标准规范 ２０１ ５年第３ ３卷第１０期 《使用便携式辐射率仪测定接近室温的 材料的发射率的标准试验方法》的介绍 姜广明，郭 晶，马海旭，王连盛 （中国建筑科学研究院，北京１０００１３） 【摘要】介绍一种利用便携式辐射率仪测定反射隔热涂料的半球发射率的测试方法。该方法能够检测接近室温的、 不透明的、高导热材料的总半球发射率；并给出《使用便携式辐射率仪测定接近室温的材料的发射率的标准试验方法》 （ＡＳＴＭ Ｃ １３７１－０４）的译文。 【关键词】便携式辐射率仪；半球发射率；反射隔热涂料 【中图分类－Ｎ－Ｉ ＴＱ６３０．７＋２ 【文献标志码】Ｂ 【文章编号】１６７１－３７０２（２０１５）１０－－００８３－－０６ ＩｎｔｒＯｄｕｃｔｉＯｎｓ ｔＯ ＡＳＴＭ Ｃ １ ３ ７ １—０４ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆ０ｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ Ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｎｅａｒ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒｓ ＪＩＡＮＧ Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ，ＧＵＯＪｉｎｇ，ＭＡ Ｈａｉｘｕ，ＷＡＮＧＬｉａｎｓｈｅｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉ Ｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇｓ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒ．ＴｈｉＳ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｑｕａｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａ１ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ｏｐａｑｕｅ，ｈｉｇｈｌｙ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｎｅａｒ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＡＳＴＭ Ｃ １３７１—０４ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｎｅａｒ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔａｂｌｅ ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒｓ：ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ；ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇｓ 半球发射率是指一个辐射源在半球方向上的辐射 出射度与具有同一温度的黑体辐射源的辐射出射度的比 ｌ３７１—０４的方法来测试半球发射率。 无论是《金属表面用热反射隔热涂料》［２ （ＨＧ／ Ｔ ４３４１－－２０１２）直接引用ＡＳＴＭ Ｃ １３７１—０４，还是《金 值。半球发射率是反射隔热涂料的热辐射能力的一个 重要指标。开展半球发射率的检测工作对于反射隔热 涂料的研发和推广使用都具有重大的意义。 目前，多数反射隔热涂料的标准规定半球发射 属屋面丙烯酸高弹防水涂料》［３１（ＪＧ／Ｔ ３７５－－２０１２）和 《建筑反射隔热涂料》 （ＪＧ／Ｔ ２３５－－２０１４）将ＡＳＴＭ Ｃ １３７ｌ一０４转化为标准中的附录ｃ，这些标；隹对于便携式 辐射率仪测量半球发射率的原理、设备、校准和测试方 法介绍的都还不够清楚。 本文给出了《使用便携式辐射率仪测定接近室温 的材料的发射率的标准试验方法》（ＡＳＴＭ Ｃ １３７ｌ一 ０４）的译文，以供广大反射隔热涂料的研发和检测人员 率的测试方法采用《航天器热控涂层试验方法第３ 部分：发射率测试》（ＧＪＢ ２５０２．３－－２００６）中的稳态 量热计法【１】。由于便携式辐射率仪价格便宜，２０１２年以 来，反射隔热涂料标准的编修订都开始采用ＡＳＴＭ Ｃ 作者简介：姜广明，男，博士，高级工程师，研究方向为建筑材料检测 与应用。 参考。由于文章篇幅有限，ＡＳＴＭ Ｃ １３７ｌ一０４的附录和 ．８３． 围 ｏ标准规范ｄｅ ａｎｄ Ｓｔ ａｎｄａｒｄ 工程质量 第３３卷 参考文献未被译出，以下为译文。 １范 围 １）本测试方法涵盖了一种使用便携式差热电堆辐 射率仪测定典型材料发射率的技术。本测试方法的目的 在于提供一种量化接近室温的、不透明的、高导热材料 的发射率的相对方法，作为评估温度、热流，推导材料 热阻的一个参数。 ２）本测试方法不是替代测试方法Ｃ ８３５，该方法是 测定总半球发射率的绝对方法：也不是替代测试方法 Ｅ ４０８，该方法包含了测定总法向发射率的两种相对方 法。由于便携式辐射率仪的独特结构，它可以被校准， 用来测量总半球发射率。通过比较辐射率仪的测量值 和Ｃ ８３５测试方法的测量值，支持了上述结论。 ３）本标准不是讨论所有的安全问题，如果有的话， 与其使用相关。使用前，确立适当的安全措施、卫生的 作业，确定管理限制的适用性责任在于标准的使用者。 ２规范性引用文件 ２．１ ＡＳＴＭ标准 Ｃ １６８有关隔热的术语 Ｃ ６８０用计算机程序估测绝热的平面系统、圆柱 形和球形系统的表面温度及吸热或热损失的标准实施 规范 Ｃ ８３５最大至１４００￣Ｃ的表面总半球辐射热的试验 方法 Ｅ １７７ ＡＳＴＭ试验方法中术语精度和偏差的使用 规程 Ｅ ４０８用监测仪技术测定表面正常总辐射的试验 方法 Ｅ ６９１开展实验室间研究以确定试验方法精度的 规程 ３术语 ３．１定义一一本试验方法使用的部分术语的定义， 符合术语Ｃ １６８的规定。 ３．２本标准中专用术语的定义 ３．２．１漫反射面ｄｉｆｆｕｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ——向所有方向发射 或者反射，或者两者兼有，等量的辐射强度的表面。 ．８４． ３．２．２发射能力ｅｍｉｓｓｉｖｅ ｐ０ｗｅｒ一—从表面上的单 位面积上辐射能量的速率。 ３．２－３辐射率仪ｅｍｉｓｓｏｍｅｔｅｒ一一一种用来测量发 射率的仪器。 ３．２．４朗伯余弦定律Ｌａｍｂｅｒｔ’Ｓ ｃｏｓｉｎｅ ｌａｗ一一描 述漫反射面的发射能力随着与表面法线方向的夹角的 余弦值的变化而变化的数学关系。 ３－２．５法向发射率ｎｏｒｍａｌ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ一一垂直于表 面的定向发射率。 ３．２．６辐射强度ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－－—对垂直于传 播方向的单位面积上，在单位时间，单位立体角内穿过 某面积的辐射能量。 ３．２．７光谱ｓｐｅｃｔｒａｌ一一与波长有关的，在一个狭窄 波长区域的辐射。 ３．２．８镜面ｓｐｅｃｕｌａｒ ｓｕｒｆａｃｅ一一反射行为类似镜 子的表面。 ３．３符号 ３．３．１本测试方法中使用的标准符号，参见术语ｃ １６８。其他符号如下所示： ＝总吸收率，无量纲。 ＝光谱吸收率，无量纲。 ＝高发射率校准标准板的总发射率，无量纲。 ｅ，ｏｗ＝ｔ￣发射率校准标准板的总发射率，无量纲。 ￡ ＝测试样品的表观总发射率，无量纲。 ￡＝表面的表观总发射率，无量纲。 ｓ．＝表面１的表观总发射率，无量纲。 ｓ ＝表面２的表观总发射率，无量纲。 ８ ＝探测器表面的表观总发射率，无量纲。 ￡。＝样品表面的表观总发射率，无量纲。 ｓ 光谱发射率，无量纲。 波长，ｌ－ｔｍ。 ｐ＝总反射率，无量纲。 盯＝斯忒藩一玻尔兹曼常数，５．６６９６×１０ Ｗ／ ｍ・ 。 ｒ＝总透射率，无量纲。 ＝表面面积，ｍ 。 Ｑ ＝辐射换热，ｗ。 ｑｒａｄ＝￣射热流，ｗｌ／ｍ 。 第１ ０期 姜广明等：《使用便携式辐射率仪测定接近室温的材料的发射率的标准试验方法》的介绍 ＝测试表面温度，Ｋ。 ：辐射背景温度，Ｋ。 ＝探测器温度，Ｋ。 ＝样品表面温度，Ｋ。 ｉ＝当稳定在高发射率校准标准板上，探测器的电 压输出。 ＝。 当稳定在低发射率校准标；隹板上，探测器的 电压输出。 ＝。。 当稳定在测试样品上，探测器的电压输出。 ４试验方法总结 本测试方法使用一种差热电堆辐射率仪测定总半 球发射率。加热探测器电堆，来为探测器和表面提供必 要的温度。差热电堆由一个上面覆盖着黑色涂层的电堆 和一个覆盖着高反射涂层的电堆构成。该设备使用两个 标准板校准，一个高发射率的标准板和一个低发射率 的标准板。如图ｌ所示，标准板放在吸热器（平台）的平 坦表面上。测试材料的样品放在平台上，它的发射率是 和标准板的发射率比较而定量出来的。测试时应当按照 ７．２的规定进行反复校准。 校准时，辐射率仪测量头放在高发射率标准板上， 图１（ａ）上显示出吸热器和读出设备的电缆；图１（ｂ）为 辐射率仪测量头的底视图，显示出高发射率和低发射率 探头元件。辐射率仪测量头的直径大约为５０ ｍｍ，探头 元件向测量头内部凹陷进去大约３ ｍｍ。 ５意义和使用 ５．１表面发射率测试 图１ 辐射率仪的原理图 １）当材料表面的发射率，Ｊ￣Ｂ，－Ｙ，热辐射传热减少。因 为使用绝热技术的控制因素有时候是冷凝控制或者是 人员的保护，重要的是要注意，低发射率也会改变材料 的表面温度。在选择这些材料时的一个可能的标准，是 老化对表面发射率的影Ⅱ向的问题。如果材料的初始低表 面发射率在使用过程中不能维持，那么材料的长期价值 就减少了。 ２）本试验方法提供了一种原位地测试低发射率表 面的相对的定期的测试方法。此方法中，老化作用对反 射性能的影响可以被监控。 ３）如果小心地避免潜在的错误应用，该方法可以 用以测量总半球发射率，精确度优于±０．０２个单位。校 准标；隹板的发射率应该从准确的、独立的总半球发射率 的测量取得。本测试方法不得用于高度各向异性或对红 外辐射透明的样品。本测试方法也不得用于有显著的热 阻的样品（见７－３．４）。 ４）一旦进行了一次可靠的发射率测量后，结果可以 用来计算从目标表面辐射的热流。例如，如果表面的温 度和环境的温度已知，那么辐射换热可由下式计算： Ｑｒａｄ＝Ａｅａ（ 一 ） （１） 式中Ａ为表面面积，假定表面面积ＡｔＬ环境面积小 得多，或者假定环境的发射率是一致的。如果需要的 话，辐射热流可以与对流热流结合，计算表面的总热流 （规程Ｃ ６８０中适当地描述了该方法）。 ６设备 ６．１本测试方法仅适用于如图１所示的，通过加 热的差热电堆辐射率仪进行发射率测试。使用的元件 如下。 ６．１．１差热电堆辐射能探测器 差热电堆由一个具有高发射率和低发射率的元件 构成。每个元件热发射和吸收的能量不同，产生了温差， 差热电堆产生一个与温度差成比例输出电压。输出电压 正比于探测器面对的表面的发射率。 ６．１．２控制加热器 控制加热器在辐射率仪测量头的内部，保持测量 头的温度高于测试样品和校准标准板。 ６．１．３读出设备 读出装置通常是数字毫伏表。有时候，数字毫伏表 ．８５． 国 ｏ标准规范ｄｅ ａｎｄ Ｓｔ ａｎｄａｒｄ 工程质量 第３３卷 包含一种调节热电堆输出信号的手段，可以直接阅读发 射率。 （作者注１一辐射率仪直接读出的发射率，准确 度在±０．Ｏ１单位。文献［１】描述的工作，精确度增加到 ±０．００１个单位。） ６．１．４吸热器平台 吸热器有一个平面或者平台，参比标准板和样品都 在它上面。提供了一种使标准板和样品保持相同、稳定 温度的方法。 ６．１．５参比标准板 辐射率仪的生产商供应了两套参比标准板，每组都 包括一个抛光不锈钢标准板（发射率约为０．０６）和黑色标 准板（发射率约为０．９）。该标准应能追溯到使用一种绝 对测试方法的测量方法（例如，测试方法Ｃ ８３５）。建议将 其中一套标准板作为工作标准板使用；另一套收好，用于 定期检查工作标准板的发射率。检查工作标准板的时间 间隔将取决于使用工作标准板的次数。 ６．１．６待测试表面的样品 要精心收集，以便保持原位的表面状况。对于比 辐射率仪测量头的外尺寸略大的样品，要仔细地切下 样品。 ７程序 ７．１安装 测试材料的样品应当在尽可能接近测试时间的时 候收集，以控制样品的条件作用历史。辐射率仪应当允 许平衡，知道校准保持稳定，没有漂移。在现场的测量， 辐射率仪应当设置在尽可能接近样品位置的地方。 （作者注２一对于辐射率仪 ，１ ｈ的热机时间被认 为是可以接受的。） ７．２仪器校；隹 ７．２．１将高发射率和低发射率的标准板放在吸热 器上。通过在标准板和吸热器的空气缝隙中加入蒸馏 水或者其他高导电材料的方法，提高标准板和吸热器的 热接触。 ７．２．２把辐射率仪测量头放在高发射率标准板上。 允许至少９０ ｓ至读数稳定。 ７．２．２．１如果使用一个标准的毫伏表作为读出装 置，记录输出电压。 ．８６． ７．２．２．２如果发射率是直接读出的，使用读出装置 上的可调增益旋钮（ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｉｎｃｏｎｔｒｏ１），调整读数等 于高发射率标准板的发射率。 ７．２．３把辐射率仪测量头放在低发射率标；隹板上。 然后允许至少９Ｏ ｓ至读数稳定。 ７．２．３．１如果使用一个标准的毫伏表作为读出装 置，从第８节的公式（２）中计算出低发射率标准板的 预期读数。然后调整辐射率仪的偏移量微调（ｏｆｆｓｅｔ ｔｒｉｍｍｅｒ）直至读出数值和计算数值一致。 ７．２．３．２如果发射率是直接读出的，使用辐射率仪 的偏移量微调控制，调整读出数值等于低发射率标准 板的发射率。 ７．２．４将辐射率仪的测量头再次移到高反射率标 准板上，重复７．２．１—７．２．３的操作，直到测量头可以从一 个标准板移到另一个标准板上而不需要任何调整来获 得预期的读数。 ７－３样品收集 ７．３．１因为许多不同种类的材料可以通过这种方 法测试，可能需要不同的样品收集程序，取决于材料的 性质。一般来说，程序应确保试样表面的最低改变。例 如，如果需要的是一个覆盖有灰尘的样品的发射率，灰 尘就不得移除。 ７．３．２应避免所有与试样表面的接触。此外，试样 表面不应该暴露于安装环境中原来不存在的，实际却源 源不断的气体或液体中。如果使用电动工具时，应注意 防止由于振动，干扰任何表面的沉积层（灰尘等）。发射 率测量之前的处理和时间延迟应当最小化。 ７．３．３样品应当在０．２５ ｍｍ的尺寸范围内平整，这 等于辐射率测量头的面积。 ７．３．４样品的传热系数ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ（导热 系数除以样品厚度）应当大于１ １００ Ｗ／ｍ２ｏＫ，对应于热 阻小于０．０００ ９１ Ｗ／ｍ２ｏＫ。例如，如果测试材料是玻璃， 导热系数大约为１．０ Ｗ／ｍ・Ｋ，那么样品的厚度应该小于 ０．９１ｍｍｏ ７．４样品发射率的测量 应当采用７．４．１—７．４．４．２给定的程序测量材料样品的 发射率。 ７．４．１按照７．２的规定重新校准辐射率仪。 ７．４．２保留高发射率标准板在原位，然而把低发射 第１ ０期 姜广明等：《使用便携式辐射率仪测定接近室温的材料的发射率的标准试验方法》的介绍 率标准板从吸热器上移开，并和试样放在一起。对于不 易吸湿的样品，应当滴加几滴蒸馏水或其他高电导率的 材料，以提高样品和吸热器之间的热接触。吸湿样品不 可加入水，如纸。允许放置至少９０ Ｓ，以使温度稳定。 ７．４．３把辐射率仪的测量头放在高发射率的标准 板上，并等待输出读数稳定。如果使用的是一个标准的 毫伏表，记录输出电压读数。 ７．４．４把辐射率仪的测量头放在样品上，并等待输 出的读数稳定。 ７．４．４．１如果发射率是直接读出的，记录样品的发 射率值。 ７．４．４．２如果使用的是一个标准的毫伏表，应该利 用公式（３）来计算样品的发射率。 ８计算 ８．１低反射率标准（标准毫伏表）的期望读数按式 （２）计算： 。 ＝ ｌ。 × ｉ／ｃｈｉ （２） ８．２样品的反射率（标准毫伏表）按式（３）计算： ｅｓｐｅｃ＝Ｖ￣。。 ＸｅｈＩ／ ｉ （３） ９报告 ９．１每个测试结果的报告应当包含所有的数据，采 用ＳＩ单位制，报告以下信息： ９．１．１名称和材料的任何其他相关标识，包括物 理描述。 ９．１．２样品的描述及它与试样的关系，如果已知的 话，应包括样品的简要历史。 ９．１．３接收Ｂ，－Ｊ－￣ｏ测试时，试样的厚度。 ９．１．４进行测量的房间的温度，℃。 ９．１．５校准标准板的来源和分配的发射率值。 ９．１．６发射率的测量值。应报告两个测量值，以演示 对于测定类型表面的特定仪器的重复性。 ９．１．７测试的日期，测试的时间周期。 ９．１．８遵从『生声明，或者环境或要求完全符合测试的 程序，同意的例外。一个建议的措辞是：“这个测试符合 ＡＳＴＭ Ｃ １３７１所有的要求，除了（附上不符合情况的完 整列表）。” ９．１．９估计或者计算报告结果的不确定度。 １０精度和偏差 １０．１多个实验室的测试程序 非正式的多个实验室的比较在１９８８年￣１Ｊ１９８９年间 进行。专门准备了Ｔｙｐｅ ３０４Ｌ型不锈钢样品（ｓ一０．１２）和 电解紫铜（８—０．０４）。 １０．１．１在大约一年里的２３个不同的时间间隔中，在一 个实验室测试每种材料的一个样品。每一天，对每一个 样品由同一个操作员进行两次测试，每种材料总共：￣－４６ 个测试结果。每种材料另准备一个样品。在相同实验室 的一个操作员在每一天做两次测试。在另一个实验室的 一个操作员，第一天对每个样品做两次测试，三天后对 每个样品做四次测试。每种材料准备另一个样品。在第 一个实验室的操作员在一天为每个试样做两次测试。第 三个实验室的操作员在一天对每个试样做四次测试。这 些数据按照规程Ｅ６９１的方法分析，来确定可重复，ｌ，ｔ￣ｏ 再现性的限制。在分析中忽略，测试是在一段时间内进 行的。 １０．１．２；隹备额外的不锈钢和铜样品。每个样品在第 一个实验室用辐射率仪测试。第一个实验室也按照测试 方法Ｃ ８３５测试不锈钢样品的总半球发射率。其他三个实 验室使用绝对技术测量每个材料的总半球发射率。该技 术使用的是一个量热计，反射计和一个红外温度计。 １０．２测试结果 三个实验室的每一个单独的测试都被视为测试结 果，每种材料总共有６０个测试结果。 １０－３精度 数值单位的无量纲的发射率单位。按照规程Ｅ １７７ 的指定，使用重复性限制和再现性限制。测试结果问的 相对标准偏差由上述极限值除以２．８得到。 不锈钢 铜 置信度９５％（实验室内） ０．０１１单位 ０．０１５单位 置信度９５％（实验室间） ０．０１５单位 ０．０１９单位 １０．４偏差 对辐射率仪和绝对技术的测试结果组进行了统计 分析。对不锈钢和铜样品进行了独立分析。分析显示辐 射计法和绝对技术获得的平均值没有统计上的显著差异 （在５％的显著性水平）。得出结论，这种测试方法没有 统计上显著偏差。 ．８７．
