引言

辐射黑体源作为对辐射测温计量的配套标准装置, 其工作范围直接决定了辐射温度检定装置可以开展工作的温度范围。近些年, 随着技术的发展, 新型低温黑体辐射源开始出现, 使得辐射测温的下限由-20℃下延至-50℃。这类黑体辐射源的设计原理是使用低温液体作为恒温介质, 将黑体腔体放置在低温液体内, 通过控制低温液体的温度使腔体达到恒温。由于液体介质的温度均匀性可以控制在一个非常小的数量级, 减小了测量中腔体温度均匀所引入的不确定度分量, 其稳定性一般不高于±0.1℃/10min, 有效辐射率可以控制在0.995以上。这为辐射测温在低温范围的量值传递的准确性提供了有力的技术支持。本文就是基于这类低温黑体辐射源的设计论述, 主要是对现有中低温的标准低温槽进行改造, 使其可以达到低温黑体辐射源的技术指标。

二、设计原理

温度计量标准装置包括一台标准低温槽, 其温度下限一般都低于-60℃, 多用于玻璃液体温度计的计量。其技术参数要求是工作区域水平温差不大于0.05℃, 垂直温差不大于0.10℃, 温度波动度不大于0.1℃/10min。如果使用这种低温槽作为载体进行改造, 将辐射黑体源的腔体置于恒温槽的工作区域内, 其腔体内的温度均匀性和波动度都可以达到现有产品的水平。

1. 具体方案

具体设计方案有两种。一种是立式腔体放置方式 (见图1a) , 将黑体辐射源的腔体垂直置于恒温槽的低温液体内, 可以使用低温槽原有的开槽孔, 将腔体垂直固定在低温槽的检测平台上。这种方案的优点是机械加工工艺简单, 但是由于其腔体垂直立于低温槽内, 而低温槽的高度不低于1.2m, 检定时需将辐射测温仪器对准腔体中心进行瞄准, 并保持合适的测量距离, 实际操作起来非常不方便。另一种是横置腔体放置方式 (见图1b) , 在低温槽的槽壁开孔, 将黑体辐射源的腔体水平固定在槽壁上。这种方案的优点是腔体水平放置, 便于辐射测温仪器的瞄准, 但是机械设计加工难度大。由于辐射测温需要足够的测量距离, 而且光学瞄准非常重要, 所以采用横置方式更加实用。而黑体辐射源的腔体设计方案各不相同, 只需满足有效的目标直径, 其结构需满足有效发射率高于0.995, 在此不进行深入讨论。

2. 腔体的除霜设计

辐射测温的技术要求中, 有效发射率是黑体辐射源的重要参数之一。常用的腔体式结构在低温时会因腔体表面附着冰霜而导致黑体辐射源有效发射率降低, 需要使用相应的装置防止湿润空气进入腔体内。

现阶段, 针对低温黑体辐射源腔体结霜常用的解决方法有两种。第一种是加装光学窗口, 并将干燥气体冲入腔体内。这种方案的优点是设计简单, 除霜效果明显, 但由于加入光学窗口玻璃会引入窗口温度误差, 在计算测量结果时需要对其进行修正。第二种是开口设计, 即腔体不带窗口, 通过往黑体辐射源的腔体充入干燥气体的方法防止结霜。这种方案的优点是除霜效果明显, 在测量时无需进行窗口温度的误差修正, 但是其结构相对复杂。

从测量的方便性推荐第二种方案。其设计难点主要是需要加装一个气帘装置, 此系统需要一个干燥模块对充入的气体进行干燥, 然后再通过特殊的气孔设计对黑体辐射源进行充气。通过干燥模块将空气里的水分脱离再充入低温腔体内, 就可以避免低温腔体的内壁结霜。同时, 这个气帘装置还可以防止外部空气进入腔体, 基本可以消除结霜对腔体有效发射率的影响。

这个气帘的结构设计比较复杂, 大体结构需要一个环状管, 并在管体内侧适当位置打孔, 孔径的大小和角度需要通过实验进行验证, 也可以依托虚拟软件进行模拟实验, 确定其适合的参数并配合选用的腔体的窗口直径的尺寸。

将气帘装置放置在腔体的窗口处, 这样对低温恒温槽的改造设计就完成了, 其结构如图2所示。