CN117451780A - 一种高温材料发射率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温材料发射率测量系统，包括微型光谱仪、底座、黑体空盒、第一高温型热电偶丝和热电偶加热炉控制器；黑体空盒包括两个半球，两个半球能拆卸的相对扣合呈球形，其中一个半球固定在底座上，另外一个半球的顶部设置有夹套式滑动光纤接口，微型光谱仪通过光纤线与夹套式滑动光纤接口连接；第一高温型热电偶丝成对的、横向水平相对的设置在每个第一高温型热电偶丝之间形成置物仓，置物仓用于存放和支撑被测样品；热电偶加热炉控制器设置在黑体空盒外，并与两个第一高温型热电偶丝通过传输导线和加热导线连接，用于控制第一高温型热电偶丝的温度。本测量系统，能提高高温材料发射率测的测量结果的准确性；另外方便携性。

Description

一种高温材料发射率测量系统

技术领域

本发明涉及高温材料热物性测量技术领域，特别涉及一种高温材料发射率测量系统。

背景技术

发射率是数值计算以及温度测量过程中的重要参数，在能源利用、航空航天、材料科学等领域发挥着重要作用。物质表面的发射率不仅取决于物质的内在性质，同时还取决于物质表面的物理状态、光滑程度以及物质的温度等，这些因素使得发射率的测量很复杂。特别地，对于高温物质,如高炉熔渣、熔盐、机用陶瓷瓦等，应用温度范围通常在1000℃以上，获取该温度下的材料发射率亦是重大挑战。

依据测量原理的不同，通常将发射率测量方法分为量热法、反射率法、能量法和多波长测量法等，采用此类方法而搭建的测量系统通常占用较大空间、携带不便。此外，当被测物质的温度高于熔化温度时，被测物质由固体变成液态，具有一定流动性甚至透明性，测量发射率时需要考虑样品固定以及加热炉的背景辐射，增加了样品加热及测量方法的困难性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种高温材料发射率测量系统，提高了高温材料发射率测的测量结果的准确性；同时可测试同一样品不同形状下发射率的测试，另外方便携性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种高温材料发射率测量系统，包括：

微型光谱仪；

底座；

黑体空盒，所述黑体空盒包括两个半球，两个所述半球能拆卸的相对扣合呈球形，其中一个所述半球固定在所述底座上，另外一个所述半球的顶部设置有夹套式滑动光纤接口，所述微型光谱仪通过光纤线与所述夹套式滑动光纤接口连接；

第一高温型热电偶丝，至少有一对，所述第一高温型热电偶丝成对的、横向水平相对的设置在每个所述第一高温型热电偶丝之间形成置物仓，所述置物仓用于存放和支撑被测样品；及

热电偶加热炉控制器，设置在所述黑体空盒外，并与两个所述第一高温型热电偶丝通过传输导线和加热导线连接，用于控制所述第一高温型热电偶丝的温度。

进一步地，所述第一高温型热电偶丝的正极和负极对焊成直线后折成U字形，每个所述第一高温型热电偶丝的两端均端部套有高温套管，所述黑体空盒开设有沿着其径向延伸的插孔，所述高温套管的端部能滑动的从所述插孔穿出与所述热电偶加热炉控制器连接。

进一步地，还包括位置调节组件，所述调节组件连接在所述高温套管和所述底座之间，用于驱动所述高温套管沿着所述黑体空盒的径向移动。

进一步地，所述调节组件包括连接杆、支撑杆和调节杆，所述连接杆连接在同侧的两个所述高温套管之间，所述支撑杆与所述连接杆连接，所述调节杆为螺纹杆，所述调节杆连接在所述底座上，所述支撑杆与所述调节杆螺纹连接。

进一步地，所述高温型热电偶丝与所述高温套管之间设置有隔热材料。

进一步地，所述半球包括从外之内顺次叠加的金属层、隔热层和多孔黑体层，且所述多孔黑体层采用高发射率的多孔介质材料。

进一步地，所述半球上沿着其外壁开设有条形的开孔，所述夹套式滑动光纤接口能滑动的开设在所开孔上。

进一步地，所述夹套式滑动光纤接口包括光纤接口通道、外部滑动盖片和内部滑动盖片，所述外部滑动盖片和内部滑动盖片分别固定在所述光纤接口通道上下两端，并能分别沿着所述半球的内外壁滑动，所述光纤接口通道能滑动的设置卡设在所述开孔内，所述光纤线与所述光纤接口通道连接。

进一步地，还包括黑体炉，所述黑体炉采用高发射率的导热材料制成；所述黑体炉的出口处设有遮光盖；所述黑体炉外壁面设有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽内铺设有第二高温型热电偶丝，且所述第二高温型热电偶丝与螺旋凹槽的间隙采用导热材料填充。

进一步地，所述黑体炉为上端圆柱形、下端锥形的薄壁腔体。

本发明的有益效果：

上述高温材料发射率测量系统，包括微型光谱仪、底座、黑体空盒、第一高温型热电偶丝和热电偶加热炉控制器；所述黑体空盒包括两个半球，两个所述半球能拆卸的相对扣合呈球形，其中一个所述半球固定在所述底座上，另外一个所述半球的顶部设置有夹套式滑动光纤接口，所述微型光谱仪通过光纤线与所述夹套式滑动光纤接口连接；

第一高温型热电偶丝至少有一对，所述第一高温型热电偶丝成对的、横向水平相对的设置在每个所述第一高温型热电偶丝之间形成置物仓，所述置物仓用于存放和支撑被测样品；热电偶加热炉控制器设置在所述黑体空盒外，并与两个所述第一高温型热电偶丝通过传输导线和加热导线连接，用于控制所述第一高温型热电偶丝的温度。

采用本高温材料发射率测量系统，通过热电偶加热炉控制器和第一高温型热电偶丝，可实现将被测样品加热至1600℃(及以上)；同时，本发明利用黑体空盒，降低背景辐射以及光路畸变对发射率测量结果的影响，提高了测量结果的准确性；此外，能方便调节被测样品的尺寸，从而是同一样品不同形状下发射率的测试，另外，本发明所用的黑体空盒和加热系统体积小，具有良好的便携性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的一种高温材料发射率测量系统的示意图；

图2为图1所示的一种高温材料发射率测量系统中黑体空盒两个半球的示意图；

图3为图1所示的一种高温材料发射率测量系统黑体炉的示意图；

附图标记：

1、微型光谱仪；12、光纤线；2、底座；3、黑体空盒；31、半球；311、金属层；312、隔热层；313、多孔黑体层；32、插孔；33、开孔；4、夹套式滑动光纤接口；41、光纤接口通道；42、外部滑动盖片；43、内部滑动盖片；5、第一高温型热电偶丝；51、高温套管；52、隔热材料；6、热电偶加热炉控制器；61、传输导线；62、加热导向；7、调节组件；71、连接杆；72、支撑杆；73、调节杆；8、黑体炉；81、出口；82、遮光盖；83、螺旋凹槽；84、第二高温型热电偶丝。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参见图1至图3，本发明提供一种高温材料发射率测量系统，包括微型光谱仪1、底座2、黑体空盒3、第一高温型热电偶丝5和热电偶加热炉控制器6。

具体的，黑体空盒3包括两个半球31，两个半球31能拆卸的相对扣合呈球形，其中一个半球31固定在底座2上，另外一个半球31的顶部设置有夹套式滑动光纤接口4，微型光谱仪1通过光纤线12与夹套式滑动光纤接口4连接。

第一高温型热电偶丝5至少有一对，第一高温型热电偶丝5成对的、横向水平相对的设置在每个第一高温型热电偶丝5之间形成置物仓，置物仓用于存放和支撑被测样品10。热电偶加热炉控制器6设置在黑体空盒3外，并与两个第一高温型热电偶丝通过传输导线61和加热导线62连接，用于给第一高温型热电偶丝5加热和控制温度。

本发明采用高温型热电偶丝进行加热和测温，高温型热电偶丝本身为金属材料，具有一定大小的电阻，通电后利用电阻的热效应产生热量从而使得热电偶丝升温，加热升温后的热电偶丝再对被测样品10加热，被测样品10受热后温度升高，与加热后被测样品10接触的热电偶丝产生热电动势，以此测得样品的温度。热电偶丝能够承受高温，从而实现对高温发射率的测量。

被测样品10第一高温型热电偶丝5不少于2根，并且成对设置，一方面有利于促进被测样品10的均匀加热，另一方面当被测样品10被加热至液态的时候，可利用液体的表面张力将被测样品10固定在第一高温型热电偶丝5之间以实现被测样品10的良好放置，同时也有利于调节搁置在固定在第一高温型热电偶丝5之间的被测样品10尺寸，从而是同一样品不同形状下发射率的测试。

本发明的黑体空盒3包含两个半球31，两个半球31可用卡扣或螺钉紧固连接。黑体空盒3上半球31中心壁面处设有夹套式滑动光纤接口4，该接口接收到来自样品的热辐射通过光纤进入微型光谱仪1，以此得到样品的辐射强度。

采用本高温材料发射率测量系统，通过热电偶加热炉控制器6和第一高温型热电偶丝5，可实现将被测样品10加热至1600℃(及以上)；同时，本发明利用黑体空盒3，降低背景辐射以及光路畸变对发射率测量结果的影响，提高了测量结果的准确性；此外，能方便调节被测样品10的尺寸，从而是同一样品不同形状下发射率的测试，另外，本发明所用的黑体空盒3和加热系统体积小，具有良好的便携性。

作为优选的实施方式，第一高温型热电偶丝5的正极和负极对焊成直线后折成U字形，每个第一高温型热电偶丝5的两端均端部套有高温套管51，黑体空盒3开设有沿着其径向延伸的插孔32，高温套管51的端部能滑动的从插孔32穿出与热电偶加热炉控制器6连接。

通过插孔32，能保证第一高温型热电偶丝5的位置和高度固定，从而保证被测样品10表面平整。高温套管51既可起到保温作用，同时方便第一高温型热电偶丝5从插孔32穿出。

在具体实施时，可在第一高温型热电偶丝5与高温套管51之间设置有隔热材料52。以减少热电偶的热量损失，降低高温套管51的表面温度，弱化样品发射率测量过程中背景辐射的影响。

作为更优选的实施方式，本装置还包括位置调节组件7，调节组件7连接在高温套管51和底座2之间，用于驱动高温套管51沿着黑体空盒3的径向移动，从而改变置物仓的大小，从而方便利用熔融状态的液体状的被测样品10的表面张力将被测样品10固定在热电偶丝之间以实现样品的良好放置，同时也能方便调节被测样品10的尺寸，从而是同一样品不同形状下发射率的测试。

具体的，调节组件7包括连接杆71、支撑杆72和调节杆73。连接杆71连接在同侧的两个高温套管51之间，支撑杆72与连接杆71连接，调节杆73为螺纹杆，调节杆73连接在底座2上，支撑杆72与调节杆73螺纹连接。

当需要将调整相对的两个第一高温型热电偶丝5之间的距离时，只需旋转调节杆73，调节杆73带动支撑杆72和连接杆71向靠近黑体空盒3运动或远离运动，则可进行调整。

作为另外优选实施方式，半球31上沿着其外壁开设有条形的开孔33，夹套式滑动光纤接口4能滑动的开设在所开孔33上。

具体的，夹套式滑动光纤接口4包括光纤接口通道41、外部滑动盖片42和内部滑动盖片43。外部滑动盖片42和内部滑动盖片43分别固定在光纤接口通道41上下两端，并能分别沿着半球31的内外壁滑动，光纤接口通道41能滑动的设置卡设在开孔33内，光纤线12与光纤接口通道41连接。

采用此种方式，可实现夹套式滑动光纤接口4在上半球31一定角度内的滑动，以此测量样品的定向发射率。在具体实施时，可使内部滑动盖片43的长度是上半球31的开孔33的两倍，宽度也大于开孔33宽度，保证夹套式滑动光纤接口4在黑体空盒3上半球31不同位置时均不会有辐射能量溢出黑体空盒3。开孔33的长度可以是半球31的四分之一周长，则可实现夹套式滑动光纤接口4在0-90°的角度内滑动。

在本实施例中，半球31包括从外之内顺次叠加的金属层311、隔热层312和多孔黑体层313，且多孔黑体层313采用高发射率的多孔介质材料。高发射率多孔介质材料，可用于吸收热丝产生的背景辐射并降低光路畸变对微型光谱仪1接收到辐射能的影响，保证通过夹套式滑动光纤接口4的红外辐射只源于样品表面。黑体空盒3中间层为保温层以降低外界环境对样品温度的影响。

作为另外优选实施方式，本装置还包括黑体炉8，黑体炉8采用高发射率的导热材料制成。黑体炉8的出口81处设有遮光盖82。黑体炉8外壁面设有螺旋凹槽83，螺旋凹槽83内铺设有第二高温型热电偶丝84，且第二高温型热电偶丝84与螺旋凹槽83的间隙采用导热材料填充。

使用时，将黑体炉8放置于黑体空盒3内部，热电偶加热炉控制器6控制黑体炉8温度，黑体炉8辐射的能量通过夹套式滑动光纤接口4被微型光谱仪1检测到，通过对比被测样品10辐射能与黑体辐射能大小，进而得到发射率。

在具体实施时，可将黑体炉8的上端设置圆柱形、下端锥形的薄壁腔体。

上述高温材料发射率测量系统的工作流程是：

使用时，先将缠绕有第二高温型热电偶丝84的黑体炉8置于黑体空盒3中心，并将第二高温型热电偶丝84伸出黑体空盒3与热电偶加热炉控制器6连接，随后设置第二高温型热电偶丝84到所需温度并通过热电偶加热炉控制器6对黑体炉8进行加热，随后通过微型光谱仪1测量并记录不同温度下的黑体炉8辐射出红外辐射强度，完成黑体炉8的红外辐射强度测试后，打开黑体空盒3取出黑体炉8。

随后，将被测样品10磨至粉末状态并加入低沸点有机溶剂混合成湿润块状，随后将块状被测样品10放入相对的两个第一高温型热电偶丝5之间，使第一高温型热电偶丝5托起被测样品10；随后设定第一高温型热电偶丝5到所需温度并启动热电偶加热炉控制器6进行加热，待被测样品10融化后调节两根第一高温型热电偶丝5到合适距离，让被测样品10与两热第一高温型热电偶丝5接触改变，随后将黑体空盒3的两个半球31吻合并紧固连接，对被测样品10加热并记录不同温度下的样品辐射能，将不同温度下样品辐射能与黑体炉8辐射能对比，进而测得发射率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，包括：

微型光谱仪；

底座；

黑体空盒，所述黑体空盒包括两个半球，两个所述半球能拆卸的相对扣合呈球形，其中一个所述半球固定在所述底座上，另外一个所述半球的顶部设置有夹套式滑动光纤接口，所述微型光谱仪通过光纤线与所述夹套式滑动光纤接口连接；

第一高温型热电偶丝，至少有一对，所述第一高温型热电偶丝成对的、横向水平相对的设置在每个所述第一高温型热电偶丝之间形成置物仓，所述置物仓用于存放和支撑被测样品；及

热电偶加热炉控制器，设置在所述黑体空盒外，并与两个所述第一高温型热电偶丝通过传输导线和加热导线连接，用于控制所述第一高温型热电偶丝的温度。

2.根据权利要求1所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述第一高温型热电偶丝的正极和负极对焊成直线后折成U字形，每个所述第一高温型热电偶丝的两端均端部套有高温套管，所述黑体空盒开设有沿着其径向延伸的插孔，所述高温套管的端部能滑动的从所述插孔穿出与所述热电偶加热炉控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，还包括位置调节组件，所述调节组件连接在所述高温套管和所述底座之间，用于驱动所述高温套管沿着所述黑体空盒的径向移动。

4.根据权利要求3所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述调节组件包括连接杆、支撑杆和调节杆，所述连接杆连接在同侧的两个所述高温套管之间，所述支撑杆与所述连接杆连接，所述调节杆为螺纹杆，所述调节杆连接在所述底座上，所述支撑杆与所述调节杆螺纹连接。

5.根据权利要求2所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述高温型热电偶丝与所述高温套管之间设置有隔热材料。

6.根据权利要求1所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述半球包括从外至内顺次叠加的金属层、隔热层和多孔黑体层，且所述多孔黑体层采用高发射率的多孔介质材料。

7.根据权利要求1所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述半球上沿着其外壁开设有条形的开孔，所述夹套式滑动光纤接口能滑动的开设在所开孔上。

8.根据权利要求7所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述夹套式滑动光纤接口包括光纤接口通道、外部滑动盖片和内部滑动盖片，所述外部滑动盖片和内部滑动盖片分别固定在所述光纤接口通道上下两端，并能分别沿着所述半球的内外壁滑动，所述光纤接口通道能滑动的设置卡设在所述开孔内，所述光纤线与所述光纤接口通道连接。

9.根据权利要求1所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，还包括黑体炉，所述黑体炉采用高发射率的导热材料制成；所述黑体炉的出口处设有遮光盖；所述黑体炉外壁面设有螺旋凹槽，所述螺旋凹槽内铺设有第二高温型热电偶丝，且所述第二高温型热电偶丝与螺旋凹槽的间隙采用导热材料填充。

10.根据权利要求9所述的一种高温材料发射率测量系统，其特征在于，所述黑体炉为上端圆柱形、下端锥形的薄壁腔体。