以辐射温度计代替热电偶的前置黑体空腔实验研究

高彬 周伟

文章摘要:本文选择两种材质作为在线黑体空腔，测量了两种腔体的温度分布，计算了黑体空腔的有效发射率分布和腔体的精度等级。计算结果表明，黑体空腔精度是足够的。
文章主题:黑体空腔 辐射温度计 热电偶

文章内容：2()～辫,瑚④蜗～以辐射温度计代替热电偶的前置黑体空腔实验研究冶金部鞍山冶金设计研究院高彬东北大学自控系—摘要<>文选择两种材质作为在线黑体空腔.测量了两种腔体的温度分布,计算了黑体空腔的有效发射率分布和腔体的精良等级.计算结果表明,黑体空腔精度是足够的.1.引言工业甩加热炉,锻造炉和烧结点火炉等高温炉窑消耗太量铂毙热电假.铂铑热电偶的测量精度是足够的但由于它的价格昂贵,在高温下寿命不长(与辐射温度计相比较),在工业上继续大量应用遇到了困难.很早以前人们就想用辐射温度计代替铂铑热电偶[1],但由于当时的辐射温度计性能欠佳蔚未能实现.1860年基尔霍夫指出,从密闭等温腔体内的任意面元上发射出的辐射是等温腔体温度下的黑体辐射[2].在密甸等温的腔体上开一小孔则从小孔中发射出的辐射为近黑体辐射,这样就逼真地模拟了黑体辐射.今天人们研制的实验室用黑体辐射源和在线黑体辐射潦都是根据基尔霍夫谊一理想黑体模型一躬.一制成的.实验室黑体辎射源用于校准各种辑射温度计,它配有专门的加热器为黑体空腔加热,因此黑体空腔温度分布较均匀且具有较高的特度.在线黑体辐射源是靠生产现场的高温气流,液态金属,炉内介质的辐射和对流的作用为黑休空腔加热因此在线黑体辐射源的黑体空腔温度分布均匀性受到限制,其精度一般不如实验窒黑体辐射源.用热电偶测温时,其测温点为保护管内侧顶端而用辐射温度计代替铂铑热电偶攫温时,需在辐射温度计前设置黑体空腔.辐射温度计的测温点是瞄准与热电偶保护管相类似的黑体空腔顶端,所以两者潞温点是一致的.用辐射温度计代替铂铑热电,其关键技术之一就是前置的黑体空腔精度等级是否台格.为此本文测量了在线黑体空腔的温度分布,计算了在线黑体空腔的精度等教.2.在线黑体窑腔温度分布的测量选择两种材质——管和,.管作为以辐射温度计代替铂铑热电偶的前置黑体空腔.这两种材质阿匿京发射率分别为￡一.1和0.35～.5,甩型热电偶颡蜻了上述两种在线黑体空腔的温度分布,示于网和2叶1.在测巾将热电侣.均热接点直接与黑体空脏嚣被测点接触,荷稳苴后诚数.#黑体空腔内温度分布朗测越结果二次而'程拟台,分别示于相应分布曲线的1方.黑体空腔长度不是根据儿何形状确度而是根据腔体内温度分布均匀区长度确定.对于工作温度在8001500'范内的圆筒形黑体空腔和大锥角锥柱形黑体空腔,腔体1世1076-'△8岫圈暖侣硅腔体温度昏布一黑体空艘,2一辐射温度计2毒2圈2氧化铅腔体温度分布?1--黑体空腔,2一摇射温度计52开口处规定在飙靶面谣崖它趣下眸套身/1处.例如,图1所示黑体空腔靶面温度,.一1009,腔体¨处为100.9处3).3.黑体空腔有效发射率分布的计算根骺黑体至腔耵散反射翠分邗的矩形区域汁算法[2]锥柱形黑体空腔筒壁和靶面有效发射警分布方程分别为￡^()一8(,.)+(--).[()?,.一.+().?(,--..)](1'(.-,)+11.(一).1+三_^一二?皇●●●(.一,))'式中.(,,)分两种情况,(2)对于其波长不等温;腔体(,,一.((击一)]()对于等温腔体(,)=(4)式中,=+3为靶而热力学温度为筒壁热力学温度分布,￡-(0表示询一一,一,卜(,,+".》一(,_".¨舯哪壁点;处有效发射率,()表示靶面0处有效发射率,和分别为筒壁和靶面计算分点数式中众多均0辐射换热角系数选自文献[2)中的和直公式求得.图和2所示掩体靶西平均育效旋射率计算结果分别示【3和表1中.国3固和2所示脏体靶面有效发射率计算结果6表镬和2所示腔体靶面平均有效发数评价黑体空脏品质的好坏是不全面的.射率计算结果-图:1』《.057,.96790.9701.9768从黑体窑腔靶面平均洧效拉射率计算结果可以看出图1释2两矛睫体材质不同,腔体几何尺寸很接近,由于管内壁材料固有发射率寓,0=.91),则其靶面有效发射率明显高于1..管黑体空腔.同一种材质,相同的腔体尺寸和相同的腔体温度分布,由于腔壁材料固有发射率不同(例如材质新旧不同,8=瓯35和一0.5),则其靶面平均有效发射率均差距也是明显的:从上面计算结果还可以看出,靶面有效发射率随波长的增大而明显增加,尤其是在短波侧靶面有效发射率随波长的增大而急剧增加.脱离波长只用靶面有效发射率一个参一28一价4.黑体空腔精度等级的评根据文猷[3]计算黑体奎腔精度等级的公式为,一.--=等)(5】一一一—_'—_式中,为黑体空腔靶面亮度温度,'0为器体空腔靶面热力学温度,为波长,ⅲ:努酱朗克第=常数,:一14388?,-.-^为黑体空腔靶面平均有效发射率.根据公式(5)计算求得的和2各黑体空腔精磋分别示于圈4和圈5及表2中.从计算结果可以看出,黑体空腔精度随波长的增加而降低如图5所示.阔一个黑体空腔,相同的腔体温度分都只因为腔体材料固有发射率不同(.35与0.5之差),其精度相差甚大,后者居高还可以看出.黑体空腔材质选择是霞耍的.妇述由■■-1,'●^'袭2图和图2黑津空腔精度等级计算结果一搴堕:—对,×100象-.一一～～…,～--一,]8一一～2.0一点鼻..×100-.1'圈4固1所示黑体空腔铺葭计算缝暴和:两种材质构成的两种黑体空腔,其腔体尺寸和温度分布相差不多,只因为黑体空腔的材质具有较高的固有发射率(￡一0.9),它就具有较高'的黑体空腔精度.从表2看出,黑体空腔精度垒是负值,这是因为黑体空腔筒壁的热力学温度从靶面起沿轴单酒下降,靶面平均有效发射率-&;,&;的缘故.本文实验的几种黑体空腔,如果选用0'.9/单波段辐射温度计测量黑体空腔底部(靶面),其测量精度分别为一0.121,一0.273,一0.190.亦即圈为上述各黑体空腔均未达到理想黑体,所以在1000温度下会产生偏低1.21,2.73,1.9的测量误差.姚...图5'国2所示黑体空腔精度计算结果5.结论以辐射温度计代替热电偶的前置黑体空腔.其精度如何一直是人们兼注的.从_上连,测量与计算看出,由两种材质构藏帕黑体垒腔精度能满足一般工业要求,'是可行的.参考寅稼?