SOLIDWORKS中低温半球发射率系统设计及其误差分析(2)
2 使用稳态卡计法测量的原理
原理如图2.1所示
图2.1 稳态卡计法测量中低温半球发射率原理图
由传热学知识可知在真空中放入一个物体，则物体只会以热辐射的形式与周围环境进行热交换。稳态卡计法测量中低温半球发射率就是利用这一基本原理完成的。在一个真空球形腔体中部放入方形薄片样品，腔体用液氮冷却保持低温。则样品会与低温腔体进行辐射换热，我们将对样品通电加热保持其温度稳定不变。当样品温度稳定后测量球形内腔体温度，施加给样品的电功率，样品表面温度和样品表面积。根据热能第一定律可以写出系统的热平衡方程，带入数据就可以求出样品的半球发射率。[8]
系统的热平衡方程如下
上式中左边 表示施加给样品的电功率，右边是与低温腔体进行的辐射换热量。其中 ， 是样品表面的发射率， 是样品表面的吸收率， 是样品的表面积， 是样品表面的温度， 是低温真空腔体的发射率， 是腔体的吸收率， 是腔体的内表面积， 是腔体的温度， 是是样品对腔体的角系数。 是导线和热电偶线造成的热损失， 是球形腔体内剩余气体造成的热损失。
式（1）就是我们计算半球发射率的基础关系式。它的成立条件是真空腔内表面和样品的表面都是漫反射面。在实际测量中我们可以做出如下假设，样品表面为灰体，就有 ；真空腔内表面为黑体，于是有 ；样品的表面积与低温真空腔相比可以忽略，即 ， 。同时由导线和热电偶造成的热损失及由于球形腔体内剩余气体热传导及热对流造成的热损失忽略不计。[9]所以式（1）可以简化为
因此我们只要测量出供给的电压，电流，及待测样品温度与表面积就带入式（3）之中求出待测样品的半球发射率。