CN114264375A - 一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置及测量方法，其包括：密封壳，位于所述密封壳中的直线电机、推杆、待测样品和耐高温腔壁，其特征在于：所述直线电机用于提供连续可调的弹射速度；所述推杆用于连接直线电机和待测样品；所述耐高温腔壁的第一端和第二端为开口，所述耐高温腔壁的第一端开口和所述待测样品形成集成黑体；耐高温均温加热器，用于加热所述集成黑体；控温辐射温度计，其用于测量所述集成黑体的实时温度；光电高温计，其对待测样品在耐高温腔壁第一端口和第二端口的光谱辐射亮度进行测量。本装置相比于已有的集成黑体法，可外推获得飞行时间为零的结果，有效解决了待测样品飞行过程中温降无法准确测量的难题。

Description

一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置及测 量方法

技术领域

本发明涉及材料辐射特性领域，尤其涉及一种基于集成黑体的材料发射率测量装置及测量方法。

技术背景

对于高温区域的材料热辐射特性评价而言，国内外普遍以红外发射率作为最重要的核心参考量化参数之一，而基于热辐射的测量方法测量是获取发射率最重要的一种途径。现有多种测量方案存在的差异主要体现在高温样品加热和样品表面真温测量方面，这也是评价不同方案测量能力的主要标准，目前分立黑体直接测量方法的应用最为广泛。

在分立黑体法中，难点在于样品表面真实温度的测量及评估，这也是此类方法的不确定度主要来源。如果采用辐射测温法得到的是样品表面亮度温度而不是真实温度，根据亮温计算真温需要预估材料在测量波段的光谱发射率；如果采用接触测温法，只能测量样品表面背后一定深度下的温度，需要已知材料的导热系数、热扩散系数等高温热物性参数进而推算样品表面真温，且可以预估，在高温条件下，分立黑体法中样品表面温度测量带来的测量不确定度将会进一步放大。

集成黑体法有别于分立黑体法，是基于发射率定义的瞬态直接测量方法，不需要另设参考黑体，也不必对样品表面温度进行测量，仅需获得样品表面在集成黑体腔底和腔口的温度差，且测量光路保持一致。因此，这就回避了在传统分立黑体法中高温样品表面真温测量困难和测量不确定度较大的问题。

然而，在集成黑体法中，样品需要从集成黑体腔内快速飞行移动至腔口。样品无论采用何种运动方式，在其运动过程中均必定存在换热过程，其飞行至腔口时的表面温度也必定与集成黑体温度存在差异，在腔内和腔口形成了不等温边界。假设忽略样品飞行温降影响，根据误差计算模型，可估算在1000～1500℃温度区间内，其对发射率测量不确定度的贡献重要的不确定度贡献分量。

从减小测量不确定度和提高测量精度的角度出发，需要对样品表面在集成黑体法高温红外发射率测量过程中的飞行温降模型提出创新改进，得到精确求解其表面温度变化或者是可外推到零飞行时间的测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置及测量方法，以解决集成黑体法中待测样品飞行时间不为零所带来的温降无法精确测量的问题，提高测量精度及稳定性。

本发明提供了一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置，还包括相匹配的测量方法，用于通过所述装置完成变飞行时间条件下的测量实验。本发明的装置相比于已有的集成黑体法，可外推获得飞行时间为零的条件，进而得到待测样品零温降条件下的发射率测量结果，提高集成黑体法的测量可靠性和测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置，其包括：密封壳，位于所述密封壳中的直线电机、推杆、待测样品和耐高温腔壁，其特征在于：所述直线电机用于提供连续可调的弹射速度；所述推杆用于连接直线电机和待测样品；所述耐高温腔壁的第一端和第二端为开口，所述耐高温腔壁的第一端开口和所述待测样品形成集成黑体；耐高温均温加热器，用于加热所述集成黑体；控温辐射温度计，其用于测量所述集成黑体的实时温度；光电高温计，其对待测样品在耐高温腔壁第一端口和第二端口的光谱辐射亮度进行测量。

其中，进一步包括真空机组，用于实现密封壳内部的真空环境。

其中，进一步包括第一控制器，用于控制直线电机的弹射速度；

其中，第二控制器，用于接收辐射温度计所传递的实时温度信号并通过所述耐高温均温加热器控制集成黑体的温度。

其中，进一步包括快速移动平台，用于控温辐射温度计在测量位置和非测量位置的快速切换；第三控制器，用于控制快速移动平台的移动。

其中，所述待测样品后端面具备凹槽等结构以便和推杆连接，前端面用于和耐高温腔壁形成集成黑体。

其中，所述耐高温腔壁的内径为10-100mm，长度0.1-1.0m，采用耐高温合金或陶瓷材料制成。

其中，所述耐高温均温加热器，为圆筒状，其内壁紧贴所述耐高温腔壁外壁，其长度低于所述耐高温腔壁。

其中，所述密封壳上设置探测窗口和观察窗口。

本发明提供了一种采用上述材料发射率测量装置的测量方法，其包括：

步骤一、启动耐高温均温加热器，将待测样品与耐高温墙壁耦合成的集成黑体加热升温后，稳定在某一温度至附近，通过控温辐射温度计得到集成黑体稳定后的真温；

步骤二、待集成黑体温度稳定后，将控温辐射温度计移出，通过光电高温计测量得到待测样品位于耐高温腔壁内的光谱辐射亮度；

步骤三、直线电机提供一定的推进速度，利用推杆将待测样品从耐高温空腔内推出至腔口，当待测样品位于高发射率耐高温腔壁第二端的腔口时，测量待测样品表面光谱辐射亮度；

步骤四、通过控制直线电机提供不同的推进速度，在推杆的作用下，待测样品以不同的弹射速度从耐高温空腔内飞行至腔口，得到一些列不同飞行时间条件下的待测样品发射率测量结果，外推到飞行时间为零条件下的待测样品的表面发射率。

由上述本发明的一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置及测量方法的技术方案可以看出，本发明的系统核心组成主要包括：直线电机、推杆、耐高温腔壁、耐高温均温加热器、控温辐射温度计、光电高温计、密封壳及响应的测量方法，可外推获得飞行时间为零的条件，进而得到待测样品零温降条件下的发射率测量结果，在保持集成黑体法适用于高温区域测量优点的同时，有效解决了待测样品飞行过程中温降无法准确测量的难题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置的结构示意图。

图2为本发明的基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置的推杆位于第一端的示意图；

图3为本发明的基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置的推杆位于第二端的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。

图1为本发明的基于一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置结构示意图。如图1所示，该材料发射率测量装置包括：直线电机1，所述直线电机1通过电机的运转提供连续可调的弹射速度，优选，所述直线电机1的弹射时间在50-1000ms内连续可调，弹射行程范围为0.2-1.0米，整体重量不超过50kg。

推杆2，所述推杆2的一端用于连接所述直线电机1，所述推杆2的另一端连接待测样品3；优选所述推杆2的直径为5-50mm，长度为0.1-1.0m，所述推杆2采用耐高温合金或陶瓷材料。

待测样品3，所述待测样品3固定在所述推杆2上，优选所述待测样品3的后端面具备凹槽结构以便和推杆2相连接。

耐高温腔壁4，所述耐高温腔壁4具有第一端和第二端，所述第一端和第二两端为开口，在两端开口之间具有内部空间，所述耐高温腔壁4优选为第一端和第二端为开口的圆筒形结构，所述待测样品3与所述耐高温腔壁4的第一端的开口相配合，此时、所述待测样品3与耐高温腔壁4相配合组合作为集成黑体。优选所述耐高温腔壁4的内径在10-100mm，长度在0.1-1.0m，优选所述耐高温腔壁4采用耐高温合金或陶瓷材料制成。

耐高温均温加热器5，所述耐高温均温加热器5位于所述耐高温腔壁4侧壁的外表面，所述待测样品3的前端面用于和所述耐高温腔壁4形成集成黑体，所述耐高温均温加热器5用于加热所述待测样品3和耐高温腔壁4所形成的集成黑体。优选所述耐高温均温加热器5为圆筒状，其内壁紧贴所述耐高温腔壁4的外壁，所述耐高温均温加热器5的长度小于等于所述耐高温腔壁的长度，优选所述耐高温均温加热器5的长度为10-50mm，其采用由碳材料形成。

密封壳体12，所述密封壳体12具有内部空间，所述直线电机1、推杆2、待测样品3、耐高温腔壁4、耐高温均温加热器5等部件均位于所述密封壳体12的内部空间中，优选所述密封壳主体结构有采用不锈钢材料制成，在所述密封壳体12的壳体上设置探测窗口和观察窗口。在所述密封壳体12与所述耐高温腔壁4第二端相对应的位置处形成有透明窗口。

控温辐射温度计6，用于测量集成黑体的实时温度，所述控温辐射温度计6的测温范围为800-3000℃，具备信号传输功能。所述控温辐射温度计6位于所述密封壳体12的外侧，所述控温辐射温度计6与所述耐高温腔壁4的第二端开口和所述透明窗口位于同一轴线上；当所述待测样品3位于所述耐高温腔壁4的第一端时可被定义为“集成黑体状态”，当所述待测样品3位于所述耐高温腔壁4的第二端时可被定义为“待测样品状态”。

真空机组10，用于实现密封壳12内部的真空环境；第一控制器11，其与所述直线电机1相连接，所述第一控制11用于控制直线电机1的弹射速度，其中，所述第一控制器11通过脉冲信号控制线性电机的弹射速率；第二控制器13，所述第二控制器具备PID调节功能，其与所述耐高温均温加热器5相连接，所述第二控制器13用于接收辐射温度计所传递的实时温度信号并通过耐高温均温加热器5控制集成黑体的温度，以实现集成黑体温度的精准调控。

快速移动平台14，用于控温辐射温度计6在测量位置和非测量位置的快速切换，所述快速移动平台的移动速度在0.1-5.0m/s范围内可调，其调节由第三控制器9实现；所述第三控制器9，其与所述快速移动平台14相连接，用于控制所述快速移动平台14的移动。

光电高温计7，其用于测量待测样品在耐高温腔壁内部(集成黑体状态)和耐高温腔壁出口(待测样品状态)两种状态下的光谱辐射亮度；所述光电高温计7为窄带线性光电高温计，工作波长优选为0.65-5.0μm，其具备信号输出功能。所述密封壳12，用于降低待测样品从耐高温腔壁4的第一端内部弹射至其第二端的出口过程中的对流传热影响，并具备一定程度减小环境对辐射信号探测影响的功能。

信号采集与处理仪器8，其将光电高温计7所测信号采集、转换并得到相应的零飞行时间条件下待测样品的发射率。此外，还包括相匹配的测量方法，用于通过本装置完成变飞行时间条件下的测量实验。

具体地，当待测样品3置于耐高温腔壁4的腔内时，待测样品3与高发射率的耐高温腔壁4耦合形成了发射率近似为1的集成黑体，如图2所示。启动耐高温均温加热器5，将待测样品3与耐高温墙壁4耦合成的集成黑体加热升温后，稳定在某一温度至附近，通过控温辐射温度计6得到集成黑体稳定后的真温。

待集成黑体温度稳定后，利用快速移动平台14迅速将控温辐射温度计6移出，通过光电高温计7测量得到待测样品3位于耐高温腔壁内的光谱辐射亮度，基于普朗克定律，引入集成黑体有效发射率，可表示为，

L_ibb(λ,T_ibb)＝k_ibbε_ibb(λ,T_ibb)L_Pla(λ,T_ibb)+L_env(λ,T_env) (1)

式中，T_ibb为控温辐射温度计6测得的集成黑体真温，λ为测量光谱波长，L_ibb为光电高温计7在集成黑体状态下测量得到的有效光谱辐射亮度，集成黑体有效发射率ε_ibb(该发射率数值上接近于1，也在实际测量过程中也可以根据耐高温腔壁的温场进行修正以提高测量精度)，L_Pla为基于普朗克公式的理想黑体光谱辐射亮度，k_ibb为测量集成黑体时的观测因子，L_env为环境背景辐射亮度，T_env为环境背景温度。

通过第一控制器11控制直线电机1提供一定的推进速度，利用推杆2的将待测样品3从耐高温空腔4内推出至腔口，如图3所示，当待测样品3位于高发射率耐高温腔壁4第二端的腔口时，样品表面光谱辐射亮度L_s为，

L_s(λ,T_s)＝k_sε_s(λ,T_s)L_Pla(λ,T_s)+L_env(λ,T_env) (2)

式中，T_s为样品表面真实温度，k_s为测量样品材料时的观测因子，ε_s为样品的有效光谱发射率。

基于发射率定义的直接法发射率测量原理可知，样品材料发射率即为样品和黑体的辐射亮度比值。因此，将式(1)和式(2)联立，即可得到样品材料表面的光谱发射率，可描述为，

设式(3)中，

优选地，采用了在短波上的基于工作基准线性光电辐射温度计(LP4)的辐射测温法，对集成黑体与样品表面的温度变化量进行测量，集成黑体与样品表面的温度变化修正项C即可表示为，

当样品位于腔内时，样品表面与腔壁耦合形成了集成黑体，在高温条件下，形成了样品的深腔加热方式，且认为此时样品处于集成黑体腔内深处的均匀温场环境中，其表面真温等于集成黑体温度T_ibb。在样品快速移动至腔口的运动过程中，由于高温黑体空腔的不等温性和和样品运动过程中必定存在热交换过程，形成腔内、腔口的不等温边界，因此，当样品从腔底移动抵达腔口时，其表面真温T_s也必定低于集成黑体真温T_ibb，二者差值为ΔT。从而，本发明定义了上式中C为样品表面温度动态温降修正因子。将T_s＝T_ibb-ΔT代入式(7)，样品表面温度动态温降修正因子C也可表示为，

根据式(8)可知，在基于集成黑体法的高温红外光谱发射率测量方法中，并不需要对样品表面温度进行测量，仅需获得样品表面在集成黑体腔底和腔口的温度差ΔT。因此，这就避免了在传统的基于分立黑体法的高温红外发射率测量方法中高温样品表面真温测量困难和测量不确定度较大的问题，且样品在高温加热过程中均处于集成黑体空腔深处，具有良好的表面温度分布和内部温度梯度。而在其表面辐射亮度光谱测量时，样品表面运动至集成黑体腔口，有效抑制了样品在深腔内进行辐射亮度测量时其表面与腔壁耦合形成的空腔效应。

由式(3)和式(8)可知，基于集成黑体法测量高温红外光谱发射率的方法中，测量的精度与待测样品3从耐高温空腔内部弹射至腔口过程中的温降ΔT直接相关，为减少这个过程对测温结果的影响，可以在耐高温空腔4处于同一温度的条件下，开展多次待测样品3的弹射实验，通过第一控制器11控制直线电机1提供不同的推进速度，在推杆2的作用下，待测样品3以不同的弹射速度从耐高温空腔4内飞行至腔口。通过以上步骤，可得到一些列不同飞行时间条件下的待测样品发射率测量结果，进而可外推到飞行时间为零条件下(也即是理论上没有温降条件下)的待测样品3的表面发射率。通过改变光电高温计7的不同工作波长，重复上述过程，即可得到不同波长下待测样品3在外推到零温降条件下的发射率测量结果。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于集成黑体法变飞行时间的材料发射率测量装置，其包括：密封壳，位于所述密封壳中的直线电机、推杆、待测样品和耐高温腔壁，其特征在于：所述直线电机用于提供连续可调的弹射速度；所述推杆用于连接直线电机和待测样品；所述耐高温腔壁的第一端和第二端为开口，所述耐高温腔壁的第一端开口和所述待测样品形成集成黑体；耐高温均温加热器，用于加热所述集成黑体；控温辐射温度计，其用于测量所述集成黑体的实时温度；光电高温计，其对待测样品在耐高温腔壁第一端口和第二端口的光谱辐射亮度进行测量。

2.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于：进一步包括真空机组，用于实现密封壳内部的真空环境。

3.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于：进一步包括第一控制器，用于控制直线电机的弹射速度。

4.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于：第二控制器，用于接收辐射温度计所传递的实时温度信号并通过所述耐高温均温加热器控制集成黑体的温度。

5.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于：进一步包括快速移动平台，用于控温辐射温度计在测量位置和非测量位置的快速切换；第三控制器，用于控制快速移动平台的移动。

6.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于，所述待测样品后端面具备凹槽等结构以便和推杆连接，前端面用于和耐高温腔壁形成集成黑体。

7.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于，所述耐高温腔壁的内径为10-100mm，长度0.1-1.0m，采用耐高温合金或陶瓷材料制成。

8.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于，所述耐高温均温加热器，为圆筒状，其内壁紧贴所述耐高温腔壁外壁，其长度低于所述耐高温腔壁。

9.根据权利要求1所述的材料发射率测量装置，其特征在于，所述密封壳上设置探测窗口和观察窗口。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的材料发射率测量装置的测量方法，其特征在于：

步骤一、启动耐高温均温加热器，将待测样品与耐高温墙壁耦合成的集成黑体加热升温后，稳定在某一温度至附近，通过控温辐射温度计得到集成黑体稳定后的真温；

步骤二、待集成黑体温度稳定后，将控温辐射温度计移出，通过光电高温计测量得到待测样品位于耐高温腔壁内的光谱辐射亮度；

步骤三、直线电机提供一定的推进速度，利用推杆将待测样品从耐高温空腔内推出至腔口，当待测样品位于高发射率耐高温腔壁第二端的腔口时，测量待测样品表面光谱辐射亮度；

步骤四、通过控制直线电机提供不同的推进速度，在推杆的作用下，待测样品以不同的弹射速度从耐高温空腔内飞行至腔口，得到一些列不同飞行时间条件下的待测样品发射率测量结果，外推到飞行时间为零条件下的待测样品的表面发射率。

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