專(zhuān)利名稱(chēng)：基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)體材料半球向全發(fā)射率測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于穩(wěn)態(tài)量熱分析的導(dǎo)體材料半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)測(cè)量反演方法。
背景技術(shù)：
半球向全發(fā)射率是材料的重要熱物性參數(shù)之一，表征了材料的表面熱輻射能力，是研究輻射測(cè)量、輻射熱傳遞以及熱效率分析的重要基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)。隨著新型材料在能源動(dòng)力和航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)半球向全發(fā)射率的測(cè)量提出了更多迫切需求，相比于其他熱物性參數(shù)而言，半球向全發(fā)射率測(cè)量方法與技術(shù)研究仍不夠充分，不同材料的半球向全發(fā)射率數(shù)據(jù)依然缺乏，需要通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得物體的半球向全發(fā)射率。目前，材料半球向全發(fā)射率的測(cè)量方法主要有輻射光譜法和量熱法。量熱法因其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，精確度較高被廣泛應(yīng)用，其又可分為瞬態(tài)量熱法和穩(wěn)態(tài)量熱法。穩(wěn)態(tài)量熱法的實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)測(cè)量樣品在熱平衡狀態(tài)下的換熱量和表面溫度，計(jì)算出材料表面的半球向全發(fā)射率，國(guó)內(nèi)外研究者采用了不同的樣品規(guī)格和加熱方式，形成了多種穩(wěn)態(tài)量熱技術(shù)應(yīng)用模式。例如:a.在真空室中利用加熱片對(duì)材料底面進(jìn)行加熱，通過(guò)測(cè)量電流、電壓以及材料上表面溫度，計(jì)算材料的全波長(zhǎng)發(fā)射率；b.將兩片樣品薄片緊貼在加熱片的兩面，利用加熱片的導(dǎo)線(xiàn)將其懸掛在真空室中，通以電流加熱，通過(guò)測(cè)量電功率以及材料表面溫度，求解半球向全發(fā)射率；c.選取細(xì)長(zhǎng)帶狀樣品在真空環(huán)境下通電加熱(稱(chēng)之為熱絲法)，將帶狀樣品的中央溫度較均勻的區(qū)域視為測(cè)試 分析區(qū)域，進(jìn)而保證了樣品測(cè)試分析區(qū)域的溫度和能量測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前已有人測(cè)量出了了氧化和非氧化的鉻鎳鐵合金718樣品、304號(hào)不銹鋼和鑰等材料的發(fā)射率，但材料的種類(lèi)數(shù)量有限，且必須知道材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這就局限了這種測(cè)量方法的測(cè)量范圍和測(cè)量效果。在基于穩(wěn)態(tài)量熱分析的導(dǎo)體材料半球向全發(fā)射率的測(cè)量計(jì)算模型中，帶狀樣品測(cè)試區(qū)的導(dǎo)熱熱損失校正是需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而，當(dāng)所測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)為未知時(shí)，如何解決樣品測(cè)試區(qū)的導(dǎo)熱熱損失校準(zhǔn)將是材料半球向全發(fā)射率求解所面臨的主要困難之一。因此，針對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)未知情形下的導(dǎo)體材料測(cè)試而言，發(fā)展一種高溫半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量的方法，將是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，以克服現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)量熱法測(cè)量半球向全發(fā)射率時(shí)，在未知樣品導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，無(wú)法進(jìn)行樣品測(cè)試區(qū)導(dǎo)熱熱損失校準(zhǔn)的問(wèn)題。(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，所述方法的步驟包括:S1.選取一個(gè)細(xì)長(zhǎng)帶狀的導(dǎo)體材料樣品，在真空環(huán)境下通電加熱，選取所述樣品中間的一段區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)量熱法建立所述樣品的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程；S2.將所述樣品的半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)分別表示為關(guān)于溫度的數(shù)學(xué)函數(shù)，以函數(shù)中的待定參數(shù)來(lái)定量表征樣品的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的特征；S3.在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下進(jìn)行多組穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造出多個(gè)不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程，形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)能量平衡方程組，樣品半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)中的待定參數(shù)為所述方程組中的未知數(shù)；S4.利用數(shù)值求解算法求出樣品半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)中的待定參數(shù)，得到所述樣品關(guān)于溫度的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)，從而確定所述樣品在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)。其中，所述步驟SI中的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為:Q-s-S-a-(T4-Tf) + A-A-(T^T2-1l)/1 = 0式中，Q為樣品測(cè)試區(qū)的加熱電功率，通過(guò)測(cè)量樣品測(cè)試區(qū)兩端的電壓和電流可獲得，為已知量；(Ttl, T1, T2)分別為樣品測(cè)試區(qū)的左邊界、中間、右邊界的溫度值，通過(guò)熱電
偶測(cè)量獲得，為已知量；f為樣品中測(cè)試區(qū)的平均溫度，于=(r0+T；+r2)/3,為已知量；
Te為真空水冷壁的溫度，為已知量；ε為樣品半球向全發(fā)射率，為未知量；λ為樣品導(dǎo)熱系數(shù)，為未知量；σ為史蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，為已知量；樣品測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度為1、寬度為W、厚度為d、樣品橫截面積A=W.·d、測(cè)試區(qū)表面積S=21.(w+d)，均為已知量。其中，所述步驟S2中樣品的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)為含有有限個(gè)待定參數(shù)的線(xiàn)性函數(shù)、冪指數(shù)函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)等函數(shù)中的一種。其中，所述步驟S2中樣品的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)在溫度區(qū)間帶寬ΛΤ內(nèi)，可表示為溫度的線(xiàn)性函數(shù)，所述函數(shù)為:
\ε{αχ,α^Τ)=αχΤ + α,< / '
I/I (/),, h2; )=/γ7.4 h2式中，(a1； a2)為半球向全發(fā)射率函數(shù)中的兩個(gè)待定參數(shù)；(b” b2)為導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)中的兩個(gè)待定參數(shù)；T為樣品測(cè)試區(qū)的穩(wěn)態(tài)溫度。其中，所述步驟S3中將半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)代入穩(wěn)態(tài)能量平衡方程后為:(J -ε{αλ，Q2J)).Α.{ 7；() + Til -27;丨)// = 0式中，Qi為第i組穩(wěn)態(tài)溫度下樣品測(cè)試區(qū)的加熱電功率，為已知量；Ti；1, Ti；2)分別是第i組穩(wěn)態(tài)溫度狀態(tài)下的樣品測(cè)試區(qū)的左邊界、中間、右邊界的溫度值，通
過(guò)熱電偶測(cè)量獲得，為已知量；E為第i組穩(wěn)態(tài)溫度下樣品測(cè)試區(qū)的平均溫度，
權(quán)利要求
1.一種基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述方法的步驟包括: 51.選取一個(gè)細(xì)長(zhǎng)帶狀的導(dǎo)體材料樣品，在真空環(huán)境下通電加熱，選取所述樣品中間的一段區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)量熱法建立所述樣品的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程； 52.將所述樣品的半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)分別表示為關(guān)于溫度的數(shù)學(xué)函數(shù)，以函數(shù)中的待定參數(shù)來(lái)定量表征樣品的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的特征； 53.在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下進(jìn)行多組穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造出多個(gè)不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程，形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)能量平衡方程組，樣品半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)中的待定參數(shù)為所述方程組中的未知數(shù)； 54.利用數(shù)值求解算法求出樣品半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)中的待定參數(shù)，得到所述樣品關(guān)于溫度的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)，從而確定所述樣品在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟SI中的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S2中樣品的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)為含有有限個(gè)待定參數(shù)的線(xiàn)性函數(shù)、冪指數(shù)函數(shù)和多項(xiàng)式函數(shù)等函數(shù)中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S2中樣品的半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)在溫度區(qū)間帶寬AT內(nèi)，可表示為溫度的線(xiàn)性函數(shù)，所述函數(shù)為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3中將半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)代入穩(wěn)態(tài)能量平衡方程后為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，在溫度區(qū)間帶寬AT內(nèi)，選取G個(gè)不同的穩(wěn)態(tài)溫度條件對(duì)樣品測(cè)試區(qū)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，G大于或等于半球向全發(fā)射率函數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)的待定參數(shù)的數(shù)量之和，得到的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程組為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)帶狀導(dǎo)體材料樣品的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度和厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述樣品測(cè)試區(qū)的溫度梯度差小于10°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟SI中將細(xì)長(zhǎng)帶狀樣品兩端固定在樣品夾具上，放置于具有水冷內(nèi)壁的真空腔中，將真空腔抽真空，將所述樣品兩端通電加熱到某一穩(wěn)態(tài)溫度狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)所述的基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟S3中的穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明具體公開(kāi)了一種基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方法，其步驟包括選取一個(gè)細(xì)長(zhǎng)帶狀的導(dǎo)體材料樣品，在真空環(huán)境下通電加熱，選取中間的一段區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)量熱法穩(wěn)態(tài)能量平衡方程；將半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)分別表示為關(guān)于溫度的數(shù)學(xué)函數(shù)；在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下進(jìn)行多組穩(wěn)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造出不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程組；求出方程組中的待定參數(shù)，確定樣品在不同穩(wěn)態(tài)溫度條件下的半球向全發(fā)射率和導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明適用于導(dǎo)熱系數(shù)未知情形下各種導(dǎo)體材料的半球向全發(fā)射率的測(cè)量，同時(shí)還可以獲得導(dǎo)體材料的導(dǎo)熱系數(shù)值，避免了未知導(dǎo)熱系數(shù)給半球向全發(fā)射率測(cè)量帶來(lái)的不確定性影響。
文檔編號(hào)G01N25/20GK103245692SQ20131014653
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者符泰然, 湯龍生, 段明皓, 王忠波, 談鵬, 周金帥, 鄧興凱 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京機(jī)電工程研究所