新型空腔式黑体辐射源设计及不确定度评定

刘 培, 杨 雪, 王景辉, 胡 蝶, 张 鑫, 徐 标

(1. 广东省计量科学研究院,广东 广州 510405; 2. 中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

随着工业用红外测温、红外人体测温技术的发展,红外辐射测温设备和计量设备得到越来越多的研究和应用[1,2]。水槽式黑体辐射源[3]由于成本低、稳定性好,是目前使用较为广泛的红外辐射测温设备的计量标准器。而黑体空腔辐射源是红外辐射测温设备计量中的关键部分[4],如何快速将水槽内液体热量传递至空腔并维持稳定状态是计量设备的重要研究内容。为了提高操作便利性,降低恒温槽体积是一种可行的操作方式,这势必减少了槽内液体部分容积,增加了空腔与工质之间的传热阻力。与大尺度强化传热不同,小空间条件下的传热主要依赖层流条件下的分子扩散,而在液相下这种扩散变得异常缓慢。管壁与流动流体的传热热阻随着热边界层的厚度增加而逐渐增大。因此增强传热可通过对流体进行扰动,破坏内部流体边界层的方式,利用热边界层初始段传热系数较大的特性而实现。

腔体形状[5]是影响发射率大小的重要影响因素,为了保证黑体发射率[6～8], 并有效提高空腔传热效果、降低整体尺寸、简化结构设计,设计了一种槽群外壁结构式黑体空腔辐射源,该辐射源采用若干曲率半径、流道直径不同的被动扰流槽群结构流道连接而成,利用不连续通道产生的不同大小和方向的扰动对流体内部形成的扰流进行震荡[9,10],使流体与腔壁之间的热边界层在不同位置发生破坏,使热边界层没有充分发展即被破坏,利用在初始阶段厚度薄、热阻小的特点,有效地减少了固定存在的底层热阻,同时采用槽群结构,也可在相同体积范围内有效增加换热面积,达到强化传热效果。最后对新型系统的性能和不确定度进行了评定[11～13],设计的辐射源扩展不确定度U=0.05 ℃(k=2)。

2 实验测试

2.1 实验系统设计

通道内换热强度最大出现在入口段,并随着边界层厚度的增加而降低,直到边界层达到充分发展段后而保持不变。而层流入口段长度和微通道的水力直径有如下关系:

(1)

式中:l为入口段长度;d为微通道的水力直径;Pr为普朗特数;Re为雷诺数。

为保持较大的通道内换热强度,边界层就不能发展到充分阶段,所以可以人为地破坏边界层,在边界层中断并重生的过程中强化换热。因此边界层中断装置的设置间距不大于l。

采用式(1)计算设计加工的槽群强化换热空腔外壁结构以及利用此黑体空腔辐射源搭建的实验测试系统如图1所示。

图1 实验系统及空腔结构示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system and blackbody cavity

选用标准器为: 二等标准铂电阻温度计及配套电测设备;恒温液槽均匀性为0.02 ℃, 稳定性为0.01 ℃/10 min;红外体温计为经过校准的红外耳温计;辐射源分别为带有槽群结构的新型空腔和光滑外表面空腔,两者均采用T2铜加工而成,外形尺寸相同,壁厚均为2 mm,锥底夹角为60°;环境温度(20±0.5)℃。

2.2 实验过程

将恒温水槽装置、新型空腔黑体、普通光滑外壁空腔黑体与已校准红外耳温计置于设定好的环境中,稳定30 min以上,实验过程中避免强烈空气对流。将水槽温度设置为37.0 ℃,红外耳温计设置为校准模式,待水槽温度稳定后,先将新型空腔放入水槽内,然后将红外耳温计探头插入黑体空腔开口后立即测量[14～16],每隔10 s记录红外耳温计测得的空腔亮度温度数据。

待测得亮度温度与水槽温度一致后,将新型空腔取出。然后待水槽温度稳定后,将普通光滑外壁空腔放入水槽,重复上述操作。将红外体温计测得亮度温度进行统计分析。

2.3 实验结果分析

根据热量传递规律可知,在环境中稳定放置的新型空腔与普通光滑外壁空腔的初始温度均与环境温度相同,均为(20.0±0.5) ℃,放置入恒温水槽内后,空腔与恒温水发生热交换,吸收热量,温度不断升高,直至与水槽内温度达到一致。空腔与水之间的换热系数越高,温度达到一致所需的时间也就越短。2个不同外表面结构的空腔的亮度温度随时间变化的测量曲线如下图2所示。

图2 黑体腔内亮度温度随时间变化Fig.2 Brightness temperature with various time

由图2可以发现,2个空腔达到与水槽温度一致的速度与时间均有所不同,具有槽群结构外表面的新型空腔可以更快地吸收热量,将自身温度升至与水槽温度一致。其温度稳定所需时间约为230 s,而光滑外壁黑体腔达到与水槽温度一致所需的时间为270 s,可知,在相同环境温度与实验条件下,具有相同外形尺寸的空腔,采用槽群外壁结构可强化空腔与载热工质之间的热量传递,更快达到平衡状态。

3 不确定度

3.1 数学模型

耳温计单次测量结果的实验室误差的测量模型为:

Δt=tIR-(ts+Δtε)

(2)

式中:tIR,ts,Δtε分别为耳温计单次测量的示值,标准器单次测量值和黑体发射率小于1引起的温度修正值,℃。

式(2)所示模型为线性函数,输入量tIR、ts和Δtε间均不相关,各变量灵敏系数绝对值为 1,单位为1。根据不确定度传播规律,被测量Δt成标准不确定度可表示为:

(3)

3.2 标准不确定度评定

标准器示值ts引入的不确定度u(ts)来源包括:标准器检定(或校准)不确定度u1与长期稳定性u2;电测仪表的测量不确定度u3;恒温液槽的温场均匀性u4和控温稳定性u5。

标准器示值修正值Δtε引入的不确定度u(Δtε)来源为黑体发射率小引入的标准值修正量的不确定度(u6),根据JJG 1164—2019附录B.2计算。耳温计示值引入的不确定度来源为耳温计的示值分辨力(u7)和测量重复性(u8)。其中,测量重复性使用极差法处理。

除上述分析确认的不确定度来源以外,在数据处理的最后环节还将产生数据修约引入的不确定度,记为u9。

3.2.1 参考温度计与黑体辐射源引入的不确定度u(Δts):

1) 标准铂电阻检定不确定度u1。

根据历年检定证书,标准铂电阻引入的标准不确定度分量在37 ℃时为0.005 ℃(k=2),故u1=0.005 ℃/2≈0.003 ℃。

2) 标准铂电阻在检定周期内稳定性影响u2。

6) 使用的红外耳温计黑体发射率为 0.999 5±0.000 5,耳温计黑体发射率小于1引入的修正值的不确定度u6,由2部分合成,分别为耳温计黑体发射率引入的不确定度分量uBB(Δtε)和耳温计的探头部分发射率差异引入的不确定度分量uIR(Δtε)。根据JJG 1164—2019附录B.2,在环境温度为 22 ℃,测试温度为37 ℃时,分别得到uBB(Δtε)=0.003 ℃,uIR(Δtε)=0.000 ℃,耳温计黑体发射率小于1引入的修正值的不确定度u(Δtε)为:

(4)

3.3.3 被检温度计引入的不确定度u(ΔtT):

1) 被检红外耳温计分辨力引入的标准不确定度分量u7≈0.003 ℃

被检分辨力为0.01 ℃,按均匀分布考虑,u7≈0.003 ℃

2) 被检红外耳温计测量重复性引起的标准不确定度分量u8。红外耳温计在37 ℃时,测量3次最大值减最小值为0.03 ℃,按极差法(测量次数为3次时,C=1.69)得到重复性分量,u8=0.03 ℃/1.69≈0.018 ℃。

3.2.3 检定操作引入的标准不确定度u:

1) 瞄准的影响,包含在u4中;

2)检定数据修约u9。

3.2.4 合成标准不确定度:

各分量不相关,根据式(3),合成标准不确定度uc为:

扩展标准不确定度计算:

取k=2,则U=0.05 ℃。

4 结 论

本文提出了一种基于破坏热边界层并再生的强化换热方法设计新型黑体辐射腔,具有如下特点:

1) 采用槽群扰流结构外壁的空腔可以有效地强化换热,促进空腔与槽内载热工质之间的热量交换,加速空腔黑体达到平衡温度。

2) 不确定度评定可知,新型辐射源的扩展不确定度为U=0.05 ℃(k=2)。

3) 采用被动式扰流方式可以有效地降低腔体尺寸,增加换热比表面积,提高红外辐射校准装置的可靠性和紧凑性。特别是在小空间体积内,无法增加主动式工质扰动装置时,本设计方法更具有使用特点。

4) 带有槽群结构的外壁也具有一定的局限性,若槽内载热工质内含有杂质,或腔体外壁锈蚀,则会导致外壁槽道内堵塞,导致流动不畅,影响传热效果,可采用在基体表面镀镍或金,并定期清洗等方式使其保持良好的传热能力。