测量装置

最近搭建了基于labview的介电测试系统，用advance research system的闭循环控温，信号跳动非常大，请问是哪些原因造成的？仪器震动的比较厉害的话是否会对测量造成影响？ 有没有在这方面有经验的，希望能够指点一二。附图是测试装置。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/01/201401081649_487147_2269306_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/01/201401081650_487148_2269306_3.jpg

当前，微机配料在水泥行业应用较为普遍，电子皮带秤常用荷重传感器(以下简称传感器)作测量元件。快速准确地判断荷重传感器是否失效，关系到迅速排除故障和确保计量准确。笔者在生产实践中制成一套传感器快速测量装置，较好地解决了荷重传感器现场判定好坏问题。 本装置由安放传感器的支架和加载荷用的吊架两部分组成。支架用长240mm，宽100mm，厚10mm钢板作平台，适当位置打个Φ8孔固定传感器用，支架腿用Φ18mm长600mm的圆钢4根，支架腿焊好后应使钢板平台呈水平状态，且能平稳放置。吊架部分用Φ18mm长140mm圆钢作水平压杆，中间打一小浅坑，用Φ10mm长400mm圆钢弯成“U”形，左右要对称，“U”形弯杆焊在水平压杆上。再用Φ6mm圆钢弯成问号形吊杆，挂至“U”形弯杆下，吊杆下端焊一圆盘，放置砝码用。整个吊架重量应为1kg。吊架放在传感器上时，水平压杆应能水平、平衡地压在传感器的受力头上，并且不碰传感器上盖。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/10/201210261100_399394_2627921_3.jpg图1　测量装置示意图根据常用传感器的量程大小，在质量技术监督部门购买1～10kg标准砝码若干个，准备带有mV档的高精度数字万用表1块，接线端子4个，在1.5m长的四芯屏蔽线上焊上放大箱用的插头。测量时，先固定好被测传感器，接好电源和信号线，插入放大箱，接通电源，无载荷时测量输出信号，如果此时输出信号很大，那么可判断传感器已经损坏。由于MF型传感器悬臂式受力架松动也有此现象，因此可重新固定好再测量。放上吊架后，每次增加与该传感器出厂检定报告(以下简称检定报告)相同的加载量，测量记录输出信号和加载量，加载到额定量程时为止，然后按与检定报告相等的减载量作减载测量，去掉吊架时输出信号也要记录。由自测记录与检定报告相比较，就能准确地判定被测传感器是否失效。注意事项：1)每次加载或减载都要轻拿轻放，吊架水平压杆始终水平地压在传感器受力头上。2)自测时电压应与检定报告所用电压相等。

TD8310永磁材料测试系统 由双极性直流磁化电源、磁测量装置、电磁铁、测试线圈或探头、系统级软件等组成，适用于测量各类型永磁材料的磁性能，并绘制相关磁特性曲线，具有操作便捷、测量快速、重复性/可靠性好等特点，非常适合各级计量单位、永磁生产或应用单位建立磁测量标准。参照标准： GB/T 3217-2013 、IEC 60404-5 等。[color=#0d0d0d]主要应用[/color]被测永磁种类：永磁铁氧体、铝镍钴、铁铬钴、稀土永磁等。被测样品形状：圆环、圆柱、圆饼、方块、瓦形 ( 需配夹具 ) 等 。被测磁性参数：剩磁 Br 、矫顽力 Hcb、内禀矫顽力 Hcj、最大磁能积 (BH)max 等。绘制磁性曲线：磁化曲线、退磁曲线、B-H / J-H 磁滞回线等。[color=#0d0d0d]主要功能特点[/color]具有专用的校准接线端钮，可通过高等级的电流表、磁通校准仪、标准特斯拉计对其进行校准。所有永磁的磁特性参数可直接溯源至电磁学基本量；保证测量数据的重复性、一致性、可比性和准确度。标准样品仅用于测量数据比对，不得用于对本装置进行校准。电磁铁标配的平极头直径为 Φ 130 mm，最大磁场达 1.5 T。若选用直径为 Φ 130 mm - 60 mm 的收缩极头，磁场可增大至 2.45 T。积分器零漂和霍尔探头的非线性误差影响小；使用 J 线圈测量时可对残匝面积进行补偿。磁化电源和磁测量装置集成于一台主机内，采用模块化设计，方便升级与维修。提供多种类型的测试线圈和探头，并可根据用户的样品尺寸进行定制。配备计算机软件，除设置参数和摆放样品外，磁化、退磁、测量等过程可自动完成，时间短；测量数据自动保存，报告包含完整的曲线图、测试结果、测试条件和样品参数，方便用户查看。[color=#0d0d0d]系统应用框图[/color][color=#0d0d0d][img=,662,630]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809291123382969_8069_3483812_3.png!w662x630.jpg[/img][/color][color=#0d0d0d]部分磁参数测量的再现性[/color][color=#0d0d0d][img=,689,142]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809291124073149_8434_3483812_3.png!w689x142.jpg[/img][/color][color=#0d0d0d]测量条件：测试温度：[/color][color=#0d0d0d]23[/color][color=#0d0d0d]℃[/color][color=#0d0d0d]± 5[/color][color=#0d0d0d]℃[/color][color=#0d0d0d]，样品尺寸应严格遵循[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]GB/T 3217-2013[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]的相关要求。[/color][color=#0d0d0d]备注：担保值为[/color][color=#0d0d0d]IEC[/color][color=#0d0d0d]相关标准中要求的值。[/color][color=#0d0d0d]励磁与测量技术指标[/color][color=#0d0d0d][img=,683,352]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809291124489769_2991_3483812_3.png!w683x352.jpg[/img][/color][color=#0d0d0d]全自动测量软件[/color][color=#0d0d0d]除放置样品和设置必要参数外，其余测量过程全自动完成，最大限度消除人工操作所带来的误差。[/color][color=#0d0d0d]自动测量磁特性参量：剩磁[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]Br[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]、矫顽力[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]Hcb[/color][color=#0d0d0d]、内禀矫顽力[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]Hcj[/color][color=#0d0d0d]、最大磁能积[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d](BH)max[/color][color=#0d0d0d]。[/color][color=#0d0d0d]自动绘制磁特性曲线：磁化曲线、退磁曲线、[/color][color=#0d0d0d]B-H / J-H[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]磁滞回线、温度特性曲线[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]([/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d]高温测试[/color][color=#0d0d0d] [/color][color=#0d0d0d])[/color][color=#0d0d0d]。[/color][color=#0d0d0d]界面主窗口通过直观显示磁化曲线，并且可随时中止测量过程。[/color][color=#0d0d0d]测量数据自动保存，报告包含完整的曲线图、测试结果、测试条件和样品参数。[/color][color=#0d0d0d]测试报告可按多种格式导出和打印；支持用户自定义模板。[/color][color=#0d0d0d]一般技术规格[/color]供电电源：AC ( 220 ± 22 ) V，( 50 ± 2 ) Hz工作环境： 0 ℃[color=#0d0d0d]～[/color]40 ℃，20% RH～80% RH装置尺寸：440 mm × 350 mm × 160 mm（长×宽×高）装置重量：约 11 kg通讯接口：RS232、ΦH、ΦB、霍尔探头接口

[size=16px][color=#ff0000]摘要：形状记忆合金（SMA）是一种先进的金属材料，其物理和机械性能本质上依赖于温度。为了快速和低成本的实现SMA相变温度和热滞后性能的测试表征，基于更灵敏的电阻温度依赖关系，本文提出了采用帕尔贴TEC加热制冷装置结合四电极电阻测量的解决方案。与传统的DSC法相变温度测试相比，这种帕尔贴形式的电阻温度法具有更高的灵敏度和快速变温速度，且被测样品装配简单，更适合MEMS的热表征，并且比DSC更具有成本优势。[/color][/size][align=center][size=16px] [img=TEC半导体加热制冷技术在形状记忆合金相变温度测量中的应用,550,320]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305141453488440_9957_3221506_3.jpg!w690x402.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#ff0000][b]1. 背景[/b][/color][/size][size=16px] 形状记忆合金（Shape Memory Alloys：SMA）是一种先进的金属材料，其物理和机械性能本质上依赖于温度。这种温度依赖性使得SMA作为致动器和/或传感器在工程应用中有着巨大潜力，因此需要研究作为温度函数的SMA行为，这对于开发基于SMA的热机械致动器至关重要。[/size][size=16px] 由于SMA中的相变是热触发，其行为与温度密切相关，任何的温度变化都会伴随着热性能和机械性能的显著变化，因此可以应用不同的技术来确定SMA中的相变温度。典型的相变温度测量使用的热分析技术主要包括差示扫描量热分析法（DSC）、差热分析法（DTA）和动态力学分析法（DMA），这些技术都有相应的商业化设备。然而，这些设备高昂的采购、安装和维护成本使得预算有限的机构无法实施。此外，这些设备需要使用消耗品，如载气（DSC）和冷却液（DMA中的液氮）。在SMA应用（如微致动器）的开发中，购买和专门使用这种商业设备来确定材料的相变温度可能会很昂贵，更不用说设备的使用率并不高。[/size][size=16px] 针对上述情况，特别是根据客户的要求，希望在尽可能短的测试时间内和尽可能低的成本下，从定性和定量的角度寻找非商业的替代测试方法和测试仪器以获得合适的物理信息来确定形状记忆合金致动器的相变温度，为此本文提出了相应的解决方案。[/size][size=18px][color=#ff0000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于形状记忆合金这类合金材料，其电阻值与温度有强烈的依赖性，大量研究表明通过测量电阻对温度的这种依赖性在一些影响晶格组织的结晶现象时往往会更加敏感，也就是说通过测量温度变化过程中的电阻变化来确定SMA相变温度，往往会比单纯测量温度和热流形式的DSC更加的灵敏。为此，本解决方案的核心是给SMA样品加载温度，并同时测量SMA样品电阻随温度的变化，由此来形状记忆合金的相变温度和热滞后。[/size][size=16px] 另外，形状记忆合金的相变温度普遍不高，一般都在-50~150℃温度范围内。为了在此温度范围内实现样品的温度变化，加热装置需具备以下几方面的功能：[/size][size=16px] （1）温度控制要具有很高的控制精度和速度，加热温度能很快的传递给被测样品，并同时能使被测样品具有很好的温度均匀性。[/size][size=16px] （2）温度变化要具备可控速率的线性升温和降温能力。[/size][size=16px] （3）加热装置简单，并便于安装被测样品和便于测量样品的电阻值。[/size][size=16px] 为满足上述加热装置的要求，本文提出的解决方案采用了TEC帕尔帖热电技术，即采用帕尔帖片对被测样品提供-50~150℃的温度变化，由此组成的测量装置结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][img=01.形状记忆合金相变温度测量装置结构示意图,690,226]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/05/202305141454517414_9874_3221506_3.jpg!w690x226.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=16px][color=#ff0000][b]图1 形状记忆合金相变温度测量装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，TEC模组的温度控制采用了一套TEC温度控制装置，包括TEC电源换向器和高精度PID可编程控制器，由此可实现TEC模组表面温度按照设定的程序曲线进行快速升温和降温。TEC模组的底面安装有散热器，图1中并未标出，为了提高散热效率一般采用循环水冷却散热器。[/size][size=16px] 为了测量SMA的相变温度和考核其稳定性，需要使用相同的加热和冷却速度来进行热循环测试，这就需要TEC模组的温度控制具有较高的精度和重复性。为此，本解决方案采用了高精度PID可编程控制，完全可以满足SMA相变温度测试的需要。[/size][size=16px] 如图1所示，被测SMA样品放置在TEC模组的表面，为减小接触热阻和保证温度均匀性，样品与TEC之间涂覆有相应的热界面材料。样品表面的温度由焊接在其上的热电偶进行测量，此热电偶作为控温热电偶，也可以同时再焊一根热电偶作为测温热电偶使用。SMA样品电阻测量采用了四电极法，即在样品上焊接四根铜电极分别作为内电极和外电极，四根电极连接到微欧计进行电阻测量，由此可以通过采集测温热电偶的温度数据和微欧计的电阻数据得到SMA样品的电阻温度变化曲线，并最终得到SMA样品的相变温度和热滞后性能。[/size][size=16px][color=#ff0000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本解决方案适用于形状记忆合金的电阻-温度特性曲线，并由此得到相应的相变温度和热滞后性能，帕尔贴模块能够在-50℃和150℃之间进行热循环，温度控制系统能够提供良好的冷却/加热响应。同时，本解决方案还具有以下特点：[/size][size=16px] （1）与相变温度的DSC表征相比，带有帕尔贴模块的电阻温度测量装置表现出更良好的性能，电阻对相变的响应更敏感和快速。[/size][size=16px] （2）帕尔贴模块具有更快和更准确的变温速度，这能够在使用不同的材料活化速率（加热/冷却速率）时对SMA的基本行为进行研究，这与典型的其他热分析技术相比，在具有同样的准确性和可靠性的同时，更能提供所需要的加热/冷却速度。[/size][size=16px] （3）采用帕尔贴模块形式的相变温度测量，其简单的结构可允许在有或没有机械应力的情况下表征铸态和纹理形状记忆合金，这在SMA微机电系统（MEMS）的热表征中有着重要作用。[/size][size=16px] （4）珀耳帖表征设备比典型的热技术成本低得多，而且这种TEC帕尔贴加热制冷方式还可用于形状记忆合金其他物理量的测量，如比热容、热导率和热膨胀系数测量。[/size][align=center][size=16px][b]~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/size][/align]

隔热材料的导热系数一般会采用防护热板法导热系数测试仪器来进行测量，防护热板法导热系数测试仪器一般都来自不同的渠道，有购置的商品化设备，有定制的设备，有自行研制的设备等。这些设备在验收和正式使用前，都需要进行测量装置的基本性能验证与考核，以保证测试设备符合标准测试方法的要求和达到测量不确定度要求。为了系统和有效的进行验证与考核，根据国标GB/T 10294-2008“绝热材料稳态热阻及其特性的测定 防护热板法”，制订了以下验证和考核内容。1. 仪器中与试样接触面的平整度考核 在任何操作条件下，工作表面的平整度均应优于0.025%。如下图所示，假定一个理想平面与板的表面在P点接触，表面上任何其他点B与理想平面的距离AB与A点到参考接触点P的距离AP之比应小于0.025/100。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015072222513288_01_3384_3.jpg表面偏离真实平面 工作表面的平整度用四棱尺或金属直尺检查，将尺的棱线紧靠被测表面，在尺的背面用光线照射棱线进行观察，可容易地观察小到25 的偏离，大的偏离可用塞尺或薄纸测定。 2. 测试仪器电气连接和自动控制器考核 将薄的、低热阻的试样装入装置内，并让整个装置在室温中与实验室空气热平衡，所有温度传感器指示的温度应很接近室温，检查每个温度传感器的噪声，用欧姆表检查所有电器的绝缘状况。 在加热单元的金属面板与计量单元或防护单元加热器的一条引线之间，加上加热单元加热器预期的最大工作电压（应无电流流过）。如果温度传感器的接地、屏蔽、电气绝缘正常，则温度传感器的读数不会产生波动。在装置工作温度的两端重复上述检查。在低于室温时，降低电气绝缘的一个常见的原因是湿度。在高温下，电气绝缘也会有较大的变化范围。 检查不平衡检测仪表和所有自动化控制仪器的噪声及漂移。 3. 温度测量系统考核 把装有试样的放护热板组件密封于空气调节箱内，调节冷却单元的温度为其使用范围内某一适当值。把箱体内部的环境温度控制到同一温度。 不向加热单元的计量加热器和防护加热器施加电功率。此时加热单元的温度必须与冷却单元温度一致，差异应在测量系统的噪声范围内。此外，防护单元温度与计量单元温度不平衡亦应在不平衡检测仪表的噪声范围内（这种均温布置也能用于检查热电堆）。可能产生错误结果的原因是由于空气调节箱的设计不良，装置的绝缘不良或温度传感器的布线和连接不当造成。 4. 护热温度不平衡误差考核http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015072223030430_01_3384_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015072223042493_01_3384_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015072223072425_01_3384_3.jpghttp://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2015072223084997_01_3384_3.jpg 不平衡检测装置的噪声和漂移必须小于在最恶劣试验条件下允许的最小不平衡电压值。 5. 热防护装置边缘热损失考核 当试样的厚度和热阻为最大，而试样的温差为最小时，边缘热损失使测量的误差最大。 检查时放入厚度和热阻接近最大设计值的试样，以设计的最小温差进行测定。测量防护单元的输入功率，它不应比理想一维条件下防护单元流过试样的热流量所需的功率相差太多。 然后必须用试验检验边缘热损失对测得的热性质的影响。可能时，唯一的直接方法是改变环境温度，观察防护单元加热器的功率和测定的热性质的变化。这项信息有助于确定任何形式的试样（均质的或非均质的，各向同性或非各向同性等）的环境温度允许漂移的范围。 当不可能改变环境温度时，确定边缘绝热或防护是否满足要求的有效方法是：在埋入试样边缘中心的薄金属片上焊上热电偶测量试样边缘中心的温度Te。 （Te-Tm）/ΔT 值应小于0.1，此处Tm 是试样的平均温度， ΔT是试样两侧的温差。本方法仅适用于均质材料。要得到最高准确度时，此值应小于0.02。 6. 装置工作面的热辐射率测量 按照标准测试方法的要求，在工作温度下，所有面板的工作表面的总半球辐射率应大于0.8。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/07/201507222317_556774_3384_3.jpg 7. 线性试验 装置讲过以上检查，满足要求后，装入一个（或一对）由热稳定的并且导热系数与温度成线性关系的材料制作的试样，如欧盟和美国标准机构的导热系数标准参考材料。在给定的平均温度下，以不同的温差如10K、20K 和 40K 测量导热系数，其结果应与温差无关。 以不同的平均温度重复这种检查。如果结果不理想，这有可能是边缘热损失和不平衡传感器的安装位置不合适的联合影响。 8. 综合性能检查 所有上述检查满足后，至少应对两套曾在国家认可的实验室标定过的，热性质稳定的材料进行测定。每套试样应在运行的温度范围内两个典型的平均温度下进行测定。所有测定宜在标定的90天内进行。若测定结果有差异，应详细研究其产生原因，采取恰当的措施将其消除。

[size=2]拉伸试验是材料力学性能测试中最常见试验方法之一。试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程。它具有简单易行、试样制备方便等特点。拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制以及设备的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值 不同国家的拉伸试验标准对[url=http://www.xxin17.cn/]试验机[/url]、试样、试验程序和试验结果的处理与修约的规定不尽相同，我们现在选取日本、美国与中国的金属材料拉伸试验标准进行比较 [/size][size=2]一、引伸计 [/size][size=2]表1. E 8/E 8M-08、A 370-07和ISO系标准对引伸计的规定 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/05/201005162032_218777_2034074_3.jpg[/img][/size][align=left]※ E 8/E 8M-08规定： 测量非比例延伸强度Rp、规定总延伸强度Rt和屈服点延伸率Ae，引伸计标距应小于等于试样的标距， 如果选用不带肩的试样，引伸计标距应小于试样夹持在[url=http://www.xxin17.cn/]试验机[/url]上时夹头间距离的80％。 测定断后伸长率A或断裂总伸长率At时，引伸计标距应等于试样的标距。 E 8/E 8M-08规定对于大多数金属材料测量屈服行为时，推荐的标定应变范围为0.2～2.0％。 除了下面所列内容，A 370-07对引伸计精度的规定与E 8/E 8M-08基本一致。 ※ A 370-07规定： 测定规定Rp时， 当非比例延伸大于等于0.2％时，应选用精度不低于±0.5％的引伸计（B2级及以上）在0.05～1.0％的应变范围进行标定； 当非比例延伸小于0.2％时，应选用精度不低于±0.25％的引伸计（B1级及以上）在0.05～1.0％的应变范围进行标定或者选用精度不低于±0.5％的引伸计（B2级及以上）并且降低标定应变范围下限（例如降低至0.01％）。 测定规定总延伸强度Rt时，应选用精度不低于±0.25％的引伸计（B1级及以上）。 ※ ISO系标准规定： 测量屈服行为时，引伸计标距应不小于试样的标距的1/2， 测定断后伸长率A或断裂总伸长率At时，引伸计标距应等于试样的标距。 表1是 E 8/E 8M-08、A370-07和ISO系标准对引伸计的规定，由表1可见：对于引伸计的要求，ASTM标准的要求普遍较ISO系标准标准严格，并且给出了进行相应测量时引伸计的标定范围。ISO系标准标准给出测量屈服行为时引伸计标距的下限有助于减少测试时的争议。 二、 试样尺寸测量装置 [align=center]表2. E 8/E 8M-08、A 370-07和ISO系标准对试样尺寸测量装置的分辨力规定 [/align][align=center][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/05/201005162033_218778_2034074_3.jpg[/img][align=left][size=2]表2是E 8/E 8M-08、A370-07和ISO系标准对试样尺寸测量装置的分辨力规定。由表2可见，ASTM标准和ISO系标准对试样尺寸测量装置的分辨力要求相近；对于板材试样宽度，A 370-07的要求比E 8/E 8M-08低（0.13vs0.02mm）。 除表2的规定外，对于最小尺寸小于0.5mm的试样E8/E 8M-08规定：如果可能分辨力不大于试样的最小尺寸的1％。 [/size][size=2] 对于非对称全截面试样，使用称重法时，E 8/E 8M-08规定试样长度大于横截面上最大尺寸的20倍，试样质量测量精度应不小于0.5％。 [/size][/align][/align][/align]

[align=center][size=18px][color=#000099]高温半球发射率测量装置真空腔体温度均匀性的有限元热仿真分析[/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#999999]Finite Element Thermal Simulation Analysis of the Temperature Uniformity of the Vacuum Chamber of the High-Temperature Hemispheric Emissivity Measurement Device[/color][/size][/align]摘要：在高温半球发射率测量装置中，真空腔体温度均匀性是保证半球发射率测量精度和测试设备安全运行的重要技术参数。本文介绍了采用SolidWorks软件对水冷真空腔体上各处法兰温度分布的有限元计算过程和获得的结果，以指导确定真空腔体设计参数和制造工艺的确定。关键词：半球发射率,有限元,热仿真,温度均匀性,真空腔体,高温,测量装置,法兰, Hemispherical emissivity, finite element, thermal simulation, temperature uniformity, vacuum chamber, high temperature, measuring device, flange[align=center][img=高温发射率测量,690,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290630151571_4563_3384_3.png!w690x338.jpg[/img][/align]　　[size=24px][color=#000099]1. 问题的提出[/color][/size]　　在采用稳态量热法测量材料高温半球发射率过程中，要求被测样品处于高真空环境中，作为量热计的真空腔体始终恒定在较低温度（如水温或液氮温度），真空腔体内表面要保持较高的发射率数值，从而保证作为量热计的真空腔体是一个黑体能吸收样品辐射出的所有热量。　　在高温半球发射率测量装置中，真空腔体的冷却和温度控制方式是在真空腔壁内部布置流道让冷却介质（水或液氮）按照一定方式进行流动，并由此带走腔壁吸收的热量并使得腔壁温度始终恒定。但由于真空腔体上还布置有各种法兰（如引线法兰、抽气法兰和炉门法兰等），这使得真空腔壁内部流道就要绕开这些法兰，造成冷却液并不能直接冷却到这些部件，这些法兰吸收和积累的热量就需要通过法兰材料自身的热传导方式将热量传递给冷却液，由此往往会在这些法兰部件上形成比真空腔体其他位置更高的温度。为了保证高温半球发射率测量装置的安全性和测量准确性，在设计过程中需要准确了解这些法兰处的温度分布并进行优化。　　本文将介绍水冷真空腔体上各处法兰温度分布的计算过程和获得的结果，以指导确定真空腔体的具体参数和制造工艺设计。[color=#000099][size=24px]2. 热仿真模型[/size][size=18px]2.1. 常规模型[/size][/color]　　高温半球发射率测量装置的主要结构是一个卧式水冷真空腔体，双测开门。真空腔体的外径为840mm，长度为800mm，两侧腔门直径为920mm。腔体和腔门都为双层不锈钢结构，中间布置冷却水流道，腔体和腔门的总壁厚都为20mm，腔体和腔门分别独立水冷。被测样品悬挂在真空腔体的中心位置，最大样品尺寸为直径100mm×12mm。　　针对上述规格尺寸的高温半球发射率测量装置建立热仿真模型，建模和仿真计算采用SOLIDWORKS软件。为了简化计算工作量，针对此对称结构的真空腔体，在一半真空腔体的基础上建立热仿真模型，如图2-1所示。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,690,344]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635288234_3762_3384_3.png!w690x344.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图2-1 仿真模型及其剖面图[/color][/align]　　如图2-1所示，在热仿真建模中做了以下几方面的设计假设：　　（1）对于外径840mm、长度400mm、壁厚20mm的一半真空腔体，假设水流道直接覆盖的区域长度为350mm，剩余50mm为“侧壁无水冷段”，此段上的热量完全靠不锈钢材质的导热传递给冷却液。　　（2）同样，对于外径920mm、厚度20mm的腔门，假设水流道直接覆盖腔门的中心区域，此水冷区域直径为720mm，剩余宽度为100mm的实心圆环为“腔门的无水冷段”，此段上的热量完全靠不锈钢材质的导热传递给冷却液。　　（3）真空腔体和腔门之间设计有一个腔门法兰，用于放置密封圈和安装腔门转动合页。此腔门法兰无任何水冷，热仿真模型设计为宽度为100mm、外径为920mm的圆环。　　（4）模型中样品尺寸为直径100mm、厚度6mm的圆片，为实际最大样品尺寸的一半。为计算出样品最大辐射能力时对无水冷部件的影响程度，样品温度设置为最高温度1200℃，样品热辐射面（表面和侧面）的半球发射率设置为1，样品背面为绝热面。　　（5）整个真空腔体和腔门的内壁，都涂有高发射率黑色涂料，在热模型中它们的表面发射率也都设置为1。水冷侧壁和水冷腔门温度设置为水冷温度20℃。模型中所有材质设计为304不锈钢，由于真空腔体自身温度不会处于高温状态，所以模型中不锈钢的热物理性能参数都采用常温数据。　　（6）对于高温半球发射率测量装置而言，测试过程中真空腔体内部始终为0.001Pa量级的高真空，因此真空腔体内部的传热形式设定为只有辐射传热，样品上的热量只通过热辐射形式传递给侧壁、法兰和腔门。[size=18px][color=#000099]2.2. 简化模型[/color][/size]　　为进一步减小网格尺寸和提高热仿真精度，将上述模型进行了简化，即去掉占用面积最大的水冷部件（水冷侧壁和水冷腔门），将于水冷侧壁和水冷腔门接触部件的接触面温度设定为20℃恒温。由此得到的简化后模型如图2-2所示，这种简化后的仿真模型只考虑高温样品对无水冷部件的辐射加热，最终得到无水冷部件在1200℃高温样品辐照下达到的最高温度。[align=center][img=高温发射率测量,690,574]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635418127_4767_3384_3.png!w690x574.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图2-2 简化后热仿真模型[/align][size=18px][color=#000099]2.3. 增加引线法兰后的模型[/color][/size]　　在实际高温半球发射率测量装置中，在水冷腔门上安装有引线法兰和抽气法兰，而循环水冷直接触及这些法兰，在1200℃高温样品辐照时会使得这些法兰温度升高。为了解这些法兰在高温辐照时温度升高的最大温度，专门在上述第二种简化模型的基础上增加了两个引线法兰，如图2-3所示。同样，在此模型中，去掉了面积最大的水冷部件，但水冷接触面处同样需要设定20℃恒温。[align=center][img=高温发射率测量,690,505]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290635531233_8765_3384_3.png!w690x505.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图2-3 增加引线法兰后的简化模型[/align][size=24px][color=#000099]3. 热仿真结果[/color][/size]　　对于上述三种仿真模型分别进行了有限元计算。[size=18px][color=#000099]3.1. 常规模型仿真结果[/color][/size]　　对于图2-1所示的第一种常规模型，采用稳态形式进行了有限元计算，有限元网格形成则采用标准网格和自动过渡形式，最终热仿真结果如图3-1所示。从图3-1所示仿真结果可以看出，水冷区域温度始终处于20℃，无水冷区域会有一定温升，温升最高处位于腔门和法兰的边缘位置，最高温度为29.5℃，即温度比水冷温度升高了近10℃。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,690,533]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636108069_1760_3384_3.png!w690x533.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图3-1常规模型仿真结果[/color][/align][align=center][color=#000099][/color][/align][align=left][size=18px][color=#000099]3.2. 简化模型仿真结果[/color][/size][/align]　　对于图2-2所示的第二种仿真模型，采用稳态形式进行了有限元计算，有限元网格形成则采用基于曲率的网格，最大单元大小和最小单元大小都设置为20mm，最终热仿真结果如图3-2所示。从图3-2所示仿真结果可以看出，水冷区域接触面温度始终处于20℃，无水冷区域会有一定温升，温升最高处同样位于腔门和法兰的边缘位置，最高温度为29.3℃，即温度比水冷温度升高不到10℃，与常规模型仿真结果相差0.2℃。[align=center][color=#000099][img=高温发射率测量,630,585]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636218021_996_3384_3.png!w630x585.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#000099]图3-2 简化模型仿真结果[/color][/align][size=18px][color=#000099]3.3. 增加引线法兰后的简化模型仿真结果[/color][/size]　　对于图2-3所示的第三种仿真模型，采用稳态形式的有限元计算，有限元网格形成则采用基于曲率的网格，最大单元大小和最小单元大小都设置为20mm，最终热仿真结果如图3-3所示。　　从图3-3所示仿真结果可以看出，水冷区域接触面温度始终处于20℃，无水冷区域会有温升。其中腔门法兰和腔门边缘处温升还是与简化模型结果一致，最高温度为29.2℃。增加引线法兰后，中心引线法兰圆心处温度最高，达到了55.5℃，温升达到了25.5℃；而底部引线法兰中心处温度最高为42.4℃，温升达到了22.4℃。由此可见，腔门上的引线法兰会给真空腔体的整体温度均匀性带来严重影响，这就要求在真空腔体法兰的设计中设法规避这种现象。[align=center][img=高温发射率测量,690,634]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/09/202109290636320070_2959_3384_3.png!w690x634.jpg[/img][/align][color=#000099][/color][align=center]图3-3 增加引线法兰后的模型仿真结果[/align][size=24px][color=#000099]4. 总结[/color][/size]　　通过对高温半球发射率测量装置中真空腔体的建模，针对不同模型进行了有限元热仿真计算，得到以下结论：　　（1）对于现有尺寸和结构形式的双侧开门卧式真空腔体，如果冷却循环水控制在20℃时，样品温度处于高温1200℃，腔门边缘处无水冷区域内的最高温度不会超过30℃，此10℃的温升可以忽略不计，对设备的测试和安全运行没有影响。　　（2）为了保证测量装置的加工和运行的便利性，会在两个腔门上布置各种引线法兰和抽气法兰。如果这些法兰的无水冷区域为直径200mm尺寸，那么距离高温1200℃样品最近处的法兰中心温度会达到近56℃，其他位置处的法兰中心温度也会达到42℃左右，这将严重影响真空腔壁温度的整体均匀性，因此在设计和制造中必须设法解决此问题。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]