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高精度辐射热流计的不确定度分析与评价

郑翔远 叶新 罗志涛 王阔传 宋宝奇

郑翔远, 叶新, 罗志涛, 王阔传, 宋宝奇. 高精度辐射热流计的不确定度分析与评价[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(4): 780-788. doi: 10.37188/CO.2022-0023
引用本文: 郑翔远, 叶新, 罗志涛, 王阔传, 宋宝奇. 高精度辐射热流计的不确定度分析与评价[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(4): 780-788. doi: 10.37188/CO.2022-0023
ZHENG Xiang-yuan, YE Xin, LUO Zhi-tao, WANG Kuo-chuan, SONG Bao-qi. Uncertainty analysis and evaluation of a high-precision radiative heat-flux meter[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 780-788. doi: 10.37188/CO.2022-0023
Citation: ZHENG Xiang-yuan, YE Xin, LUO Zhi-tao, WANG Kuo-chuan, SONG Bao-qi. Uncertainty analysis and evaluation of a high-precision radiative heat-flux meter[J]. Chinese Optics, 2022, 15(4): 780-788. doi: 10.37188/CO.2022-0023

高精度辐射热流计的不确定度分析与评价

doi: 10.37188/CO.2022-0023
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(No. 2018YFB0504500,No. 2018YFB0504603)
详细信息
    作者简介:

    郑翔远(1998—),男,吉林延边人,硕士研究生,2016年于长春理工大学获得学士学位,主要从事辐射计量等方面的研究。E-mail:574611745@qq.com

    叶 新(1979—),男,吉林省吉林市人,研究员,博士,2005 年于中国科学技术大学获得硕士学位,2019年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事星上辐射定标、太阳总辐照度测量方面的研究。E-mail:yexin@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Uncertainty analysis and evaluation of a high-precision radiative heat-flux meter

Funds: Supported by National Key R&D of China (No. 2018YFB0504500, No. 2018YFB0504603)
More Information
  • 摘要:

    为满足实验室条件下长时间、高精度的热流密度测量要求,基于电替代测量原理研制了一种新型辐射热流计,该型辐射热流计可通过自校准的方式溯源至国际单位制单位。本文简述了辐射热流计的系统构成,结合辐射热流计的测量原理,分析并计算了辐射热流计自校准过程中9项影响量的测量不确定度和合成标准不确定度。通过与中国计量科学院所标定的标准探测器比对,计算了辐射热流计的不确定度,最后根据实验数据及分析结果为该型热流计的优化设计提供了参考。实验结果表明:辐射热流计的相对标准不确定度优于0.26%,与标准探测器的归一化偏差为0.60,验证了不确定度评估结果。实验结果将为辐射热流计下一阶段的研制提供有效参考。

     

  • 图 1  辐射热流计系统原理图

    Figure 1.  Principle diagram of a radiation heat-flux system

    图 2  辐射热流计工作原理图

    Figure 2.  Schematic diagram of the measurement principle of a radiometric heat-flux meter

    图 3  吸收比测试光路原理图

    Figure 3.  Schematic diagram of optical path for absorptance measurement

    图 4  黑体腔入射位置偏差测量结果

    Figure 4.  Results of the black body cavity absorptance measurement

    图 5  热流计衍射效应示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of the diffraction effect on the heat-flux meter

    图 6  测试光路示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of the testing optical path

    表  1  吸收比测量结果

    Table  1.   Measurement results of absorptance

    黑体腔信号电压UC/V白板信号电压US/V背景信号电压UB/V白板反射率${\rho _{\rm{S}}}$
    均值不确定度均值不确定度均值不确定度均值不确定度
    0.037534×10−58.870581.284×10−40.024794×10−50.950.05
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    表  2  光阑直径测量结果

    Table  2.   Measurement results of the aperture’s diameter

    项目D/mm
    方向12.220
    方向22.221
    方向32.219
    方向42.220
    均值2.220
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    表  3  加热电压采样值的不确定度

    Table  3.   Uncertainty of the sampling value of the heating voltage

    加热电压u(ADr)/Vu(Vrefm)/Vu(VerfT)/Vu(ADS)/Vu(Verfs)/V均值/Vu(U)/Vur(U)/V
    第一阶段0.00016355×10−64×10−60.0005424.5571×10−60.690.0005660.082%
    第二阶段0.00016355×10−64×10−60.0004384.5571×10−62.190.0004680.021%
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    表  4  加热丝电阻的不确定度

    Table  4.   Uncertainty of resistance of the heating wire

    u(Rm)/Ωu(RS)/Ω均值/Ωu(R)/Ωur(R)/Ω
    0.0000150.00314477.80.003140.00066%
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    表  5  热电采样码值的不确定度

    Table  5.   Uncertainty of the thermoelectric sampling code value

    MstateiMstatei+1Mtext
    均值172.14291731.18513.9392
    标准不确定度0.154980.245910.0017
    相对不确定度0.09%0.014%0.003%
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    表  6  衍射参数定义

    Table  6.   Diffraction parameter definitions

    r/mmds/mmrd/mmdd/mmR/mmv0σuvvsvd
    175100421$ {\rm{Max} }\left( { {v_{\rm{s}}},{v_{\rm{d}}} } \right)$$\dfrac{ { {\rm{Min} }\left( { {v_{\rm{s}}},{v_{\rm{d}}} } \right)} }{ { {\rm{Max} }\left( { {v_{\rm{s}}},{v_{\rm{d}}} } \right)} }$$u = \dfrac{ {2\text{π} } }{\lambda }{R^2}\left( {\dfrac{1}{ { {d_{\rm{d} } } } } - \dfrac{1}{ { {d_{\rm{s} } } } } } \right)$$ {v_0}(1 + \sigma x) $$ \dfrac{ {2{\text{π}} } }{\lambda }\dfrac{ {R{r_{\rm{s}}} } }{ { {d_{\rm{s}}} } }$${v_d} = \dfrac{ {2{\text{π}} } }{\lambda }\dfrac{ {R{r_{\rm{d}}} } }{ { {d_{\rm{d}}} } }$
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    表  7  功率测试结果

    Table  7.   Test results of power

    测量次数辐射热流计样机功率
    测量结果/mW
    标准探测器功率
    测量结果/mW
    10.980810.98886
    20.980700.98889
    30.980120.98885
    40.980060.98887
    50.979080.98890
    60.979420.98893
    70.979310.98890
    80.980240.98891
    90.979770.98891
    100.978840.98891
    110.979310.98890
    120.978320.98890
    均值0.979670.98889
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-08
  • 修回日期:  2022-03-07
  • 网络出版日期:  2022-06-20

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