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金属材料表面发射率测量研究

2015/12/31 阅读:

1发射率的测量原理

普朗克黑体辐射定律是辐射测温与发射率测量的理论基础。根据普朗克定律,黑体的光谱辐出度如下。

2实验平台的搭建

发射率测量实验平台由试样、加热炉、温度检测系统等组成,实验方案如图1所示。

2.1标准试样实验试样采用Q235普通碳素钢立方体(30mm×30mm×30mm)。首先,在试样后表面的正中部位用3mm的钻头钻一圆孔,孔深27mm,并将此点的温度近似为前表面温度,如图2所示。

2.2试样加热炉本文采用额定功率4kW、电压220V的电加热炉,温控表采用TCW—32系列温控仪,具有PID自动调节功能,可以进行分段加热与保温。炉体为1.5mm钢板,结构简单,炉内加热材料采用硅碳材料,该材料具有发射率高、加热速度快、功耗低、加热均匀等优点,加热的温度能够达到1300K以上。

2.3温度检测系统温度检测系统主要由铂铑热电偶与红外热像仪两部分组成。(1)铂铑热电偶具有热电性能稳定、抗氧化性强,适宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。测温范围0~1600℃、测温误差小于0.5%,满足本实验要求。同时使用VC++编写了上位机程序,将热电偶信号实时采集到计算机系统。(2)热像仪选用M9200高像素短波在线式红外热像仪,主要特点为:高像素:640×480;高精度:读数的±0.5%;测温范围:600~1600℃,800~3000℃可选;短波波段:650nm、750nm、1080nm。由于现场图像包含所有的温度数据,而M9200热像仪可按照用户设定的速率对大量的数据图像进行采集,并以序列文件的方式进行存储,便于实验后分析,完全满足本实验要求。

3实验及结果分析

3.1实验步骤及结果金属材料表面的发射率测量过程为:①启动加热炉。②当加热炉温度达到850℃时,打开炉门,将已经制作好的试样放在炉内,并把热电偶插到距试样前表面3mm处,并通入保护气体防止氧化。③运行上位机监控软件,实时记录热电偶所测得的试样温度。④20min后,当试样温度升到900℃时,打开加热炉炉门,试样暴露在空气中自然氧化,可以研究氧化程度与发射率的关系。⑤开启热像仪对试样前表面的辐射温度进行测量与记录(见图3)。⑥计算得到试样表面发射率。根据发射率测量原理,在加热过程中每隔2.5min取1点进行分析,得到氧化时间、试样温度及发射率数据,如表1所示。总体上来看,试样的发射率会随着氧化时间的增加逐渐减小;在10~15min及18~22min范围,发射率的值出现两次先增大后减小的现象;22min之后试样的发射率逐渐趋于稳定。本实验结论与日本学者TohruIuchi所做的实验[2]波动趋势基本一致,具有一定的可信性。

3.2实验结果分析(1)在开始阶段,试样的发射率会随着氧化时间的增加而下降。造成这种现象的原因是刚打开炉门的瞬间,氧气大量进入加热炉,与试样反应放热,导致热像仪测得的辐射温度偏高,进而使得发射率计算结果偏大。而随着时间的推移,炉内的热量逐渐平衡,发射率的值逐渐减小。(2)在10~15min范围,发射率出现下降的趋势。其原因可能是试样表面的氧化皮已经不再紧贴试样表面,而与表面产生了一定的空隙,导致热像仪接收到的辐射温度降低,所以发射率开始逐渐减小。(3)22min之后,试样表面的氧化情况已经基本稳定,所以试样的发射率不再产生较大变化。

4结论

笔者采用热电偶与热像仪相结合的方法,搭建了一种测量高温钢坯发射率的实验装置,并且应用该装置对钢试样的发射率进行了测量,总结发射率随氧化时间变化的规律。在工业生产过程中,由于不同氧化时间的钢材表面发射率会发生变化,因此可以在辐射测温仪中修改对应的发射率,以减小测量误差,本文的实验对辐射测温仪发射率的修正具有一定的参考意义。

作者:魏薇 赵卉 单位:辽宁省计量科学研究院 辽宁省 93303 部队

金属材料表面发射率测量研究

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