铱金属管黑体腔高温传感器发射率研究

随着航空航天技术的飞速发展，对高温气流温度测量的要求越来越高。由于航空发动机性能的不断提高，需要对燃烧室出口的气流温度及其分布进行准确测量 .2 J，这对于全面评价燃烧室性能、计算燃烧效率、保证航空发动机可靠工作至关重要。

在高温气流的温度测量方面，国内主要还是使用水冷或气冷的高温热电偶测量耙 J。-方面这些带冷却的温度传感器由于导热和辐射引起的误差是非常大的；另-方面对高推重比的发动机，气流温度已经超过这些温度传感器的测温上限，不能满足使用要求。

综上所述，本文研究铱金属管黑体腔高温传感器，用于高温气流温度场的测量，同时利用现场被测气流场作为热源，对温度传感器进行现场校准。

l 铱金属管黑体腔的设计1.1 材料选择温度传感器的温度使用上限为2300K，需要黑体空腔材料的熔点比较高，而且是在高速运动的气流中使用，需要黑体空腔材料具有较好的高温力学性能，另外 ，从收集辐射能量的角度来说，还希望材料具有相对较高的表面发射率，所以可供选择的材料不多，满足上述要求的材料包括-些高温陶瓷和金属。高温陶瓷材料包括 ZrO 、BeO等，金属材料包括铱 (Ir)、钨 (w)等。BeO是-种有毒的物质，不 能采用；ZrO 在温度变化时，会发生相变，从而引起比容的变化，导致材料产生裂纹，所以也不是-种理想的黑体空腔材料；金属钨熔点高，但仅适用于还原性和中性环境，所以也无法采用。基于以上分析，采用金属铱。铱的熔点是 2410℃，密度 22.65g/cm 。铱质硬而脆，在高温下使用时塑性优于常温，可以较好地用于高温气流的测量。

1.2 结构设计黑体腔的基本形状是圆锥形、圆柱形和球形，如图 1所示，也常用这几种基本形状的组合。

图1 黑体腔的基本形状图目前黑体腔较多采用的是圆柱形，由于金属铱是- 种硬而脆的材料，给加工造成了极大的困难。对于圆筒状铱的加工工艺，有两种可供考虑的加工方法：铱板卷筒和铱棒电火花打孔。当筒的内径与壁厚之比大于8时，卷筒可以实现；当筒的内径与壁厚之比在6-8之间时，卷筒的实现存在-定风险；而当筒的内径与壁厚之比小于6时，卷筒则无法实现。电火花打孔的方法，首先要加工出圆棒 ，但是直径 4：6mm以下的圆棒无法加工，而本文所涉及的黑体腔直径，从测量的角度来说不能超过 5mm，所以电火花打孔的方法也无法实现。

由于圆柱形黑体腔无法加工，同时考虑到空间布置的问题，所以拟采用三棱柱形黑体腔。先加工三块长板，然后将三块长板焊接起来，并将-端封住，形成盲端。三棱柱形黑体腔的横断面如图2所示。

为提高测温的空间分辨力，希望黑体腔的横断面较小，而从加工的角度来说，则希望黑体腔的横断面较大，综合考虑这些因素，取内腔的边长为4.2mm，考虑到静态分度，融体腔的长度为400mm。

[收稿日期]2012-12-27[作者简介]常 蕾 (1983-)，女，辽宁义县人，硕士，毕业于燕山大学，从事特种测温专业研究工作。

工业计量 2013年第23卷第3期MEASUREMENT EQUlPMENT AND APPLICATION图 2 三棱柱形黑体腔的横断面示意图2 铱金属管黑体腔发射率计算采用有限元法计算三棱柱形铱黑体腔的发射率。

2.1 计算模型的选择黑体腔腔体与接受面之间的辐射换热属于稳态传热过程，在稳态传热过程中辐射换热系统的热净流率为0，也就是流出系统的热量等于流人系统的热量与系统 自身产生的热量之和4 ]。辐射换热系统的热稳态过程可表示为：Qi Q -Q。 0黑体空腔腔体与接受面之间的辐射换热系统处于热稳态时，系统内任-节点的温度都不会随时间的变化而变化。用于分析热稳态的能量平衡方程为：[ ]TQ式中：[K]为传导矩阵； 为节点温度向量；Q为节点热流率向量，包含生热率。

采用具有热辐射分析能力的 SHELL57壳单元构建三棱柱铱黑体腔有限元模型。SHELL57壳单元是-个3D单元，该单元能够处理面内热传导。作为3D单元SHELL57有4个节点，每个节点处可以设置不同厚度系数和单-的温度自由度，图3为该单元的几何图形。

zu三八 --J有两点重合时图3 SHELL57的几何图形图三棱柱铱黑体腔腔体内部与接受面之间的辐射属于面与面之间的辐射，采用 SHELL57单元构建黑体空腔与接受面之间的辐射换热模型，设置材料的导热系数，以产生角系数矩阵，并采用非隐藏法计算角系数，建模时尽量设定空间节点，空间节点可用于接收辐射到外层空间的辐射能。

2.2 黑体腔发射率的计算计算腔体发射率，当三棱柱形铱黑体腔的外接圆直径为4.8mm，腔长为 400ram，铱黑体腔的材料发射率为0.268时，铱黑体腔的发射率为0.8814；当圆柱形铱黑体腔的直径为4.8mm，腔长为400ram，铱黑体腔的材料发射率为0.268时，铱黑体腔的发射率为0.8185。

表 1 三棱柱形和圆柱形腔体发射率比较表黑体腔种类 腔口有效发射率三棱柱形 0.8814圆柱形 0.8185通过比较可知：三棱柱形铱黑体腔的外接圆直径与圆柱形铱黑体腔的直径和腔长相同时，三棱柱形铱黑体腔的发射率较大。

三棱柱形铱黑体腔的外接圆直径为4.8mm，腔体长度不同发射率随之变化，采用有限元法计算腔长为100～450mm时，三棱柱形黑体腔的腔口有效发射率，如表2所示。

表 2 三棱柱形黑体腔体发射率表1001502002503003504004500.86700.86920.87080.87290.87550.8784O.88140.8846通过表2得：腔体越长，腔口有效发射率越大，考虑到制作工艺及静态分度的问题，腔体长度定为dOOmm。

3 结论铱金属管黑体空腔高温传感器广泛用于航空发动机燃烧室高温气流温度场的测量。本文采用有限元法分析铱金属管黑体腔的发射率，为铱金属管黑体腔高温传感器的优化设计提供了方便直观的建模方式。通过圆柱形和三棱柱形腔体发射率的比较及三棱柱形腔体长度对发射率影响的计算可以得到：三棱柱形黑体腔的腔体发射率大于圆柱形黑体腔的腔体发射率，三棱柱形黑体腔的腔体长度越长腔体发射率越大。铱金属管黑体腔的腔体发射率较高，高温下耐温性较强，可用于高温气流的温度测量。