專利名稱：粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明的技術方案涉及材料的紅外輻射性能的測試，具體地說是粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法。
背景技術：
隨著對粉體材料紅外線輻射性能的深入研究，其在軍事、工業(yè)和醫(yī)療等方面的應用也日益增加。對于粉體紅外材料，紅外發(fā)射率是影響其紅外輻射性能的一個重要參量。因此，紅外發(fā)射率的測量裝置對粉體材料的研究也起到至關重要的作用?，F(xiàn)有技術中，常采用傅里葉變換紅外光譜儀法來測試電氣石礦物粉體材料的遠紅外發(fā)射性能，但由于傅里葉變換紅外光譜儀價格昂貴，測試方法繁瑣，一般只適用于高校及科研院所等研究機構，而市場上一些簡易的紅外輻射測試裝置又不適用于電氣石等礦物粉體材料的測量。因而，現(xiàn)有技術均不適用于工礦企業(yè)對礦物粉體材料資源進行現(xiàn)場探測，也不利于粉體材料紅外發(fā)射率測試裝置和方法的進一步產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法，該裝置造價低，使用方法方便，對粉體材料紅外發(fā)射率的測試結果準確，便于工礦企業(yè)對礦物粉體材料資源進行現(xiàn)場探測及粉體材料紅外發(fā)射率測試裝置和方法的進一步產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。
本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是 粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，由恒溫加熱裝置、溫度測量裝置和樣品承載裝置三部分構成，其中恒溫加熱裝置由溫度控制儀、加熱板、包有金屬外殼的PT-100熱電阻和電阻調節(jié)器組成，包有金屬外殼的PT-100熱電阻固定在加熱板的下表面上，溫度控制儀的控制端設有三個接點，其中一個輸出接點與加熱板直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器相連，電阻調節(jié)器再與加熱板串連，溫度控制儀設有220V交流電輸入插頭；溫度測量裝置由溫度顯示儀及上表面帶有隔熱橡膠塊的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻組成，該包有金屬外殼的PT-100熱電阻被固定在鐵制樣品槽的一個立側面上，并與溫度顯示儀相連，溫度顯示儀設有220V交流電輸入插頭；樣品承載裝置由長寬大小正好放在加熱板上的鐵制樣品槽組成。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其中所述的加熱板由直徑80～100μm的鎢絲電阻絲均勻纏繞，外包不銹鋼板制成，其長度為6～8cm，寬為4～6cm，加熱功率為80～100W。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其中所述的鐵制樣品槽的長為6～8cm，寬為4～6cm，高為1～1.5cm。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其中所述的隔熱橡膠塊的長為1～1.5cm，寬為1～1.5cm，高為0.6～0.8cm。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其中所述的固定方法是一般的粘接或焊接，相連是用導線連接；溫度顯示儀、溫度控制儀、電阻調節(jié)器和包有金屬外殼的PT-100熱電阻均為現(xiàn)有技術產(chǎn)品，可通過商購得到。
粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其步驟如下 第一步，粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的組裝 將一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻固定在加熱板的下表面上，設有220V交流電輸入插頭的溫度控制儀的一個輸出接點與加熱板直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器相連，電阻調節(jié)器再與加熱板串連；上表面帶有隔熱橡膠塊的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻被固定在鐵制樣品槽的一個立側面上，并與設有220V交流電輸入插頭的溫度顯示儀相連；在加熱板上放置一個長寬大小正好的鐵制樣品槽，由此組裝成粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，以備下述步驟使用； 第二步，預備工作 將第一步組裝好的粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置中的溫度控制儀的溫度設定為80℃，接通其電源，轉動電阻調節(jié)器控制加熱板的升溫速度，開始時的升溫速率為5～6℃/min，10min后穩(wěn)定升溫速率在0.3～0.5℃/min，預熱30min后切斷電源； 第三步，標準粉體材料的測試 選擇兩種與待測試粉體材料材質相同、熱傳導系數(shù)λ相等并且紅外發(fā)射率ε分別為已知的ε甲和ε乙的粉體材料甲和粉體材料乙，制作成標準粉體材料甲和標準粉體材料乙，使其粒度與待測試粉體粒度相等，在對流換熱系數(shù)α、粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件下分別進行標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的如下測試操作將被測試的標準粉體材料甲或標準粉體材料乙放入鐵制樣品槽中壓平實，置于加熱板上，使上表面帶有隔熱橡膠塊的PT-100熱電阻充分與該標準粉體材料的表面接觸，同時接通溫度顯示儀和溫度控制儀的電源，置于加熱板上的被測試標準粉體材料開始升溫，溫度顯示儀記錄該被測試標準粉體材料升溫過程的溫度數(shù)據(jù)，每隔2min記錄一次，當溫度穩(wěn)定后停止記錄，并繪制升溫曲線，由此測得最終穩(wěn)定后的被測試標準粉體材料的上表面溫度tw2，即兩次分別測試得到最終穩(wěn)定后標準粉體材料甲的上表面溫度是tw2甲和最終穩(wěn)定后標準粉體材料乙的上表面溫度是tw2乙，粉體材料的下表面溫度tw1均為加熱板的溫度80℃，環(huán)境溫度tf均為室溫20℃； 第四步，確定待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式 由熱力學平衡方程導出粉體材料紅外發(fā)射率與其表面溫度關系式如下
式中，λ為待測試粉體樣品的熱傳導系數(shù)，α為環(huán)境對流換熱系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)(σ＝5.67×10-8w/(m2·k2))，δ為待測試粉體樣品的粉體厚度，tf為環(huán)境溫度，tw1為粉體材料的下表面溫度即為加熱板的溫度，tw2為測量得到的待測試粉體材料的最終穩(wěn)定后的上表面溫度，進一步將(I)式簡化如下 令k1＝λtw1/δ+atf；k2＝λ/δ+α，將上式簡化為 將上述第三步中測得的標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的最終穩(wěn)定后兩種標準粉體材料的上表面溫度tw2甲和tw2乙，及已經(jīng)已知的標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的紅外發(fā)射率ε甲和ε乙分別代入上述簡化式(II)中，得到如下二元一次方程組
解上述二元一次方程組，求得系數(shù)k1和k2的值分別為K1和K2，將K1和K2代入(II)式得到待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式為 第五步，待測試粉體材料紅外發(fā)射率測試和計算 將待測試粉體材料在與標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件和測試方法下，進行上述第三步的操作，并將測得的最終穩(wěn)定后的待測試粉體材料的上表面溫度tw2代入上述待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式(III)中，即計算出該待測粉體材料紅外發(fā)射率ε。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，在第五步的操作中，將已經(jīng)測量完畢的粉體材料更換為其他同類且同粒度的待測試粉體材料，由此測試得到更換的其他同類且同粒度待測試粉體材料紅外發(fā)射率ε，由此完成多個同類且同粒度的待測試粉體材料紅外發(fā)射率的連續(xù)測試。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其中所述的加熱板由直徑80～100μm的鎢絲電阻絲均勻纏繞，外包不銹鋼板制成，其長度為6～8cm，寬為4～6cm，加熱功率為80～100W；所述的鐵制樣品槽的長為6～8cm，寬為4～6cm，高為1～1.5cm；所述的隔熱橡膠塊的長為1～1.5cm，寬為1～1.5cm，高為0.6～0.8cm。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其中所述的固定方法是一般的粘接或焊接，相連是用導線連接；溫度顯示儀、溫度控制儀、電阻調節(jié)器和包有金屬外殼的PT-100熱電阻均為現(xiàn)有技術產(chǎn)品，可通過商購得到。
上述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法的第三步中，所述選擇的粉體材料甲和粉體材料乙與待測試粉體材料的熱傳導系數(shù)λ“相等”，是指三者是熱傳導系數(shù)僅相差為0.01～0.02W/m.K的同類且同粒度的粉體材料，它們的熱傳導系數(shù)λ被認定為“相等”(以下實施例中相同)；標準粉體材料紅外發(fā)射率ε的已知數(shù)值，是通過FTIR(即傅里葉變換紅外光譜儀法)測試其紅外輻射能量與黑體的輻射能量相比而得到的，這一方法在上述背景技術部分已經(jīng)提及，是公知并通常使用的。再則，許多用作標準粉體材料紅外發(fā)射率ε是早已被測定公知的。
本發(fā)明的有益效果是 (1)本發(fā)明的設計原理 由熱源向物體進行能量傳遞的方式有傳導、對流和輻射三種。傳導是物體內部由高溫部分向低溫部分進行移動的一種熱傳遞現(xiàn)象；對流是通過液體和氣體的流動進行的熱傳遞現(xiàn)象；而輻射則是以電磁波的形式由熱源直接向物體傳遞熱量的熱傳遞現(xiàn)象。因此，在熱輻射的情況下，傳遞是直接地和瞬時間進行的，不需要有中間的加熱介質，其熱效率也最高。
假設待測粉體材料的初始溫度T相同，依Wt＝εσT4公式，其中紅外發(fā)射率ε大的粉體材料輻射出的能量就大，投射到吸收體的能量也就大，轉化為吸收體的溫度就高，而對于粉體材料本身，穩(wěn)定后的表面溫度就較低。本發(fā)明的設計原理就是基于待測粉體材料的紅外輻射強度與其表面溫度的關系，采用專門設計的粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置來測量粉體材料紅外發(fā)射率。
(2)本發(fā)明的理論模型 如附圖2所示，根據(jù)傳熱學原理，加熱板、待測粉體材料及環(huán)境間進行的熱量傳遞平衡方程式為 Q傳導＝Q對流+Q輻射 (I’) Q傳導為熱傳導的熱量，Q對流為熱對流的熱量，Q輻射為熱輻射的熱量， 將(I’)式展開為
其中，λ為熱傳導系數(shù)，α為對流換熱系數(shù)，σ為玻爾茲曼常熟(σ＝5.67×10-8w/(m2·k2)，tf為環(huán)境溫度，tw1為粉體材料的下表面溫度，tw2為被測試粉體材料最終穩(wěn)定后的上表面溫度，δ為粉體厚度。由式(I)可以得到紅外發(fā)射率和粉體材料表面溫度的關系。
由于粉體的熱傳導系數(shù)λ難以測量，環(huán)境的對流換熱系數(shù)α變化較大難以確定，因此對(I)式進行簡化，令k1＝λtw1/δ+atf；k2＝λ/δ+α，將上式簡化為 這樣，在未知測量粉體的熱傳導系數(shù)λ和環(huán)境的對流換熱系數(shù)α的情況下，用簡化式(II)，通過測試待測試粉體材料的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2來計算其紅外發(fā)射率ε。這是本發(fā)明方法的創(chuàng)新點之一。
(3)本發(fā)明的粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置是一種首創(chuàng)的發(fā)明，結構簡單，組成部件容易得到，價格都比較便宜，其測試方法容易操作，對粉體材料紅外發(fā)射率的測試結果較準確，便于工礦企業(yè)對礦物粉體材料資源進行現(xiàn)場探測及粉體材料紅外發(fā)射率測試裝置和方法的進一步產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。
下列實施例進一步說明了本發(fā)明的有益效果。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測量粉體材料的熱量傳遞示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例1中測量粒度D50為3μm的標準電氣石粉體材料甲3和標準電氣石粉體材料乙3的升溫曲線。
圖4是本發(fā)明實施例1、2和3中分別測量待測試粉體材料為粒度D50為3μm的三種不同礦區(qū)的電氣石粉體材料的升溫曲線。
圖5是本發(fā)明實施例4中測量粒度D50為9μm的標準電氣石粉體材料甲9和標準電氣石粉體材料乙9的升溫曲線。
圖6是本發(fā)明實施例4、5和6中分別測量待測試粉體材料為粒度D50為9μm的三種不同礦區(qū)的電氣石粉體材料的升溫曲線。
圖7是本發(fā)明實施例7中測量粒度D50為3μm的標準石英粉體材料丙3和標準石英粉體材料丁3的升溫曲線。
圖8是本發(fā)明實施例7和8中分別測量待測試粉體材料為粒度D50為3μm的兩種不同礦區(qū)的石英粉體材料的升溫曲線。
圖中，1.溫度顯示儀，2.溫度控制儀，3.電阻調節(jié)器，4.包有金屬外殼的PT-100熱電阻，5.加熱板，6.鐵制樣品槽，7.隔熱橡膠塊。
具體實施例方式 圖1表明，本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的構成是包有金屬外殼的PT-100熱電阻4固定在加熱板5的下表面上，溫度控制儀2的控制端設有三個接點，其中一個輸出接點與加熱板5直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻4直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器3相連，電阻調節(jié)器3再與加熱板5串連，溫度控制儀2設有220V交流電輸入插頭，上表面帶有隔熱橡膠塊7的包有金屬外殼的PT-100熱電阻4被固定在鐵制樣品槽6的一個立側面上，并與溫度顯示儀1相連，溫度顯示儀1設有220V交流電輸入插頭，鐵制樣品槽6正好放在加熱板5上。溫度控制儀2、加熱板5、包有金屬外殼的PT-100熱電阻4和電阻調節(jié)器3組成了本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的恒溫加熱裝置部分；溫度顯示儀1及上表面帶有隔熱橡膠塊7的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻4組成本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的溫度測量裝置；鐵制樣品槽6組成本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的樣品承載裝置。
圖1所示實施例中，其中的加熱板5由直徑為80～100μm的鎢絲電阻絲均勻纏繞，外包不銹鋼板制成，其長度為6～8cm，寬為4～6cm，加熱功率為80～100W；鐵制樣品槽6的長為6～8cm，寬為4～6cm，高為1～1.5cm；隔熱橡膠塊7的長為1～1.5cm，寬為1～1.5cm，高為0.6～0.8cm。
圖1所示實施例中，其中所述“固定”方法是一般的粘接或焊接，“相連”方法是用導線連接；溫度顯示儀1、溫度控制儀2、電阻調節(jié)器3和PT-100熱電阻4均為現(xiàn)有技術產(chǎn)品，可通過商購得到。
圖2是本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測量粉體的熱量傳遞示意圖。根據(jù)傳熱學原理，加熱板、待測粉體材料及環(huán)境間進行的熱量傳遞平衡方程式為 Q傳導＝Q對流+Q輻射 圖2中，Q為熱傳導的熱量Q傳導，Qc為熱對流的熱量Q對流，Qr為熱輻射的熱量Q輻射，tf為環(huán)境溫度，tw1為粉體材料的下表面溫度，tw2為被測試粉體材料最終穩(wěn)定后的上表面溫度，δ為粉體厚度。
實施例1 粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)紅外發(fā)射率的測試。
第一步，粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的組裝 按圖1安裝并連接其中全部部件，組裝成粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，以備下述步驟使用； 第二步，預備工作 將第一步組裝好的粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置中的溫度控制儀2的溫度設定為80℃，接通其電源，轉動電阻調節(jié)器3控制加熱板的升溫速度，開始時的升溫速率為5～6℃/min，10min后穩(wěn)定升溫速率在0.3～0.5℃/min，預熱30min后切斷電源； 第三步，標準粉體材料的測試 選擇兩種紅外發(fā)射率已知，并且與待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)材質相同、熱傳導系數(shù)λ相等的電氣石粉體材料甲和電氣石粉體材料乙，制成粒度D50相同為3μm的標準電氣石粉體材料甲3和標準電氣石粉體材料乙3，標準電氣石粉體材料甲3的紅外發(fā)射率ε甲3＝0.9262，標準電氣石粉體材料乙3的紅外發(fā)射率為ε乙3＝0.8864，在對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件下分別進行標準電氣石粉體材料甲3和標準電氣石粉體材料乙3的如下測試操作將被測試的標準電氣石粉體材料甲3或標準電氣石粉體材料乙3放入鐵制樣品槽6中壓平實，置于加熱板5上，使上表面帶有隔熱橡膠塊7的PT-100熱電阻4充分與該標準粉體材料的表面接觸，同時接通溫度顯示儀1和溫度控制儀2的電源，置于加熱板5上的被測試標準粉體材料開始升溫，溫度顯示儀1記錄該被測試標準粉體材料升溫過程的溫度數(shù)據(jù)，每隔2min記錄一次，當溫度穩(wěn)定后停止記錄，分別繪制它們的升溫曲線，該升溫曲線如圖3所示，其中(a)為標準電氣石粉體材料甲3的升溫曲線，(b)為標準電氣石粉體材料乙3的升溫曲線，由此分別測試得到標準電氣石粉體材料甲3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2甲3＝49.7℃，標準電氣石粉體材料乙3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2乙3＝52.6℃。兩種標準電氣石粉體材料的下表面溫度tw1均為加熱板的溫度80℃，環(huán)境溫度tf均為室溫20℃。
第四步，確定待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)紅外發(fā)射率的計算公式 由熱力學平衡方程導出粉體材料紅外發(fā)射率與其表面溫度關系式如下
式中，λ為待測試粉體樣品的熱傳導系數(shù)，α為環(huán)境對流換熱系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)(σ＝5.67×10-8w/(m2·k2))，δ為待測試粉體樣品的粉體厚度，tf為環(huán)境溫度，tw1為粉體材料的下表面溫度即為加熱板的溫度，tw2為測量得到的最終穩(wěn)定后的待測試粉體材料的上表面溫度，進一步將(I)式簡化如下 令k1＝λtw1/δ+atf；k2＝λ/δ+α，將上式簡化為 將上述第三步中測得的標準電氣石粉體材料甲3和標準電氣石粉體材料乙3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2甲3和tw2乙3、已知的ε甲3和ε乙3以及σ＝5.67×10-8w/(m2·k2)分別代入上述簡化式(II)中，得到如下二元一次方程組 0.9262＝k1-k2×(49.7+273)/(49.7+273)4×5.67×10-8(1) 0.8864＝k1-k2×(52.6+273)/(52.6+273)4×5.67×10-8(2) 上述方程計算中加273，是要將攝氏溫度轉化為開爾文溫度， 解上述二元一次方程組，求得k1＝1059.61，k2＝1.52的值，將該求得的k1，k2值代入上述簡化式(II)中，得到待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)紅外發(fā)射率的計算公式為 第五步，待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)紅外發(fā)射率的測試和計算 將待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)在與上述標準電氣石粉體材料甲3和標準電氣石粉體材料乙3的對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件和測試方法下，進行上述第三步的測試操作，由此得到待測試的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(1)為50.3℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表1。由此繪制升溫曲線，見圖4中的(1)。
表1每個瞬時點所對應的待測試粉體材料山東電氣石粉體材料(1)的上表面溫度 將測得的粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(1)＝50.3℃代入(III-1)式，計算出粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)的紅外發(fā)射率
實施例2 粒度D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)紅外發(fā)射率的測試。
由于D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)與粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)是同類且同粒度的待測試粉體材料，因此第一步、第二步、第三步和第四步均同實施例1，并且免做。
第五步，待測試的粒度D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)紅外發(fā)射率的測試和計算 除將粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)換為粒度D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)作為待測試的粉體材料之外，其他操作過程、條件和方法均同實施例1。由此測得待測試粉體材料河北電氣石粉體材料(2)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(2)為51.1℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表2。由此繪制的升溫曲線見圖4中的(2)。
表2每個瞬時點所對應的待測試粉體材料河北電氣石粉體材料(2)的上表面溫度 將測得的粒度D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(2)＝51.1℃代入(III-1)式中，計算出粒度D50為3μm的河北電氣石粉體材料(2)的紅外發(fā)射率
實施例3 粒度D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)紅外發(fā)射率的測試。
由于D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)與粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)是同類且同粒度的待測試粉體材料，因此第一步、第二步、第三步和第四步均同實施例1，并且免做。
第五步，待測試的粒度D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)紅外發(fā)射率的測試和計算 除將粒度D50為3μm的山東電氣石粉體材料(1)換為粒度D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)作為待測試的粉體材料之外，其他操作過程、條件和方法均同實施例1。由此測得待測試粉體材料廣西電氣石粉體材料(3)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(3)為51.6℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表3。由此繪制的升溫曲線見圖4中的(3)。
表3每個瞬時點所對應的待測試粉體材料廣西電氣石粉體材料(3)的上表面溫度 將測得的粒度D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(3)＝51.6℃代入(III-1)式中，計算出粒度D50為3μm的廣西電氣石粉體材料(3)的紅外發(fā)射率
實施例4 粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)紅外發(fā)射率的測試。
第一步，粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的組裝 同實施例1； 第二步，預備工作 同實施例1； 第三步，標準粉體材料的測試 除了選擇兩種紅外發(fā)射率已知，并且與待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)材質相同、熱傳導系數(shù)λ相等的電氣石粉體材料甲和電氣石粉體材料乙，制成粒度D50為9μm的標準電氣石粉體材料甲9和標準電氣石粉體材料乙9，標準電氣石粉體材料甲9的紅外發(fā)射率ε甲9＝0.9289，標準電氣石粉體材料乙9的紅外發(fā)射率為ε乙9＝0.8873之外，本步其他操作步驟同實施例1。測得的升溫曲線如圖5所示，其中(a)為標準電氣石粉體材料甲9的升溫曲線，(b)為標準電氣石粉體材料乙9的升溫曲線，由此測得標準電氣石粉體材料甲9的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2甲9＝50.6℃，標準電氣石粉體材料乙9的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2乙9＝53.6℃，兩種標準電氣石粉體材料的下表面溫度tw1均為加熱板的溫度80℃，環(huán)境溫度tf均為室溫20℃； 第四步，確定待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)紅外發(fā)射率的計算公式 同實施例1推導出 分別將標準電氣石粉體材料甲9的紅外發(fā)射率ε甲9＝0.9289和標準電氣石粉體材料乙9的紅外發(fā)射率為ε乙9＝0.8873代入上述(II)式中的ε，標準電氣石粉體材料甲9的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2甲9＝50.6℃和標準電氣石粉體材料乙9的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2乙9＝53.6℃代入上述(II)式中的tw2，得到如下二元一次方程組 0.9289＝k1-k2×(50.6+273)/(50.6+273)4×5.67×10-8(3) 0.8873＝k1-k2×(53.6+273)/(53.6+273)4×5.67×10-8(4) 解上述二元一次方程組，求得k1＝1127.72，k2＝1.70的值，將該求得的k1，k2值代入上述簡化式(II)中得到待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)紅外發(fā)射率的計算公式為 第五步，待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)紅外發(fā)射率的測試和計算 將待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)在與上述標準電氣石粉體材料甲9和標準電氣石粉體材料乙9的對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件和測試方法下，進行上述第三步的測試操作，由此得到待測試的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(4)為51.7℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表4。由此繪制升溫曲線，見圖6中的(4)。表4每個瞬時點所對應的待測試粉體材料山東電氣石粉體材料(4)的上表面溫度 將測得的粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(4)＝51.7℃代入(III-2)式，計算出粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)的紅外發(fā)射率
實施例5 粒度為9μm的河北電氣石粉體材料(5)紅外發(fā)射率的測試。
由于D50為9μm的河北電氣石粉體材料(5)與粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)是同類且同粒度的待測試粉體材料，因此第一步、第二步、第三步和第四步均同實施例4，并且免做。
第五步，待測試的粒度D50為9μm的河北電氣石粉體材料(5)紅外發(fā)射率的測試和計算 除將粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)換為粒度D50為9μm的河北電氣石粉體材料(5)作為待測試的粉體材料之外，其他操作過程、條件和方法均同實施例4。由此測得待測試粉體材料河北電氣石粉體材料(5)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(6)為52.5℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表5。由此繪制的升溫曲線見圖6中的(5)。
表5每個瞬時點所對應的待測試粉體材料河北電氣石粉體材料(5)的上表面溫度 將測得的粒度D50為9μm的河北電氣石粉體材料(5)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(5)＝52.5℃代入(III-2)式，計算出粒度D50為9μm的河北電氣石粉體材料(5)的紅外發(fā)射率
實施例6 粒度D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)紅外發(fā)射率的測試。
由于D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)與粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)是同類且同粒度的待測試粉體材料，因此第一步、第二步、第三步和第四步均同實施例4，并且免做。
第五步，待測試的粒度D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)紅外發(fā)射率的測試和計算 除將粒度D50為9μm的山東電氣石粉體材料(4)換為粒度D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)作為待測試的粉體材料之外，其他操作過程、條件和方法均同實施例4。由此測得待測試粉體材料廣西電氣石粉體材料(6)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(6)為53.3℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表6。由此繪制的升溫曲線見圖6中的(6)。
表6每個瞬時點所對應的待測試粉體材料廣西電氣石粉體材料(6)的上表面溫度 將測得的粒度D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(6)＝53.3℃代入(III-2)式，計算出粒度D50為9μm的廣西電氣石粉體材料(6)的紅外發(fā)射率
實施例7 粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)紅外發(fā)射率的測試。
第一步，粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的組裝 同實施例1； 第二步，預備工作 同實施例1； 第三步，標準粉體材料的測試 除了選擇兩種紅外發(fā)射率已知，并且與粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)材質相同、熱傳導系數(shù)λ相等的石英粉體材料丙和石英粉體材料丁，制成粒度D50為3μm的標準石英粉體材料丙3和標準石英粉體材料丁3，標準石英粉體材料丙3的紅外發(fā)射率ε丙3＝0.8859，標準石英粉體材料丁3的紅外發(fā)射率為ε丁3＝0.8651之外，本步其他操作步驟同實施例1。測得的升溫曲線如圖7所示，其中(a)為標準石英粉體材料丙3的升溫曲線，(b)為標準石英粉體材料丁3的升溫曲線，由此測得標準石英粉體材料丙3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2丙3＝54.0℃，標準石英粉體材料丁3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2丁3＝55.8℃，兩種標準石英粉體材料的下表面溫度tw1均為加熱板的溫度80℃，環(huán)境溫度tf均為室溫20℃； 第四步，確定待測試的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)紅外發(fā)射率的計算公式 同實施例1推導出 分別將標準石英粉體材料丙3的紅外發(fā)射率ε丙3＝0.8859和標準石英粉體材料丁3的紅外發(fā)射率為ε丁3＝0.8651代入上述(II)式中的ε，標準石英粉體材料丙3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2丙3＝54.0℃和標準石英粉體材料丁3的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2丁3＝55.8℃代入上述(II)式中的tw2，得到如下二元一次方程組 0.8859＝k1-k2×(54.0+273)/(54.0+273)4×5.67×10-8(5) 0.8651＝k1-k2×(55.8+273)/(55.8+273)4×5.67×10-8(6) 解上述二元一次方程組，求得k1＝783.62，k2＝0.64的值，將該求得的k1，k2值代入上述簡化式(II)中得到待測試的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)紅外發(fā)射率的計算公式為 第五步，待測試的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)紅外發(fā)射率的測試和計算 將待測試的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)在與上述標準石英粉體材料丙3和標準石英粉體材料丁3的對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件和測試方法下，進行上述第三步的測試操作，由此得到待測試的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(7)為54.6℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表7。由此繪制升溫曲線，見圖8中的(7)。
表7每個瞬時點所對應的待測試粉體材料河南石英粉體材料(7)的上表面溫度 將測得的粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(7)＝54.6℃代入(III-3)式，計算出粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)的紅外發(fā)射率
實施例8 粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)紅外發(fā)射率的測試。
由于粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)與粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)是同類且同粒度的待測試粉體材料，因此第一步、第二步、第三步和第四步均同實施例7，并且免做。
第五步，待測試的粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)紅外發(fā)射率的測試和計算 除將待測試的粉體材料由粒度D50為3μm的河南石英粉體材料(7)替換為粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)之外，其他操作過程、條件和方法均同實施例7。由此測得待測試粉體材料粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(8)為55.3℃，其測量的升溫過程數(shù)據(jù)記錄見表8。由此繪制的升溫曲線見圖8中的(8)。
表8每個瞬時點所對應的待測試粉體材料遼寧石英粉體材料(8)的上表面溫度 將測得的粒度D50為3μm的遼寧石英粉體材料(8)的最終穩(wěn)定后的上表面溫度tw2(8)＝55.3℃代入(III-3)式，計算出粒度D50為3μm的石英粉體材料(8)的紅外發(fā)射率
通過上述實施例得出應用本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法測試粉體材料紅外發(fā)射率的評價如下 (1)應用本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法可以測得同種類同粒度一系列粉體材料紅外發(fā)射率ε值，測量方便，適用于工礦企業(yè)對礦物粉體材料資源進行現(xiàn)場探測，適合于粉體材料紅外發(fā)射率測試技術的產(chǎn)業(yè)化應用。
(2)應用本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法可以測試粒度為0.1～10μm的各種粉體材料紅外發(fā)射率。
(3)應用本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法所得出的紅外發(fā)射率ε值，可以判別同種但不同礦區(qū)粉體材料的紅外輻射性能的強弱。
(4)應用本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法所得出的紅外發(fā)射率ε值，可以判別同一產(chǎn)礦區(qū)不同粒度粉體材料的紅外輻射性能的強弱。
權利要求
1.粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其特征在于由恒溫加熱裝置、溫度測量裝置和樣品承載裝置三部分構成，其中恒溫加熱裝置由溫度控制儀、加熱板、包有金屬外殼的PT-100熱電阻和電阻調節(jié)器組成，包有金屬外殼的PT-100熱電阻固定在加熱板的下表面上，溫度控制儀的控制端設有三個接點，其中一個輸出接點與加熱板直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器相連，電阻調節(jié)器再與加熱板串連，溫度控制儀設有220V交流電輸入插頭；溫度測量裝置由溫度顯示儀及上表面帶有隔熱橡膠塊的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻組成，該包有金屬外殼的PT-100熱電阻被固定在鐵制樣品槽的一個立側面上，并與溫度顯示儀相連，溫度顯示儀設有220V交流電輸入插頭；樣品承載裝置由長寬大小正好放在加熱板上的鐵制樣品槽組成。
2.根據(jù)權利要求1所述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其特征在于其中所述的加熱板由直徑80～100μm的鎢絲電阻絲均勻纏繞，外包不銹鋼板制成，其長度為6～8cm，寬為4～6cm，加熱功率為80～100W。
3.根據(jù)權利要求1所述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其特征在于其中所述的鐵制樣品槽的長為6～8cm，寬為4～6cm，高為1～1.5cm。
4.根據(jù)權利要求1所述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置，其特征在于其中所述的隔熱橡膠塊的長為1～1.5cm，寬為1～1.5cm，高為0.6～0.8cm。
5.粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其特征在于步驟是
第一步，粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的組裝
將一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻固定在加熱板的下表面上，設有220V交流電輸入插頭的溫度控制儀的一個輸出接點與加熱板直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器相連，電阻調節(jié)器再與加熱板串連；上表面帶有隔熱橡膠塊的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻被固定在鐵制樣品槽的一個立側面上，并與設有220V交流電輸入插頭的溫度顯示儀相連；在加熱板上放置一個長寬大小正好的鐵制樣品槽，由此組裝成粉體材料紅外發(fā)射率的實驗測試裝置，以備下述步驟使用。
第二步，預備工作
將第一步組裝好的粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置中的溫度控制儀的溫度設定為80℃，接通其電源，轉動電阻調節(jié)器控制加熱板的升溫速度，開始時的升溫速率為5～6℃/min，10min后穩(wěn)定升溫速率在0.3～0.5℃/min，預熱30min后切斷電源；
第三步，標準粉體材料的測試
選擇兩種與待測試粉體材料材質相同、熱傳導系數(shù)λ相等并且紅外發(fā)射率ε分別為已知的ε甲和ε乙的粉體材料甲和粉體材料乙，制作成標準粉體材料甲和標準粉體材料乙，使其粒度與待測試粉體粒度相等，在對流換熱系數(shù)α、粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件下分別進行標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的如下測試操作將被測試的標準粉體材料甲或標準粉體材料乙放入鐵制樣品槽中壓平實，置于加熱板上，使上表面帶有隔熱橡膠塊的PT-100熱電阻充分與該標準粉體材料的表面接觸，同時接通溫度顯示儀和溫度控制儀的電源，置于加熱板上的被測試標準粉體材料開始升溫，溫度顯示儀記錄該被測試標準粉體材料升溫過程的溫度數(shù)據(jù)，每隔2min記錄一次，當溫度穩(wěn)定后停止記錄，并繪制升溫曲線，由此測得最終穩(wěn)定后的被測試標準粉體材料的上表面溫度tw2，即兩次分別測試得到最終穩(wěn)定后標準粉體材料甲的上表面溫度是tw2甲和最終穩(wěn)定后標準粉體材料乙的上表面溫度是tw2乙，粉體材料的下表面溫度tw1均為加熱板的溫度80℃，環(huán)境溫度tf均為室溫20℃；
第四步，確定待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式
由熱力學平衡方程導出粉體材料紅外發(fā)射率與其表面溫度關系式如下
式中，λ為待測試粉體樣品的熱傳導系數(shù)，α為環(huán)境對流換熱系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)(σ＝5.67×10-8w/(m2·k2))，δ為待測試粉體樣品的粉體厚度，tf為環(huán)境溫度，tw1為粉體材料的下表面溫度即為加熱板的溫度，tw2為測量得到的待測試粉體材料的最終穩(wěn)定后的上表面溫度，進一步將(I)式簡化如下
令k1＝λtw1/δ+atf；k2＝λ/δ+α，將上式簡化為
將上述第三步中測得的標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的最終穩(wěn)定后兩種標準粉體材料的上表面溫度tw2甲和tw2乙，及已經(jīng)已知的標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的紅外發(fā)射率ε甲和ε乙分別代入上述簡化式(II)中，得到如下二元一次方程組
解上述二元一次方程組，求得系數(shù)k1和k2的值分別為K1和K2，將K1和K2代入(II)式得到待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式為
第五步，待測試粉體材料紅外發(fā)射率測試和計算
將待測試粉體材料在與標準粉體材料甲和標準粉體材料乙的對流換熱系數(shù)α，粉體厚度δ、粉體材料的下表面溫度tw1及環(huán)境溫度tf完全相同的測試條件和測試方法下，進行上述第三步的操作，并將測得的最終穩(wěn)定后的待測試粉體材料的上表面溫度tw2代入上述待測試粉體材料紅外發(fā)射率的計算公式(III)中，即計算出該待測粉體材料紅外發(fā)射率ε。
6.根據(jù)權利要求5所述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其特征在于在第五步的操作中，將已經(jīng)測量完畢的粉體材料更換為其他同類且同粒度的待測試粉體材料，由此測試得到更換的其他同類且同粒度的待測試粉體材料紅外發(fā)射率ε，由此完成多個同類且同粒度的待測試粉體材料紅外發(fā)射率的連續(xù)測試。
7.根據(jù)權利要求5所述粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置的測試方法，其特征在于其中所述的加熱板由直徑80～100μm的鎢絲電阻絲均勻纏繞，外包不銹鋼板制成，其長度為6～8cm，寬為4～6cm，加熱功率為80～100W；所述的鐵制樣品槽的長為6～8cm，寬為4～6cm，高為1～1.5cm；所述的隔熱橡膠塊的長為1～1.5cm，寬為1～1.5cm，高為0.6～0.8cm。
全文摘要
本發(fā)明粉體材料紅外發(fā)射率的測試裝置及其測試方法，涉及材料的紅外輻射性能的測試，該裝置的構成是將一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻固定在加熱板的下表面上，溫度控制儀的一個輸出接點與加熱板直接相連，另一個輸出接點與上述包有金屬外殼的PT-100熱電阻直接相連，再一個輸出接點與電阻調節(jié)器相連，電阻調節(jié)器再與加熱板串連；上表面帶有隔熱橡膠塊的另一個包有金屬外殼的PT-100熱電阻被固定在鐵制樣品槽的一個立側面上，并與溫度顯示儀相連；在加熱板上放置一個長寬大小正好的鐵制樣品槽。該裝置便于工礦企業(yè)對礦物粉體材料資源進行現(xiàn)場探測及粉體材料紅外發(fā)射率測試裝置和方法的進一步產(chǎn)業(yè)化開發(fā)應用。
文檔編號G01N25/20GK101762619SQ20101003134
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月13日 優(yōu)先權日2010年1月13日
發(fā)明者梁金生, 甘琨, 孟軍平, 丁燕 申請人:河北工業(yè)大學