劉 培, 楊 雪, 王景輝, 胡 蝶, 張 鑫, 徐 標

(1. 廣東省計量科學研究院,廣東 廣州 510405; 2. 中國計量科學研究院,北京 100029)

1 引 言

隨著工業(yè)用紅外測溫、紅外人體測溫技術的發(fā)展,紅外輻射測溫設備和計量設備得到越來越多的研究和應用[1,2]。水槽式黑體輻射源[3]由于成本低、穩(wěn)定性好,是目前使用較為廣泛的紅外輻射測溫設備的計量標準器。而黑體空腔輻射源是紅外輻射測溫設備計量中的關鍵部分[4],如何快速將水槽內液體熱量傳遞至空腔并維持穩(wěn)定狀態(tài)是計量設備的重要研究內容。為了提高操作便利性,降低恒溫槽體積是一種可行的操作方式,這勢必減少了槽內液體部分容積,增加了空腔與工質之間的傳熱阻力。與大尺度強化傳熱不同,小空間條件下的傳熱主要依賴層流條件下的分子擴散,而在液相下這種擴散變得異常緩慢。管壁與流動流體的傳熱熱阻隨著熱邊界層的厚度增加而逐漸增大。因此增強傳熱可通過對流體進行擾動,破壞內部流體邊界層的方式,利用熱邊界層初始段傳熱系數較大的特性而實現。

腔體形狀[5]是影響發(fā)射率大小的重要影響因素,為了保證黑體發(fā)射率[6～8], 并有效提高空腔傳熱效果、降低整體尺寸、簡化結構設計,設計了一種槽群外壁結構式黑體空腔輻射源,該輻射源采用若干曲率半徑、流道直徑不同的被動擾流槽群結構流道連接而成,利用不連續(xù)通道產生的不同大小和方向的擾動對流體內部形成的擾流進行震蕩[9,10],使流體與腔壁之間的熱邊界層在不同位置發(fā)生破壞,使熱邊界層沒有充分發(fā)展即被破壞,利用在初始階段厚度薄、熱阻小的特點,有效地減少了固定存在的底層熱阻,同時采用槽群結構,也可在相同體積范圍內有效增加換熱面積,達到強化傳熱效果。最后對新型系統(tǒng)的性能和不確定度進行了評定[11～13],設計的輻射源擴展不確定度U=0.05 ℃(k=2)。

2 實驗測試

2.1 實驗系統(tǒng)設計

通道內換熱強度最大出現在入口段,并隨著邊界層厚度的增加而降低,直到邊界層達到充分發(fā)展段后而保持不變。而層流入口段長度和微通道的水力直徑有如下關系:

(1)

式中:l為入口段長度;d為微通道的水力直徑;Pr為普朗特數;Re為雷諾數。

為保持較大的通道內換熱強度,邊界層就不能發(fā)展到充分階段,所以可以人為地破壞邊界層,在邊界層中斷并重生的過程中強化換熱。因此邊界層中斷裝置的設置間距不大于l。

采用式(1)計算設計加工的槽群強化換熱空腔外壁結構以及利用此黑體空腔輻射源搭建的實驗測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)及空腔結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system and blackbody cavity

選用標準器為: 二等標準鉑電阻溫度計及配套電測設備;恒溫液槽均勻性為0.02 ℃, 穩(wěn)定性為0.01 ℃/10 min;紅外體溫計為經過校準的紅外耳溫計;輻射源分別為帶有槽群結構的新型空腔和光滑外表面空腔,兩者均采用T2銅加工而成,外形尺寸相同,壁厚均為2 mm,錐底夾角為60°;環(huán)境溫度(20±0.5)℃。

2.2 實驗過程

將恒溫水槽裝置、新型空腔黑體、普通光滑外壁空腔黑體與已校準紅外耳溫計置于設定好的環(huán)境中,穩(wěn)定30 min以上,實驗過程中避免強烈空氣對流。將水槽溫度設置為37.0 ℃,紅外耳溫計設置為校準模式,待水槽溫度穩(wěn)定后,先將新型空腔放入水槽內,然后將紅外耳溫計探頭插入黑體空腔開口后立即測量[14～16],每隔10 s記錄紅外耳溫計測得的空腔亮度溫度數據。

待測得亮度溫度與水槽溫度一致后,將新型空腔取出。然后待水槽溫度穩(wěn)定后,將普通光滑外壁空腔放入水槽,重復上述操作。將紅外體溫計測得亮度溫度進行統(tǒng)計分析。

2.3 實驗結果分析

根據熱量傳遞規(guī)律可知,在環(huán)境中穩(wěn)定放置的新型空腔與普通光滑外壁空腔的初始溫度均與環(huán)境溫度相同,均為(20.0±0.5) ℃,放置入恒溫水槽內后,空腔與恒溫水發(fā)生熱交換,吸收熱量,溫度不斷升高,直至與水槽內溫度達到一致?？涨慌c水之間的換熱系數越高,溫度達到一致所需的時間也就越短。2個不同外表面結構的空腔的亮度溫度隨時間變化的測量曲線如下圖2所示。

圖2 黑體腔內亮度溫度隨時間變化Fig.2 Brightness temperature with various time

由圖2可以發(fā)現,2個空腔達到與水槽溫度一致的速度與時間均有所不同,具有槽群結構外表面的新型空腔可以更快地吸收熱量,將自身溫度升至與水槽溫度一致。其溫度穩(wěn)定所需時間約為230 s,而光滑外壁黑體腔達到與水槽溫度一致所需的時間為270 s,可知,在相同環(huán)境溫度與實驗條件下,具有相同外形尺寸的空腔,采用槽群外壁結構可強化空腔與載熱工質之間的熱量傳遞,更快達到平衡狀態(tài)。

3 不確定度

3.1 數學模型

耳溫計單次測量結果的實驗室誤差的測量模型為:

Δt=tIR-(ts+Δtε)

(2)

式中:tIR,ts,Δtε分別為耳溫計單次測量的示值,標準器單次測量值和黑體發(fā)射率小于1引起的溫度修正值,℃。

式(2)所示模型為線性函數,輸入量tIR、ts和Δtε間均不相關,各變量靈敏系數絕對值為 1,單位為1。根據不確定度傳播規(guī)律,被測量Δt成標準不確定度可表示為:

(3)

3.2 標準不確定度評定

標準器示值ts引入的不確定度u(ts)來源包括:標準器檢定(或校準)不確定度u1與長期穩(wěn)定性u2;電測儀表的測量不確定度u3;恒溫液槽的溫場均勻性u4和控溫穩(wěn)定性u5。

標準器示值修正值Δtε引入的不確定度u(Δtε)來源為黑體發(fā)射率小引入的標準值修正量的不確定度(u6),根據JJG 1164—2019附錄B.2計算。耳溫計示值引入的不確定度來源為耳溫計的示值分辨力(u7)和測量重復性(u8)。其中,測量重復性使用極差法處理。

除上述分析確認的不確定度來源以外,在數據處理的最后環(huán)節(jié)還將產生數據修約引入的不確定度,記為u9。

3.2.1 參考溫度計與黑體輻射源引入的不確定度u(Δts):

1) 標準鉑電阻檢定不確定度u1。

根據歷年檢定證書,標準鉑電阻引入的標準不確定度分量在37 ℃時為0.005 ℃(k=2),故u1=0.005 ℃/2≈0.003 ℃。

2) 標準鉑電阻在檢定周期內穩(wěn)定性影響u2。

6) 使用的紅外耳溫計黑體發(fā)射率為 0.999 5±0.000 5,耳溫計黑體發(fā)射率小于1引入的修正值的不確定度u6,由2部分合成,分別為耳溫計黑體發(fā)射率引入的不確定度分量uBB(Δtε)和耳溫計的探頭部分發(fā)射率差異引入的不確定度分量uIR(Δtε)。根據JJG 1164—2019附錄B.2,在環(huán)境溫度為 22 ℃,測試溫度為37 ℃時,分別得到uBB(Δtε)=0.003 ℃,uIR(Δtε)=0.000 ℃,耳溫計黑體發(fā)射率小于1引入的修正值的不確定度u(Δtε)為:

(4)

3.3.3 被檢溫度計引入的不確定度u(ΔtT):

1) 被檢紅外耳溫計分辨力引入的標準不確定度分量u7≈0.003 ℃

被檢分辨力為0.01 ℃,按均勻分布考慮,u7≈0.003 ℃

2) 被檢紅外耳溫計測量重復性引起的標準不確定度分量u8。紅外耳溫計在37 ℃時,測量3次最大值減最小值為0.03 ℃,按極差法(測量次數為3次時,C=1.69)得到重復性分量,u8=0.03 ℃/1.69≈0.018 ℃。

3.2.3 檢定操作引入的標準不確定度u:

1) 瞄準的影響,包含在u4中;

2)檢定數據修約u9。

3.2.4 合成標準不確定度:

各分量不相關,根據式(3),合成標準不確定度uc為:

擴展標準不確定度計算:

取k=2,則U=0.05 ℃。

4 結 論

本文提出了一種基于破壞熱邊界層并再生的強化換熱方法設計新型黑體輻射腔,具有如下特點:

1) 采用槽群擾流結構外壁的空腔可以有效地強化換熱,促進空腔與槽內載熱工質之間的熱量交換,加速空腔黑體達到平衡溫度。

2) 不確定度評定可知,新型輻射源的擴展不確定度為U=0.05 ℃(k=2)。

3) 采用被動式擾流方式可以有效地降低腔體尺寸,增加換熱比表面積,提高紅外輻射校準裝置的可靠性和緊湊性。特別是在小空間體積內,無法增加主動式工質擾動裝置時,本設計方法更具有使用特點。

4) 帶有槽群結構的外壁也具有一定的局限性,若槽內載熱工質內含有雜質,或腔體外壁銹蝕,則會導致外壁槽道內堵塞,導致流動不暢,影響傳熱效果,可采用在基體表面鍍鎳或金,并定期清洗等方式使其保持良好的傳熱能力。