CN205388566U - 用于光谱发射率测量的黑体与试样一体式加热装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于光谱发射率测量的黑体与试样一体式加热装置，其采用高纯金属钨管作为加热体，以刚玉管作为导热体和绝缘体，将热量传递至石墨管壁和石墨基底，形成黑体等温腔；作为黑体腔底的石墨基底同时也是试样加热过程的导热体，将试样加热至黑体相同的温度，黑体与试样一体式加热装置，采用一套加热和控温单元实现了对黑体和试样的同步加热，保证了黑体和试样温度的一致性。本实用新型在光谱发射率测量系统中具有测量结果准确性高、重复性好、结构紧凑和成本低的优点。
Description
技术领域
本实用新型尤其涉及材料发射率测量系统中的黑体及样品加热装置的结构改进。
背景技术
光谱发射率是表征物体热辐射能力的无量纲物理量，数值上等于物体与相同温度黑体之间的辐射能量比，表征了材料发射率与辐射波长之间的依赖关系，发射率测量值大小说明物体在不同光谱区域辐射能力的强弱，对促进辐射测温技术的发展，提高高温辐射材料的理论设计水平和实际制备工艺具有重要的现实意义和良好的应用前景。
光谱发射率测量方法主要有多光谱法、反射计法和能量法。能量法也称能量比较法，通过测量相同温度的物体与黑体辐射能量，计算两者的比值，实现发射率的测量。能量法不仅克服了量热法对测量环境的真空度要求高、反射计法对参考反射标准的依赖等缺点，同时还具有光谱分辨率高、范围宽、响应速度快等优点。
能量法光谱发射率测量装置如图1所示，其黑体加热装置01和试样加热装置02独立设置，黑体加热装置01、试样加热装置02分别经过转镜03进入到傅里叶光谱仪04；所述的黑体加热装置01包括黑体腔011、黑体加热体012、绝热材料013、外壳014、电极015、控温装置016；所述的试样加热装置02包括内置导热体027的试样体021、试样加热体022、绝热材料023、外壳024、与导热体相通的电极025、控温装置026。相同温度T时，材料表面和黑体发射的不同波长的光谱辐射，经过调整光路进入到傅里叶光谱仪的入射口，光谱输出的响应信号和分别表示为：
，(1)
式中R(λ)为光谱仪的光谱响应函数,f(d)是测量系统的光学常数，Ls(λ,T)和Lbb(λ,T)分别是温度T时材料表面和黑体的光谱辐射亮度值，Ln(Te)为与环境温度Te有关的噪声辐射亮度值。
根据发射率的定义，材料的光谱发射率为：
，(2)
对于光谱发射率测量系统，不同温度下光谱辐射亮度是通过对材料和黑体进行加热控温获得的。因此，材料和黑体加热装置的结构设计尤为重要，直接决定了光谱发射率测量系统的准确度和重复度。而在传统的能量法光谱发射率测量系统中，材料和黑体加热控温装置是相互独立的，材料加热装置和黑体需要两套不同结构的加热部件及控温装置，导致测量系统的功耗和体积都很大，而且很难保证材料与黑体温度的一致性，影响光谱发射率测量结果的准确度和重复度。
实用新型内容
为提高光谱发射率测量系统的准确度和重复度，本实用新型提供了一种适用于光谱发射率测量系统的黑体与试样一体式加热装置。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型包括黑体腔和试样，试样设在黑体腔的腔底，黑体腔和试样之间设有基底，黑体腔的左右侧均设有腔壁，腔壁外均设有绝缘管，绝缘管外均设有加热管，加热管外均设有隔热管，隔热管外均设有水冷壁，黑体腔的腔口处的水冷壁的端口处设有水冷接口；加热管之间设有电极，电极之间设有控温装置；黑体腔和试样的光谱辐射分别通过调整光路中的转镜进入到光谱仪中。
进一步改进技术方案，隔热管与水冷壁之间靠近黑体腔腔口的连接处设有密封层；
优选地，密封层采用高温胶密封层。
优选地，黑体腔和试样之间设有石墨基底，黑体腔的左右侧均设有石墨腔壁；
优选地，绝缘管采用刚玉绝缘管；
优选地，加热管采用钨加热管；
优选地，隔热管采用莫来石隔热管；
优选地，水冷壁采用不锈钢水冷壁；
优选地，黑体腔为等温腔。
本实用新型的一体化加热方法，采用电阻式加热方式，利用钨加热管作为加热体产生高温热量，以刚玉绝缘管为导热体将热量传递到石墨管壁和石墨基底，进而形成黑体的等温腔；石墨基底不仅是黑体等温腔的腔底，也是试样加热过程的导热体，将热量传递到待测试样，使试样具有与黑体相同的温度，采用一套加热和控温装置同时实现对黑体和试样的加热和温度控制，降低了黑体与试样之间的温度差异性，提高了发射率测量结果的准确度和重复度。
本实用新型有益效果：
本实用新型的一体式加热结构，一方面克服了传统的独立式黑体和试样加热结构应用于光谱发射率测量过程中产生的黑体与试样之间的温度差异性，提高了发射率测量结果的准确度和重复度。同时，该方法简化了黑体和试样加热装置的结构，降低了成本，使发射率测量系统的紧凑型和经济性显著提高。
附图说明
图1是现有技术的黑体腔及试样分别独立加热装置的结构示意图；
图2是本实用新型的一体化加热装置的结构示意图；
1-黑体腔，2-试样，3-基底，4-腔壁，5-绝缘管，6-加热管，7-隔热管，8-水冷壁，9-电极，10-控温装置，11-密封层，13-水冷接口，14-转镜，15-光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图1和2对本实用新型做进一步技术描述：
如图2所示，本实用新型包括黑体腔1和试样2，试样2设在黑体腔1的腔底，黑体腔1和试样2之间设有基底3，黑体腔1的左右侧均设有腔壁4，腔壁4外均设有绝缘管5，绝缘管5外均设有加热管6，加热管6外均设有隔热管7，隔热管7外均设有水冷壁8，黑体腔1的腔口处的水冷壁8的端口处设有水冷接口13；加热管6之间设有电极9，电极9之间设有控温装置10；黑体腔1和试样2的光谱辐射分别通过调整光路中的转镜14进入到光谱仪15中。
加热管采用内径25.4mm、厚1mm、长200mm的高纯钨加热管（纯度99.99%），其作为加热体，加热电压作用于电极9，电极9间产生的电流经过钨加热管时产生热量，通过调节电极9上的加热电压改变钨加热管的加热电流，可使钨加热管的温度达到3000℃以上（高真空环境）。
黑体腔和试样之间设有石墨基底，黑体腔的左右侧均设有石墨腔壁；石墨基底1不仅是等温黑体的腔底，同时也是试样2加热过程中的导热体，将钨加热管的热量传递至试样，高纯石墨具有优异的导热性，有利于热量均匀、高效的传递，保证了黑体温度与试样温度的一致性。
绝缘管采用刚玉绝缘管；由于刚玉（99高纯Al2O3）是良好的耐高温导热材料，可将绝大部分热量经刚玉绝缘管传递至石墨腔壁和石墨基底，获得测量所需的高温黑体等温腔；同时，刚玉也是良好的绝缘材料，防止石墨腔壁和石墨基底带电，避免金属基底试样2加热时发生短路现象，破坏加热和控温装置10。
隔热管采用莫来石隔热管；多孔轻质多晶莫来石（Al2O3-SiO2）是良好的耐高温绝热材料，莫来石隔热管的作用是阻止热量传递至不锈钢水冷壁，减少加热装置的热损失，降低功率损耗。
水冷壁采用不锈钢水冷壁；莫来石隔热管与不锈钢水冷壁之间靠近黑体腔腔口的连接处设有高温胶密封层；高温胶密封胶层起到密封作用，抑制钨加热管的高温氧化，延长加热装置的使用寿命。
本实用新型的一体化加热方法，采用电阻式加热方式，利用钨加热管作为加热体产生高温热量，以刚玉绝缘管为导热体将热量传递到石墨管壁和石墨基底，进而形成黑体的等温腔；石墨基底不仅是黑体等温腔的腔底，也是试样加热过程的导热体，将热量传递到待测试样，使试样具有与黑体相同的温度，采用一套加热和控温装置同时实现对黑体和试样的加热和温度控制，降低了黑体与试样之间的温度差异性，提高了发射率测量结果的准确度和重复度
本实用新型的一体式加热装置具有温度一致性好，结构紧凑、功耗低、寿命长的优点，可在光谱发射率测量系统中广泛应用。
本实用新型不局限于上述的优选实施例，凡是与本实用新型具有相同或者相近似的技术方案，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.用于光谱发射率测量的黑体与试样一体式加热装置，其特征在于：包括黑体腔和试样，试样设在黑体腔的腔底，黑体腔和试样之间设有基底，黑体腔的左右侧均设有腔壁，腔壁外均设有绝缘管，绝缘管外均设有加热管，加热管外均设有隔热管，隔热管外均设有水冷壁，黑体腔的腔口处的水冷壁的端口处设有水冷接口；加热管之间设有电极，电极之间设有控温装置；黑体腔和试样的光谱辐射分别通过调整光路中的转镜进入到光谱仪中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：隔热管与水冷壁之间靠近黑体腔腔口的连接处设有密封层。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：黑体腔和试样之间设有石墨基底，黑体腔的左右侧均设有石墨腔壁。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：绝缘管采用刚玉绝缘管。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：加热管采用钨加热管。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：隔热管采用莫来石隔热管。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：水冷壁采用不锈钢水冷壁。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：黑体腔为等温腔。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：密封层采用高温胶密封层。
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| CN106979926A (zh) * | 2016-02-07 | 2017-07-25 | 渤海大学 | 用于光谱发射率测量的黑体与试样一体式加热装置及方法 |
| CN108007579A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-05-08 | 北京环境特性研究所 | 超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法 |
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