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        技術(shù)文章

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        ?基于X點發(fā)射率原理的2273K高溫金屬發(fā)射率測量系統(tǒng)

        更新時間:2025-05-28點擊次數(shù):178

        基于X點發(fā)射率原理的金屬高溫輻射測量系統(tǒng)

        隨著先進材料、高水平制造和嚴苛熱環(huán)境應(yīng)用的快速發(fā)展,傳統(tǒng)輻射測溫手段在高溫、非接觸、低誤差需求面前逐漸顯露瓶頸。為此,我們團隊自主研發(fā)了一套理論建模、電磁感應(yīng)加熱、黑體爐(作為校準源)與光譜探測的高溫金屬輻射測量系統(tǒng),將X點發(fā)射率原理從理論驗證推向工程應(yīng)用。

        一、研發(fā)背景:挑戰(zhàn)高溫紅外測溫精度極限

        在實際測溫過程中,金屬材料表面的發(fā)射率常隨溫度、氧化狀態(tài)及表面粗糙度發(fā)生變化,成為輻射溫度誤差的主要來源。X點發(fā)射率(X-point emissivity)指在特定波長處,金屬材料不同溫度下的發(fā)射率曲線交匯于一點,其發(fā)射率對溫度變化不敏感,天然具備溫度獨立性,是解決非接觸測溫中“發(fā)射率不確定性"的理想突破口。

        然而,以往該原理僅停留在理論或?qū)嶒炇页跫夠炞C階段,缺乏完整的實驗平臺與測量流程。我們實現(xiàn)了理論建模—數(shù)值仿真—實驗測量—溫度反演的一體化系統(tǒng),真正讓X點測溫成為工程現(xiàn)實。

        二、系統(tǒng)構(gòu)成:集成式模塊化設(shè)計,精準而可靠

        本系統(tǒng)由以下四大核心子系統(tǒng)組成,協(xié)同工作以實現(xiàn)高溫下金屬X點發(fā)射率的精準測量:

        1. 電磁懸浮冷坩堝加熱裝置

        • 采用高頻感應(yīng)加熱,實現(xiàn)樣品非接觸式懸浮與高溫加熱(最高溫度2373 K);

        • 冷坩堝為12段式純銅結(jié)構(gòu),直徑50 mm,具備水冷通道,保障熱場穩(wěn)定;

        • 保證樣品純凈、不受支撐污染,同時提升熱均勻性和測溫可信度。

        2. 高精度雙黑體校準系統(tǒng)

        • 配備發(fā)射率>0.995的超高溫黑體(Lumasense M390超高溫黑體爐);


        • 利用雙溫黑體法,推導(dǎo)光譜儀響應(yīng)函數(shù)和背景輻射,確保測量信號可溯源、標準化。

        3. 光學(xué)信號采集系統(tǒng)

        • 法線方向設(shè)有CaF?窗口采集主發(fā)射信號,側(cè)向設(shè)置45°窗口供比色高溫計觀測;

        • 信號經(jīng)分光鏡分為兩路,分別進入紅外熱成像儀(lumasense MCS640)與光纖光譜儀,實現(xiàn)實時熱場成像與高光譜采集;

        • 數(shù)據(jù)經(jīng)Wien公式反演結(jié)合X點波長,獲得發(fā)射率獨立的高精度溫度測量值。

        4. 數(shù)值仿真與理論建模

        • 基于模型,模擬電子-聲子散射機制下的發(fā)射率行為;

        • 使用COMSOL求解Maxwell方程,模擬不同角度與波長下的發(fā)射率分布;

        • 對比仿真與實測數(shù)據(jù),X點位置誤差小于0.01,有效驗證模型可靠性。

        三、樣品適配性:嚴謹?shù)某叽缗c狀態(tài)控制

        系統(tǒng)適用于高純金屬塊體、粉末壓塊或熔樣體的X點測量。為保證電磁加熱效率、熱場均勻性與光學(xué)采集準確性,建議樣品具備以下規(guī)格:

        屬性推薦范圍
        直徑10–30 mm
        高度≤ 30 mm
        表面狀態(tài)拋光、無氧化、規(guī)則幾何體
        材料類型鎢、鉬、釩等高溫過渡金屬或其合金

        樣品越規(guī)或表面狀態(tài)不穩(wěn)定將引入熱場偏差或光譜噪聲,從而影響X點穩(wěn)定性與溫度反演結(jié)果。

        四、實驗性能評估:真實數(shù)據(jù)驗證系統(tǒng)先進性

        以鎢樣品為例,在1473–2273 K溫度范圍內(nèi),實測X點波長為1.36 μm,發(fā)射率為0.282,表現(xiàn)出高度的溫度獨立性。通過與比色高溫計對比,基于X點計算的溫度誤差僅為±6 K,誤差水平優(yōu)于傳統(tǒng)方式0.3%,并具備更好的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。

        此外,系統(tǒng)測量不確定度控制在2.05%以內(nèi),主誤差來源為紅外熱成像儀(lumasense MCS640)測溫漂移與光譜SNR下降,表明系統(tǒng)具備良好穩(wěn)定性。

        五、應(yīng)用前景:科研與工程并重的高價值平臺

        ? 科研方向

        • 材料熱輻射行為研究與熱物性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建;

        • 熱障涂層、異質(zhì)界面、超材料輻射調(diào)控研究;

        • 非平衡熱輸運機制探測。

        ? 工業(yè)應(yīng)用

        • 航空發(fā)動機、金屬熔煉、半導(dǎo)體加熱平臺溫度標定;

        • 高溫工藝流程優(yōu)化與熱場反饋閉環(huán)控制;

        • 新材料熱穩(wěn)定性與極限承熱測試。



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