CN104121993A - 一种绝对法辐射热流计校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝对法辐射热流计校准方法，属于热学技术领域。本发明方法将辐射热流计深入到黑体辐射源黑体腔内，采用蒙特卡洛算法，计算评定由辐射热流计与黑体辐射源黑体腔构成的等效腔体模型的有效发射率，从而通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，利用黑体辐射源黑体腔温度值计算得出标准辐射热流值，实现对辐射热流计的绝对法校准。本发明在等效腔体模型有效发射率的计算分析中，综合考虑了黑体辐射源黑体腔壁面温度梯度，确定了辐射热流计深入到黑体辐射源黑体腔的最佳位置，以获得最大的等效腔体模型有效发射率。本发明方法直接，中间环节少，测量不确定度小，适用于溯源至温度的绝对法辐射热流计校准。

Description

一种绝对法辐射热流计校准方法

技术领域

本发明涉及一种绝对法辐射热流计校准方法，属于热学技术领域。

背景技术

辐射热流计是一种对辐射热流密度进行测量的传感器，它可以对所在位置接收到的或通过该位置的辐射热流密度进行测量，通过对辐射热流计输出信号的测量可以得到该时刻该位置的辐射热流密度值。在飞机制造的热模拟试验过程中以及在冶金、化工等工业领域，都要广泛使用到辐射热流计。由于辐射热流计一般工作在高温恶劣的环境中，为了保证辐射热流计测量准确度，就需要定期使用辐射热流计校准装置对辐射热流计进行校准。对辐射热流计校准主要是对其灵敏度进行校准。灵敏度是指传感器的输出信号与对应测得辐射热流的比值。

在绝对法辐射热流计校准装置上可以将辐射热流量值溯源至温度标准或者其它物理参数的相关标准，即利用温度或者其它物理参数直接计算得出标准辐射热流值。

现有绝对法辐射热流计校准方法的类型及不足主要是：①采用绝对辐射能量法校准辐射热流计，将辐射热流量值溯源到辐射功率标准；即：先采用高温黑体辐射源，以电替代绝对辐射计(electrical subsitution radiometer，ESR)为标准，校准辐射热流计，并最终溯源至高精度低温辐射计(highaccuracy cryogenic radiometer，HACR)。这种方法测量不确定度小，但缺点是传递的步骤多，设备组成复杂昂贵，使用维护非常繁琐，另外会受到绝对辐射计量程的限制。②采用一次标准辐射热流计传递法，通过保证一支传递标准辐射热流计在高温黑体炉、平板炉的角系数相同，实现对一次标准辐射热流计的校准，在量值传递中，为了消除角系数的影响，除了要保证传递标准辐射热流计在黑体炉标定时和在平板炉上作为参考热流计时具有相同的几何位置外，还要对传递标准热流计结构上进行特殊设计，避免或消除环境的影响，为了得到更准确的结果，还需要准确测量高温平板炉的温度和发射率，而这些测量往往是很困难的，因此这种方法影响因素多，测量不确定度大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种方法直接，中间环节少，测量不确定度小，适用于溯源至温度的绝对法辐射热流计校准的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及的一种绝对法辐射热流计校准方法，包括如下步骤：

步骤1：将辐射热流计(3)深入到黑体辐射源黑体腔(1)的内部，测量辐射热流计(3)的输出电势(用符号E表示)，同时通过温度计读取黑体辐射源黑体腔(1)的温度值(用符号T_b表示)。所述黑体辐射源黑体腔(1)的温度控制在300度至2200度范围内。

优选的，所述将辐射热流计(3)深入到黑体辐射源黑体腔(1)的内部的位置为：辐射热流计(3)与黑体辐射源黑体腔(1)同轴，且辐射热流计前端受热面(6)距离黑体辐射源黑体腔底面(4)的距离与黑体辐射源黑体腔(1)的直径相等。

优选的，所述辐射热流计(3)的直径为黑体辐射源黑体腔(1)直径的1/4。

步骤2：通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，根据公式(1)计算得出辐射热流计(3)接收到的标准辐射热流。

$q=\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\σ}\·(T_b^4-T_s^4)---\left(1\right)$

其中，q为辐射热流计(3)接收到的标准辐射热流；ε为等效腔体模型(2)的有效发射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；T_b为黑体辐射源黑体腔(1)的温度；T_s为辐射热流计(3)前端受热面的温度，由于辐射热流计(3)具备水冷结构，前端受热面的温度不会很高，当T_s相对T_b较小时，T_s可以忽略掉，即T_s取值为0。

所述等效腔体模型(2)由黑体辐射源黑体腔底面(4)和黑体辐射源黑体腔内壁面(5)、辐射热流计外壁面(6)和辐射热流计前端受热面(7)、腔口假想环形黑体表面(8)组成；等效腔体模型(2)的有效发射率ε采用蒙特卡洛算法计算得到。

步骤3：根据公式(2)计算辐射热流计(3)的灵敏度。

K＝E/q      (2)

其中，K为辐射热流计(3)的灵敏度；E为辐射热流计(3)输出电势；q为辐射热流计接收到的标准辐射热流。

经过上述步骤的操作，即完成对辐射热流计的校准。

有益效果

本发明涉及的一种绝对法辐射热流计校准方法，与已有技术相比较，具有方法直接，中间环节少，测量不确定度小等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中辐射热流计、黑体辐射源黑体腔与等效腔体模型的位置结构示意图；

其中：1-黑体辐射源黑体腔；2-等效腔体模型；3-辐射热流计；4-黑体辐射源黑体腔底面；5-黑体辐射源黑体腔内壁面；6-辐射热流计外壁面；7-辐射热流计前端受热面；8-腔口假想环形黑体表面；9-等效腔体模型的腔孔。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面通过实施例，对本发明做进一步说明。

本实施例中采用所述绝对法辐射热流计校准方法对辐射热流计进行校准，具体操作步骤为：

步骤1：将辐射热流计3深入到黑体辐射源黑体腔1的内部，测量辐射热流计3的输出电势E，同时通过温度计读取黑体辐射源黑体腔1的温度值T_b。所述黑体辐射源黑体腔1的温度控制在300度至2200度范围内。

将辐射热流计3深入到黑体辐射源黑体腔1的内部的位置为：辐射热流计3与黑体辐射源黑体腔1同轴，且辐射热流计前端受热面6距离黑体辐射源黑体腔底面4的距离与黑体辐射源黑体腔1的直径相等。等效腔体模型2由黑体辐射源黑体腔底面4和黑体辐射源黑体腔内壁面5、辐射热流计外壁面6和辐射热流计前端受热面7、腔口假想环形黑体表面8组成，等效腔体模型的腔孔位于9处。辐射热流计、黑体辐射源黑体腔与等效腔体模型的位置结构如图1所示。

辐射热流计3的直径为黑体辐射源黑体腔1直径的1/4。

步骤2：通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，根据公式(1)计算得出辐射热流计3接收到的标准辐射热流。其中，等效腔体模型2的有效发射率ε采用蒙特卡洛算法计算得到。

步骤3：根据公式(2)计算辐射热流计3的灵敏度。

经过上述步骤的操作，即完成对辐射热流计的校准。

本发明的主要内容已通过上述优选实例作了详细介绍，应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种绝对法辐射热流计校准方法，其特征在于：其具体操作步骤为：

步骤1：将辐射热流计(3)深入到黑体辐射源黑体腔(1)的内部，测量辐射热流计(3)的输出电势E，同时通过温度计读取黑体辐射源黑体腔(1)的温度值T_b；所述黑体辐射源黑体腔(1)的温度控制在300度至2200度范围内；

步骤2：通过斯蒂芬-波尔兹曼定律，根据公式(1)计算得出辐射热流计(3)接收到的标准辐射热流；

$q=\mathrm{\ϵ}\·\mathrm{\σ}\·(T_b^4-T_s^4)---\left(1\right)$

其中，q为辐射热流计(3)接收到的标准辐射热流；ε为等效腔体模型(2)的有效发射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；T_b为黑体辐射源黑体腔(1)的温度；T_s为辐射热流计(3)前端受热面的温度，由于辐射热流计(3)具备水冷结构，前端受热面的温度不会很高，当T_s相对T_b较小时，T_s可以忽略掉，即T_s取值为0；

步骤3：根据公式(2)计算辐射热流计(3)的灵敏度；

K＝E/q      (2)

其中，K为辐射热流计(3)的灵敏度；E为辐射热流计(3)输出电势；q为辐射热流计接收到的标准辐射热流；

经过上述步骤的操作，即完成对辐射热流计的校准。

2.如权利要求1所述的一种绝对法辐射热流计校准方法，其特征在于：所述等效腔体模型(2)由黑体辐射源黑体腔底面(4)和黑体辐射源黑体腔内壁面(5)、辐射热流计外壁面(6)、辐射热流计前端受热面(7)和腔口假想环形黑体表面(8)组成。

3.如权利要求1或2所述的一种绝对法辐射热流计校准方法，其特征在于：

优选的，所述将辐射热流计(3)深入到黑体辐射源黑体腔(1)的内部的位置为：辐射热流计(3)与黑体辐射源黑体腔(1)同轴，且辐射热流计前端受热面(6)距离黑体辐射源黑体腔底面(4)的距离与黑体辐射源黑体腔(1)的直径相等。

4.如权利要求1或2所述的一种绝对法辐射热流计校准方法，其特征在于：

优选的，所述辐射热流计(3)的直径为黑体辐射源黑体腔(1)直径的1/4。

5.如权利要求1或2所述的一种绝对法辐射热流计校准方法，其特征在于：所述等效腔体模型(2)的有效发射率ε采用蒙特卡洛算法计算得到。