關于換熱器的低溫黑體輻射源

藍 卉，薛生虎

（中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

隨著傳感器技術和微電子技術的不斷發(fā)展，紅外輻射測溫儀不僅在工業(yè)領域得到了廣泛應用，在保障人民群眾的食品安全、生產生活秩序，和抗災搜救、國土資源與環(huán)境氣象監(jiān)測，以及國家安全等方面，也發(fā)揮了重大作用［1-3］，而且由傳統(tǒng)的高溫應用領域逐步向低溫應用領域發(fā)展，所涉及的輻射測溫下限已經達到－80℃，甚至更低.為了保證紅外輻射測溫儀在各應用領域的作用能夠得到有效、充分以及正確的發(fā)揮，必須要對其進行定期的校準與維護，以保證其量值的準確、可靠.校準紅外輻射測溫儀的重要設備為黑體輻射源，它模擬符合普朗克定律的標準黑體，使紅外輻射測溫儀的量值得到準確標定.黑體輻射源作為校準紅外輻射測溫儀的標準裝置，其性能直接影響紅外測溫儀的校準是否準確.目前，中溫、3000℃以下高溫領域的黑體輻射源的發(fā)展已經比較完善，低溫領域國內外學者也已做了不少工作［4-7］.然而在0℃以下低溫段使用現有的低溫黑體輻射源時，由于黑體空腔內外空氣自然對流，從黑體空腔外進入腔內的潮濕冷空氣會在黑體空腔口和空腔壁上結霜形成霜凍，造成腔內溫度分布不均勻，進而影響了低溫黑體輻射源的性能.抽真空、加窗口等方式并不能很好地解決這個問題.因此，研究一種實現原理較為簡單實用、操作方便、受環(huán)境影響較小、在0℃以下低溫段使用時能夠有效防結霜的低溫黑體輻射源是十分必要的.

針對以上問題，設計了一種工作在－80℃～＋100℃的基于換熱器的新型低溫黑體輻射源.這種黑體輻射源采用液體恒溫槽均溫致冷和采用氣簾隔離法消除低溫凝露和結霜，它能很有效的防止低溫環(huán)境下潮濕冷空氣在黑體腔口和腔體壁結霜，能夠作為對0℃以下低溫紅外測溫儀校準的標準黑體輻射源.

1 黑體裝置設計

1.1 黑體裝置的整體設計

本裝置的基本組成框圖如圖1，它由黑體空腔、制冷系統(tǒng)、加熱攪拌系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)組成.

圖1 基本組成框圖Figure 1 Component of apparatus

低溫黑體的均溫方法主要有3種：液體均溫方法、多區(qū)電阻加熱方法和熱管均溫方法，其中液體均溫方法能夠獲得較好的溫度場.此次設計的黑體輻射源采用的是液體均溫法，由液體恒溫槽提供溫度源，其工作溫度范圍為－80℃～＋100℃.冷源由壓縮機制冷的液體恒溫槽提供，工作介質為工業(yè)乙醇，采用并行加熱技術，以獲得穩(wěn)定的溫度源；熱源采用電熱器電加熱的方式提供.溫度控制采用模糊自適應PID控制模式［8］，如圖2.

圖2 模糊自適應PID控制模式Figure 2 Fuzzy adaptive PID control mde

圖3 黑體裝置結構示意圖Figure 3 Structure of blackbody

模糊自適應PID控制比傳統(tǒng)PID控制的調節(jié)時間短，響應速度快，超調量小，系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均有提高.

裝置的整體結構如圖3.液體恒溫槽空間被分成兩個部分，左邊是熱源、冷源的混合攪拌區(qū)，主要安置電加熱器、制冷機的冷凝盤管以及攪拌葉片等.攪拌葉片能使液體強制流動，增加液體之間的熱交換，使液體各處的溫度能夠均勻分布.右邊是工作區(qū)，黑體空腔即位于此區(qū)域.兩個區(qū)域除上、下部分相通外其余部分相互隔離，這樣形成混合攪拌區(qū)與工作區(qū)的液體的循環(huán)流動，溫度穩(wěn)定時，減小工作區(qū)液體溫度受混合攪拌區(qū)液體溫度的影響，使工作區(qū)獲得良好的溫度分布.恒溫槽系統(tǒng)控溫穩(wěn)定性優(yōu)于±0.05℃／30min.

黑體空腔以臥式安置在液體恒溫槽上.考慮到校準紅外測溫儀的需要，我們設計的黑體空腔口徑為50mm的頂錐柱身復合腔，錐角為120°，腔長為300mm，黑體空腔材料為不銹鋼，內壁涂發(fā)射率為0.95的漫反射涂層材料［9］；沿黑體空腔圓柱長度方向上盤小直徑換熱盤管，一端通減壓器，另一端連接內側均勻布出氣孔的法蘭，法蘭與黑體空腔連接處密封焊接；出氣孔外側設有保溫層.

1.2 防結霜原理及換熱器的計算

本裝置采用氣簾隔離法來抑制低溫下黑體空腔的結霜和凝露.氮氣或干燥空氣通過減壓器或減壓閥減壓后，可調流量地進入換熱盤管，通過換熱盤管與低溫液體恒溫槽中的介質充分換熱，使氣體溫度與低溫液體恒溫槽中的介質溫度一致，然后進入法蘭，從法蘭的出氣孔排出.由于氮氣或干燥空氣從出氣孔持續(xù)的往外流出，在黑體空腔口形成氣簾，使空腔內部及腔口與外部空氣隔離.這樣既防止了空腔口和空腔壁結霜和凝露，也減小了腔內外空氣自然對流.

為使出氣孔排出的氣體溫度與低溫液體恒溫槽中的介質溫度一致，須對氣體的換熱進行計算.計算如下：

傳熱方程為［10］

式（1）中：Q—傳熱量，W；K—總傳熱系數，W／（m2·K）；A—傳熱面積，m2；Δtm—傳熱溫度差，℃；d1—管內徑，mm；d2—管外徑，mm；l—管長度，mm；T0—容器內（恒溫槽）流體的溫度，℃；t1，t2—管內流體的進出口溫度，℃.此設計中T0＝t2，則：

式（2）中：h—內表面對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?，W／（m2·K）；λ1—管內流體的導熱系數，W／（m·K）；λ2—管道熱導率 W／（m·K）；熱量衡算式

式（3）中：ms—管內流體的質量流量，kg／s；cp—管內流體的比熱容，J／（kg·K）；聯立（1）（2）（3）得：

根據黑體空腔的尺寸、公式（4），我們選擇外徑為2.5mm，內徑為2mm的銅管換熱器.當銅管的長度固定時，只需要調節(jié)氣體流速，就可使得出氣孔排出的氣體溫度與低溫液體恒溫槽中的介質溫度一致.

2 黑體空腔有效發(fā)射率的計算

空腔的有效發(fā)射率是評價黑體輻射源性能的一個重要指標，它反映了實際黑體接近理想黑體的程度.一般標準黑體輻射源的有效發(fā)射率值通常采用理論計算獲得.

有效發(fā)射率的計算模型大體上可以分為：漫射模型，完全鏡反射模型，均勻鏡漫反射模型，非漫射模型等.在計算方法上總體可以分為：多次反射法，積分方程理論法，蒙特卡羅方法等.

多次反射法對于開口很小的淺腔給出了好的結果，然而不能用于長腔.

積分方程理論法適用于漫反射和漫發(fā)射體.積分方程理論是由Buckley于1927年首先提出，Sparrow于1962年加以完善的.它的基本原理是：漫反射和漫發(fā)射的黑體空腔內壁各點的有效半球輻射，等于該點處面元本身的半球輻射加上空腔內其它壁面投射到該面元上的反射輻射.有效半球輻射與在相同溫度下黑體輻射之比稱為壁面有效發(fā)射率.

實際上并不存在理想的漫射材料，但構成黑體空腔內壁的許多工程材料都能較好的近似漫射體.此次設計的黑體空腔內壁采用材料發(fā)射率為0.95的漫反射涂層材料，同其它方法相比，采用積分方程的方法能夠更準確的計算黑體空腔的有效發(fā)射率［11，12］.

圖4 錐 柱形黑體空腔Figure 4 Cone－cylinder blackbody cavity

由于液體恒溫槽工作區(qū)溫度均勻，黑體空腔采用傳熱性能良好不銹鋼的材料制成，空腔壁的厚度只有2mm，因此可以將黑體空腔視作恒溫等溫空腔.如圖4，在錐底面x0上和壁面y0上分別選取微元環(huán)，根據積分方程理論法可以得到底面和壁面上有效發(fā)射率分布方程式，即

式（5）（6）中：ε為空腔內壁表面材料半球發(fā)射率；εa（x）和εa（y）分別為底面和壁面上任意一個微元環(huán)的有效發(fā)射率；d2Fx0，x、d2Fy0，x分別為底面任意點x處微元環(huán)對x0和y0處的微元環(huán)的輻射換熱角系數，d2Fx0，y、d2Fy0，y分別為底面任意點y 處微元環(huán)對x0和y0處的微元環(huán)的輻射換熱角系數.

計算時，我們采用謝植、高魁明提出的矩形區(qū)域近似法［13］.矩形區(qū)域近似法同Bedford's梯形區(qū)域近似法相比避開了奇點處理問題，從而使問題得到充分簡化，便于應用.根據矩形區(qū)域近似法求解得出了腔內有效發(fā)射率分布，如圖5.從圖5中可以看出小于240mm內，黑體空腔任意x、y處有效發(fā)射率大于0.998，在開口附近變化相對較大，但由于探測器直接瞄準黑體空腔底部，這部分區(qū)域不被探測器觀測到，所以不影響整個黑體空腔的有效發(fā)射率.在求解得出腔內有效發(fā)射率分布以后，采用多項式擬合，得出εa（x）和εa（y）.最后可由式（7）求解出黑體空腔有效發(fā)射率.經計算，最后得到的黑體空腔有效發(fā)射率為0.998（保留小數點后三位）.

圖5 黑體空腔有效發(fā)射率分布Figure 5 Effective emissivity distribution of blackbody cavity

式中：dFx，D、dFy，D分別為底面探測器D 處對任意x和y的輻射換熱角系數；dAx、dAy分別為x和y處微圓環(huán)面積.

3 黑體裝置的性能實驗

3.1 防結霜實驗

液體恒溫槽的工作溫度設定在－50℃，當工作溫度冷卻到0℃，打開黑體空腔的窗口同時打開氣閥通氣，直到溫度穩(wěn)定在－50℃，觀察黑體空腔壁和腔口，30min不結霜.這個時間足夠用來校準紅外輻射測溫儀.

3.2 發(fā)射率比對測量

我們采用能量法對黑體輻射源的發(fā)射率進行了比對測量實驗.

將精密鉑電阻溫度計置于接近黑體空腔底部的液體處，如圖3.由于黑體空腔壁的厚度只有2 mm，壁兩邊的溫差很小可以忽略不計，則精密鉑電阻溫度計測量得到的溫度可視為黑體空腔內壁面的實際溫度.

將液體恒溫槽工作溫度設定在－50℃，溫度穩(wěn)定后，用ITS／N2812型精密輻射溫度計瞄準黑體空腔底部，其發(fā)射率設定為1，則顯示的溫度為黑體空腔的輻射溫度.精密鉑電阻溫度計測得的溫度為－50.0℃，采用ITS／N2812型精密輻射溫度計多次測量得到的輻射溫度為－49.8℃.代入公式（8）可算出黑體空腔的發(fā)射率：

式（8）中，ε′c為空腔的測量發(fā)射率，T 為鉑電阻溫度計測量的溫度，即實際溫度，單位為K，Tp為ITS／N2812型精密輻射溫度計測量的溫度，即輻射溫度，單位為K.經計算，黑體空腔通過比對測量得到的有效發(fā)射率為0.997（保留小數點后三位）.比較計算結果和比對實驗結果，二者得到的發(fā)射率非常接近.這表明研制的黑體輻射源的發(fā)射率優(yōu)于0.997.

4 結 語

1）本文設計的基于換熱器的新型的黑體輻射源，采用液體恒溫槽均溫制冷，溫度控制采用模糊自適應PID控制模式，系統(tǒng)控溫穩(wěn)定性優(yōu)于±0.05℃／30min.

2）計算得到的黑體空腔有效發(fā)射率為0.998，比對測量得到的有效發(fā)射率為0.997，測量得到的發(fā)射率與計算得到的有效發(fā)射率基本一致.

3）在工作溫度為0℃以下的溫度段時，采用氣簾隔離法可以抑制黑體空腔口和空腔壁結霜或凝露的產生.試驗表明在溫度穩(wěn)定后30min內可以防結霜.這個時間足夠用來完成校準與標定低溫紅外輻射測溫儀.

［1］張伯虎.熱成像技術在火災預警中的應用［J］.安防科技，2009（9）：42－44.

［2］李 丹.2009年紅外熱像儀市場應用狀況及發(fā)展趨勢［J］.中國安防，2010（1）：93－95.

［3］李 普，王漢磊，趙艷華.紅外測溫儀在電氣防火安全檢測中的應用［J］.工業(yè)科技，2011（6）：50.

［4］ZHU Y，MA H，WANG R.－50℃to 150℃ heat pipe blackbody sources for radiation thermometer calibration［J］.TMCSI，1982，5（1）：559－565.

［5］QUINN T J，MARTIN J E.Blackbody source in the－50℃to 200℃range for the calibration of radiometers and radiation thermometers［J］.Appl Opt，1991，30（31）：4486－4487.

［6］BURKETT C，DARYABEIGI K.Cryogenic blackbody radiation calibration source［C］／／Proceedings of the 38th International Instrumentation Symposium.Las Vegas：［s.n.］，1992：273－285.

［7］黃東濤，陸家欽，原遵東，等.氨／不銹鋼熱管式標準黑體輻射源［J］.計量學報，1997，18（1）：1－4.

［8］李 娜，許 杰，楊林華.低溫黑體自動控溫新技術［J］.航天器環(huán)境工程，2011，28（4）：362－366.

［9］張建賢，鄒永軍，陳國敦，等.高輻射耐熱涂層的研制［J］.涂料工業(yè)，2005，35（5）：1－3.

［10］鄢烈祥.蛇管式換熱器最優(yōu)化設計［J］.化工設計通訊，1995，21（4）：55－57.

［11］高魁明，謝 植.紅外輻射測溫理論與技術［M］.東北工學院出版社，1990：95－96.

［12］李文軍，孫 堅，鄒 超，等.黑體空腔輻射理論和設計［J］.中國計量學院報，2011，32（2）：137－140.

［13］謝 植，高魁明.計算黑體空腔有效發(fā)射率分布的矩形區(qū)域近似法［J］.東北工學院報，1988，55（2）：202－209.