一种液态金属表面发射率的测量装置

1.本实用新型涉及反应堆热工水力学技术领域，尤其涉及一种液态金属表面发射率的测量装置。


背景技术：

2.根据传热学定义，发射率为表征物体辐射传热能力的一种物性参数，仅与物体本身的材料、结构、粗糙度等有关，是材料热物性的基本参数之一，指的是物体在指定温度t时辐射量与同温度黑体辐射量的比值。
3.目前测量表面发射率的方法主要有：量热法、反射法、多波长法和能量法。常规的测量方法多针对固体。
4.液态金属作为一种新型材料，具有热导率高、沸点高、比热容大等诸多优点，目前已经在核工程、计算机芯片冷却、电子印刷和生物医学等领域广泛应用。在上述工业领域中，液态金属辐射传热计算存在广泛的设计及使用需求，为了计算其辐射换热量，需要得到液态金属的表面辐射发射率，而高温液态金属表面发射率的测量存在诸多困难。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种液态金属表面发射率的测量装置及方法，至少解决以下技术问题之一：(1)被测样品均有很高的温度(一般均在300℃以上)，难以长时间测量；(2)液态金属蒸发后产生的小液滴可能会凝结在样品观察窗表面，从而影响测量准确度；(3)被测量物体为液态，具有良好的流动性，常规的样品测量多针对固体，加热及测温等存在困难的问题。
6.本实用新型提供了一种液态金属表面发射率的测量装置，测量装置包括：盛液单元和测量单元；
7.所述盛液单元为容纳液态金属的容器；
8.所述测量单元包括浸没入液态金属中的观察窗以及与观察窗光路相通的辐射温度探测仪。
9.进一步地，上述测量单元的观察窗采用透光率95％以上的红外玻璃。
10.进一步地，上述红外玻璃为耐高温红外玻璃，厚度为7～11mm。
11.进一步地，上述盛液单元包括容器本体和与容器本体连接的接管，所述接管形成观察窗与辐射温度探测仪之间的光学通路。
12.进一步地，上述容器本体为密封状态，容器内采用惰性气氛进行保护。
13.进一步地，上述测量单元还包括筒体，观察窗固定在筒体的一端，筒体穿过接管，筒体内部形成观察窗与辐射温度探测仪之间的光学通路。
14.进一步地，上述测量单元还包括设置在观察窗外部的支架。
15.进一步地，上述测量单元还包括测温元件，所述测温元件可安装在支架上。
16.进一步地，上述观察窗与筒体之间以及筒体与接管之间均为密封连接。
17.进一步地，上述观察窗与筒体之间的密封连接，优选地，通过锡焊实现；
18.上述观察窗与筒体之间以及筒体与接管之间均采用密封圈密封连接，优选地，密封圈为石墨垫片。
19.与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：
20.1、本实用新型提供的液态金属表面发射率的测量装置，测量单元包括浸没入液态金属中的观察窗以及与观察窗光路相通的辐射温度探测仪，避免了测量液态金属发射率时，液态金属蒸发后产生的液滴凝结在玻璃管上对测量准确度产生的影响以及气溶胶对辐射的吸收影响测量准确度。
21.2、本实用新型的测量装置设置有盛液单元、测量单元、保护单元，测量单元顶部设置有可视化窗口可以实时测量液态金属温度及辐射发射率，还设置有安全保护装置，不但能够测量出液态金属在不同温度下的表面辐射发射率，而且还能避免液态金属及保护气体泄露。
22.3、本实用新型提供的测量装置样品容器内充有惰性气体—氩气作为液态金属的保护气体，可以防止液态金属与空气接触而发生化学反应。
23.4、本实用新型提供的测量装置在测量单元顶部设置了密封顶盖，顶盖的两个法兰通过螺栓和紫铜垫圈与接管顶部连接，将液态金属外泄通道完全阻断，可以防止不锈钢圆筒顶端的耐高温玻璃片碎裂的，还可以防止发生事故时液态金属外泄。
24.本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
25.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
26.图1为本实用新型提供的一种液态金属表面发射率的测量装置示意图；
27.图2为本实用新型提供的液态金属表面发射率测量装置不锈钢支架为套筒结构时，不锈钢支架与观察窗位置关系示意图。
28.附图标记：
29.1-待测液态金属；2-观察窗；3-焊接部；4-支架；41-支架套筒；42-支架腿；5-圆筒；6-接管；7-垫片；8-螺纹连接；9-环形压盖；10-密封胶；11-耐高温红外玻璃片；12-红外热像仪；13-法兰；14-垫圈；15-盖板；16-螺栓；17-热电偶；18-保护气体。
具体实施方式
30.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
31.目前测量表面发射率的方法主要有：量热法、反射法、多波长法和能量法。其中，量热法和能量法是工业中常用的测量发射率的方法。量热法的原理是：根据热传导理论，将被
测物体与周围环境组成热交换系统，测量出被测物体的有关点温度，利用热传导方程求出物体的发射率。量热法具有系统简单、测量速度快、测温范围广、精确度较高等优点，但是使用该方法时被测物体表面温度不均匀会导致较大的计算误差，还需要在真空环境下测量。能量法的原理是：在同一测量手段和温度下，样品辐射功率与黑体辐射源辐射功率的比值，即为样品发射率。能量法具有应用范围广、测量系统较简单、测量精度高等优点。
32.常规的测量方法多针对固体。液态金属作为一种新型材料，具有热导率高、沸点高、比热容大等诸多优点，目前已经在核工程、计算机芯片冷却、电子印刷和生物医学等领域广泛应用。在上述工业领域中，液态金属辐射传热计算存在广泛的设计及使用需求，为了计算其辐射换热量，需要得到液态金属的表面辐射发射率，而高温液态金属表面发射率的测量存在诸多困难。研究中发现，高温液态金属表面发射率的测量主要存在以下难点：一是被测样品均有很高的温度(一般均在300℃以上)，难以长时间测量；二是液态金属蒸发后产生的小液滴可能会凝结在样品观察窗表面，从而影响测量准确度；三是被测量物体为液态，具有良好的流动性，常规的样品测量多针对固体，加热及测温等存在困难。
33.基于上述问题，本实用新型公开了一种液态金属表面发射率的测量装置，如图1所示，测量装置包括：盛液单元和测量单元；
34.所述盛液单元为容纳液态金属的容器；
35.所述测量单元包括浸没入液态金属中的观察窗以及与观察窗光路相通的辐射温度探测仪。
36.考虑到被测样品均具有很高的温度，液态金属蒸发后产生的小液滴在观察窗口表面的凝结会影响测量准确度，同时，核工程中液态金属的自由液面通常覆盖有保护气体，高温下液态金属蒸发与保护气体混合形成气溶胶，直接影响温度的测量，进而导致发射率测量不准确，因此，本实用新型的观察窗直接浸没入液态金属中，相较于现有技术，本实用新型提供的发射率测量装置，避免了气溶胶对辐射的吸收和金属蒸汽在观察窗上凝结影响观察测温。也就是说，本实用新型通过将测量装置的测量端插入液态金属中，而不是处于液态金属液面上方，以避免测量液态金属发射率时，液态金属蒸发后产生的液滴凝结在玻璃管上对测量准确度产生的影响以及气溶胶对辐射的吸收影响测量准确度。
37.考虑到保证红外热像仪探测的辐射温度尽可能准确，观察窗采用透光率95％以上的红外玻璃，具体的采用耐高温红外玻璃观察窗，能够满足这一参数要求。
38.更具体地，耐高温红外玻璃观察窗厚度为7～11mm，厚度太低玻璃强度不够，高于这个厚度会影响透射率。
39.为防止液态金属与空气接触而发生化学反应，上述容纳液态金属的容器为密封状态，容器内采用惰性气氛进行保护。
40.本实用新型采用将观察窗浸没入液态金属中，为了形成观察光路，测量单元还包括筒体，盛液单元包括容器本体和与容器本体连接的接管。观察窗固定在筒体的一端，测量单元的固定观察窗的筒体通过接管进入容器内，筒体的另一端与接管连接，筒体内部形成观察窗与辐射温度探测仪之间的光学通路。
41.为了保证容器为密封状态，观察窗与筒体之间以及筒体与接管之间均为密封连接。
42.具体的，观察窗通过锡焊与筒体一端固定连接。考虑到后期更换观察窗，观察窗与
筒体之间也可采用可拆卸连接，如卡扣结构。
43.为了便于观察和观察窗与筒体之间的连接，观察窗采用与筒体匹配的结构，观察窗筒体开口端与测量单元的筒体一端固定或可拆卸连接。。
44.由于观察窗采用耐高温红外玻璃，由于玻璃具有导热各向异性，且观察窗与筒体之间的连接结构长时间在高温工况，为防止松动，测量单元还包括设置在观察窗外部的支架。
45.在一种优选的方案中，上述支架为套筒结构，采用套筒结构可以提高观察窗温度的均匀性，还可以对起到固定和支撑作用，保护观察窗。具体的,不锈钢支架为套筒结构时，不锈钢支架包括支架套筒和支架腿，不锈钢支架与观察窗位置关系如图2所示。
46.测量单元还包括测温元件，如热电偶，以测量液态金属表面真实温度，测温元件可安装在套筒结构上。
47.考虑到液态金属表面发射率测量的使用需求，可设置测量专用容器，采用测量专用容器时，上述支架可直接设置在容器底部，与容器接管相对的位置，观察窗装配时直接与支架匹配，实现对观察窗的保护、均温、支撑等作用。
48.设置测量专用容器时，为了便于观察窗的安装和更换，可将容器设置为分体结构，包括盖体和盛液本体，盖体上设置有筒体安装通道，相当于接管部分，筒体穿过安装通道后形成密封结构，再进行筒体一端的观察窗的安装和固定。此时，由于观察窗无需通过安装通道，可以减少对观察窗的尺寸要求。
49.本实用新型中，筒体的另一端与接管连接，以实现观察管路的导通以及观察窗的固定，考虑到筒体和接管之间连接的便捷性和密封性，筒体与接管的固定连接可采用侧壁搭接的方式。
50.具体的，接管与筒体固定的一端内壁设置有台阶面，筒体的外壁相应设置有突耳，筒体的外壁突耳搭接在接管内壁的台阶面上，以实现二者的可拆卸固定连接。
51.考虑到密封的需要，筒体的外壁突耳与接管内壁的台阶面的搭接处可以为容器的密封面，为了起到更可靠的密封效果，筒体的外壁突耳与接管内壁的台阶面的搭接面处设置有密封圈。
52.考虑到测量单元使用工况温度较高，密封圈采用石墨垫片，能够耐高温，受力易变形，从而密封性好。
53.当筒体与接管之间为可拆卸固定连接时，由于温度升高，可能会发生液面的波动，从而引起筒体与接管之间的晃动，为了实现二者的稳定可靠密封连接，筒体的外壁突耳上方设置有环形压盖。
54.为了实现光路通透，筒体上部同样设置耐高温红外玻璃，使得一方面光线经过筒体到达液体金属表面，另一方面作为安全裕量，在下部红外玻璃轻微破裂时可以继续完成试验。
55.为进一步保证密封性，不锈钢筒上的耐高温红外玻璃由耐高温的密封胶固定。
56.由于被测量的液态金属具有较高温度且化学性质活泼，需要设计保护系统，防止对人员和设备造成危害，测量单元的筒体(如不锈钢圆筒)顶端的耐高温玻璃片存在碎裂的风险，为防止发生事故时液态金属外泄，示例性地，本装置在接管顶部设置密封顶盖，作为最后的安全屏障，将液态金属外泄通道完全阻断。
57.在一种可能的设计中，密封顶盖包括：法兰、紫铜垫圈、密封螺栓，两个法兰通过螺栓和紫铜垫圈与容器接管顶部连接。密封顶盖在观察窗和不锈钢圆筒上部的耐高温红外玻璃片同时破裂时投入使用。
58.本实用新型的测量装置基于能量法设计，其基本原理是选择试样表面正中心的区域，分别用红外热像仪测量其辐射温度，利用热电偶测量其表面温度，由辐射温度值和表面真实温度值即可计算发射率。
59.在实际工况中，红外热像仪所接收的红外辐射不仅包含被测物体表面的红外辐射，还包括物体对环境的反射辐射，大气辐射及热像仪内部的热辐射。
60.根据辐射传热的基本规律，综合各种因素，被测物体表面的等效辐射强度为：
61.l
λ
(tr)＝τa·
ε
·
l
bλ
(t0)+τa·
(1-α)
·
l
bλ
(tu)+εa·
l
bλ
(ta)+lhꢀꢀꢀꢀꢀ
公式一
62.式中：
63.t
r-为红外热像仪所测辐射温度，
64.t
0-液态金属表面温度，
65.t
u-环境温度，
66.t
a-大气温度，
67.ε-液态金属表面发射率，
68.ε
a-大气发射率，
69.τ
a-大气透射率，
70.α-液态金属表面吸收率，
71.l
h-红外热像仪内部热辐射强度，
72.l
λ-液态金属内部热辐射强度，
73.l
bλ-液态金属表面热辐射强度。
74.在公式(1)右侧，第1部分τa·
ε
·
l
bλ
(t0)为液态金属表面光谱辐射强度，第2部分τa·
(1-α)
·
l
bλ
(tu)为液态金属反射环境光谱强度，第3部分εa·
l
bλ
(ta)为大气辐射强度，第4部分lh为红外热像仪内部热辐射强度。一般红外热像仪内部补偿了仪器的热辐射，所以公式一可略去第4部分。当测温距离较近时，大气的透射率近似为1，即τa＝1，且εa＝0。对于温度小于2000k的物体，在红外热像仪工作波段内可视为漫灰体，故其表面吸收率α是一个与波长无关的常数。同时，基于基尔霍夫定律，对于漫灰体，不论投入辐射是否来自黑体，是否处于热平衡条件，其吸收率恒等于同温度下的发射率，即α＝ε。故公式一可转换为：
75.l
λ
(tr)＝ε
·
l
bλ
(t0)+(1-ε)
·
l
bλ
(tu)
ꢀꢀꢀꢀ
公式二
76.式中，t
r-为红外热像仪所测辐射温度，
77.t
0-液态金属表面温度，
78.t
u-环境温度，
79.ε-液态金属表面发射率，
80.l
λ-液态金属内部热辐射强度，
81.l
bλ-液态金属表面热辐射强度。
82.本实用新型测量装置所测发射率为法向发射率，被测液态金属红外辐射垂直照射红外热像仪，且由兰贝特定律和斯忒藩-玻尔兹曼定律可知，液态金属的辐射力等于定向辐射强度的π倍，则红外热像仪所受辐射力为：
[0083][0084]
式中：e
λ-红外热像仪的辐射力，
[0085]
a0-红外热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，
[0086]
0-液态金属到红外热像仪的距离，
[0087]ebλ-液态金属的光谱辐射力。
[0088]
由于红外热像仪通常是工作在某一波段上，由普朗克定律可得，红外热像仪所受辐射功率为：
[0089][0090]
式中：p-红外热像仪的辐射功率，
[0091]
λ-红外热像仪的光谱波长，
[0092]al-红外热像仪入射孔径，
[0093]rλ-仪器的光谱响应度。
[0094]
令
[0095][0096]
且由普朗克定律可简化公式一至四为：
[0097]
f(ti)＝ε
·
f(t0)+(1-ε)
·
ε
·
f(tu)
ꢀꢀꢀꢀ
公式六式中，t
i-液态金属加热至指定温度，
[0098]
t
0-液态金属表面温度，
[0099]
ε-液态金属表面发射率，
[0100]
t
u-环境温度。
[0101]
由此可得物体表面的法向发射率表达式为：
[0102][0103]
式中，t
r-为红外热像仪所测辐射温度，
[0104]
t
0-液态金属表面温度，
[0105]
t
u-环境温度，
[0106]
n-近似指数，与红外测温仪的响应波段有关。
[0107]
根据普朗克定律及探测器的光谱响应度，为方便计算，可令则上式可转化为：
[0108][0109]
式中，t
r-为红外热像仪所测辐射温度，
[0110]
t
0-液态金属表面温度，
[0111]
t
u-环境温度，
[0112]
n-近似指数，与红外测温仪的响应波段有关，工作波段在2～5μm的红外热像仪，取值为n＝8.68，对于8～14μm的红外热像仪，取值为n＝4.09。
[0113]
由于不同型号的红外热像仪由于采用不同的探测器和工作波段，其n值是不同的，比如：对于工作波段在2～5μm的红外热像仪，取值为n＝8.68，对于8～14μm的红外热像仪，取值为n＝4.09。在实际中，n的值可根据所选红外热像仪型号的对应参数即可。
[0114]
本实用新型的测量装置，具体使用方法包括以下步骤：
[0115]
步骤1：对液态金属进行加热至指定温度，底部测温元件显示温度t0；
[0116]
步骤2：液态金属温度稳定后，利用红外热像仪12测温，得到tr；
[0117]
步骤3：将环境温度tu、大气温度ta的测量数据，及步骤2步骤3测得的数据，代入下述公式八中，计算该温度的液态金属表面辐射发射率；
[0118][0119]
步骤4：调节加热温度至另一温度，重复步骤1-3，得到不同温度的液态金属表面辐射发射率；
[0120]
如遇到可视窗破裂和耐高温玻璃管破裂情况，处理步骤如下：
[0121]
步骤t1：在测量底端耐高温玻璃管和测量顶端可视窗耐高温红外玻璃片同时破裂的情况下，盖上观察窗法兰上盖板，压紧紫铜垫圈，旋紧压紧螺栓；
[0122]
步骤t2：逐渐降低液态金属温度，待装置冷却后，打开盖板，更换破损部件及紫铜垫圈。
[0123]
本实用新型提供的发射率测量装置，能够避免气溶胶对辐射吸收的影响，通过将测量装置测量端的耐高温玻璃管插入液态金属中，而不是处于液态金属液面上方，可以避免测量液态金属发射率时，液态金属蒸发后产生的液滴凝结在玻璃管上对测量准确度产生的影响。
[0124]
本实用新型提供的测量装置样品容器内充有惰性气体—氩气作为液态金属的保护气体，可以防止液态金属与空气接触而发生化学反应。
[0125]
本实用新型提供的测量装置在测量单元顶部设置了密封顶盖，顶盖的两个法兰通过螺栓和紫铜垫圈与接管顶部连接，将液态金属外泄通道完全阻断，可以防止不锈钢圆筒顶端的耐高温玻璃片碎裂的，还可以防止发生事故时液态金属外泄。
[0126]
实施例1
[0127]
本实施例提供了一种液态金属表面发射率的测量装置，以及采用该装置测量液态金属表面发射率的方法步骤，具体细节如下：
[0128]
测量装置包括：盛液单元、测量单元、保护单元；
[0129]
盛液单元为容纳待测液态金属1的容器，容器上端设有接管6。
[0130]
测量单元以一不锈钢圆筒5作为主体，圆筒上部通过环形压盖9以螺纹连接8的方式固定在样品容器的接管上，圆筒与接管之间有石墨垫片7作为缓冲；圆筒下部通过不锈钢支架4固定在样品容器底部。圆筒顶端为观察端，使用透光率95％以上的耐高温红外玻璃片11，与圆筒之间填充高温密封胶10连接，观察端上方布置有红外热像仪12，用来测量液态金属的辐射温度值；圆筒底端为测量端，观察窗2(如耐高温玻璃管)通过锡焊3的方式与不锈钢圆筒连接，并插入液态金属中，使观察端上方的红外热像仪12能顺利地接收到样品辐射。圆筒底部设置有k型铠装热电偶17，用来测量液态金属表面的真实温度。
[0131]
保护单元：样品容器内充有惰性气体—氩气作为液态金属的保护气体18，防止液态金属与空气接触而发生化学反应；在观察端上方与容器接管顶部接头位置设置了密封顶盖，顶盖的两个法兰13通过螺栓16和紫铜垫圈14与接管6顶部连接，将液态金属外泄通道完全阻断。
[0132]
使用上述测量装置进行液态金属表面发射率的测量方法，包括以下步骤：
[0133]
步骤1：旋开压紧螺栓16，打开观察窗法兰上盖板15；
[0134]
步骤2：对液态金属1进行加热至指定温度，底部测温元件显示温度t0；
[0135]
步骤3：液态金属温度稳定后，利用红外热像仪12测温，得到tr；
[0136]
步骤4：将测量数据代入下述公式八中，计算该温度的液态金属表面辐射发射率；
[0137][0138]
步骤5：调节加热温度至另一温度，重复步骤2-4，得到不同温度的液态金属表面辐射发射率；
[0139]
如遇到可视窗破裂和耐高温玻璃管破裂情况，处理步骤如下：
[0140]
步骤t1：在测量底端耐高温玻璃管2和测量顶端可视窗耐高温红外玻璃片11同时破裂的情况下，盖上观察窗法兰13上的盖板15，压紧紫铜垫圈14，旋紧压紧螺栓16；
[0141]
步骤t2：逐渐降低液态金属温度，待装置冷却后，打开盖板15，更换破损部件及紫铜垫圈14。
[0142]
实施例2
[0143]
本实施例提供了一种液态金属表面发射率的测量方法，采用实施例1提供的测量装置，测量钠液态金属表面发射率，具体步骤如下：
[0144]
步骤1：旋开压紧螺栓16，打开观察窗法兰上的盖板15；
[0145]
步骤2：对液态金属1进行加热至300℃温度，热电偶获得温度t0＝300.00℃；
[0146]
步骤3：液态金属钠温度稳定后，利用红外热像仪12测温，得到tr＝47.89℃；
[0147]
步骤4：将环境温度tu＝20.00℃及步骤2步骤3测得的数据，代入下列公式中(将摄氏度转化为开式度)，n＝4.09,计算该温度的液态金属表面辐射发射率ε＝0.031；
[0148][0149]
步骤5：调节加热温度400℃温度，重复步骤2-4，得到400℃温度的液态金属钠表面辐射发射率ε＝0.035。
[0150]
步骤6：调节加热温度500℃温度，重复步骤2-4，得到500℃温度的液态金属钠表面辐射发射率ε＝0.037。
[0151]
实施例1获得的液态金属钠不同温度的表面发射率，对于后期液态金属钠的辐射换热量的计算提供了有效数据，更对液态金属钠装置的辐射传热计算分析提供了数据保障，有利于反应堆的安全生产。
[0152]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。