一种测试路面材料发射率的装置及方法与流程

本发明属于路面材料热辐射技术领域，具体涉及一种测试路面材料发射率的装置及方法。

背景技术：

道路路面占据了城市地表相当比例的面积，在城市“热岛效应”的诸多成因中，城市建成区内高密度路面是重要原因。在太阳辐射下，路面上行走的人体不仅受到太阳光经路面反射的短波辐射，还受到路面吸收部分太阳辐射能量后发射的长波辐射，反射的短波辐射和发射的长波辐射是人体主要辐射源。

近年来，道路工作者试图通过增大路表反射率，降低路面内部温度，以达到减少路面长波发射、缓解城市热岛效应的目的。但是，路面较大的反射率在降低太阳辐射下路面内部温度的同时，却导致路表人体受到了更多的反射辐射。因此，单纯增大路面材料的反射率只能降低路面内部温度，有利于降低路面高温病害，对于缓解热岛效应没有明显作用。

既然路面上人体受到的辐射是路面反射辐射和发射辐射的综合，而单纯增大路表发射率对提高人体舒适度意义不大，那么降低路面材料发射率，以减少由路面长波发射的辐射能，是目前值得尝试的技术途径。事实上，路面材料尤其是沥青路面材料的发射率在0.85以上，即相当多的路面能量是通过长波发射的方式向外扩散的，若能开发低发射率路面材料或涂层材料，降低路面发射能量，将有助于较少人体受到的辐射能。但是，目前道路工程专业尚未建立沥青混凝土、水泥混凝土等路面建筑材料或涂层材料发射率的标准测试方法，导致无法优选低发射率路面或涂层材料，无法从路面热辐角度有效缓解城市“热岛效应”。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测试路面材料发射率的装置及方法，以解决现有技术中因现有技术缺少路面材料发射率的标准测试方法而导致的无法优选低发射率路面或涂层材料的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种测试路面材料发射率的装置，包括光源，所述光源照射路面材料试件，长波辐射传感器检测路面材料试件发出的长波辐射，辐射采集仪采集长波辐射传感器检测到的数据并进行处理；所述路面材料试件内部设有温度传感器，温度采集仪采集温度传感器检测到的数据并进行处理。

所述装置还包括支架，所述支架包括立柱，多个所述立柱支撑下层搁板、中间搁块和上层顶盖，所述下层搁板的上表面设置所述光源；所述中间搁块支撑所述路面材料试件；所述上层顶盖的内侧设置所述长波辐射传感器。

两个所述长波辐射传感器分别通过伸缩杆固定在所述上层顶盖的内侧。

所述上层顶盖的内侧设有吸光布。

所述光源是红外短波光源，所述红外短波光源的波长范围是0.3～3μm，功率大于150w。

所述长波辐射传感器所能检测的波长范围为3.5～50μm。

所述温度传感器有4个，均匀设置在所述路面材料试件的不同深度位置。

所述路面材料试件的表面设有路面涂层材料。

一种测试路面材料发射率的方法，包括：

分别调整两个长波辐射传感器的位置，使其与路面材料试件保持设定距离，在设定温度环境下，打开红外短波光源照射路面材料试件的下表面；

按照设定时间间隔分别采集路面材料试件不同位置处的温度和不同长波辐射传感器检测到的辐射强度，以每次采集的路面材料试件不同位置处的温度的平均值作为该时刻采集的路面材料试件的温度；

根据每次采集到的路面材料试件的温度和辐射强度数据，计算该次采集时刻下路面材料试件的发射率；

计算照射时段内多组路面材料试件的发射率，以其平均值作为所测路面材料的发射率。

将每次采集的路面材料试件的温度和不同长波辐射传感器检测到的辐射强度，代入如下方程组计算路面材料的发射率：

其中，表示与路面材料试件的上表面垂直距离为r1的长波辐射传感器采集到的辐射强度，表示与路面材料试件的上表面垂直距离为r2的长波辐射传感器采集到的辐射强度，σ0表示黑体辐射系数，取5.67×10^-8w/m²k⁴，ki表示距离系数，εi表示第i次测试得到的路面材料的发射率，ti表示第i次测试得到的路面材料试件的平均温度。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明通过红外短波光源照射路面材料试件，模拟太阳光对路面的照射，进而计算出路面材料的发射率，通过测试不同路面材料的发射率可以优选出低发射率的路面材料或涂层材料以缓解城市的“热岛效应”；

(2)本发明不仅可以测试单一路面材料的发射率，还能测试含有表面涂层的试件的发射率，其适用性更广；

(3)本发明所述装置只需要通过简单易得的温度传感器、辐射传感器等，就能间接的确定路面材料发射率，具有显著的便捷性，装置结构简单，成本低，操作简便。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种测试路面材料发射率的装置的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种测试路面材料发射率的装置的上层顶盖内侧长波辐射传感器与吸光布的平面结构示意图；

图3是通过本发明实施例提供的一种测试路面材料发射率的装置检测到的ac-13试件内部温度与红外短波光源灯照射时间的关系；

图4是通过本发明实施例提供的一种测试路面材料发射率的装置检测到的ac-13试件发射辐射强度与红外短波光源灯照射时间的关系；

图中：1.红外短波光源；2.路面材料试件；3.长波辐射传感器；31.辐射采集仪；4.温度传感器；41.温度采集仪；51.立柱；52.下层搁板；53.中间搁块；54.上层顶盖；6.吸光布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

太阳辐射下的路面将产生三种类型的热量交换，分别是：(1)太阳辐射以短波形式照射在路表，其中少量辐射被路表反射出去，相当比例的部分被路面吸收，反射与吸收量取决于路表材料的反射率；(2)被路面吸收的辐射，转化为热量，通过热传导或对流形式，向路面深处或空气内传递，传递的快慢取决于路面材料的导热系数、比热容等热物性参数；(3)路面通过发射长波辐射的方式，向大气发射能量，发射辐射的能量大小i受路面材料的温度t和路面材料的发射率ε控制，存在如下关系：

i＝σ0εt⁴/π(1)

其中，σ0表示黑体辐射系数。且发射辐射的能量大小与距离平方成反比，距离越远处测试得到的发射辐射越小。

路面材料发射率与发射强度之间的关系，具有以下启示：若能够测试出由路面材料发射出的长波强度，并同时获得路面材料内部温度，就可以反推出发射率。这是本发明确定路面及其涂层材料发射率的核心思想。为了实现这一思想，其关键是同步测试路面材料的长波发射强度和内部温度，为此本发明的第一部分即是设计路面材料发射辐射强度的测试装置。

如图1所示，一个三层的支架，包括四个立柱51、一个下层搁板52、一组中间搁块53和一个上层顶盖54。红外短波光源1置于下层搁板52上，路面材料试件2置于中间搁块53上，长波辐射传感器3置于上层顶盖54的内侧；红外短波光源1自下而上照射路面材料试件2，用于模拟太阳光对中间层路面材料试件2的照射；长波辐射传感器3有两个，都置于三层支架的上层顶盖54的内侧，感应面垂直朝下，每个长波辐射传感器3与上层顶盖54的内侧之间均连有竖向伸缩杆，用于调节长波辐射传感器3与路面材料试件2之间的距离，通过长波辐射传感器3检测路面材料试件2发出的长波辐射，辐射采集仪31采集长波辐射传感器3检测到的数据并进行处理；上层顶盖54内侧设有黑色吸光布6，用于防止上层顶盖54对长波辐射的反射造成的检测偏差。路面材料试件2内部设有4个温度传感器4，4个温度传感器4均匀分布在路面材料试件2内部的不同深度位置，温度采集仪41采集温度传感器4检测到的数据并进行处理。

本发明所述装置中，红外短波光源1的波长范围为0.3～3μm，功率为150w以上，长波辐射传感器3所能测试的波长范围为0.35～50μm，温度传感器4分别埋设在厚度为5cm的待测路面材料试件2的1cm、2cm、3cm、4cm深度处。下层红外短波光源1与中间层路面材料试件2的下表面的垂直距离为20cm，中间层路面材料试件2的上表面与上层长波辐射传感器3的垂直距离为20cm，且该距离可通过设置在长波辐射传感器3与上层顶盖54之间的伸缩杆进行调整。

如图2所示，是本发明实施例的上层顶盖54内侧长波辐射传感器3与吸光布6的平面结构示意图；上层顶盖54内侧被黑色吸光布6覆盖仅露出两个长波辐射传感器3。

对红外短波光源1照射下的路面材料的内部温度和外部长波发射辐射强度同时进行数据采集，是确定路面材料发射率的关键。为此，采用本发明所述装置进行路面材料发射率的测试，主要包括以下步骤：

步骤s1：调整长波辐射传感器3的伸缩杆，使两个长波辐射传感器3与路面材料试件2上表面垂直距离分别为r1和r2，在25℃的室温环境下，采用红外短波光源1从下至上照射初始温度为25℃的路面材料试件2的下表面至少60min；本发明不仅可以测试单一路面材料的发射率，还能测试含有表面涂层的试件的发射率，其适用性更广，当测试路面涂层材料发射率时，可采用涂层材料涂抹于路面材料试件2的表面；

步骤s2：每隔5min采集一次路面材料试件2内部1cm、2cm、3cm、4cm深度处的温度，以每次采集的4个深度处温度的平均值作为该时刻采集的试件温度，同时采集两个长波辐射传感器3接收到的辐射强度；

步骤s3：对每次采集的温度和辐射强度，联列方程组

其中，表示与路面材料试件的上表面垂直距离为r1的长波辐射传感器采集到的辐射强度，表示与路面材料试件的上表面垂直距离为r2的长波辐射传感器采集到的辐射强度，σ0表示黑体辐射系数，取5.67×10^-8w/m²k⁴，ki表示距离系数，εi表示第i次测试得到的路面材料的发射率，ti表示第i次测试得到的路面材料试件2的平均温度；

步骤s4：采用s3步骤中方法，计算得出照射时段内路面材料的至少6组发射率，以其平均值作为所测路面材料的发射率。

采用本发明所述测试路面材料发射率的装置及方法测试路面材料为沥青混合料ac-13的发射率，沥青混合料ac-13的级配、沥青用量bc、孔隙率vv见表1：

表1实施例采用的ac-13

将上述ac-13沥青混合料做成试件，试件长宽厚分别是30cm、30cm、5cm。将ac-13试件水平放置到本发明所述的测试路面材料发射率的装置的中间搁块53上，并在25℃室温条件下放置2h，调节两个长波辐射传感器3与试件上表面的垂直距离，使其与试件上表面的垂直距离分别为2cm和10cm。

打开本发明所述测试路面材料发射率的装置下层的红外短波光源1，使其垂直向上照射ac-13试件的下表面，同时采集试板内部温度，结果如图3所示。

采用装置上层的国产tbq-bl型长波辐射传感器，测量波长范围3.5～50μm红外射线辐射强度，距离试件上表面2cm和10cm处的结果ir1和ir2如图4所示。

按照图3和图4，根据计算照射2h内路面材料的发射率，表2给出本次测试的其中6个时刻下ac-13的发射率，由表2可见，在红外短波光源照射下ac-13材料发射率比较稳定，基本在0.93左右。因此，本发明测试得到的ac-13发射率为0.93。

表2不同时刻ac-13发射率

本发明所述装置只需要通过简单易得的温度传感器、辐射传感器等，就能间接的确定路面材料发射率，具有显著的便捷性，装置结构简单，成本低，操作简便；同时，本发明通过红外短波光源照射路面材料试件，模拟太阳光对路面的照射，进而计算出路面材料的发射率，通过测试不同路面材料的发射率可以优选出低发射率的路面材料或涂层材料以缓解城市的“热岛效应”。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。