[發(fā)明專利]基于穩(wěn)態(tài)分析的半球向全發(fā)射率與導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310146537.4
• 申請日: 2013-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN103245692A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 符泰然;湯龍生;段明皓;王忠波;談鵬;周金帥;鄧興凱
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);北京機(jī)電工程研究所
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 北京路浩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 韓國勝

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，對半球向全發(fā)射率的測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，需要通過精確實(shí)驗(yàn)測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)原理是通過測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材料底面進(jìn)行加熱，通過測量電流、電壓以及材料上表面溫度，計(jì)算材料的全波長發(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；

c．選取細(xì)長帶狀樣品在真空環(huán)境下通電加熱（稱之為熱絲法），將帶狀樣品的中央溫度較均勻的區(qū)域視為測試分析區(qū)域，進(jìn)而保證了樣品測試分析區(qū)域的溫度和能量測量的準(zhǔn)確性。目前已有人測量出了了氧化和非氧化的鉻鎳鐵合金718樣品、304號(hào)不銹鋼和鉬等材料的發(fā)射率，但材料的種類數(shù)量有限，且必須知道材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這就局限了這種測量方法的測量范圍和測量效果。

在基于穩(wěn)態(tài)量熱分析的導(dǎo)體材料半球向全發(fā)射率的測量計(jì)算模型中，帶狀樣品測試區(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)所測試材料的導(dǎo)熱系數(shù)為未知時(shí)，如何解決樣品測試區(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，針對于導(dǎo)熱系數(shù)未知情形下的導(dǎo)體材料測試而言，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)的測量方法，以克服現(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)量熱法測量半球向全發(fā)射率時(shí)，在未知樣品導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，無法進(jìn)行樣品測試區(qū)導(dǎo)熱熱損失校準(zhǔn)的問題。

（二）技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，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)的測量方法，所述方法的步驟包括：

S1.選取一個(gè)細(xì)長帶狀的導(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S1中的穩(wěn)態(tài)能量平衡方程為：