CN114279597A - 可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其中，包括光阑、与光阑相配合的辐射吸收腔、用于关联容纳辐射吸收腔的热沉、用于为辐射吸收腔加热的加热丝、用于进行温差测量的热电堆、用于进行电气控制的控制单元，仪器测量光源时，被测光源通过光阑通光孔后，辐射到探测器上，光源辐射后使得辐射吸收腔升温，辐射吸收腔与热沉在导热路径上产生温差，并使导热路径上的热电堆两端输出相应的热电信号，通过插值法计算得到被测光源的辐射热流强度，本发明可适用于1kW/m2至100kW/m2的低热流范围场景，可以实现高精度辐射热流的测量，本发明还提供一种辐射热流溯源校准系统。
Description
技术领域
本发明涉及热学技术领域，具体涉及一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计及辐射热流溯源校准系统。
背景技术
热流密度是单位时间内单位面积传输的热量，表征了能量传递的程度，热流密度作为衡量热力系统状态的重要参数之一，常分为辐射热流、对流热流和传导热流。在航空、航天、计量等领域，需要对热流源的辐射热流进行测量，以检测系统的性能或光源是否达到设计要求或实验要求。常用于测量辐射热流的热流计根据测量原理的不同可分为基于温度梯度，基于能量平衡和基于半无限大体假设三种。从1924年开始，Schmidt Boelter设计并制造了基于温度梯度的热阻式辐射热流计以后，越来越多的科研人员开展了各种辐射热流计的研究工作。列如Robert Gardon所研制的圆箔式热流计、J.M.Kendall所研制的量热型热流计等等。和国外相比，我国对辐射热流计的研究时间相对较晚，从20世纪后半叶开始，国内科研人员相继取得一些研究成果，研制出的热阻式热流计和圆箔式热流计的测量精度已达到国外的仪器水平，添补了国内的热流测量技术体系。
热流计的标定与校准对于试验中测量结果的准确度、可靠性和规范热流测量方式非常重要，是研制热流计的重要环节。美国航空航天总局(NIST)及其下属的建筑和火灾研究实验室(BFRL)在理论研究和标定设备的制作两方面作了大量工作，提出了很多先进方法。NIST在对薄膜热流计的标定试验中，以标准圆箔式热流计作为二级传递标准，待检热流计的标定准确度超过3％。德国航空太空中心(DLR)在对圆箔式热流计和热阻式热流计进行标定试验中，以Kendall MK IX型辐射热流计进行校准，校准后的圆箔式热流计和热阻式热流计的准确度超过1％。在我国仅有中国国家计量院(NIM)和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等部分科研院所对热流计的标定系统进行研究开发。由于溯源基准仪器的限制，国内大部分科研院所在对热流计进行标定实验中，标定出的仪器准确度难以突破3％，若想突破3％的定标准确度，只能从国外的相关公司购买高精度的测量仪器。随着热流计往测量精度更准，测量范围更宽的方向上发展，国内以3％测量准确度的圆箔式热流计作为校准仪器将逐渐不满足各行业对热流测量的需求。
目前，用于辐射热流溯源校准的高精度测量仪器主要依赖于进口，国产宽测量范围的热流计测量没有抑制背景温度噪声的相关设计，且存在灵敏度会随着热流密度变化而变化的问题，故国产热流计的精度低、测量范围小，不适合作为辐射热流溯源基准。
发明内容
为了解决上述现有技术缺陷之一，本发明提供了一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计及辐射热流溯源校准系统，实现高精度辐射热流的测量。
一方面，本发明提供一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其中，包括光阑、与所述光阑相配合的辐射吸收腔、用于关联容纳所述辐射吸收腔的热沉、用于为所述辐射吸收腔加热的加热丝、用于进行温差测量的热电堆、用于进行电气控制的控制单元，所述热沉分别于所述光阑和所述辐射吸收腔相连接，所述热电堆与所述辐射吸收腔和所述热沉相连接，所述控制单元分别与所述热电堆和所述加热丝电连接，在第一状态下，所述辐射吸收腔接收辐射热到达第一温度，所述热电堆基于辐射热感应电信号，在第二状态下，所述加热丝对所述辐射吸收腔加热至第一温度。
可选的方案中，其中，所述辐射吸收腔为具有空腔结构，所述辐射吸收腔与所述光阑围绕形成封闭腔体。
可选的方案中，其中，所述辐射吸收腔为圆锥体光陷阱结构，所述辐射吸收腔的腔体内壁设有吸收黑漆层。
可选的方案中，其中，所述加热丝缠绕在所述辐射吸收腔的外表面。
可选的方案中，其中，还包括补偿腔，所述补偿腔的形状与所述辐射吸收腔相同，所述补偿腔与所述辐射吸收腔沿所述热沉的轴向方向对称设置。
可选的方案中，其中，所述热沉具有桶装结构腔体，所述辐射吸收腔与所述补偿腔均设置于所述桶装结构腔体内。
可选的方案中，其中，还包括快门组件，所述快门组件包括闸口板，所述闸口板的开口、所述光阑的中心孔、所述辐射吸收腔的中心线共线。
可选的方案中，其中，所述热沉内埋设有用于容纳冷却介质的冷却槽道，所述冷却槽道具有入液口和出液口。
可选的方案中，其中，还包括外壳，所述热沉、所述热电堆、所述辐射吸收腔、所述补偿腔均容纳于所述外壳中，所述光阑安装于所述外壳具有开口的端面上。
另一方面，本发明还提供了一种辐射热流溯源校准系统，其中，包括汇聚透镜以及上述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其中，包括光阑、与所述光阑相配合的辐射吸收腔、用于关联容纳所述辐射吸收腔的热沉、用于为所述辐射吸收腔加热的加热丝、用于进行温差测量的热电堆、用于进行电气控制的控制单元，所述热沉分别于所述光阑和所述辐射吸收腔相连接，所述热电堆与所述辐射吸收腔和所述热沉相连接，所述控制单元分别与所述热电堆和所述加热丝电连接，在第一状态下，所述辐射吸收腔接收辐射热到达第一温度，热电堆基于辐射热感应电信号，在第二状态下，加热丝对辐射吸收腔加热至第一温度。仪器测量光源时，被测光源通过光阑通光孔后，辐射到探测器上，光源辐射后使得辐射吸收腔升温，辐射吸收腔与热沉在导热路径上产生温差，并使导热路径上的热电堆两端输出相应的热电信号，待热电信号达到平衡后，该热电信号即视为被测光源对应的热电信号。将该热电信号与自测试的热电信号分度表进行比较，通过插值法计算得到被测光源的辐射热流强度，本发明可适用于1kW/m2至100kW/m2的低热流范围场景，可以实现高精度辐射热流的测量，本发明还提供一种辐射热流溯源校准系统，同样具有高精度辐射热流的测量的有益效果。
附图说明
图1是本发明的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计的结构剖视图；
图2是本发明的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计的另一视角结构示意图；
图3是本发明的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计中控制单元的结构框图；
图4是本发明的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计的实验效果示意图。
附图标记：光阑1，辐射吸收腔2，热沉3，加热丝4，热电堆5，补偿腔6，安装组件7，冷却槽道8，汇聚透镜9，被测光源10，中心孔11，外壳12，管道13，快门组件14。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1和2所示，本发明提供的一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其中，包括光阑1、与光阑1相配合的辐射吸收腔2、用于关联容纳辐射吸收腔2的热沉3、用于为辐射吸收腔2加热的加热丝4、用于进行温差测量的热电堆5、用于进行电气控制的控制单元，热沉3分别于所述光阑1和辐射吸收腔2相连接，所述热电堆5与所述辐射吸收腔2和所述热沉3相连接，所述控制单元分别与所述热电堆5和所述加热丝4电连接，在第一状态下，所述辐射吸收腔2接收辐射热到达第一温度，所述热电堆5基于辐射热感应电信号，在第二状态下，加热丝4对所述辐射吸收腔2加热至第一温度，由光阑1、辐射吸收腔2和热电堆5构成辐射热流的探测器，利用探测器对辐射热流进行测量，仪器测量光源时，被测光源10通过光阑1通光孔后，辐射到探测器上，光源辐射后使得辐射吸收腔2升温，辐射吸收腔2与热沉3在导热路径上产生温差，并使导热路径上的热电堆5两端输出相应的热电信号，待热电信号达到平衡后，该热电信号即视为被测光源10对应的热电信号。将该热电信号与自测试的热电信号分度表进行比较，通过插值法计算得到被测光源10的辐射热流强度本发明可适用于1kW/m2至100kW/m2的低热流范围场景，可以实现高精度辐射热流的测量。
在一种实施例中，探测器是高吸收率探测器以及高精度热电堆5。在测量波长0.2μm～20μm的辐射谱段内，通过高吸收黑漆以及光陷阱设计方案实现高吸收率，减小吸收率修正误差。通过环形约150对T型热电偶堆对吸收腔与冷端间进行温差测量，实现高精度热电信号采集和输出。需要说明的是，探测器最小可探测功率是由其噪声决定，热流计的噪声主要来源是背景温度噪声。
在一种实施例中，辐射吸收腔2为具有空腔结构，辐射吸收腔2与光阑1围绕形成封闭腔体，这样可以有效放置辐射热流的外泄，保证测量的准确性。
对于辐射腔的形状可以根据需要选择，所述本实施例中，吸收腔为圆锥体光陷阱结构，具体为圆锥体形状，为了更好的吸收辐射热流，辐射吸收腔2的腔体内壁设有吸收黑漆层，吸收黑漆的材料可以根据需要选择即可，对此不做限定。
为了降低设备对辐射热流的影响，在光阑1外表面采用镀铝抛光工艺，降低表面吸收率。光阑1内表面和辐射吸收腔2形成封闭腔，光阑1内表面同样采用镀铝抛光工艺，提高表面反射率。
为了更好的对辐射吸收腔2进行加热，加热丝4缠绕在辐射吸收腔2的外表面，加热丝4采用螺旋缠绕的方式布设在辐射吸收腔2的外壁上。
结合图2所示，在一种实施例中，可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计还包括补偿腔6，所述补偿腔6的形状与辐射吸收腔2相同，补偿腔6与辐射吸收腔2沿热沉3的轴向方向对称设置，辐射吸收腔2所构成的测试腔，补偿腔6构成的补偿强采用对称的结构设计，测试腔热电信号与补偿腔反接，可以补偿和抵消背景温度变化带来的影响。
本实施例中，热沉3通常指散热片,用来冷却电子设备的装置，热沉3具有桶装结构腔体，辐射吸收腔2与补偿腔6均设置于桶装结构腔体内，可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计中的光阑1、探测器都与热沉3相连接，热沉3内埋设有用于容纳冷却介质的冷却槽道8，冷却槽道8具有入液口和出液口，通过入液口输入高精度控温的冷却介质，使得热沉3和光阑1温度恒定，这里的冷却介质可以采用水，对此不做限定。
为了实现光源辐射的通断，可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计还包括快门组件14，快门组件14包括闸口板，闸口板的开口、光阑1的中心孔11、辐射吸收腔2的中心线共线，在测量时，快门组件14开启，闸口板打开，光源通过闸口板的开口进入光阑1，通过光阑1照射在辐射吸收腔2上。
在一些实施例中，第一状态可以为快门组件14开启状态，第二状态为快门组件14关闭状态。
本发明提供的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计的测量原理基于电替代法，快门组件14开启阶段辐射吸收腔2接收辐射热，辐射吸收腔2的腔体升温，热电堆5采集热电偶产生感应电压即热电信号，并将感应电压进行放大、滤波处理。快门组件14关闭阶段对辐射吸收腔2进行电加热控制，使得辐射吸收腔2的升温情况与快门组件14开启阶段一致，从而实现电标定测量。
为了更好的保护内部组件，可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计还包括外壳12，热沉3、热电堆5、辐射吸收腔2、补偿腔6均容纳于所述外壳12中，补偿腔6通过安装组件7与外壳12连接，光阑1安装于外壳12具有开口的端面上，与入液口和出液口分别连通的用于输送冷却介质的管道13从外壳12的另一端引出，需要说明的是对于外壳12的材质，可以根据需要选择，对此不做限定。
结合图3所示，本实施例中，测量的控制和数据处理由控制单元300完成，控制单元300可以采用上位机实现，通过RS422接口与控制单元300进行数据命令交互。控制单元300还包括电压采集电路301、电加热电路302、快门控制电路303、RS422通讯电路304，电压采集电路301用于采集热电堆5的感应电压，电加热电路302用于控制加热丝4对辐射吸收腔2进行加热，快门控制电路303用于控制快门组件14的开启和关闭，本领域普通技术人员应当了解，对此不做赘述。。
本发明提供的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计采用了对腔补偿测量技术方案以及高稳定冷端，提高了抗扰动能力，提高了参考段的稳定度。通过高吸收腔方案，降低了吸收率带来的测量修正误差。并且利用稳定导热连接方案以及高精度热电信号测量方案，提高了辐射热流的测量精度。
结合图4所示，为了更好说明效果，对本发明提供的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计进行实验验证，经长时间的测试，测量结果不确定度优于0.5％。理论分析和实验结果表明该装置实用有效。利用激光光源进行了11个小时的测试，测试效果的码值不确定度优于0.5％，证明可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计达到预期效果。
本发明的另一个目的是提供一种可测1kW/m2至100kW/m2的辐射热流溯源校准系统，该系统包括汇聚透镜9以及上述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，汇聚透镜9可以采用凸透镜，汇聚透镜9用于将被测光源10发出的光源进行汇聚，以便于进入可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计中，具体的是，被测光源10发出的光源经过汇聚后照射在快门组件14上，快门组件14开启阶段，光源镜头闸口板的开口和光阑1照射在辐射吸收腔2上，仪器测量光源时，被测光源10通过光阑1通光孔后，辐射到探测器上，光源辐射后使得辐射吸收腔2升温，辐射吸收腔2与热沉3在导热路径上产生温差，并使导热路径上的热电堆5两端输出相应的热电信号，待热电信号达到平衡后，该热电信号即视为被测光源10对应的热电信号。将该热电信号与自测试的热电信号分度表进行比较，通过插值法计算得到被测光源10的辐射热流强度，从而实现高精度辐射热流的测量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计及辐射热流溯源校准系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，包括光阑、与所述光阑相配合的辐射吸收腔、用于关联容纳所述辐射吸收腔的热沉、用于为所述辐射吸收腔加热的加热丝、用于进行温差测量的热电堆、用于进行电气控制的控制单元，所述热沉分别于所述光阑和所述辐射吸收腔相连接，所述热电堆与所述辐射吸收腔和所述热沉相连接，所述控制单元分别与所述热电堆和所述加热丝电连接，在第一状态下，所述辐射吸收腔接收辐射热到达第一温度，所述热电堆基于辐射热感应电信号，在第二状态下，所述加热丝对所述辐射吸收腔加热至第一温度。
2.根据权利要求1所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，所述辐射吸收腔为具有空腔结构，所述辐射吸收腔与所述光阑围绕形成封闭腔体。
3.根据权利要求2所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，所述辐射吸收腔为圆锥体光陷阱结构，所述辐射吸收腔的腔体内壁设有吸收黑漆层。
4.根据权利要求3所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，所述加热丝缠绕在所述辐射吸收腔的外表面。
5.根据权利要求1所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，还包括补偿腔，所述补偿腔的形状与所述辐射吸收腔相同，所述补偿腔与所述辐射吸收腔沿所述热沉的轴向方向对称设置。
6.根据权利要求5所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，所述热沉具有桶装结构腔体，所述辐射吸收腔与所述补偿腔均设置于所述桶装结构腔体内。
7.根据权利要求1所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，还包括快门组件，所述快门组件包括闸口板，所述闸口板的开口、所述光阑的中心孔、所述辐射吸收腔的中心线共线。
8.根据权利要求1所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，所述热沉内埋设有用于容纳冷却介质的冷却槽道，所述冷却槽道具有入液口和出液口。
9.根据权利要求5所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计，其特征在于，还包括外壳，所述热沉、所述热电堆、所述辐射吸收腔、所述补偿腔均容纳于所述外壳中，所述光阑安装于所述外壳具有开口的端面上。
10.一种辐射热流溯源校准系统，其特征在于，包括汇聚透镜以及如权利要求1至9中任一项所述的可用于辐射热流溯源校准的高精度低功率辐射热流计。
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