CN109211796A - 一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，涉及一种测量固体材料光谱发射率的方法。本发明是要解决现有的测量材料光谱发射率的方法需要设置参考黑体，且高温下试件温度不均匀、误差大，光路系统复杂的技术问题。本发明将样品放入高温炉中，启动高温炉和加热片均加热至温度为T₀，测得辐射能量φ_λ0；保持高温炉的加热温度为T₀，将加热片的温度升高至T₁，测得辐射能量φ_λ1；保持加热片的加热温度为T₁，同时将高温炉的温度升高至T₁，测得辐射能量φ_λ2，光谱发射率本发明不必设置参考黑体，试件温度均匀、误差小、没有复杂的光路系统，实现了1000K～2000K高温条件下固体材料连续光谱发射率的精确测量。

Description

一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的 方法

技术领域

本发明涉及一种测量固体材料高温连续光谱发射率的方法。

背景技术

如何精确的测量材料表面光谱发射率对导弹尾焰、蒙皮的辐射特性的认知和军事预警、制导、隐身和能源利用、遥感、遥测、辐射测温、红外加热、医学理疗等领域中都有着重要的研究和应用价值。现有的材料表面光谱发射率测量方法研究中，多在温度较低的条件下(低于1000K)进行，一般需要参考黑体来做对比参照，而国内对于标准黑体源的标定处于落后状态，误差较大，并且现有的材料表面光谱发射率测量方法中一般有着复杂的光路系统，这使得测量误差进一步加大。因此，一种能够高温条件下(1000K及以上)精确测量材料表面光谱发射率，且简洁高效的方法显得尤为重要。已有相关专利(专利号为CN104237133A、CN101144739A、CN105004754A)和文献(戴景民，王新北.材料发射率测量技术及应用[J].计量学报，2007，28(3)：232-236；原遵东，张俊祺，赵军，等.材料光谱发射率精密测量装置[J].仪器仪表学报，2008，29(8)：1659—1664)对材料表面光谱发射率测量进行了相关研究，但都未进行高温条件(1000K及以上)下的研究，且各测量方法需要设置参考黑体，且高温下试件温度不均匀、误差大，光路系统复杂缺点明显。

发明内容

本发明是要解决现有的测量固体材料光谱发射率的方法需要设置参考黑体，且高温下试件温度不均匀、误差大，光路系统复杂的技术问题，而提供一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法。

本发明的利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法是按以下步骤进行的：

将两个尺寸和材质完全相同的待测的样品放入高温炉中，两个样品对称布置且两个样品中间夹着加热片，向高温炉中通入惰性气体或抽真空，然后在惰性气体保护或真空的条件下依次进行以下三种工况：

工况0：启动高温炉和加热片均加热至温度为T₀，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ0；T₀＞1000K；

工况1：工况0完成后，保持高温炉的加热温度为T₀，同时将加热片的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ1；2000K＞T₁＞T₀＞1000K，且T₁-T₀＜T₀×1％；

工况2：工况1完成后，保持加热片的加热温度为T₁，同时将高温炉的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ2；

所述的两个样品中一个正对着光学窗口，另一个背对着光学窗口；

所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％；

将φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2代入下式中即可得出待测的样品在温度为T₀和光学窗口所在的波段的连续光谱发射率ε_λs，其中φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2的单位均为J/m²；X_f,c为靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口角系数；A_s为靠近光学窗口的待测的样品的辐射面的表面积，单位为m²；A_w为高温炉的内壁表面积之和，单位为m²；

本发明方法中对称布置的尺寸和材质完全相同的待测的样品有着相同的加热条件，故而有着相同的温度分布，因此远离光学窗口的样片的外表面温度分布与靠近光学窗口的样片的外表面温度的分布相同。

本发明方法中的加热过程共涉及两个温度T₀和T₁(皆高于1000K)，T₀＜T₁且两温度之间有个小温差(T₁-T₀＝ΔT＜T₀×1％)，在这个小温差内将材料的光谱发射率视为定值。

本发明方法中的加热片采用耐高温金属材料制作，如金属钨，厚度做到1mm及以下，待测的样品在不低于自身光学厚度的情况下要尽量做薄，此时加热片和待测的样品在厚度方向上的热损失可忽略不计。

本发明方法中的特定波段光学窗口采用耐高温高透过性材料制成，如蓝宝石、ZnS、ZnSe、Ge等；且光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％，此时可视为光学窗口的存在不会影响高温炉的炉腔的温度分布。

本发明的原理在于当待测样品的外表面温度与高温炉内壁温度相同时(工况0和工况2)，可以将整个高温炉的腔体视为黑体腔。

本发明通过合理的设计和选材，使高温炉腔内的温度分布和测温与控温达到最优，将各个干扰条件考虑在内使测量误差降到最小，以期得到最接近真实值的结果。

本发明优点在于不必设置参考黑体，没有复杂的光路系统，简洁高效，测量过程时长短、误差小，实现了高温条件下(1000K及以上)固体材料连续光谱发射率的精确测量。

本发明的公式的推导过程如下：

下式为由高温炉一侧光学窗口辐射出的能量的表达式：

φ_λ＝τ_λc(T_c)[ε_λs(T_s)A_sRD_f,cE_bλ(T_s)+ε_λs(T_s)A_sRD_b,cE_bλ(T_s)+ε_λw(T_w)A_wRD_w,cE_bλ(T_w)] (1-1)

式中φ_λ-高温炉一侧光学窗口辐射出的能量；τ_λc-光学窗口透射率；ε_λs—待测的样片发射率；ε_λw—高温炉内壁面发射率；E_bλ-黑体光谱辐射力；RD_f,c-靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口辐射传递因子；RD_b,c—远离光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口辐射传递因子；RD_w,c—高温炉内壁面对光学窗口辐射传递因子；A_s—一个待测的样片辐射面表面积；A_w—高温炉内壁面面积；A_c—光学窗口面积；T_c—光学窗口温度；T_s—待测的样片温度；T_w—高温炉内壁面温度；

其中τ_λc，ε_λs，ε_λw为温度的函数，在小的温度扰动下(T₀～T₁)可以将其视为定值，此时各个辐射传递因子也可视为定值；

故而有工况0下高温炉一侧窗口辐射出的能量的表达式为：

φ_λ0＝τ_λc[ε_λsA_sRD_f,cE_bλ(T₀)+ε_λsA_sRD_b,cE_bλ(T₀)+ε_λwA_wRD_w,cE_bλ(T₀)] (1-2)

工况1下高温炉一侧窗口辐射出的能量的表达式为：

φ_λ1＝τ_λc[ε_λsA_sRD_f,cE_bλ(T₁)+ε_λsA_sRD_b,cE_bλ(T₁)+ε_λwA_wRD_w,cE_bλ(T₀)] (1-3)

工况2下高温炉一侧窗口辐射出的能量的表达式为：

φ_λ2＝τ_λc[ε_λsA_sRD_f,cE_bλ(T₁)+ε_λsA_sRD_b,cE_bλ(T₁)+ε_λwA_wRD_w,cE_bλ(T₁)] (1-4)

工况0与工况2由于高温炉腔体内部等温(即样片和高温炉的温度相等)，光学窗口辐射可视为黑体辐射，故而有：

E_bλ(T₀)＝φ_λ0/τ_λcA_c (1-5)

E_bλ(T₁)＝φ_λ2/τ_λcA_c (1-6)

(1-3)减去(1-2)得到

φ_λ1-φ_λ0＝τ_λcε_λsA_s[E_bλ(T₁)-E_bλ(T₀)](RD_f,c+RD_b,c) (1-7)

由(1-5)、(1-6)和(1-7)推得：

由于已经对高温炉腔内壁面做特殊处理(涂黑)，并且加涂高吸收率高发射率材料，此时高温炉腔内黑度可达98％以上，此时RD_b,c相比RD_f,c可忽略不计，而此时RD_f,c可视为靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口角系数X_f,c；

(1-8)可变形为：

附图说明

图1为试验一的测量过程用到的装置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，具体是按以下步骤进行的：

将两个尺寸和材质完全相同的待测的样品放入高温炉中，两个样品对称布置且两个样品中间夹着加热片，向高温炉中通入惰性气体或抽真空，然后在惰性气体保护或真空的条件下依次进行以下三种工况：

工况0：启动高温炉和加热片均加热至温度为T₀，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ0；T₀＞1000K；

工况1：工况0完成后，保持高温炉的加热温度为T₀，同时将加热片的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ1；2000K＞T₁＞T₀＞1000K，且T₁-T₀＜T₀×1％；

工况2：工况1完成后，保持加热片的加热温度为T₁，同时将高温炉的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ2；

所述的两个样品中一个正对着光学窗口，另一个背对着光学窗口；

所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％；

将φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2代入下式中即可得出待测的样品在温度为T₀和光学窗口所在的波段的连续光谱发射率ε_λs，其中φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2的单位均为J/m²；X_f,c为靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口角系数；A_s为靠近光学窗口的待测的样品的辐射面的表面积，单位为m²；A_w为高温炉的内壁表面积之和，单位为m²；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的加热片为钨片。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的加热片的厚度小于1mm。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的光学窗口为蓝宝石、ZnS、ZnSe或Ge。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％。其他与具体实施方式四相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，具体是按以下步骤进行的：

将两个尺寸和材质完全相同的待测的样品放入高温炉中，两个样品对称布置且两个样品中间夹着加热片，向高温炉中通入惰性气体或抽真空，然后在惰性气体保护或真空的条件下依次进行以下三种工况：

工况0：启动高温炉和加热片均加热至温度为T₀，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ0；T₀＞1000K；

工况1：工况0完成后，保持高温炉的加热温度为T₀，同时将加热片的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ1；2000K＞T₁＞T₀＞1000K，且T₁-T₀＜T₀×1％；

工况2：工况1完成后，保持加热片的加热温度为T₁，同时将高温炉的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ2；

所述的两个样品中一个正对着光学窗口，另一个背对着光学窗口；

所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％；

将φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2代入下式中即可得出待测的样品在温度为T₀和光学窗口所在的波段的连续光谱发射率ε_λs，其中φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2的单位均为J/m²；X_f,c为靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口角系数；A_s为靠近光学窗口的待测的样品的辐射面的表面积，单位为m²；A_w为高温炉的内壁表面积之和，单位为m²；

所述的加热片为钨片；所述的加热片的厚度小于1mm；所述的光学窗口为蓝宝石；所述的所述的光学窗口的面积小于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％。

本试验的测量过程用到的装置如图1所示，其是由高温炉1、底座2、加热片3、辐射能量测量设备4、特定波段光学窗口5、真空泵或惰性气体源6、控制器7、第一热电偶8、第一待测样品9、第二待测样品10和第二热电偶11组成；

底座2设置在高温炉1腔体的底面上，加热片3竖直设置在底座2的上表面，特定波段光学窗口5设置在高温炉1的侧壁上，真空泵或惰性气体源6与高温炉1腔体连通，第二热电偶11设置在高温炉1的腔体上，控制器7的信号输出端与加热片3的信号输入端连接，第一热电偶8的信号输出端和第二热电偶11的信号输出端均与控制器7的信号输入端连接。

本装置的使用方法如下：将第一待测样品9和第二待测样品10放置在底座2的上表面，第一待测样品9和第二待测样品10对称设置在加热片3的两侧，第一待测样品9正对着特定波段光学窗口5，第二待测样品10背对着特定波段光学窗口5，第一热电偶8设置在第二待测样品10的表面；对称布置的第一待测样品9和第二待测样品10有着相同的加热环境，故而有着相同的温度分布，设置两个样品的目的是防止第一热电偶8的存在影响第二待测样品10的光谱发射率；通过真空泵或惰性气体源6向高温炉1中通入惰性气体或抽真空，然后在惰性气体保护或真空的条件下依次进行以下三种工况：

工况0：启动高温炉1和加热片3均加热至温度为T₀，由辐射能量测量设备4测得此工况下高温炉1腔体通过特定波段光学窗口5所透出的辐射能量φ_λ0；

工况1：工况0完成后，保持高温炉1的加热温度为T₀，同时将加热片3的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备4测得此工况下高温炉1腔体通过特定波段光学窗口5所透出的辐射能量φ_λ1；2000K＞T₁＞T₀＞1000K；

工况2：工况1完成后，保持加热片3的加热温度为T₁，同时将高温炉1的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备4测得此工况下高温炉1腔体通过特定波段光学窗口5所透出的辐射能量φ_λ2；

本装置是通过控制器7来控制加热片3的温度，第一热电偶8和第二热电偶11分别将第二待测样品10的温度和高温炉1腔体的温度情况反馈到控制器7中及时监测温度。

Claims (5)

1.一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，其特征在于利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法是按以下步骤进行的：

将两个尺寸和材质完全相同的待测的样品放入高温炉中，两个样品对称布置且两个样品中间夹着加热片，向高温炉中通入惰性气体或抽真空，然后在惰性气体保护或真空的条件下依次进行以下三种工况：

工况0：启动高温炉和加热片均加热至温度为T₀，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ0；

工况1：工况0完成后，保持高温炉的加热温度为T₀，同时将加热片的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ1；2000K＞T₁＞T₀＞1000K，且T₁-T₀＜T₀×1％；

工况2：工况1完成后，保持加热片的加热温度为T₁，同时将高温炉的温度升高至T₁，由辐射能量测量设备测得此工况下高温炉腔体通过高温炉侧壁上的特定波段光学窗口所透出的辐射能量φ_λ2；

所述的两个样品中一个正对着光学窗口，另一个背对着光学窗口；

所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％；

将φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2代入下式中即可得出待测的样品在温度为T₀和光学窗口所在的波段的连续光谱发射率ε_λs，其中φ_λ0、φ_λ1和φ_λ2的单位均为J/m²；X_f,c为靠近光学窗口的待测的样片辐射面对光学窗口角系数；A_s为靠近光学窗口的待测的样品的辐射面的表面积，单位为m²；A_w为高温炉的内壁表面积之和，单位为m²；

2.根据权利要求1所述的一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，其特征在于所述的加热片为钨片。

3.根据权利要求1所述的一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，其特征在于所述的加热片的厚度小于1mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，其特征在于所述的光学窗口为蓝宝石、ZnS、ZnSe或Ge。

5.根据权利要求1所述的一种利用温度扰动法测量固体材料高温连续光谱发射率的方法，其特征在于所述的所述的光学窗口的面积小于等于高温炉的炉腔内表面面积总和的1％。