在中低溫條件下環(huán)境輻射對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量的影響

李希明， 李文軍， 顧喆涵， 周 恩， 章龍飛

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018）

在中低溫條件下環(huán)境輻射對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量的影響

李希明， 李文軍， 顧喆涵， 周 恩， 章龍飛

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州 310018）

討論了有效光譜發(fā)射率和有效亮度溫度的概念。介紹了光譜發(fā)射率的測(cè)量方法及測(cè)量裝置。在考慮到環(huán)境輻射的情況下，給出了光譜發(fā)射率的計(jì)算方程，指出中低溫條件下的光譜發(fā)射率測(cè)量必須考慮環(huán)境輻射的影響，否則會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

計(jì)量學(xué)；有效光譜發(fā)射率；有效亮度溫度；環(huán)境輻射；黑體空腔

1 引 言

在材料科學(xué)中，發(fā)射率是一個(gè)表征材料表面熱輻射特性的重要參數(shù)，在軍事、能源、冶金、紡織等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。在輻射測(cè)溫中，發(fā)射率尤其是光譜發(fā)射率的測(cè)量占有特殊的位置，因?yàn)樗谦@得有效準(zhǔn)確的溫度測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)。因此，發(fā)射率測(cè)量是輻射測(cè)溫學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一。

光譜發(fā)射率是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的參數(shù)，受到眾多因素的影響。它不僅與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，還與材料表面狀況、發(fā)射角以及輻射的偏振狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)被測(cè)對(duì)象或樣品已確定的情況下，則需要研究它與波長(zhǎng)及溫度的關(guān)系。

隨著輻射測(cè)溫向中低溫特別是300℃以下方向拓展，環(huán)境輻射對(duì)光譜發(fā)射率測(cè)量的影響逐步顯現(xiàn)出來(lái)。溫度越低，影響越大。目前，環(huán)境輻射的影響已成為輻射測(cè)溫的研究熱點(diǎn)，它對(duì)于準(zhǔn)確地確定溫度量值具有重要意義［1］。

鑒于環(huán)境輻射的引入，輻射測(cè)溫學(xué)中的某些理論概念需要深入討論并賦予更加全面的含義。

2 有效輻射與有效光譜發(fā)射率

有效輻射是傳熱學(xué)中的一個(gè)概念。通常情況下，任何一個(gè)輻射源的熱輻射均是由兩部分所組成：一是輻射源表面本身熱輻射；二是該表面對(duì)周?chē)h(huán)境熱輻射的反射。這兩部分的疊加稱(chēng)為該輻射源的有效輻射［2］。如果以光譜（單色）輻射亮度來(lái)表示，就有下式

式中，Le（λ，T）為輻射源在波長(zhǎng)為λ和溫度為T(mén)的情況下的有效光譜輻射亮度；ε（λ，T）為輻射源表面本身的光譜發(fā)射率；Lb（λ，T）為在相同波長(zhǎng)和溫度下的黑體光譜輻射亮度；Lb（λ，Tam）為在同一波長(zhǎng)下，對(duì)應(yīng)于環(huán)境溫度Tam的黑體光譜輻射亮度。

在過(guò)去，輻射測(cè)溫主要用于高溫如800℃以上。這時(shí)，式（1）右側(cè)的第2項(xiàng)與第1項(xiàng)相比是極小的，通?？梢院雎浴６谥械蜏叵?，第2項(xiàng)必須加以考慮［3］。

根據(jù)光譜發(fā)射率的定義，將式（1）中的輻射源的有效光譜輻射亮度與在同一波長(zhǎng)和溫度下的黑體光譜輻射亮度相比，就給出該輻射源表面的有效光譜發(fā)射率，由下式表示

式中，εe（λ，T）為輻射源表面在波長(zhǎng)λ和T下的有效光譜發(fā)射率。

3 有效亮度溫度

當(dāng)輻射源表面的有效光譜輻射亮度與黑體在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度被稱(chēng)為輻射源在此波長(zhǎng)下的有效亮度溫度［3］，其定義式為

式中，Te為黑體的溫度，即輻射源在波長(zhǎng)λ下的有效亮度溫度。

引入有效亮度溫度的意義在于把非黑體的有效輻射與黑體的輻射聯(lián)系起來(lái)，從而可以用Plank公式進(jìn)行計(jì)算。

把式（1）與式（3）加以比較，得出

與經(jīng)典的亮度溫度概念相比，有效亮度溫度的概念引入了環(huán)境輻射的因素，這在中低溫條件下是非常重要的。實(shí)際上，用輻射溫度計(jì)對(duì)輻射源進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)得的是在該溫度計(jì)工作波長(zhǎng)下的有效亮度溫度［4］。由上述討論中可以看出，無(wú)論是有效輻射以及有效光譜發(fā)射率，還是有效亮度溫度的概念，均要考慮到環(huán)境輻射的影響。與過(guò)去提出的概念相比，新概念則更加全面。

4 測(cè)量方法與裝置

在光譜發(fā)射率的測(cè)量中，存在著眾多的方法，如能量法、量熱法、積分球反射計(jì)法和熱腔法等。這些方法大致可以分為兩類(lèi)：直接法和間接法。前者是從光譜發(fā)射率定義出發(fā)，而后者則是根Kirchhoff定律由光譜反射率來(lái)導(dǎo)出光譜發(fā)射率。

本文采用的是屬于直接法中的能量法，并采取獨(dú)立黑體方案，見(jiàn)圖1。

圖1 獨(dú)立黑體裝置

參考黑體是圓柱形黑體空腔輻射源。它的溫度范圍為－10～500℃。腔的內(nèi)壁噴有高發(fā)射率（發(fā)射率在0.90以上）的涂層，腔底中心的有效發(fā)射率在0.998以上，它的溫度由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量。

被測(cè)樣品置于可控溫的樣品加熱裝置的端面，其溫度范圍為50～500℃，控溫精度為±1℃。使用的輻射溫度計(jì)有3種，分別是工作波長(zhǎng)為2.5 μm、3.9μm、10μm的溫度計(jì)。它們事先分別由帶有標(biāo)準(zhǔn)器的黑體輻射源進(jìn)行分度。

在實(shí)驗(yàn)中，溫度計(jì)是瞄準(zhǔn)黑體空腔的底部?？紤]到環(huán)境輻射對(duì)黑體輻射的干擾，在腔口設(shè)置了一定孔徑的光闌，以把這種干擾減小到可以忽略的程度。溫度計(jì)對(duì)被測(cè)樣品的瞄準(zhǔn)須預(yù)先進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最佳的測(cè)量距離，從而避免可能產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)誤差［5］。

5 光譜發(fā)射率的計(jì)算方程

光譜發(fā)射率測(cè)量的目標(biāo)是要確定被測(cè)樣品表面本身的光譜發(fā)射率ε（λ，T），而不是確定包含環(huán)境輻射因素的有效光譜發(fā)射率εe（λ，T）［6］。

該式是考慮了環(huán)境輻射影響的光譜發(fā)射率計(jì)算式。在實(shí)驗(yàn)室條件下，環(huán)境溫度Tam通常是在20～25℃范圍內(nèi)，有效亮度溫度Te是被測(cè)樣品在處于溫度T時(shí)，以及在工作波長(zhǎng)λ下的溫度計(jì)的讀數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，黑體空腔腔底溫度必須調(diào)整到與被測(cè)樣品溫度相同時(shí)，才能進(jìn)行溫度計(jì)對(duì)腔底的讀數(shù)。

由式（4）可以導(dǎo)出樣品表面本身的光譜發(fā)射率，即

6 比較與分析

實(shí)際上，在不考慮環(huán)境輻射影響的情況下，得出的測(cè)量結(jié)果是被測(cè)樣品的有效光譜發(fā)射率εe（λ，T）。它與樣品本身的光譜發(fā)射率的差異，即光譜發(fā)射率的修正值Δε列于表1和表2。這里

它們分別是在光譜發(fā)射率大約在0.5和0.8時(shí)不同波長(zhǎng)和溫度下給出的數(shù)據(jù)。

表1 光譜發(fā)射率約在0.5的修正值Δε

表2 光譜發(fā)射率約在0.8的修正值Δε

對(duì)表1和表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)：

（1）樣品本身的光譜發(fā)射率比它的有效光譜發(fā)射率要低，即修正量Δε為負(fù)值。

（2）溫度越低，則修正量Δε在數(shù)值上就越大。隨著溫度的升高，兩者逐步趨于一致。

（3）波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則修正量Δε在數(shù)值上就越大，也就是環(huán)境輻射的影響越大。因此，在光譜發(fā)射率的測(cè)量中盡量采用工作波長(zhǎng)較短的溫度計(jì)，以減小環(huán)境輻射的影響。

（4）被測(cè)對(duì)象本身的光譜發(fā)射率越高，則修正量在數(shù)值上越小，也就是環(huán)境輻射對(duì)高發(fā)射率測(cè)量對(duì)象的影響較小。

7 結(jié) 論

（1）在輻射測(cè)溫趨向中低溫與長(zhǎng)波的情況下，無(wú)論對(duì)溫度測(cè)量，還是對(duì)光譜發(fā)射率的測(cè)量，環(huán)境輻射的影響均是不可忽略的。

（2）在中低溫測(cè)量中，引入有效光譜發(fā)射率和有效亮度溫度的新概念具有重要意義。

（3）在光譜發(fā)射率測(cè)量中，環(huán)境輻射的影響在中低溫條件下十分明顯。隨著溫度的降低和波長(zhǎng)的增加，這種影響是非常大的，必須進(jìn)行修正。

［1］ 崔志尚.溫度計(jì)量與測(cè)試［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

［2］ Furukawa T，luchi T.Experimental apparatus for radiometric emissivity measurements of metals［J］.ReviewofScientificInstruments，2000，71（7）：2843－2847.

［3］ Monte C，Gutschwager B，Morozova S P.Radiation thermometry and emissivity measurements under vacuum at the PTB［J］.InternationalJournalofThermophysics，2008，30（1）：203－219.

［4］ 戴景民.輻射測(cè)溫的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2004，23（3）：1－7.

［5］ 原遵東.有效亮度溫度理論［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2009，30（6）：493－497.

［6］ 戴景民，宋揚(yáng)，王宗偉.光譜發(fā)射率測(cè)量技術(shù)［J］.紅外與激光工程，2009，38（4）：710－715.

Effect on Environment Radiation in Measurements for Spectral Em issivity atMedium and Low Tem peratures

LIXi-ming， LIWen-jun， GU Zhe-han， ZHOU En， ZHANG Long-fei
（China Jiliang University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

Both effective spectral emissivity and radiance temperature are discussed.The measuring methods and apparatus of spectral em issivity are introduced.The calculation equation for spectral emissivity is given，which has a concern with the environment radiation.It indicates that the effectof environment radiation should be taken into account on themeasurements for spectral emissivity atmedium and low temperatures，otherwise a significantmeasuring error will be introduced.

Metrology；Effective spectral emissivity；Effective radiance temperature；Environment radiation； Blackbody cavity

TB942

A

1000-1158（2014）01-0010-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．03

2013-08-12；

2013-11-01

李希明（1988－）男，福建南平人，中國(guó)計(jì)量學(xué)院研究生，主要從事材料發(fā)射率測(cè)量的研究。liximingkdk＠gmail.com