高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法

2023-05-27 04:23:36 1

專利名稱：高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種彌散顆粒紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法。
背景技術：
彌散顆粒狀物質涉及到化工、冶金、動力、建築、醫藥、生物、食品、航天、軍事及大氣科學等多個領域。據統計，工業中有50%以上的產品與中間產品呈粒子狀，這些粒子在加熱、冷卻、乾燥及換熱等過程中，參與輻射換熱。其典型應用包括含碳黑及飛灰的燃燒火焰、含凝相金屬氧化物粒子射流、固體火箭及飛彈尾噴焰、含微粒半透明感光材料、含微粒紅外隱身塗料、含納米粒子半導體材料等。同時，在高溫燃燒系統中甚至在常溫狀態下，超細的基本粒子(如煤灰粒子、火箭尾噴焰及超燃發動機噴焰中的金屬粒子等)會聚集成形狀、大小各異的聚集態團簇，其光譜輻射特性是設計固體火箭發動機比衝、燒蝕材料及羽焰隱身等關鍵特性的重要參數，目前主要是通過實際發動機試車來測量，需要投入大量的人力物力。針對粒子及粒子系的輻射特性，英國、美國、日本、原蘇聯做過很多研究，其研究方法有兩種(1)基於電磁理論，先確定粒子的單色復折射率，由此再加上粒子濃度、粒徑分布、溫度等參數，用Mie氏理論算出粒子系的散射、衰減及吸收係數；(2)基於實驗，採用實際發動機噴焰或縮比模型噴焰，在現場或實驗室測量含粒子氣流的吸收或輻射，根據吸收或輻射量確定含粒子氣流的有效黑度或有效衰減係數。粒子的光學常數(復折射率)屬基本物性參數，與其組份、溫度、表面狀況有關。由於粒子的比表面積比其塊狀物質大得多，且高溫粒子易聚集成團，導致粒子表面狀況複雜， 因此，粒子的光學常數並不等同於構成粒子材料的光學常數。而通過粒子光譜復折射率數據，研究粒子及聚集粒子系的輻射特性，不僅對輻射物性的研究具有較高的理論意義，而且具有廣泛的實際應用價值。但目前與動力有關的煤、灰、碳黑粒子輻射特性的研究較多，與其它領域(如火箭發動機)有關的金屬與金屬氧化物粒子的研究較少，尤其是在高溫下，這類粒子(連續譜帶)復折射率公開發表的數據很難找到。由於粒子的尺寸太小，單個粒子的熱物性測量很難實現，國際上常用的方法是將種粒子製成薄膜或懸浮液，再進行測量，這樣的測試結果與粒子在空中懸浮還有較大的差距。同時，國外研究的氣體或懸浮熱物性測量技術，考慮到溫度測量、試樣加熱等實際問題， 試樣的尺寸不可能做得很小，所以還不是真正的粒子輻射特性。

發明內容
本發明是為了解決現有技術無法測量高溫連續光譜範圍內自然狀態粒子輻射特性的問題，從而提供一種高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法。高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，它包括黑體輻射源、傅立葉光譜分析儀、 輻射溫度計、CCD攝像頭和高溫加熱及溫度控制系統；高溫加熱及溫度控制系統包括加熱爐和溫度控制單元，溫度控制單元包括溫度採集裝置和加熱器；
加熱爐包括預熱室和測量室兩個部分，預熱室包括篩分電機和篩分裝置，所述篩分電機的輸出軸與篩分裝置的輸入軸連接；測量室包括一號陶瓷內膽、二號陶瓷內膽、空氣絕熱層和矽酸鋁棉絕熱層、黑體輻射源輸入通道、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道、輻射溫度計溫度採集通道和CCD攝像頭監測通道，所述二號陶瓷內膽套在一號陶瓷內膽外部，所述一號陶瓷內膽的外壁與二號陶瓷內膽的內壁之間設置有空氣隔熱層，二號陶瓷內膽的外壁套裝有矽酸鋁棉絕熱層；一號陶瓷內膽、二號陶瓷內膽、空氣絕熱層和矽酸鋁棉絕熱層為同軸設置；一號陶瓷內膽的內腔為懸浮粒子觀察室；黑體輻射源輸入通道、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道、輻射溫度計溫度採集通道和CCD攝像頭監測通道均貫穿一號陶瓷內膽、二號陶瓷內膽、空氣絕熱層和矽酸鋁棉絕熱層，黑體輻射源輸入通道、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道、輻射溫度計溫度採集通道和 CXD攝像頭監測通道位於同一水平面上；黑體輻射源輸入通道的軸線與傅立葉紅外光譜儀信號採集通道的軸線重合，且與一號陶瓷內膽的軸線相交；輻射溫度計溫度採集通道的軸線和CXD攝像頭監測通道的軸線重合，且與一號陶瓷內膽的軸線相交；篩分裝置的粒子輸出端穿過上殼體上的通孔與一號陶瓷內膽的入口連通，且篩分裝置的粒子輸出端與一號陶瓷內膽入口的邊緣緊密連接；黑體輻射源的輸出的信號通過黑體輻射源輸入通道進入懸浮粒子觀察室；傅立葉紅處光譜儀通過傅立葉紅處光譜儀信號採集通道採集懸浮粒子觀察室內粒子的光譜；輻射溫度計通過輻射溫度計溫度採集通道採集懸浮粒子觀察室內的溫度；CXD攝像頭通過CCD 攝像頭監測通道拍攝觀察室內粒子運動圖像；溫度採集裝置的末端固定在上殼體的底部，溫度採集裝置的探測端伸入懸浮粒子觀察室的內部；加熱器的末端固定在上殼體的底部，加熱器的加熱端伸入懸浮粒子觀察室的內部；循環水管路設置在矽酸鋁棉絕熱層外部，並固定在上殼體的底面上；一號陶瓷內膽、二號陶瓷內膽、空氣絕熱層和矽酸鋁棉絕熱層的底部固定在下殼體上；所述下殼體的中心位置設置有進氣孔，所述進氣孔處設置有進氣閥。它還包括一對輔助散射光分析通道，每個輔助散射光分析通道貫穿一號陶瓷內膽、二號陶瓷內膽、空氣絕熱層和矽酸鋁棉絕熱層，這對輔助散射光分析通道與黑體輻射源輸入通道位於同一水平面上；所述這對輔助散射光分析通道的軸線重合，且與一號陶瓷內膽的軸線相交。它還包括升降裝置，所述升降裝置用於帶動下殼體做升降運動。溫度採集裝置為熱電耦；加熱器為U型矽鉬加熱器。加熱器的數量為四個，所述四個加熱器的末端均固定在上殼體的底部，所述四個加熱器的加熱端伸入懸浮粒子觀察室的內部，所述四個加熱器均布在懸浮粒子觀察室中。上殼體上開有N個散熱孔，所述N為正整數。基於上述裝置的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量方法，它由以下步驟實現步驟一、啟動黑體輻射源，並對光路進行準直調節；測量黑體輻射源在兩個不同溫度下的光譜輻射能量分布，並根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法方法確定傅立葉紅外光譜儀的輸入信號與輸出信號間的響應函數；步驟二、將黑體輻射源加熱至預定待測溫度，待黑體輻射源溫度穩定後，採用傅立葉紅外光譜儀採集預定待測溫度下黑體輻射源的輻射能量的光譜數據；步驟三、選取質量為M的待測粒子，將所述待測粒子注入篩分裝置中，採用加熱器將待測粒進行加熱至待測溫度，並使粒子保持在待測溫度下均勻受熱40分鐘後，採用傅立葉紅外光譜儀測量待測粒子進行粒子系等效光譜透射比；步驟四、向懸浮粒子觀察室充入氮氣，待氣流穩定後，將篩分裝置中的粒子注入懸浮粒子觀察室；通過調節篩分裝置的篩分功率和進氣閥控制粒子的懸浮狀態至準穩定狀態；然後，通過傅立葉紅外光譜儀測量粒子系的總光譜輻射能量；步驟五、採用加熱器將懸浮粒子觀察室加熱至待測溫度，選取質量為M的常溫冷粒子注入懸浮粒子觀察室內，並調節篩分裝置的篩分功率和進氣閥控制粒子的懸浮狀態至準穩定狀態，然後測量懸浮粒子觀察室內壁處的黑體輻射源輸入通道入口到達懸浮粒子觀察室內壁處的傅立葉紅處光譜儀信號採集通道入口處的輻射能量，並結合步驟二獲得的待測粒子進行粒子系等效光譜透射比、步驟三獲得的待測粒子進行粒子系等效光譜透射比、 步驟四獲得的粒子系的總光譜輻射能量採用步驟一中所述的傅立葉紅外光譜儀的輸入信號與輸出信號間的響應函數，獲得高溫粒子紅外光譜輻射值，實現高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量。步驟一中所述測量黑體輻射源在兩個不同溫度下的光譜輻射能量分布，並根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法方法確定傅立葉紅外光譜儀的輸入信號與輸出信號間的響應函數，具體方法為傅立葉紅外光譜儀在波長λ處的輻射信號測量輸出表達式為
權利要求
1.高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵是它包括黑體輻射源(1)、傅立葉光譜分析儀O)、輻射溫度計(3)、CCD攝像頭(4)和高溫加熱及溫度控制系統；高溫加熱及溫度控制系統包括加熱爐和溫度控制單元，溫度控制單元包括溫度採集裝置(18)和加熱器(19)；加熱爐包括預熱室和測量室兩個部分，預熱室包括篩分電機(1 和篩分裝置(16)，所述篩分電機(1 的輸出軸與篩分裝置(16)的輸入軸連接；測量室包括一號陶瓷內膽(11)、二號陶瓷內膽(12)、空氣絕熱層(1 和矽酸鋁棉絕熱層(14)、黑體輻射源輸入通道(21)、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道(22)、輻射溫度計溫度採集通道和CCD攝像頭監測通道(M)，所述二號陶瓷內膽(1 套在一號陶瓷內膽(U)外部，所述一號陶瓷內膽(11)的外壁與二號陶瓷內膽(12)的內壁之間設置有空氣隔熱層(13)，二號陶瓷內膽(12)的外壁套裝有矽酸鋁棉絕熱層(14)；一號陶瓷內膽(11)、 二號陶瓷內膽(12)、空氣絕熱層(1 和矽酸鋁棉絕熱層(14)為同軸設置；一號陶瓷內膽 (11)的內腔為懸浮粒子觀察室；黑體輻射源輸入通道(21)、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道(22)、輻射溫度計溫度採集通道03)和C⑶攝像頭監測通道04)均貫穿一號陶瓷內膽(11)、二號陶瓷內膽(12)、 空氣絕熱層(1 和矽酸鋁棉絕熱層(14)，黑體輻射源輸入通道(21)、傅立葉紅處光譜儀信號採集通道(22)、輻射溫度計溫度採集通道和C⑶攝像頭監測通道04)位於同一水平面上；黑體輻射源輸入通道的軸線與傅立葉紅外光譜儀信號採集通道0 的軸線重合，且與一號陶瓷內膽(11)的軸線相交；輻射溫度計溫度採集通道的軸線和CCD攝像頭監測通道04)的軸線重合，且與一號陶瓷內膽(11)的軸線相交；篩分裝置(16)的粒子輸出端穿過上殼體(10)上的通孔與一號陶瓷內膽(11)的入口連通，且篩分裝置(16)的粒子輸出端與一號陶瓷內膽(11)入口的邊緣緊密連接；黑體輻射源(1)的輸出的信號通過黑體輻射源輸入通道進入懸浮粒子觀察室 』傅立葉紅處光譜儀( 通過傅立葉紅處光譜儀信號採集通道0 採集懸浮粒子觀察室內粒子的光譜；輻射溫度計( 通過輻射溫度計溫度採集通道採集懸浮粒子觀察室內的溫度；CXD攝像頭(4)通過C⑶攝像頭監測通道04)拍攝觀察室內粒子運動圖像；溫度採集裝置(18)的末端固定在上殼體(10)的底部，溫度採集裝置(18)的探測端伸入懸浮粒子觀察室的內部；加熱器(19)的末端固定在上殼體(10)的底部，加熱器(19)的加熱端伸入懸浮粒子觀察室的內部；循環水管路(17)設置在矽酸鋁棉絕熱層(14)外部，並固定在上殼體(10)的底面上； 一號陶瓷內膽(11)、二號陶瓷內膽(12)、空氣絕熱層(1 和矽酸鋁棉絕熱層(14)的底部固定在下殼體OO)上；所述下殼體OO)的中心位置設置有進氣孔，所述進氣孔處設置有進氣閥(26) 0
2.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵在於它還包括一對輔助散射光分析通道(25)，每個輔助散射光分析通道0 貫穿一號陶瓷內膽(11)、 二號陶瓷內膽(12)、空氣絕熱層(1 和矽酸鋁棉絕熱層(14)，這對輔助散射光分析通道 (25)與黑體輻射源輸入通道位於同一水平面上；所述這對輔助散射光分析通道05) 的軸線重合，且與一號陶瓷內膽(11)的軸線相交。
3.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵在於它還包括升降裝置(27)，所述升降裝置(XT)用於帶動下殼體00)做升降運動。
4.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵在於溫度採集裝置(18)為熱電耦；加熱器(19)為U型矽鉬加熱器。
5.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵在於加熱器 (19)的數量為四個，所述四個加熱器的末端均固定在上殼體(10)的底部，所述四個加熱器 (19)的加熱端伸入懸浮粒子觀察室的內部，所述四個加熱器(19)均布在懸浮粒子觀察室中。
6.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置，其特徵在於上殼體 (10)上開有N個散熱孔( )，所述N為正整數。
7.基於權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量方法，其特徵是它由以下步驟實現步驟一、啟動黑體輻射源(1)，並對光路進行準直調節；測量黑體輻射源(1)在兩個不同溫度下的光譜輻射能量分布，並根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法方法確定傅立葉紅外光譜儀O)的輸入信號與輸出信號間的響應函數；步驟二、將黑體輻射源(1)加熱至預定待測溫度，待黑體輻射源(1)溫度穩定後，採用傅立葉紅外光譜儀( 採集預定待測溫度下黑體輻射源(1)的輻射能量的光譜數據；步驟三、選取質量為M的待測粒子，將所述待測粒子注入篩分裝置(16)中，採用加熱器 (19)將待測粒進行加熱至待測溫度，並使粒子保持在待測溫度下均勻受熱40分鐘後，採用傅立葉紅外光譜儀(2)測量待測粒子進行粒子系等效光譜透射比；步驟四、向懸浮粒子觀察室充入氮氣，待氣流穩定後，將篩分裝置(16)中的粒子注入懸浮粒子觀察室；通過調節篩分裝置(16)的篩分功率和進氣閥06)控制粒子的懸浮狀態至準穩定狀態；然後，通過傅立葉紅外光譜儀( 測量粒子系的總光譜輻射能量；步驟五、採用加熱器(19)將懸浮粒子觀察室加熱至待測溫度，選取質量為M的常溫冷粒子注入懸浮粒子觀察室內，並調節篩分裝置(16)的篩分功率和進氣閥06)控制粒子的懸浮狀態至準穩定狀態，然後測量懸浮粒子觀察室內壁處的黑體輻射源輸入通道入口到達懸浮粒子觀察室內壁處的傅立葉紅處光譜儀信號採集通道0 入口處的輻射能量，並結合步驟二獲得的待測粒子進行粒子系等效光譜透射比、步驟三獲得的待測粒子進行粒子系等效光譜透射比、步驟四獲得的粒子系的總光譜輻射能量採用步驟一中所述的傅立葉紅外光譜儀O)的輸入信號與輸出信號間的響應函數，獲得高溫粒子紅外光譜輻射值，實現高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量。
8.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量方法，其特徵在於步驟一中所述測量黑體輻射源(1)在兩個不同溫度下的光譜輻射能量分布，並根據去除背景噪聲的環境輻射補償算法方法確定傅立葉紅外光譜儀O)的輸入信號與輸出信號間的響應函數，具體方法為傅立葉紅外光譜儀( 在波長λ處的輻射信號測量輸出表達式為S(A) =RU) [G1IUJHG2I0U, T0)](1)式中，G1和(；2分別為試樣和測試背景的幾何因子，由光路系統的幾何關係決定；RU) 為傅立葉紅外光譜儀O)的響應函數；Ι(λ，Τ)為試樣的光譜輻射強度；IJX，T0)為測試背景的輻射強度；將黑體輻射源(1)分別設定為兩個不同的溫度T1和T2，則傅立葉紅外光譜儀O)的相應輸出SS1U)和S2U)，根據式(1)獲得
9.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量方法，其特徵在於待測粒子的粒徑為1-500 μ m。
10.根據權利要求1所述的高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量方法，其特徵在於待測粒子的加熱範圍是室溫 1500K。
全文摘要
高溫粒子紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法，涉及一種彌散顆粒紅外光譜輻射特性的測量裝置及測量方法，它解決了現有技術無法測量高溫連續光譜範圍內自然狀態粒子輻射特性的問題。本發明採用環境補償算法，實現了對自然狀態下高溫粒子光譜等效透射比的測量，確定了對連續光譜範圍內高溫粒子輻射特性測量的適用性，並為進一步反演高溫粒子復折射率的研究提供可靠的實驗數據和實驗裝置，本發明的測量不確定度小於2％。本發明可以廣泛應用於化工、冶金、動力、建築、醫藥、生物、食品、航天、軍事及大氣科學等領域。
文檔編號G01J3/28GK102279049SQ20111019745
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者張彪, 戴景民, 談和平, 阮立明, 齊宏 申請人:哈爾濱工業大學