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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

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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]. , 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]. , 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
    0.03753 4×10−5 8.87058 1.284×10−4 0.02479 4×10−5 0.95 0.05
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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1 2.220
    方向2 2.221
    方向3 2.219
    方向4 2.220
    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)/V u(Vrefm)/V u(VerfT)/V u(ADS)/V u(Verfs)/V 均值/V u(U)/V ur(U)/V
    第一阶段 0.0001635 5×10−6 4×10−6 0.000542 4.5571×10−6 0.69 0.000566 0.082%
    第二阶段 0.0001635 5×10−6 4×10−6 0.000438 4.5571×10−6 2.19 0.000468 0.021%
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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)/Ω u(RS)/Ω 均值/Ω u(R)/Ω ur(R)/Ω
    0.000015 0.00314 477.8 0.00314 0.00066%
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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

    Mstatei Mstatei+1 Mtext
    均值 172.1429 1731.18 513.9392
    标准不确定度 0.15498 0.24591 0.0017
    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/mm ds/mm rd/mm dd/mm R/mm v0 σ u v vs vd
    175 100 4 2 1 $ {\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
    1 0.98081 0.98886
    2 0.98070 0.98889
    3 0.98012 0.98885
    4 0.98006 0.98887
    5 0.97908 0.98890
    6 0.97942 0.98893
    7 0.97931 0.98890
    8 0.98024 0.98891
    9 0.97977 0.98891
    10 0.97884 0.98891
    11 0.97931 0.98890
    12 0.97832 0.98890
    均值 0.97967 0.98889
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  • 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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