金屬材料表面發射率測量研究范文

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1發射率的測量原理

普朗克黑體輻射定律是輻射測溫與發射率測量的理論基礎。根據普朗克定律，黑體的光譜輻出度如下。

2實驗平臺的搭建

發射率測量實驗平臺由試樣、加熱爐、溫度檢測系統等組成，實驗方案如圖1所示。

2.1標準試樣實驗試樣采用Q235普通碳素鋼立方體(30mm×30mm×30mm)。首先，在試樣后表面的正中部位用3mm的鉆頭鉆一圓孔，孔深27mm，并將此點的溫度近似為前表面溫度，如圖2所示。

2.2試樣加熱爐本文采用額定功率4kW、電壓220V的電加熱爐，溫控表采用TCW—32系列溫控儀，具有PID自動調節功能，可以進行分段加熱與保溫。爐體為1.5mm鋼板，結構簡單，爐內加熱材料采用硅碳材料，該材料具有發射率高、加熱速度快、功耗低、加熱均勻等優點，加熱的溫度能夠達到1300K以上。

2.3溫度檢測系統溫度檢測系統主要由鉑銠熱電偶與紅外熱像儀兩部分組成。(1)鉑銠熱電偶具有熱電性能穩定、抗氧化性強，適宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用。測溫范圍0～1600℃、測溫誤差小于0.5%，滿足本實驗要求。同時使用VC++編寫了上位機程序，將熱電偶信號實時采集到計算機系統。(2)熱像儀選用M9200高像素短波在線式紅外熱像儀，主要特點為:高像素:640×480;高精度:讀數的±0.5%;測溫范圍:600～1600℃，800～3000℃可選;短波波段:650nm、750nm、1080nm。由于現場圖像包含所有的溫度數據，而M9200熱像儀可按照用戶設定的速率對大量的數據圖像進行采集，并以序列文件的方式進行存儲，便于實驗后分析，完全滿足本實驗要求。

3實驗及結果分析

3.1實驗步驟及結果金屬材料表面的發射率測量過程為:①啟動加熱爐。②當加熱爐溫度達到850℃時，打開爐門，將已經制作好的試樣放在爐內，并把熱電偶插到距試樣前表面3mm處，并通入保護氣體防止氧化。③運行上位機監控軟件，實時記錄熱電偶所測得的試樣溫度。④20min后，當試樣溫度升到900℃時，打開加熱爐爐門，試樣暴露在空氣中自然氧化，可以研究氧化程度與發射率的關系。⑤開啟熱像儀對試樣前表面的輻射溫度進行測量與記錄(見圖3)。⑥計算得到試樣表面發射率。根據發射率測量原理，在加熱過程中每隔2.5min取1點進行分析，得到氧化時間、試樣溫度及發射率數據，如表1所示。總體上來看，試樣的發射率會隨著氧化時間的增加逐漸減小;在10～15min及18～22min范圍，發射率的值出現兩次先增大后減小的現象;22min之后試樣的發射率逐漸趨于穩定。本實驗結論與日本學者TohruIuchi所做的實驗［2］波動趨勢基本一致，具有一定的可信性。

3.2實驗結果分析(1)在開始階段，試樣的發射率會隨著氧化時間的增加而下降。造成這種現象的原因是剛打開爐門的瞬間，氧氣大量進入加熱爐，與試樣反應放熱，導致熱像儀測得的輻射溫度偏高，進而使得發射率計算結果偏大。而隨著時間的推移，爐內的熱量逐漸平衡，發射率的值逐漸減小。(2)在10～15min范圍，發射率出現下降的趨勢。其原因可能是試樣表面的氧化皮已經不再緊貼試樣表面，而與表面產生了一定的空隙，導致熱像儀接收到的輻射溫度降低，所以發射率開始逐漸減小。(3)22min之后，試樣表面的氧化情況已經基本穩定，所以試樣的發射率不再產生較大變化。

4結論

筆者采用熱電偶與熱像儀相結合的方法，搭建了一種測量高溫鋼坯發射率的實驗裝置，并且應用該裝置對鋼試樣的發射率進行了測量，總結發射率隨氧化時間變化的規律。在工業生產過程中，由于不同氧化時間的鋼材表面發射率會發生變化，因此可以在輻射測溫儀中修改對應的發射率，以減小測量誤差，本文的實驗對輻射測溫儀發射率的修正具有一定的參考意義。

作者：魏薇 趙卉 單位：遼寧省計量科學研究院 遼寧省 93303 部隊