紡織面料紅外發射率測量的新裝置及方法

大香伊在人线综合熱輻射在人體-服裝-環境之間的熱傳遞過程中占據了很大的比例。紡織面料(簡稱面料)作為服裝的主要構成材料,其紅外熱輻射吸收和放射能力的評價指標為面料的紅外發射率(簡稱發射率)。文獻[1]研究表明,只有先獲得面料的發射率,然后才能通過熱像儀來測量服裝表面溫度和衣下空氣層厚度。

面料發射率的測量方法目前主要是借鑒其他材料的發射率測量方法,包括反射率法和量熱法。

大香伊在人线综合反射率法是通過假定物體材料是不透射的灰體,即入射能等于反射能與吸收能之和,則可以在入射能率確定的情況下,通過測量物體的反射能率來獲得物體的吸收能率,再根據基爾霍夫定律即假設灰體的發射率和吸收率相等,得到物體的發射率。該方法首先需要給定一個恒功率的黑體紅外輻射,通過瞬間開啟快門來測量其在面料表面產生的紅外反射率,從而獲得面料的發射率。文獻[2]利用反射率法對聚異戊二烯/丙烯腈基涂層面料在8~14 μm波段的發射率進行了測量。文獻[3]為消除空氣的影響,將發射率測量儀放入真空容器中對紡織面料的發射率進行了測量,結果表明發射率隨溫度的變化而變化。文獻[4]采用反射率法對Cu、 Ti粒子涂層的棉、滌綸面料的發射率進行了測量。反射率法屬于瞬間曝光測量法,需要考慮消除熱源未曝光時對樣品溫度及面料本身紅外輻射量的影響。這對發射率測量儀器的設計而言具有一定考驗,并且目前測量結果的準確性和穩定性亦缺乏深入的討論。

量熱法的基本原理是將待測樣品置于熱交換系統中,并將其緊貼于加熱熱板上表面,達到熱平衡后測量樣品的真實溫度和輻射溫度,然后根據樣品自身的真實溫度或者設置同溫對比黑體進行樣品發射率的測量。該方法普遍應用于金屬材料或較薄的金屬離子涂層材料的發射率測量,如文獻[5]設計了熱板和冷卻裝置相結合、可多角度測量材料發射率的裝置,以此探究距離、角度對紅外熱像儀測量結果的影響。該方法也被應用于紡織服裝領域,例如:文獻[6]將防輻射阻燃面料置于恒溫熱板上表面,并采用熱像儀測量面料的發射率;文獻[7]將碳纖維布貼于加熱熱板上,通過對比測量面料與參考黑體的輻射溫度,測量了面料的發射率。但量熱法存在兩個問題:一是用加熱板的溫度代替被測物體輻射面的真實溫度時,由于面料通常為非良導體,當熱流自熱板經面料到環境時,面料內外表面必然產生溫差,其輻射面的真實溫度通常低于熱板表面的溫度,這樣就給測量帶來了誤差。為避免該誤差,文獻[8]根據面料的熱阻計算了面料外表面溫度從而用于發射率的測量,但該計算結果的準確性尚待進一步驗證。二是面料為多孔介質材料,熱板本身的熱輻射會穿透面料對熱像儀測量面料的輻射量產生干擾,文獻[9]試驗證明該穿透輻射量給發射率的測量帶來了較大的不確定性。

本文提出一種新裝置及方法,通過有效結合反射率法外部輻射熱源和量熱法,解決了多孔介質低導熱且具有一定厚度面料的發射率的準確測量問題。


1 量熱法發射率的測量原理

大香伊在人线综合紅外發射率也稱紅外輻射率或熱輻射系數等。實際物體的發射率隨紅外波長及溫度的改變而發生變化,但對于物理學上定義的漫反射灰體而言,在溫度變化范圍較小時可以假設其發射率與波長和溫度無關,并且發射率等于其對外界紅外輻射的吸收率。紡織面料是一種具有與其他灰體相似的漫反射特性的非金屬材料,屬于灰體范疇。

此外,實際的紅外傳感器僅能在恰當的窗口對物體的熱輻射進行響應,如常溫測量的波段通常為8~14 μm,通常所說的織物遠發射率實際也是指在8~14 μm內測得的發射率[4]。

紅外傳感器所接收的能量除被測物體表面的紅外輻射外,還有部分源于反射環境中的紅外線輻射以及物體與熱像儀之間的空氣本身的紅外輻射。于實驗室近距離對灰體進行測量時,空氣的影響可忽略,傳感器所能接受到的紅外輻射可簡化表示為式(1)。

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大香伊在人线综合式中:Er為紅外傳感器接收到的物體表面的輻射,W/m2; σ為黑體輻射常數,為5.67×10-8 W/(m2·K4); Tr是物體的輻射溫度(即假設物體為黑體,其在ε=1時的表面溫度即為輻射溫度),K; To為物體的實際表面溫度,K; Ta為環境溫度,K; ε為物體表面的發射率;ρ是物體的反射率,當物體為不透明灰體,ρ=1-ε; n為系數,對于目前廣泛應用的非制冷型8~14 μm波段的碲鎘汞(HgCdTe)紅外傳感器[10]而言,n近似為4。

變換式(1),即可得到物體表面的真實溫度和表面發射率計算公式,如式(2)和(3)所示[12-15]。

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因此,在已知物體的發射率ε和環境溫度Ta時,測量出物體的輻射溫度Tr,即可計算出物體表面的真實溫度To。反之,要測量物體表面的發射率,在環境溫度一定的情況下必須先測量物體的真實溫度。對于織物而言,測定其表面的真實溫度就是難點所在。

傳統量熱法通常使用加熱熱板表面溫度來代替被測物體表面溫度,若測量導熱性很好的金屬薄片或很薄的涂層時溫度誤差不大,但對于面料這種非良導體,就存在一定內外表面溫差。由式(3)可知,物體發射率與物體的輻射溫度、物體表面的真實溫度都成次方關系,因而,一個小小的內外表面溫差就會引起較大的測量誤差;同時由于面料的交織多孔結構,紅外透射也會引起測量誤差。


2 面料發射率的新測量裝置

本文測量裝置示意圖如圖1所示,其是基于反射率法和量熱法相結合的設計。該方法擯棄了量熱法中熱板在面料背面直接對面料進行加熱的方式,轉而采用與反射率法相似的外部光熱源對面料進行輻射加熱(反射率法是采用無可見光的純黑體紅外輻射對面料進行瞬間照射,而非對面料進行加熱)。由KT板和厚泡沫板復合的“絕熱”層置于面料的背面使之單向絕熱,面料正面既是受熱面也是散熱面。由于背面絕熱板的存在,面料正面溫度和背面溫度相同,這樣通過測量面料背面的溫度即可得到面料正面的真實溫度。面料在接受光熱輻射后溫度上升,而由于面料和環境空氣的熱交換作用,面料最終穩定在某一溫度上,通過HgCdTe傳感器的熱像儀或紅外測溫槍,可測得面料的正面輻射溫度。測量得到面料的真實溫度、輻射溫度及環境溫度后,即可滿足式(3)的計算條件。

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本裝置的測量方法具有以下特點:

大香伊在人线综合(1) 由于面料正面接受熱源輻射而背面處于絕熱狀態,則面料背面溫度和正面溫度相同,KT板開槽嵌入水銀溫度計便于測量面料背面中心位置的溫度,此溫度即為面料正面的真實溫度;

(2) 采用高反光(反射)率的KT板,可以使透過面料的光熱輻射再次反射回面料,提高了面料的光熱吸收率,從而在反射過程中即使發生了再透射,透射的量也小到可以忽略不計;

大香伊在人线综合(3) 水銀溫度計中的水銀本身對光熱的反射率高,可以減少或避免光熱輻射對溫度計本身的影響;

(4) 將兩盞鎢絲熱光燈呈一定角度(建議α=60°)配置,可以最大程度地避免光熱輻射源的紅外分量被熱像儀所接收(可見光部分的反射和透射都不會被紅外傳感器所接收,因此不會對測量結果產生影響)。


3 不同面料的發射率試驗

大香伊在人线综合3.1 試驗條件、儀器和材料

本試驗在恒溫恒濕室中進行,試驗條件控制為溫度(20±0.5)℃、相對濕度(60±3)%、風速(0.2±0.1)m/s。兩盞燈均為500 W新聞燈,光熱輻射比約為3∶7,燈泡與面料中心點在同一平面上且成等邊三角形(邊長為1.10 m);水銀溫度計量程為50 ℃,精度為0.1 ℃;紅外測溫槍采用可調內置發射率ε的IHT 600型紅外測溫槍,分辨率為0.1 ℃,將ε設置為1即可測得面料的輻射溫度。

大香伊在人线综合本文選用具有代表性的棉面料、色丁面料、針織面料、消防服面料以及消防服面料與內層抗浸保暖層的組合進行其外表面發射率的測量。同時,還對黑漆銅板和不銹鋼板2種材料的發射率進行測量,并與公認值進行對比,以驗證試驗的可靠性。其中,面料試樣的成分及織物結構類型如表1所示。

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3.2 試驗結果與分析

大香伊在人线综合3.2.1 不同面料發射率測量

使用圖1所示的試驗裝置進行面料發射率測量試驗。首先抽取部分面料進行預試驗,結果顯示所有面料隨時間變化規律基本一致,以面料A為例,其各溫度參數隨時間變化的曲線如圖2所示。由圖2可以看出,面料表面溫度和輻射溫度在試驗進行一段時間后逐漸趨于穩定。根據其穩定時間,最終確定A、 B、 C3種面料的試驗時間為60 min,D類面料試驗時間為70 min。使用水銀溫度計測量的面料真實溫度和環境溫度,其達到穩定狀態后目測值相對穩定。為避免測溫槍帶來的測量誤差,本次試驗均通過連續3~5次測量求取平均值,測量結果如表2所示。

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由表2可得,面料種類不同,其發射率也不同,但基本集中在0.8左右,個別面料可達到0.9以上。在使用保溫棉和消防服面料組合(D1+E, D2+E)的測試中,所測發射率值要略高于單層面料的測量值。這是因為含有保溫棉層的兩層面料的厚度大大增加了,而背板“絕熱”只是近似,當厚度增加,面料內外表面還是會形成一個較小的溫度差,引起測量誤差,因此,其發射率稍高于單層時的測試值。


3.2.2 參考物的發射率測量

為了驗證試驗裝置的可信度,本文對一塊經10年存放的光澤已暗淡的拋光不銹鋼薄板和一塊亞光黑漆面薄銅板的發射率進行測量,結果如表3所示,其中ε*為參考值[15]。

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亞光黑漆銅板的漆面是高分子材料,可以按灰體來對待,光澤已暗淡的光面不銹鋼板也具有近灰體的條件,且所測結果在學界公認的范圍內,證明新裝置設計及方法在邏輯上具有可信度。


4 結 語

大香伊在人线综合針對傳統面料發射率測量方法中存在的缺陷,即難以準確測量面料表面溫度以及未考慮面料紅外透射的影響,本文提出一種新的針對面料特點的發射率測量裝置和方法:(1)將傳統量熱法的背面直接加熱改為正面輻射加熱,面料背面緊貼于絕熱材料上使之單向絕熱,使面料內外表面的溫度一致,使用背面溫度計所測量的溫度即為面料正面的真實溫度,有效解決了面料表面實際溫度的測量問題;(2)使用外輻射源成角度照射,最大程度避免紅外透射及反射的影響。試驗結果表明:面料的發射率大多在0.8左右,個別在0.9以上;厚度對測量結果有一定影響,但影響較小。黑漆銅板和光澤已暗淡的光面不銹鋼板的發射率試驗值和現有數據相符。因此,本試驗裝置和方法不僅適用于面料的發射率測量,也可應用于具有一定厚度且具有孔隙特性的非良導體材料甚至近灰體金屬材料的的測量,是一種低成本、高準確度的發射率測量裝置和方法。