專利名稱：一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量材料熱物理參數技術領域，特別涉及一種非金屬材料半球向全發(fā) 射率的測量方法和裝置。
背景技術：
半球向全發(fā)射率是材料的重要熱物性參數之一，表征了材料表面熱輻射能力，是 研究輻射熱傳遞與熱效率分析的重要基礎物性數據。在航空航天、能源動力等高新技術領 域，新型耐高溫非金屬材料被廣泛使用，然而作為表征材料性能的熱物性數據，非金屬材料 的高溫半球向發(fā)射率十分缺乏。目前測量方法主要可分為卡計法、反射率法、能量比較法等。其實驗原理是通過測 量樣品在熱平衡狀態(tài)下的換熱量和表面溫度，計算出材料表面的半球向全發(fā)射率。其中，卡 計法由于所用的設備結構簡單，操作方便，具有較高的準確性，因此最為廣泛的應用。采用 卡計法的主要相關工作如下第一種方案為在真空室中利用加熱片對材料底面進行加熱，通過測量電流、電壓 以及材料上表面溫度，計算材料的全波長發(fā)射率(The Institute of Physics J. Phys. E Sci. Instrum.，13 :873-876,1980 ；太陽能學報，3 O) :202-211,1982)。第二種方案為將兩片樣品薄片緊貼在加熱片的兩面，利用加熱片的導線將其懸 掛在真空室中，通以電流加熱，通過測量電功率以及材料表面溫度，求解半球向全發(fā)射率 (Journal of heat transfer，1 :302_306，2006 ；低溫物理學報，30 (3) :266-269,2008) 上述兩種典型測量方法存在一些局限性1)樣品表面加熱后的溫度非均勻分布，給發(fā)射率的計算帶來誤差；2)熱平衡時輻射換熱量采用加熱的電功率值，未對測量值的可靠性給予詳細分 析；3)樣品測試溫度較低(< 400°C )，未見有能滿足高溫(> 1000°C )測量的說明 與實際測試。另外，現有技術還有采用脈沖電流對樣品進行瞬間加熱至高溫(1200 2000°C )， 通過測量電功率計算出平衡時的輻射換熱量，利用激光光學測溫技術得到樣品表面溫度， 進而計算樣品半球向全發(fā)射率(Meas. Sci. Technol. 12(2001)2095-2102.)。盡管這種方法 能滿足高溫下的測量需求，結果也比較精確，但是實驗系統(tǒng)復雜昂貴，而且所測材料僅限于 導體，不能用來測量非導體的非金屬材料。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種簡單、可靠的非金屬材料高溫半球向全發(fā)射 率的測量方法和裝置，克服現有的半球向全發(fā)射率測量方法不能適用于高溫非金屬材料， 裝置復雜以及測試精度不高等缺點。
(二)技術方案為了解決上述問題，本發(fā)明一方面提供一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方 法，包括步驟Si，在真空環(huán)境中，選定多段組合的圓柱套筒狀待測樣品的中間段的中心區(qū)域作 為目標分析區(qū)域；S2，將通電后的加熱模塊貫穿嵌入所述待測樣品的內部；S3，測量待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài)下，真空 環(huán)境內部溫度、所述待測樣品目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向全發(fā)射率。另一方面，本發(fā)明提供一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置，包括選定多段組合的圓柱套筒狀待測樣品中間段的中心區(qū)域作為目標分析區(qū)域；真空模塊，包括真空室和真空泵，用于真空環(huán)境；加熱模塊，通過將加熱模塊貫穿嵌入所述待測樣品的內部，加熱所述待測樣品；測量模塊，測量待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài) 下，真空環(huán)境內部溫度、所述待測樣品目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向 全發(fā)射率。(三)有益效果本發(fā)明提供的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法和裝置，與現有技術相比， 具有如下突出優(yōu)點(1)加熱模塊采用高熔點金屬制成的圓柱形的加熱棒，非金屬待測樣品采用多段 圓柱套筒結構設計，加熱棒內嵌于待測樣品中，為非金屬樣品提供均勻穩(wěn)定的熱源，適用于 非導體材料的加熱，輻射換熱量的計算簡單、準確，同時可以使測試樣品的溫度范圍達到 20 1600°C，優(yōu)于現有的實驗裝置，滿足了高溫半球向全發(fā)射率測量的需求。(2)非金屬待測樣品采用多段組合的圓柱套筒結構設計，選擇待測樣品中間段的 中心區(qū)域作為測量目標分析區(qū)域，其溫度分布具有較好的均勻性，解決了測試樣品溫度非 均勻分布給發(fā)射率計算帶來的影響。同時，采用接觸式和非接觸測溫兩種技術在線測量樣 品表面的溫度分布，解決了 20 1600°C寬溫度范圍的有效測量，從而有效地保證了溫度測 量數據的準確性。


圖1是本發(fā)明實施例非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法流程示意圖；圖2是本發(fā)明實施例非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置結構示意圖。圖中1、真空室；2、真空泵；3、加熱棒；4、窗口 ；5、冷卻罩；6、支架；7、夾子；8、待 測樣品；9、電源接線端；10-13、熱電偶；14、電壓測量端。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。參考圖1，本發(fā)明實施例非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法具體包括如下步驟步驟1，在真空環(huán)境中，選定多段組合的圓柱套筒狀待測樣品中間段的中心區(qū)域作 為目標分析區(qū)域。具體為真空環(huán)境內涂以高發(fā)射率涂料，用于提供一個近似黑體的環(huán)境，真空環(huán)境 中的真空度為小于IX 10_3!^。待測樣品采用多段組合的圓柱套筒狀非金屬樣品，將待測樣 品平均分為三段，分別為待測樣品上段，待測樣品中間段，待測樣品下段。在本發(fā)明實施例 中，待測樣品為三段圓柱套筒狀樣品的組合體。本發(fā)明實施例選定待測樣品的中間段中心 區(qū)域作為測量的目標分析區(qū)域。選定中心區(qū)域的具體操作為先將其中一個熱電偶安裝在 待測樣品中間段的正中央，然后兩個熱電偶等距離安裝在處于中央位置的熱電偶的兩邊， 遠離中央位置處熱電偶的間距根據待測樣品的實際長度和待測樣品導熱性能有關。若該待 測樣品的導熱系數較大時，則該間距可以先設置得小一些，反之，該間距可以先設置得大一 些。觀察三個熱電偶測得的溫度，若該三個電熱偶測得的溫度存在較大差異時，調整處于兩 邊熱電偶的放置位置。直到該三個熱電偶測得的溫度基本達到一致時，兩邊熱電偶的放置 點被確定下來。此時位于兩側的熱電偶之間距離的區(qū)域，選定為待測樣品中間段的中心區(qū) 域。該中心區(qū)域保證了溫度傳導的均勻性，確保位于中心區(qū)域上的三個熱電偶測得的溫度 均勻，并且誤差較小。將待測樣品選用多段的圓柱套筒狀，可以有效地減少待測樣品的溫度 梯度，得到溫度均勻分布的目標分析區(qū)域，有利于測量的準確性。步驟2，將通電后的加熱模塊貫穿嵌入待測樣品的內部。具體為加熱模塊采用高熔點金屬制成的圓柱形加熱棒，將加熱棒貫穿嵌入待測 樣品中，為待測樣品提供受熱均勻穩(wěn)定的熱源。為了使待測樣品與加熱棒充分接觸，該加 熱棒的外徑與待測樣品的內徑相同，長度與該待測樣品的長度相近。通過熱傳導效應，加 熱棒可以使待測樣品加熱到所需溫度。本實用新型實施例中，該加熱棒的工作溫度范圍為 100-20000C，該待測樣品的溫度范圍為20-1600°C。步驟3，通過測量待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài) 下，真空環(huán)境內部溫度、待測樣品目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向全發(fā) 射率。具體為采用將一個熱電偶安裝在真空環(huán)境中，用于測量真空環(huán)境內部溫度T2。通 過安裝在待測樣品中心區(qū)域的三個熱電偶直接測量出目標分析區(qū)域的表面溫度?；蛘撸?真空環(huán)境中采用輻射測溫儀器，非直接接觸測量出目標分析區(qū)域的表面溫度。由于待測樣 品的溫度范圍為20-1600°C，因此，根據實際需求，可以采用熱電偶測量該溫度范圍中較低 的溫度段，例如1200°C以下的溫度；采用輻射測溫儀器測量該溫度范圍較高的溫度段，例 如1200°C以上的溫度，這樣可以有效地保證溫度測量數據的準確性。將多次測量得出的目 標分析區(qū)域的表面溫度值求平均值，得出目標分析區(qū)域的表面溫度平均值1\。采用千分尺 測量出待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸，包括待測樣品中間段長度S，目標分析 區(qū)域長度H和外徑D。通過測量內嵌于待測樣品中的加熱棒的電流值和待測樣品中間段兩端的電壓值， 計算目標分析區(qū)域的熱量功率。當電熱棒通電升溫后，由于加熱棒兩端與固定待測樣品的 樣品夾接觸產生熱傳導，會使加熱棒上出現軸向的溫度梯度，而導體的電阻率與溫度有關， 因此加熱棒上的電壓分布并非均勻。而加熱棒中段上溫度梯度較小，溫度分布基本一致，所以此處的電壓分布可以根據長度而均分，獲得加熱棒中央段對應長度下測量電壓的折算 值，由于待測樣品的目標分析區(qū)域包覆于加熱棒中央段的外圍，目標分析區(qū)域的熱能量直 接來源于加熱棒的徑向導熱，因此，目標分析區(qū)域的輻射換熱量功率可以等效為對應的加 熱棒中央段的熱功率值，即電壓折算值乘以電流值。待測樣品吸收的熱量和真空環(huán)境輻射熱量達到熱平衡時，半球向全發(fā)射率的計算 公式為
Q^、 《);⑴其中，ε為待測樣品表面的半球向全發(fā)射率；Q為熱平衡狀態(tài)下目標分析區(qū)域的 輻射換熱量；F為目標分析區(qū)域的面積J1為目標分析區(qū)域的表面溫度平均值；Τ2為真空環(huán) 境內部溫度；ο為斯蒂芬-波爾茲曼常數。由于待測樣品的目標分析區(qū)域為圓柱套筒狀， 貝Ij F = JI DH。設待測樣品的目標分析區(qū)域對應的加熱棒區(qū)域的電流和電壓值分別為I、V，則熱 平衡時，分析區(qū)域與真空環(huán)境內的熱輻射換熱量0 = ·/。將計算出的F和Q數值，代入公 式(1)中，則可計算出半球向全發(fā)射率。參考圖2，本發(fā)明實施例非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置包括真空模塊，該 真空模塊包括真空室1和真空泵2 ；真空室1為采用不銹鋼制成的單層圓筒，上底面密封。 真空室1上具有窗口 4，該窗口 4可以采用石英玻璃材料，用于觀測時使用。窗口 4處裝有 輻射測溫儀器，用于非接觸測量待測樣品的表面溫度。真空室1的內壁裝有冷卻罩5，冷卻 罩5上具有液氮冷卻的金屬盤管，可在測量較低溫度下的樣品參數時開啟，保證低溫下測 量的準確性。冷卻罩5的內壁均勻涂有高發(fā)射率的涂料，涂料發(fā)射率應大于0. 9，以提供一 個近似黑體的環(huán)境。冷卻罩5內壁安裝熱電偶10，用于測量真空環(huán)境內部溫度。真空泵2， 可以采用機械泵和擴散泵的組合，使真空室1內的壓力小于lXlO—^a。待測樣品8為非金屬材料，采用多段圓柱套筒狀，可以減少待測樣品的軸向溫度 梯度，將該待測樣品8平均分為三段，三段樣品緊密連接。在本發(fā)明實施例中，待測樣品為 三段圓柱套筒狀樣品的組合體。選取待測樣品8中間段的中心區(qū)域作為目標分析區(qū)域，具 體選定中心區(qū)域的方法為先將其中一個熱電偶11安裝在待測樣品中間段的正中央，另外 兩個熱電偶12、13等距離安裝在處于中央位置的熱電偶的兩邊，遠離中央位置處的熱電偶 11的間距根據待測樣品的實際長度和待測樣品導熱性能有關。若該待測樣品的導熱系數 較大時，該間距可以先設置得小一些，反之，該間距可以先設置得大一些。觀察三個熱電偶 測得的溫度，若該三個電熱偶11、12、13測得的溫度存在較大差異時，調整處于兩邊熱電偶 12、13放置的位置。直到該三個熱電偶11、12、13測得的溫度基本達到一致時，兩邊熱電偶 12,13的放置位置被確定下來。此時位于兩邊的熱電偶12、13之間距離的區(qū)域，確認為待測 樣品中間段的中心區(qū)域。該中心區(qū)域保證了溫度傳導的均勻性，確保位于中心區(qū)域上的三 個熱電偶11、12、13測得的溫度均勻，可以有效地避免待測樣品表面溫度軸向分布不均勻、 加熱邊緣效應以及換熱量計算有誤差等影響。該三個熱電偶11、12、13直接測量目標分析 區(qū)域的表面溫度。采用千分尺測量出待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸，包括待 測樣品中間段長度S，目標分析區(qū)域長度H和外徑D。
該非金屬材料半球向全發(fā)射率測量裝置的加熱模塊，采用高熔點金屬制成的圓柱 形的加熱棒3，將加熱棒3貫穿于待測樣品8的內部，加熱棒3的外徑與待測樣品8的內徑 相等，加熱棒3的長度與待測樣品8的總長度相近，這樣可以保證加熱棒3與待測樣品8充 分接觸，通過熱傳導，使待測樣品8加熱到所需的高溫。加熱棒3的兩端需要留出一定的距 離，便于將加熱棒3通過夾子7固定在支架6上，支架6采用金屬材料制成，上端固定，下端 可以移動，防止待測樣品8在加熱過程中發(fā)生熱膨脹而損壞，支架6上可以安裝冷卻水循環(huán) 系統(tǒng)，在高溫度時開啟該冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，保證支架6可以在高溫下正常工作。電源接線端9外接低壓大電流直流電源并且串聯連接電流表。電壓測量端14接在 電熱棒3上，位于目標分析區(qū)域所在的待測樣品中間段的兩端。根據目標分析區(qū)域的長度， 計算出目標分析區(qū)域對應的加熱棒3兩端電壓的折算值，進而等效于目標分析區(qū)域的電壓 值。其中，加熱棒3的工作溫度范圍為100-2000 °C，待測樣品8的溫度范圍為 20-1600°C。在實際測量過程中，分別讀出目標分析區(qū)域的表面溫度，真空環(huán)境內部溫度，電壓 表和電流表值，待連續(xù)三次觀察得到的上述數值變化幅度不差過1 %時，此時，認為該待測 樣品8與真空環(huán)境的換熱量已經達到熱平衡，記錄好各數值，根據公式(1)計算出非金屬樣 品表面的半球向全發(fā)射率。本發(fā)明采用將加熱棒內嵌于待測樣品內部的測量方法，滿足了高溫下對非金屬材 料進行半球向全發(fā)射率測量的需求，并且具有測量裝置結構簡單、測量數據精確高等優(yōu)點。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，包括步驟Si，在真空環(huán)境中，選定多段組合的圓柱套筒狀待測樣品的中間段的中心區(qū)域作為目 標分析區(qū)域；S2，將通電后的加熱模塊貫穿嵌入所述待測樣品的內部；S3，通過測量所述待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài)下， 真空環(huán)境內部溫度、待測樣品目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向全發(fā)射率。
2.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，在所述 步驟Sl中，待等距離放置在待測樣品中間段上的三個熱電偶所測得的溫度保持一致時，位于兩側 的兩個熱電偶之間的距離區(qū)域作為待測樣品中間段的中心區(qū)域。
3.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，所述真 空環(huán)境中的真空度小于1X10—^1。
4.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，所述加 熱模塊為圓柱形，所述待測樣品的內徑與所述加熱模塊的外徑相等。
5.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，在所述 步驟S3中，通過安裝在待測樣品中間段上的三個熱電偶，直接測量目標分析區(qū)域的表面溫度； 或者通過輻射測溫儀器測量目標分析區(qū)域的表面溫度。
6.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，所述通 電后加熱模塊的工作溫度范圍為100-2000°C。
7.如權利要求1所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法，其特征在于，在熱平 衡狀態(tài)下，半球向全發(fā)射率的計算公式為FaiT^-T2')其中，ε為待測樣品表面的半球向全發(fā)射率；Q為熱平衡狀態(tài)下目標分析區(qū)域的輻射 換熱量；F為目標分析區(qū)域的面積J1為目標分析區(qū)域的表面溫度平均值；Τ2為真空環(huán)境內 溫度W為斯蒂芬-波爾茲曼常數。
8.一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置，其特征在于，包括選定多段組合的圓柱套筒狀待測樣品的中間段的中心區(qū)域作為目標分析區(qū)域； 真空模塊，包括真空室和真空泵，用于真空環(huán)境；加熱模塊，通過將加熱模塊貫穿嵌入所述待測樣品的內部，加熱所述待測樣品； 測量模塊，測量待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài)下，真 空環(huán)境內部溫度、所述待測樣品目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向全發(fā)射率。
9.如權利要求8所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置，其特征在于，所述加 熱模塊為圓柱形，所述待測樣品的內徑與所述加熱模塊的外徑相等。
10.如權利要求8所述的非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量裝置，其特征在于，所述測 量模塊包括千分尺、電壓表、電流表、熱電偶和輻射測溫儀器，在所述步驟S3中，所述千分尺用于測量所述待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸； 通過安裝在所述真空環(huán)境內壁上的熱電偶，測量真空環(huán)境內部溫度； 通過安裝在所述加熱模塊兩端的電流表和待測樣品中間段兩端的電壓表，測量計算所 述待測樣品目標分析區(qū)域的熱量功率；通過安裝在待測樣品的目標分析區(qū)域上的三個熱電偶，測量目標分析區(qū)域的表面溫 度；或者通過輻射測溫儀器測量目標分析區(qū)域的表面溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及測量材料熱物理參數技術領域，特別涉及一種非金屬材料半球向全發(fā)射率的測量方法和裝置，該測量方法包括步驟在真空環(huán)境中，選用多段組合的圓柱套筒狀待測樣品的中間段中心區(qū)域作為目標分析區(qū)域；將通電后的加熱模塊貫穿嵌入待測樣品的內部；通過測量待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的幾何尺寸以及在熱平衡狀態(tài)下，真空環(huán)境內部溫度、待測樣品中間段和目標分析區(qū)域的表面溫度和熱量功率，計算出半球向全發(fā)射率。本發(fā)明采用將加熱模塊內嵌于圓柱套筒狀待測樣品內部的加熱方法，滿足了高溫下對非金屬材料進行半球向全發(fā)射率測量的需求，并且具有測量裝置結構簡單、測量數據精度高等優(yōu)點。
文檔編號G01K17/00GK102072916SQ20101052904
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權日2010年10月28日
發(fā)明者孟迎潮, 符泰然, 談鵬 申請人:清華大學