老化试样的表面温度的非接触式测量方法及装置

摘要

在老化试验器的老化室(1)中安装一个支架框(2)，使得其能够围绕氙辐射源(4)旋转，该氙辐射源(4)被定位在圆筒轴或旋转轴上，并且围绕它设置有红外线滤光器(5)。将要进行老化处理的试样(3)固定在支架框(2)的内部，并且暴露在来自于氙辐射源(4)的辐射下。试样(3)的表面温度可以被诸如高温计(6)等黑体辐射检测器直接记录，该黑体辐射检测器指向空间的固定区域，而试样(3)在其旋转运动过程中周期性地穿过该区域。根据所检测的黑体辐射和针对各试样(3)存储的辐射系数值，可以在求值电路中计算出试样的表面温度。

说明书

发明领域

本发明涉及一种试样的气候依赖性老化的评价方法，其中所述试样暴露在自然或人工老化环境中。本发明也涉及一种试样的人工老化装置。

背景技术

试样人工老化装置被用作估算材料的寿命，在使用过程中，材料被暴露在自然老化条件下，因此受到阳光、太阳热量、湿度等气候因素的影响。为了更好地模拟自然老化环境，在装置中产生的光的光谱能量分布应尽可能快接近自然的阳光辐射的光谱能量分布，为此，在这种装置中，使用氙辐射器作为辐射源。通过对试样进行比自然条件强得多的、加速试样老化的辐射，材料的加速老化试验实质上已经实现。通过这种方式，可以在相对短的时间后预见材料试样的长期老化特性。

在人工老化装置中研究的大量试样包括聚合材料。它们由于气候老化而导致的性能劣化实质上是由阳光辐射中的UV成分引起的。其中发生的主要是光化学过程，即光子的吸收和激发态或自由基的产生，是不依赖温度的。但随后与聚合体或添加剂发生的反应步骤可能是依赖于温度的，所以观察到的材料老化也是依赖于温度的。温度依赖性的程度随材料和材料特性的不同而不同。

为了适应这个事实，聚合材料的人工老化的室温和/或试样温度通常保持恒定。由于材料老化的温度依赖性，有必要保持恒定的已知温度，以便能对不同的老化试验的结果彼此进行比较。

由于在以前没有对研究的材料试样的试样温度进行直接测量，所以温度传感器被用在老化装置中，它测量的温度被用于反映试样温度。例如，黑色面板传感器可以被用作这样的温度传感器。在专利说明书EP 0 320 209 A2中，描述了一种老化装置，它具有一个老化室，为了辐射预定强度的光，其中设置氙灯作为光源。该老化室还包括一个旋转对称的试样支架框，该试样支架框可以绕光源转动。该试样支架框既承载待研究的材料试样，也承载黑色面板传感器。因此材料试样和黑色面板传感器在同样的条件下暴露于光源的辐射场中，也同时暴露在老化室内的其他普遍情况下。为了能够把试样温度控制在特定的限度以内，并且为了在老化室内均化该试样温度，还向老化室内吹入气流，该气流相对于光源旋转对称，流过试样支架框以及试样支架框保持的材料试样和黑色面板传感器。气流从材料和黑色面板传感器带走一部分热量。为了调节温度，可以用黑色面板传感器测量的温度作为控制吹入老化室的气流强度的控制信号。

人们将所有用作温度传感器的黑色面板传感器、黑色标准传感器和白色标准传感器设计成了使得这些传感器具有带有在工作时面对光源的涂层表面的金属板，和热耦连在所述金属板背侧上的温度依赖性电子元件。该电子元件通常由热敏电阻形成，譬如铂电阻器(工业标准Pt100或者Pt1000)，并且与电测量转换器电路连接。

具体地讲，黑色标准传感器具有一个在一侧涂黑的不锈钢板(厚1mm)、一个热耦连到所述钢板的不具有涂层的背侧上的Pt100或者Pt1000电阻器、一个安装在所述钢板背侧并封装铂电阻器的PVDF(聚偏氟乙烯)塑料板以及一个不锈钢盖板。白色标准传感器以相近的方式设计，区别在于在工作时面对光源的表面被涂为白色。与黑色标准传感器不同，黑色面板传感器包括在双侧都涂黑的金属板，并且没有PVDF绝缘材料。热敏电阻设置在背侧，周围没有绝缘材料。

为了能够为每个老化过程确定黑色标准温度，在现有标准的老化装置中均使用了黑色标准或者黑色面板传感器。黑色标准温度为材料试样表面温度的相关范围选定一个上限。另外，也常常使用白色标准传感器，其温度测量提供该范围的下限。因此可以界定试样温度，并且，如果需要，还可以把测量温度的算术平均值用作试样温度的最近似值。

现有的温度检测方法的缺点是，试样的表面温度不能足够精确地确定。现在对老化试验的可比性和可重复性的要求，使得对温度测量的准确性的要求很严格。现有的温度测量方法没有完全满足这些要求。

发明内容

因此，本发明的一个目的是在老化过程中，提高自然或人工老化试样的表面温度测量的准确性。

利用具有权利要求1的特征的方法，可以实现上述目的。其从属权利要求涉及优选的改进和实施例。利用具有权利要求9的特征的装置，也可以实现上述目的。

本发明的用于评价试样的气候依赖性老化的方法适用于自然和人工老化方法。本发明的一个主要思想是在老化过程中直接测量试样的表面温度。这可以通过非接触式温度测量方法来实现。

由于不象过去那样借助于诸如黑色和白色标准传感器来确定试样的表面温度，而是通过测量试样本身来确定其表面温度，所以可以在老化过程中更精确地测量表面温度。

这也避免了需要提供所述的黑色或白色标准传感器、或黑色面板传感器，并且也避免了在老化试验器中使用复杂的现有校准技术。

通过记录试样表面的黑体辐射并且根据所记录的黑体辐射的强度和/或光谱分布来确定表面温度，可以实现本发明的非接触式温度测量方法。这可以通过使用可商购的高温计来实现，该高温计至少在与目标温度范围对应的测量范围内被校准。该高温计可以以相对于试样的特定角度对准试样表面的测量点来使用，并且在相应的立体角度中由该测量点发出的黑体辐射可以被记录并由此来确定表面温度。

由于发出黑体辐射的试样的表面不具有理想的黑体辐射体的特性(ε＝1)，并且辐射系数ε总是小于1，所以如果要通过测量黑体辐射来实现非接触式温度测量，则原则上其必要条件是试样表面材料的辐射系数或辐射率是已知的。如上所述，由于高温计在一个特定的立体角度中记录黑体辐射，所以试样材料的辐射率的角度依赖性也应是已知的。

对于将要进行老化处理的试样和工件的辐射系数值，一方面，可以使用诸如来自于文献中以列表形式给出的试验值，也可以在进行实际的老化处理之前，通过合适的方法来确定试样的辐射系数。在本发明中，由于试样的实际辐射系数值已经被确定，所以能通过所记录的黑体辐射得到非常准确的表面温度。

即使试样材料的辐射系数没有预先通过试验方法确定，从而没有准确地知道试样材料的辐射系数，也能通过使用理论辐射系数值，并根据所记录的黑体辐射来比现有的方法更好地近似确定表面温度。而在现有方法中，通过使用黑色和白色标准传感器，只可以确定为在温度上限和下限之间的相对较大的一个范围。

在本发明的人工老化装置中，将要进行老化处理的大量试样通常被固定在封闭为环形的支架框上，该支架框围绕一个被设置在中心的诸如氙辐射器等辐射源进行旋转运动。用于记录黑体辐射的检测器例如高温计，可以设置在其中，使得它对准一个固定的测量点，在试样的圆形运动中，试样通过该测量点。对每一个试样存储其辐射系数值，使得能够根据其所发出的黑体辐射和其辐射系数来确定其表面温度。为了将由高温计记录的黑体辐射与特定的试样挂上勾，优选使用支架框的当前的角度位置。然后，利用为该试样存储的辐射系数值，从而根据所记录的黑体辐射来确定表面温度。

本发明的用于试样人工老化的装置具有：老化室，该老化室包括一个辐射源和一个用于支持将要进行老化处理的试样的支持装置；以及非接触式温度传感器。具体地讲，非接触式温度传感器是诸如(经校准的)高温计等黑体辐射检测器。

支持装置可以由封闭为环形的支架框以公知的方式形成，该支架框同心地围绕辐射源而设置，并且能围绕辐射源进行旋转运动。在本发明装置中，非接触式温度传感器优选静止并固定，使得它对准空间的一个固定区域。被保持在支架框上的一个或多个将要进行老化处理的试样，在支架框围绕辐射源进行旋转运动的过程中，周期性地穿过该固定区域，在每次穿过该区域时，它们被非接触式温度传感器测量。在使用黑体辐射检测器的情况下，试样每次穿过空间的固定区域时，在黑体辐射检测器的方向上发出黑体辐射，并且该黑体辐射被黑体辐射检测器记录。

如果温度传感器是黑体辐射检测器，则试样的辐射系数值可以被存储在与黑体辐射检测器连接的求值电路中。为了给出试样的表面温度，在某一试样的黑体辐射每次被记录时，其强度和/或光谱分布都被与相关的辐射系数值相关联。

利用支架框的角度位置，可以识别被当前定位在空间的固定区域中的试样。

以下利用一个示例性的实施例并且参考附图，来更详细地说明本发明。

附图说明

图1a、1b示出了本发明的老化试验器的纵剖视图(图1a)和俯视图(图1b)。

具体实施方式

安装一个封闭为环形的支架框2，使其能在老化室1中旋转，并且试样3或工件能被保持在其内壁上。具体地讲，支架框2具有圆形的横截面。被保持在老化室1的内壁上的氙辐射源4被定位在支架框2的圆筒轴和旋转轴上。氙辐射源4用于发出与自然的阳光辐射接近的辐射，并且对试样3进行照射。氙辐射源4被管状滤光器5(例如可为红外线滤光器)包围，该管状滤光器5是适用于所述的老化试验的管状滤光器。

在公知的方法中，老化室可能还有其他的人工老化仪器，例如湿度发生器等等，但由于这些仪器在本发明中不发挥实质作用，所以不进行详细地讨论。也可以向老化室1中吹入气流，并且使其在垂直方向上流过试样3。

优选安装支架框2使其能够旋转，并且使其旋转轴与氙辐射源4的轴一致，这样试样3实质上围绕氙辐射源4以圆形轨迹运动，并且与氙辐射源4保持恒定的距离。

在本示例性的实施例中，在老化室1的上壁上形成一个开口，使得高温计6能从外部装配在该开口中。作为一个可选方案，高温计也可以被完全安装在老化室1内的一个合适位置上。在图1 a所示的示例性实施例中，还示出了高温计6指向试样3的一个固定位置，并且记录由试样3发出的黑体辐射。因此，黑体辐射总是以相对于水平方向倾斜的角度被高温计6记录。

高温计6被安装在空间的一个固定区域，试样3在其圆形运动过程中周期性地穿过该区域。从俯视图1b中可以清楚地看到，由试样3发出的黑体辐射能在一定的时间间隔内被高温计6检测到，该时间间隔的长度由支架框2的旋转速度和试样3的宽度决定。在该时间间隔的末尾，可以由与高温计6连接的求值电路利用所存储的相应试样3的辐射系数、以及所记录的黑体辐射来计算表面温度。固定在支架框2上的试样3的辐射系数的值可以被存储在求值电路中。在记录了黑体辐射之后，为了找到所存储的试样3的辐射系数值，首先需要识别试样3。为此，可以以合适的方式决定支架框2的角度位置，并且预先针对支架框2的特定测量角度位置编辑一个表示哪一个试样3实际位于高温计6的固定测量区域中的表格。在测量时间窗(time window)之内识别了发出黑体辐射的试样3之后，为了由此获得试样3的表面温度，使与试样3对应的辐射系数值与黑体辐射的强度和/或光谱分布相关联。

在20～120℃的温度范围内，优选为8μm至14μm之间的测量区域校准高温计6。

在老化试验中，优选连续地记录每一个试样3的表面温度。

原则上，本发明的方法也可以用于其他的自然老化方法。另外，试样或工件可以被固定在支架框上，并且使之沿经过诸如高温计等温度传感器的封闭轨迹运动，这样就不需要为了指向不同的试样而总是变化高温计的对准。