一种高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法

摘要

本发明涉及一种高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法，属于热学技术领域。本发明方法在石墨黑体腔端部锥形设计方面，利用辐射换热角系数理论作为分析工具，提出石墨黑体腔端部内壁面与腔内壁面(包括底面)辐射换热一致的假设，进而计算推论出石墨黑体腔端部锥形的相关参数。本发明原理可行，假设合理，实践效果好，适用于高温黑体辐射源石墨黑体腔的设计。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法，属于热学 技术领域。

背景技术

高温黑体辐射源常用于辐射温度计的检定和校准，温度范围 (800～3000)℃，一般采用石墨管作为加热元件，以低电压大电流的方式对石 墨管进行通电加热；石墨管为双黑体腔设计，中间为靶面(黑体腔底面)， 便于辐射温度计的测量以及温度控制。由于石墨黑体腔端部内壁面接近腔 口，辐射散热损失大，通常采用锥形设计以减小石墨黑体腔的局部截面积， 从而增大局部电阻，增大局部发热量，弥补散热损失，保证黑体腔壁面温 度梯度接近腔口时不骤减。

现有高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法，在石墨黑体腔端部锥形设 计方面并没有经过有理论依据的计算过程，仅凭工程经验进行估计，往往 效果不好，且不利于进一步深层次的分析设计。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种原理可行，假设合理， 实践效果好，适用于高温黑体辐射源石墨黑体腔设计的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及的一种高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法，包括如下步 骤：

步骤1：在高温黑体辐射源的双黑体腔中的一侧石墨黑体腔的锥形段的 内壁面上取2个微元环，2个微元环分别用符号C₀和C₁表示；微元环C₀和C₁在石墨黑体腔内壁面上的面积分别为A₀和A₁；当微元环C₀和C₁趋于无穷窄 时，微元环C₀和C₁在石墨黑体腔内壁面上的面积分别用dA₀和dA₁表示；所述 微元环C₀和C₁均与高温黑体辐射源同轴，且微元环C₀和C₁的两端端面所在 平面均垂直于高温黑体辐射源的轴线。

步骤2：微元环C₀和C₁对腔口圆面(用符号A表示)的辐射换热角系数 分别为F₀和F₁；微元环C₀的两端端面在所述高温黑体辐射源的石墨黑体腔 壁上的环形截面之间的石墨黑体腔壁部分(用符号S₀表示)的电阻值为R₀， 微元环C₁的两端端面在所述高温黑体辐射源的石墨黑体腔壁上的环形截面 之间的石墨黑体腔壁部分(用符号S₁表示)的电阻值为R₁，通过所述高温黑 体辐射源的石墨黑体腔壁的S₀段与S₁段的电流相同，电流值均为I。假设两 微元环C₀和C₁对石墨黑体腔内辐射换热的贡献一样，反过来，石墨黑体腔 内壁面对两个微元环C₀和C₁的作用一样，从而得出公式(1)。

I²·dR₀·(1-F₀)＝I²·dR₁·(1-F₁)                  (1)

步骤3：在与微元环C₀和C₁位于同一侧石墨黑体腔的锥形段的内壁面上 取任意一微元环，用符号C表示；微元环C与高温黑体辐射源同轴，且微元 环C的两端端面所在平面均垂直于高温黑体辐射源的轴线。微元环C对腔口 圆面A的辐射换热角系数为F。利用电阻计算公式及微元环对腔口圆面的辐 射换热角系数公式，由步骤2中得到的公式(1)得出公式(2)。

$t=\sqrt{r^2+\frac{1-[\frac{{\left(\frac{x}{2r}\right)}^2+\frac{1}{2}}{\sqrt{{\left(\frac{x}{2r}\right)}^2+1}}-\frac{x}{2r}]}{k·\pi }}-r---\left(2\right)$

其中，t为石墨管锥形段的壁厚；r为石墨黑体腔半径；x为微元环C至 腔口圆面A的距离；k为未知常数。

步骤4：将步骤3得到的公式(2)看做是以x为变量的函数；在x∈(0,4r) 区间内对公式(2)中的t进行线形拟合，通过估计并调整k值，使得拟合的 直线在x＝3.2r时t＝b；其中，b是石墨管非锥形段的壁厚，b的值由人为预 先设定。

选择x＝3.2r处，是因为辐射换热角系数F在(0,4r)区间内拟合直线经过 此点，且拟合总体等效效果最好。

经过步骤4的操作，得到公式(2)中的未知常数k；在公式(2)中， 当x＝0时，得到所拟合直线的截距为a，a是石墨管端部 最薄处石墨管的厚度。

经过上述步骤的操作，即可完成对高温黑体辐射源石墨黑体腔的设计。

有益效果

本发明涉及的一种高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法与已有技术相 比较，具有原理可行，假设合理，实践效果好等优点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的高温黑体辐射源石墨黑体腔示意图；

图2为本发明具体实施方式中的高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法 示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面通过实施例，对本发明做进 一步说明。

本实施例中采用所述高温黑体辐射源石墨黑体腔设计方法对如图1所 示的高温黑体辐射源石墨黑体腔进行设计，具体操作步骤为：

步骤1：图2是高温黑体辐射源左侧石墨黑体腔的一部分，高温黑体辐 射源左侧石墨黑体腔的长度为L。在该高温黑体辐射源的左侧石墨黑体腔的 锥形段的内壁面上取2个微元环C₀和C₁；微元环C₀和C₁在石墨黑体腔内壁 面上的面积分别为A₀和A₁；当微元环C₀和C₁趋于无穷窄时，微元环C₀和C₁在 石墨黑体腔内壁面上的面积分别表示为dA₀和dA₁；微元环C₀和C₁均与高温黑 体辐射源同轴，且微元环C₀和C₁的两端端面所在平面均垂直于高温黑体辐 射源的轴线。

步骤2：微元环C₀和C₁对腔口圆面A的辐射换热角系数分别为F₀和F₁； 微元环C₀的两端端面在所述高温黑体辐射源的石墨黑体腔壁上的环形截面 之间的石墨黑体腔壁部分S₀段的电阻值为R₀，石墨黑体腔壁部分S₀段距离 腔口圆面A的距离为x₀；微元环C₁的两端端面在所述高温黑体辐射源的石墨 黑体腔壁上的环形截面之间的石墨黑体腔壁部分S₁段的电阻值为R₁，石墨黑 体腔壁部分S₁段距离腔口圆面A的距离为x₁，通过所述高温黑体辐射源的石 墨黑体腔壁的S₀段与S₁段的电流相同，电流值均为I。假设两微元环C₀和C₁对石墨黑体腔内辐射换热的贡献一样，反过来，石墨黑体腔内壁面对两个 微元环C₀和C₁的作用一样，从而得出公式(1)。

步骤3：在该高温黑体辐射源的左侧石墨黑体腔的锥形段的内壁面上取 微元环C；微元环C与高温黑体辐射源同轴，且微元环C的两端端面所在平 面均垂直于高温黑体辐射源的轴线。微元环C对腔口圆面A的辐射换热角系 数为F。利用电阻计算公式及微元环对腔口圆面的辐射换热角系数公式， 由步骤2中得到的公式(1)得出公式(2)。

步骤4：将步骤3得到的公式(2)看做是以x为变量的函数；在x∈(0,4r) 区间内对公式(2)中的t进行线形拟合，即高温黑体辐射源的左侧石墨黑 体腔的锥形段的长度L_t＝4r，通过估计并调整k值，使得拟合的直线在x＝3.2r 时t＝b；其中，b是石墨管非锥形段的壁厚，b的值由人为预先设定。

经过步骤4的操作，得到公式(2)中的未知常数k；当x＝0时，得到 所拟合直线的截距为a，a是石墨管端部最薄处石墨管的 厚度。

经过上述步骤的操作，即可完成对高温黑体辐射源石墨黑体腔的设计。 在图2中，x＝x₀时，t＝t₀；x＝x₁时，t＝t₁。

本发明的主要内容已通过上述优选实例作了详细介绍，应当认识到上述 的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容 后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保 护范围应由所附的权利要求来限定。