CN116448810A - 一种固体材料半球发射率稳态测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体材料半球发射率稳态测试装置及其方法，该装置包括真空室、液氮罐、真空泵、样品加热组件、温度控制系统、数据采集系统和计算机；样品加热组件，设置在真空室内；液氮罐，与真空室通过管道连接；真空泵，通过波纹管与该真空室连通；温度控制系统，与样品加热组件和计算机连接，数据采集系统，连接真空室和计算机。与现有技术相比，本发明测试装置结构简单，样品安装容易、成本较低，而且控温精度高，测量温区宽，可以测试材料在100K～500K的半球发射率。
Description
技术领域
本发明涉及能源应用领域，具体涉及一种固体材料半球发射率稳态测试装置及方法。
背景技术
半球发射率是表征固体材料热辐射特性的一个重要物理参数，在许多传统工业领域对能源有效利用起着重要作用，对国防军事、航空航天等高新技术领域的快速发展也具有重要意义。材料的发射率定义为在同一温度下，实际物体每单位时间和单位面积在所有波长下发射到半球空间的总能量与黑体辐射的总能量之比。由于实际物体的辐射强度随波长和空间方向而变化，发射率可分为光谱发射率，定向发射率和平均半球发射率。根据测试原理的不同，材料半球发射率的测试方法包括卡计法、反射法和能量比较法，其中卡计法又包括瞬态卡计法和稳态卡计法。材料发射率不仅与材料的化学成分有关，还与自身表面状态、温度等多种因素有关，由于影响发射率及其测量的因素很多，发射率测量的具体方法种类繁多，特点各异，发射率测量的水平一直很难提高，同类材料发射率测量结果可比性较差。
现有实验观测方法中主要存在以下几个问题：(1)瞬态卡计法要求试样的导热性较好，否则在冷却过程中样品内部温度分布不均匀；(2)反射法和能量比较法所使用的仪器成本较高，在实验条件不具备的情况下，难以进行测试；(3)温度测量存在一定误差；(4)热平衡时辐射换热量采用加热的电功率值，未对测量值的可靠性给与详细分析；(5)样品的安装过程比较繁琐。
发明内容
本发明的目的在于设计一种固体材料半球发射率稳态测试装置及方法，该装置可以准确、可靠的测量主动和被动热控材料的表面半球发射率，且测量精度高、不确定度小，操作简单，适用于确定材料在空间条件下的半球发射率。
本发明的一种固体材料半球发射率稳态测试装置，包括真空室、液氮罐、真空泵、样品加热组件、温度控制系统、数据采集系统和计算机；其中，样品加热组件，设置在真空室内，用于对待测样品进行加热；液氮罐，与真空室通过管道连接，用于为实验过程提供冷环境；真空泵，通过波纹管与该真空室连通，用于对真空室抽真空以形成真空测试空间；温度控制系统，与样品加热组件和计算机连接，用于控制样品加热组件内隔热罩和背板达到所设定的温度且使真空室内处于热稳定状态；数据采集系统，用于采集实验过程中的温度和功率；计算机，用于计算出样品的半球发射率。
本发明的一种固体材料半球发射率稳态测试装置的优点是：
1.该测试装置结构简单，尤其是液氮护罩的设计，采用一个冷却夹层结构，可以很好地控制黑体热沉的温度，并保证其温度分布的均匀性；
2.该装置简化了样品安装方式，减少了样品安装步骤，利用弹簧夹可以快速地固定样品，操作十分简便；
3.该装置采用的各数据采集仪器均具有高分辨率、高精确度和高稳定性的特点，且可以测试材料在100K～500K的半球发射率，测量温区较宽。
附图说明
图1是本发明的一种固体材料半球发射率稳态测试装置的系统连接图；
图2是图1中真空室的内部结构示意图；
图3是图1中样品加热组件的内部结构示意图；
图4是图3中聚四氟乙烯支柱的外观示意图；
图5是图1中样品加热组件的结构示意图。
具体实施方式
下面参见附图及具体实施例，对本发明作进一步说明，应理解，附图及具体实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明。
参阅图1至图5，本发明的一种固体材料半球发射率稳态测试装置，包括真空室1、样品加热组件2、液氮罐3、真空泵4、温度控制系统5、数据采集系统6和计算机7。真空室1是一个真空测试空间，其内设置有样品加热组件2，待测试样品放置在该样品加热组件2内进行加热。液氮罐3与真空室1通过管道连接，为实验过程提供冷环境。真空泵4通过波纹管与该真空室1连通，用于对真空室1抽真空以形成真空测试空间。温度控制系统5与样品加热组件2和计算机7连接，用于控制样品加热组件2内隔热罩22和背板23达到所设定的温度且使真空室1内处于热稳定状态。数据采集系统6连接真空室内的实验装置和计算机，工作时，数据采集系统6采集实验过程中的温度和功率，然后传送给计算机7，通过计算机7计算出样品的半球发射率。
所述真空室1包括真空罩11、设置在真空罩底部的法兰12、液氮护罩13以及涂覆在液氮护罩内壁上呈半包围状的低温热沉14。所述真空罩11通过两个电动推杆15固定在实验台上，通过控制按钮可使电动推杆15上下移动，带动真空罩11打开或闭合，方便取放测试样品。所述法兰12与真空罩11形成真空密闭空间。所述液氮护罩13为一个冷却夹层，冷却夹层外壁外表面与真空罩11的内壁之间留有空隙，防止冷量向环境散失。所述低温热沉14为冷却夹层内壁内表面涂覆的一层超黑涂层，以此形成半球发射率测试空间。此外，液氮护罩13采用紫铜制成，以提高冷却夹层的冷量传递效果，保证低温热沉14的温度均匀性。该液氮护罩13的上端还设有一冷却介质入口16与冷却介质出口17，该冷却介质入口16与冷却介质出口17分别与真空罩顶部法兰18上的两个管道接口焊接；所述液氮护罩13通过所述两个焊接口悬挂于真空罩11内部，减小与真空罩11的接触面积以减少热量损失。所述真空罩顶部法兰18连同液氮护罩13通过螺栓固定在所述真空罩11上方。
所述样品加热组件2包括聚四氟乙烯支架21、隔热罩22、背板23、两个弹簧夹24、四个聚四氟乙烯支柱25。该圆柱形隔热罩22通过低热导率的聚四氟乙烯支架21被固定在所述真空罩底部的法兰12上，正对着呈半包围状的低温热沉14。所述背板23通过聚四氟乙烯支柱25支撑在隔热罩22的内部，该聚四氟乙烯支柱25还包括与之通过螺纹连接的两个螺柱27，所述螺柱27使聚四氟乙烯支柱25被固定在隔热罩22的底部，通过控制该螺柱27露出的长度可以改变聚四氟乙烯支柱25的高度，即改变背板23的高度。所述弹簧夹24通过尼龙螺栓26固定在背板23上并可旋转移动，待测样品放置在背板23上，并通过弹簧夹24固定。隔热罩22包括圆柱筒体、顶部的大盖板221和小盖板222。大盖板221放置在隔热罩22的圆柱筒体的上方，与隔热罩22一起形成一个保温空间，保证样品只有一面向上半球空间辐射。小盖板222放置在大盖板221的上方，用于确定待测样品的辐射面积。该背板23上贴着加热片，为主加热器；所述圆柱形隔热罩22的底部和四周以及大盖板221的上面均贴着加热片，为辅加热器。此外，所述加热片为功率密度为2W/cm2的柔性薄膜电加热片，可以采用GD414C单组份室温硫化硅橡胶粘贴于隔热罩22和背板23上。
在安装好样品加热组件2后，只需通过拿起小盖板222来取放样品，以减少对大盖板221上布置的加热片和热电偶馈线的磨损。此外，可以通过制作具有不同大小通孔的小盖板222来改变待测样品的辐射面积，操作简单，成本低廉。
所述液氮罐3通过管道与所述冷却介质入口16的焊接口连接，其内的冷却介质液氮进入液氮护罩13内与热沉14进行热交换，以使热沉14维持稳定的低温。
所述真空泵4包括机械泵、分子泵和真空计。该真空泵4通过管道与真空罩底部法兰12上的抽真空接口121连接，用于对真空室1进行抽真空并测量实验期间真空室的压力。
所述温度控制系统5由两个直流电源、两个电阻加热器电路和两个温度控制器组成。所述两个直流电源分别设置在两个电阻加热器电路中，用于向主加热器和辅加热器供电。所述两个温度控制器用于将隔热罩22的温度与背板23的温度相匹配。
所述数据采集系统6至少包含12支T型热电偶、2个电压表和2个电流表。热电偶的分布如下：至少4个在液氮护罩上，1个在试样上，1个在背板上，6个在隔热罩上。所述热电偶均用干体炉进行校准后被焊接到相应的表面上。该数据采集系统6采集样品温度、隔热罩温度、低温热沉温度和主加热器的功率，并将数据传输给计算机7，以便计算机7对数据进行处理。
进一步，该温度控制系统5和数据采集系统6连接的电源和热电偶的馈线，均通过电气接口122连接内外部的实验装置。
所述计算机7可以设定样品温度，并使温度控制系统5调节加热片的输入功率。当该计算机7检测到样品温度达到所设定的温度并稳定一段时间后，可以根据样品温度、热沉温度、主加热器的功率以及试样的辐射面积计算出样品的半球发射率。
本发明设计了一种固体材料半球发射率稳态测试装置，其测量原理为：当一个待测样品被固定于样品加热组件2内并放置于真空室1内时，被测样品与液氮护罩内表面的低温热沉14之间仅有辐射换热，样品上表面发出的热辐射全部投射到呈半包围状的黑体表面上。通过电加热方式为样品补充能量，使之处于热平衡状态，保持恒定温度。通过对测试样品应用能量守恒定律，其半球发射率ε可以用样品的电功率输入和样品及周围环境的温度来表示，即：
式中，σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)为玻尔兹曼常数，AS表示待测样品的辐射面积，TS表示样品的温度，TB表示黑体热沉的温度，Q表示加热器输入的电功率。
本发明的一种固体材料半球发射率稳态测试装置的具体操作步骤如下：
步骤1：放置待测样品
打开总电源开关，按住真空罩上升按钮，通过电动推杆15将真空罩11升至合适高度。拿下小盖板222，在背板23的中间位置涂覆一层薄薄的导热硅脂，将制备好的待测样品放置在导热硅脂的位置上，并用弹簧夹24固定。然后按住真空罩下降按钮，将真空罩11降至最低处，使真空罩11与底部法兰12的密封圈压紧，从而使真空室1形成密封空间。
步骤2：抽真空
打开真空泵的电源，对真空室1进行抽真空，使其内部压力下降至1×10-3Pa以下。
步骤3：降低黑体热沉温度
打开液氮罐3的进出液阀，并调节增压阀使其压力控制在0.05MPa～0.1MPa，一段时间后，液氮护罩的温度保持在80K左右。
步骤4：设置样品温度
打开计算机8的电源，打开系统软件，设置待测样品的温度，打开主加热器和辅加热器，开始对样品进行加热，并使之保持在设定温度。
步骤5：采集数据，计算发射率
当测量的样品温度达到设定温度且稳定一段时间后，由数据采集系统6采集样品温度TS、黑体热沉温度TB和主加热器的功率Q，并输入样品辐射面积AS，通过计算机7软件计算出样品的半球发射率ε。改变样品设定温度，可得到不同温度下的半球发射率。
步骤6：关闭仪器
测试完毕后，先关闭主加热器和辅助加热器，停止加热。再关闭液氮罐3的阀门，停止输入冷却工质，然后关闭真空泵。当热沉温度升至室温时，打开真空室1的充气阀使之内部压强恢复至大气压，然后打开真空罩11，取出样品。
以上所述的实施例，仅用于说明本发明，并不表示对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行的各种组合、置换或变更，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，包括真空室、液氮罐、真空泵、样品加热组件、温度控制系统、数据采集系统和计算机；其中，
样品加热组件，设置在真空室内，用于对待测样品进行加热；
液氮罐，与真空室通过管道连接，用于为实验过程提供冷环境；
真空泵，通过波纹管与该真空室连通，用于对真空室抽真空以形成真空测试空间；
温度控制系统，与样品加热组件和计算机连接，用于控制样品加热组件内隔热罩和背板达到所设定的温度且使真空室内处于热稳定状态；
数据采集系统，用于采集实验过程中的温度和功率；
计算机，用于计算出样品的半球发射率。
2.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述真空室包括真空罩、法兰、液氮护罩和低温热沉；其中，真空罩通过两个电动推杆固定在实验台上且由电动推杆带动真空罩打开或闭合；法兰设置在真空罩底部，与真空罩形成真空密闭空间；液氮护罩悬挂在真空罩内部，为一个冷却夹层，冷却夹层外壁外表面与真空罩的内壁之间留有空隙，用于阻止冷量向环境散失；低温热沉为液氮护罩内壁内表面涂覆的一层超黑涂层，以此形成半球发射率测试空间。
3.根据权利要求2所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述液氮护罩采用紫铜制成。
4.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述样品加热组件包括聚四氟乙烯支架、隔热罩、背板、弹簧夹、聚四氟乙烯支柱；
隔热罩，通过聚四氟乙烯支架固定在所述真空罩底部的法兰上，正对着呈半包围状的低温热沉，还包括顶部的大盖板和小盖板；
背板通过聚四氟乙烯支柱固定支撑在隔热罩的内部；该背板上贴着加热片，为主加热器；
弹簧夹旋转固定在背板上，用于固定待测样品。
5.根据权利要求4所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述隔热罩包括圆柱筒体，大盖板和小盖板；大盖板放置在隔热罩圆柱筒体的上方，与隔热罩一起形成一个保温空间；小盖板放置在大盖板的上方，用于确定待测样品的辐射面积；所述隔热罩圆柱筒体底部和四周以及大盖板的上面均贴着加热片，为辅加热器。
6.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述真空泵包括机械泵、分子泵和真空计；该真空泵通过管道与真空罩底部法兰上的抽真空接口连接，用于对真空室进行抽真空并测量实验期间真空室的压力。
7.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述温度控制系统由直流电源、电阻加热器电路和温度控制器组成；所述直流电源设置在电阻加热器电路中，用于向主加热器和辅加热器供电；所述温度控制器用于将隔热罩的温度与背板的温度相匹配。
8.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，半球发射率ε可以用样品的电功率输入和样品及周围环境的温度来表示，即：
式中，σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)为玻尔兹曼常数，AS表示待测样品的辐射面积，TS表示样品的温度，TB表示黑体热沉的温度，Q表示加热器输入的电功率。
9.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置，其特征在于，所述该液氮护罩的上端固定设置有冷却介质入口与冷却介质出口，冷却介质入口与冷却介质出口分别与空罩顶部法兰上的两个管道接口连接。
10.根据权利要求1所述的固体材料半球发射率稳态测试装置的测试方法，其特征在于，
步骤1：放置待测样品；
步骤2：抽真空；
步骤3：降低黑体热沉温度；
步骤5：采集数据，计算发射率；
步骤6：关闭仪器。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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