与该动力单元电连接的控制按钮，该动力单元驱动该升降销轴上下移动。通过控制按钮控制升降销轴上下移动，带动真空罩打开或闭合，提高劳动效率。

进一步，所述恒温冷却装置为循环冷却水装置或液氮罐。

进一步，所述热沉的朝向真空测试空间的一面涂覆有无光黑漆。

进一步，所述测试仪还包括测试主机；该测试主机包括显示屏、真空压力表、温度显示仪以及控制面板；该真空压力表显示第一低真空计、第二低真空计以及高真空计所测得的数值；所述温度显示仪显示第一温测单元与第二温测单元的所测得的数值；所述控制面板上设有多个控制按钮。

附图说明

图1是本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪的装置连接图

图2是图1中真空1的的内部结构示意图

图3是图2中的主加热器31与辅助加热器32的电路图

下面参见附图及具体实施例，对本发明作进一步说明。

具体实施方式

采用稳态卡计法测量材料半球发射率的原理如下：假设试样的半球发射率ε_H等于半球吸收率，当试样温度T达到热平衡时，有如下关系式：

Q＝ε_Hσ^A(T⁴-T₀ ⁴)+Q_w+Q_g-Q_r （1）

式中σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数；A为试样的表面积；T和T₀分别为试样与测试室内壁的温度；Q为加热器的加热功率；Q_w为试样通过引线的热损；Q_g为测试室内由残余气体引起的热损；Q_r为试样与测试室内壁多次反射试样吸收的能量。

在测试过程中，测试室内维持高真空，且测试室内表面积远大于试样表面积，因而，Q_g与Q_r可以忽略不计；由于采用的加热丝及引线直径都较细，故可忽略引线的热损Q_w。即公式（1）等价为

${\mathrm{\ϵ}}_H=\frac{Q}{\mathrm{\σA}(T^4-{T_0}^4)}---\left(2\right)$

故通过测量加试热器的加热功率Q、样温度T与测试室内壁温度T₀以及试样的表面积A，即可计算出试样的半球发射率ε_H。

请参阅图1与图2，图1是本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪的装置连接图，图2是图1中真空室1的内部结构示意图。本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪，包括真空室1、恒温冷却装置2、试样加热组件3、抽真空装置4、数据测量与处理装置5以及测试主机。所述真空室1包括真空罩11、设置在真空罩底部的法兰12以及固设在真空罩11内壁上呈半包围状的热沉13；所述热沉13朝内的一面与法兰12构成真空测试空间，朝外的一面与真空罩11的内壁之间留有一条冷却介质通道14。所述恒温冷却装置2与该真空室1的冷却介质通道14通过管道连通，其产生冷却介质并与所述热沉热交换以恒定热沉的温度。该试样加热组件3设置在该真空室1内，需测试的试样放置在该试样加热组件3上，由该试样加热组件3对其加热。该抽真空装置4与该真空室1的真空测试空间连通，用于对真空室1抽真空。该数据测量与处理装置5用于测量测试仪运行的数据，当试样温度T达到预设定的温度且真空室1内处于热稳定状态，计算出试样的半球发射率ε_H。

该真空罩11的外壁上固定有一升降销轴15，该升降销轴15与一动力单元连接，该动力单元分别与上升按钮以及下降按钮电连接；操作员通过控制上升按钮或下降按钮对升降销轴15进行操控，从而控制真空罩11的上下移动,提高劳动效率；该动力单元优选为电机。该热沉13朝内的一面涂覆有无光黑漆。该冷却介质通道14内设有冷却介质入口16与冷却介质出口17。该冷却介质入口16与该冷却介质出口17分别与该恒温冷却装置2通过管道连通；冷却介质从该恒温冷却装置2产生后，通过冷却介质入口16进入冷却介质通道14，与热沉13热交换以维持热沉13的温度，并通过冷却介质出口17回流到恒温冷却装置2重新制冷。

该恒温冷却装置2为循环冷却水装置或液氮罐。

该试样加热组件3包括主加热器31、辅助加热器32以及均热板33。该主加热器31用于将试样A加热至预定温度。如图3所示，其是图2中的主加热器31与辅助加热器32的电路图。该主加热器31与一标准电阻以及直流电源串联构成主加热回路。该均热板33放置在该主加热器31上。试样A放置在该均热板33上，使试样A均匀受热。该辅助加热器32呈半包围状，试样A、均热板33以及主加热器31放置在该辅助加热器32内，且通过一盖板34将试样A与辅助加热器32之间的缝隙封盖住，使主加热器31所产生的热全部提供给试样A。该辅助加热器32内置有线圈，通过接交流电来使线圈发热。辅助加热器32作为补偿加热，使主加热器31产生的热量全部供给试样A，并使试样温度恒定。

该抽真空装置4包括三通阀41、挡油器42、油扩散泵43与储气罐44以及机械泵45；所述三通阀41包括一个主端口、第一选择端口与第二选择端口。该主端口通过管道与该机械泵45连通，且该管道上设有一电磁阀46；该电磁阀46与该机械泵45联动，机械泵45打开时，电磁阀46打开，从而机械泵45与三通阀41之间通断。第一选择端口通过管道与真空室1连通。真空室1、挡油器42、油扩散泵43、储气罐44以及第二选择端口依次通过管道连通；该油扩散泵43与该真空室1之间的管道上设有高真空阀47。该三通阀41上设有一手柄，手柄可外拉至死点位置，或往里推至死点位置。当该三通阀41处于往里推至死点位置时，第二选择端口与该主端口连通；当该三通阀41处于向外拉至死点位置时，第一选择端口与主端口连通。该三通阀41的功能相当于一个选择器，选择机械泵45工作的管路。

所述数据测量与处理装置5包括第一温测单元、第二温测单元、第三温测单元、第四温测单元、第一电压计、第二电压计、高真空计51、第一低真空计52、第二低真空计53以及处理单元。所述第一温测单元设置在试样上，测量试样温度T。所述第二温测单元设置在热沉上，测量热沉温度T₀。所述第三温测单元设置在冷却介质入口16处。所述第四温测单元设置在冷却介质出口17处。所述第一电压计与该主加热器31并联，测量主加热器31的端电压V。所述第二电压计并联在该标准电阻上，测量标准电阻的电压V1。所述高真空计51设置在高真空阀47与挡油器42之间。所述第一低真空计52设置在三通阀41与电磁阀46之间。所述第二低真空计53设置在三通阀41与真空室1之间。所述处理单元根据第一电压计与第二电压计的数值以及标准电阻的阻值R计算主加热器的功率Q。并且，若采用循环冷却水作为恒温装置时，热沉温度T₀为第三、第四温测单元所检测值的平均值，即冷却介质入口16与冷却介质出口17的平均温度值；若采用液氮作为恒温装置，热沉温度T₀为第二单元所检测的温度值。

当试样温度T达到预设定的温度且真空室1内处于热稳定状态，所述数据测量与处理装置5根据试样温度T、热沉温度T₀、主加热器的功率Q以及试样的辐射表面积S计算出试样的半球发射率ε_H。其中， ${\mathrm{\ϵ}}_H=\frac{Q}{\mathrm{\σA}(T^4-{T_0}^4)},Q=\frac{V1}{R}V.$

所述测试主机包括显示屏、真空压力表、温度显示仪以及控制面板；该真空压力表显示第一低真空计52、第二低真空计53以及高真空计51所测得的数值。所述温度显示仪显示第一温测单元、第二温测单元、第三温测单元以及第四温测单元的所测得的数值。所述控制面板上设有测试主机电源按钮、显示屏电源按钮、温度显示仪电源按钮、机械泵开关按钮、恒温冷却装置开关按钮、冷却水开关按钮、真空罩上升按钮、真空罩下降按钮、主加热器开关按钮以及辅助加热器开关按钮。

进一步，该真空室1还另外通过管道与充气泵连通，真空室1与充气泵之间设有充气阀。

本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪的测量原理：将一个被测试样放置在真空室1内，试样表面和真空室1之间只有辐射热交换，试样发出的热辐射全部投射到真空室1热沉表面上。对试样用电加热方式提供一个连续的加热功率，使试样加热到测定温度，试样通过热辐射与所处的冷却黑体空腔进行热交换。当试样与环境之间达到热平衡，通过数据测量与处理装置5采集加热器温度T、热沉温度T₀、主加热器的端电压V和标准电阻的端电压V1的数据，再根据试样的表面积S，由计算机软件直接计算出试样的半球发射率ε_H。

本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪的具体操作流程如下：

按真空罩上升按钮，通过上升销轴将真空罩11升至合适的高度，将制备好的被测试样用导热硅脂固定在真空室1的均热板33上，并用压板34压好，然后按真空罩下降按钮，将真空罩11降至最低处，使真空罩11与底法兰的密封圈负压压紧。先对真空室1进行预抽低真空：将三通阀41往外拉至死点位置，并保持高真空阀47的关闭状态。在控制面板上打开如下按钮：测试主机电源按钮、显示屏电源按钮、温度显示仪电源按钮、机械泵开关按钮。当真空室1的压力小于或等于10Pa时，对挡油器42、油扩散泵43进行抽真空：将三通阀41的手柄往里推至死点位置，并保持高真空阀47处于关闭状态，当油扩散泵43的压力达到约6Pa以下时，打开冷却水开关按钮以接通油扩散泵43的冷却水，对油扩散泵43加热，并开启恒温水或液氮，若是使用液氮，则直接旋开液氮瓶的减压阀，使其压力控制在0.05-0.1MPa。对油扩散泵43加热40min后，把三通阀41往外拉至死点位置，再次对真空室1抽低真空至10Pa以下时：将三通阀41往里推至死点位置，把高真空阀47打开，在控制面板上按下如下按钮：主加热器开关按钮、辅助加热器开关按钮，对试样开始加热升温。试样温度T达到预设定的温度且真空室1内处于热稳定状态（在20min内，试样温度波动不大于0.1℃）时，连续3次测量试样温度T、热沉温度T₀、主加热器31的端电压V和标准电阻的端电压V1；其中，热沉温度T₀为当试样温度T达到检测的温度时冷却介质入口15和冷却介质出口16的温度的平均值。通过数据测量与处理装置5进行数据采集，再根据试样的表面积S，由计算机软件直接计算出试样的半球发射率ε_H。

测试完毕后，关闭真空测量的电源，停止油扩散泵43加热，关闭高真空阀。打开充气阀，使真空罩11内充气。将真空罩11上升，取出试样后，使真空罩11下降，封闭好后，关充气阀，将三通阀41拉出至死点，对真空罩11抽低真空3-5min。当油扩散泵43冷却至室温后，再停机械泵45，保证油扩散泵43本机保持真空。关闭油扩散泵43的冷却水及电源，全部工作结束。

在测试过程中，密封好真空容器后，必须先抽低真空，待真空抽低至6Pa后再开高真空阀，决不允许直接抽高真空，以免工作着的扩散泵油接触大气而使油氧化，破坏了扩散泵的性能。真空操作结束时必须首先切断真空测量，再关高真空阀，然后再打开充气阀，高真空测量未切断而充气，则电离管灯丝立即烧毁，高真空阀未关闭而充气，则扩散泵油即氧化，扩散泵就不能正常工作。工作过程中经常注意冷却水是否畅通，水温、流量是否正常。若遇突然停电，则立即切断真空测量并关高真空阀，将三通阀41往外拉至死点（冷却水不能断），来电后，待机械泵45工作2—3分钟后再将三通阀41往里推至死点，继续转入正常工作，若电源在30分钟内不能修复，应将扩散泵去热，尽可能地快速冷却。

相比于现有技术，本发明的一种稳态量热计法半球发射率测试仪包括真空室1、恒温冷却装置2、试样加热组件3、抽真空装置4以及数据测量与处理装置5，通过稳态量热计法，克服了测试过程对材料导热系数与比热容的苛刻要求，测试精度较高，测试温区宽，应用较为广泛，可以测试材料在不同温度条件下尤其是在低温下的半球发射率。利用该测试装置的测试结果，可方便地计算出材料的半球发射率，测试与计算较简单。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：包括真空室、试样加热组件、抽真空装置、恒温冷却装置以及数据测量与处理装置；

所述真空室包括真空罩以及固设在真空罩内壁上呈半包围状的热沉；所述热沉朝内的一面构成真空测试空间，朝外的一面与真空罩的内壁之间留有一条冷却介质通道；所述冷却介质通道内设有一冷却介质入口与冷却介质出口；

所述试样加热组件设置在真空室的真空测试空间内对试样进行加热，包括主加热器；所述主加热器与一标准电阻以及直流电源构成串联回路；

所述抽真空装置通过管道与该真空室的真空测试空间连通；

所述恒温冷却装置通分别过管道与冷却介质通道的冷却介质入口和冷却介质出口连通；

所述数据测量与处理装置采集试样温度、热沉温度、真空室内真空度以及主加热器的功率；当数据测量与处理装置检测到真空室内的压力达到1.0X10^-3Pa以下，且试样温度达到所设定的温度时，该数据测量与处理装置根据试样温度、热沉温度、主加热器的功率以及试样的辐射表面积计算出试样的半球发射率。

2.根据权利要求1所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述数据测量与处理装置包括第一温测单元、第二温测单元、第三温测单元、第四温测单元、第一电压计、第二电压计以及处理单元；所述第一温测单元设置在试样上，测量试样温度；第二温测单元设置在热沉上；所述第三温测单元设置在冷却介质入口处；所述第四温测单元设置在冷却介质出口处；所述第一电压计与该主加热器并联，测量主加热器的电压；所述第二电压计并联在该标准电阻上，测量标准电阻的电压；所述处理单元根据第一电压计与第二电压计的数值以及标准电阻的阻值计算主加热器的功率。

3.根据权利要求2所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述抽真空装置包括油扩散泵、储气罐以及机械泵；真空室、油扩散泵、储气罐以及机械泵依次通过管道连通；该真空室与该油扩散泵之间的管道上设有高真空阀。

4.根据权利要求3所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述抽真空装置还包括一个三通阀；该三通阀包括一个主端口与两个选择端口；该主端口通过管道与该机械泵连通；其中一选择端口通过管道与该储气罐连通，另一个选择端口通过管道与该真空室直接连通；该数据测量与处理装置还包括高真空计、第一低真空计和第二低真空计；所述高真空计设置在高真空阀与油扩散泵之间的管道上；所述第一低真空计设置在三通阀与机械泵之间的管道上；所述第二低真空计设置在三通阀与真空室之间的管道上。

5.根据权利要求4所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：该试样加热组件包括主加热器和辅助加热器；该辅助加热器呈半包围状，该主加热器设置在该辅助加热器的半包围空间内。

6.根据权利要求5所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：该试样加热组件还包括一均热板，该均热板设置在该主加热器上。

7.根据权利要求6所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：还包括与真空罩固定连接的升降销轴，该升降销轴配有动力单元以及与该动力单元电连接的控制按钮，该动力单元驱动该升降销轴上下移动。

8.根据权利要求7所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述恒温冷却装置为循环冷却水装置或液氮罐。

9.根据权利要求8所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述热沉的朝向真空测试空间的一面涂覆有无光黑漆。

10.根据权利要求9所述的稳态量热计法半球发射率测试仪,其特征在于：所述测试仪还包括测试主机；该测试主机包括显示屏、真空压力表、温度显示仪以及控制面板；该真空压力表显示第一低真空计、第二低真空计以及高真空计所测得的数值；所述温度显示仪显示第一温测单元、第二温测单元、第三温测单元与第四温测单元的所测得的数值；所述控制面板上设有多个控制按钮。