一种新的测量半球全波发射率的动态技术

　　1　引　言

　　半球全波发射率是材料的一个重要的热物理特性参数.在辐射测温学中,该参数对于准确确定材料的实际温度具有重要意义.

　　由于实际测量对象均是非黑体,因而全辐射测温仪器,测量得到的只是材料表面的表观温度或辐射温度.根据表观温度的定义和斯帝藩一波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,它与实际温度之间的关系可以下式表示[1]:

　　式中　Tp——辐射温度;

　　T——实际温度;

　　ε——半球全波发射率.

　　从式(1)可以看出,只有准确测量材料表面的辐射温度Tp及其半球全波发射率,才能导出材料的实际温度T.

　　本文介绍的动态技术是基于高速辐射测量技术和脉冲加热技术,其特点是能够实现材料表面半球全波发射率的快速而准确的测量.

　　2　测量原理和方法

　　实验使用了一个细长杆型的耐高温的金属样品.对该样品通以极大的脉冲电流(1000～2000A),使其在极短的时间内(亚毫秒级),急剧地加热到高温.然后,切断电流,让样品自然冷却,同时用具有毫秒级分辨率的高速扫描高温计测量样品轴向(X轴)的温度分布.在自然冷却过程中,样品上任一体积元的能量平衡的微分方程为[2],

　　式中　λ——样品的热传导率;

　　δ——材料密度;

　　x——轴向坐标;

　　p——体积元的周边表面积;

　　s——样品的横截面积;

　　σ——斯威藩—玻尔兹曼常数;

　　Ta——环境温度;

　　Cp——热容量;

　　t——时间.

　　经过简单的数学运算,式(2)可以写成:

　　式(2)和式(3)表示了材料热物理特性参数ε、λ以及Cp之间的关系.在已知λ与Cp的情况下,就可以根据上式计算出半球全波发射率.应该指出,这里的唯一假定是认为样品不存在径向温度梯度.对于细长杆型样品来说,这种假定是高度近似的.

　　应用高速扫描高温计可以很容易地测量在冷却过程中样品轴向的温度分布,其实验曲线示于图1.

　　从图1中可以看出,样品的中间区域(区域a)的轴向温度分布曲线相当平坦.这说明,在这个区域内,主要是辐射热损失,而热传导损失是很小的;而在样品的两端(区域b)具有较大的温度梯度.在该区域内,相对于辐射热损失而言,热传导损失占输入功率较大的比重.由于辐射热损失越大,高温计探测器所获得的信号也就越大,因此区域a是测量样品半球全波发射率的最佳区域;同样理由,区域b则是测量样品热传导率的最好范围.

　　由图1中还可以看出,温度越高,区域a的温度分布曲线越平坦.也就是说,辐射热损失占输入功率的百分比越高.关于其所占的百分比的实验结果,列于表1.