ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B64G7/00 

Изобретение относится к испытательной технике, используемой для проведения высокотемпературных испытаний, например, исследований на стойкость к световым воздействиям различных красителей и лакокрасочных покрытий и предназначено для имитации облучения солнечной радиацией различных устройств и материалов.

Известны гелиоустановки (солнечные печи), предназначенные для лучистого нагрева (авт. св. СССР N 644000, кл. G 01 N 17/00, 1991), представляющие собой ориентированный на Солнце составной концентратор с приводом перемещения, имеющий фацеты равных площадей с совмещенными фокальными зонами, размещенное в фокусе средство крепления испытуемых образцов, а также устройство регулирования плотностью потока.

Однако данные установки обладают целым рядом недостатков. На их работоспособность и технические характеристики оказывают серьезное влияние погодные и климатические условия. Кроме того, облученность и размер фокального пятна сильно зависят от диаметра и фокусного расстояния зеркала, поэтому для облучения размерных объектов с большим значением облученности возникает необходимость сооружения крупногабаритных солнечных печей.

Аналогом-прототипом является имитатор, использующий в качестве источников излучения лампы дугового разряда (авт. св. СССР N 339464, кл. B 64 G 7/00, 1972). Имитатор содержит ксеноновую дуговую лампу с установленным по полю дуги сферическим отражателем, конденсатор, с помощью которого изображение передается на полевую диафрагму, и коллектор. Между конденсатором установлена зеркальная система, состоящая из трех зеркал с приводом вращения.

Недостатком известного имитатора является применение привода вращения и зеркальной системы, которые усложняют юстировку имитатора, так как незначительное смещение оптической оси одного из оптических устройств относительно главной оптической оси всей системы приводит к существенному изменению выходного излучения. Создаваемое мгновенное распределение яркости у известного устройства остается неравномерным, что не дает возможность моделировать кратковременные импульсы. Наличие вращающегося зеркального устройства затрудняет использование в качестве источника мощных ламп, поскольку это повлечет за собой создание внутри вращающегося устройства системы охлаждения зеркал.

Задача изобретения устранение указанных недостатков.

Сущность изобретения заключается в том, что в имитатор солнечного излучения, содержащий источник света, расположенный одновременно в фокусах отражателя и конденсатора, в выравниватель яркости и коллиматор, установленные последовательно за конденсором вдоль оптической оси, введены блок задания режима излучения, датчик излучения, маломощная лампа накаливания и по N 1 дополнительных источников света, отражателей, конденсаторов, выравнивателей яркости и коллиматоров, из которых каждый источник света расположен одновременно в соответствующих фокусах отражателя и конденсора, а соответствующие выравниватель яркости и коллиматор установлены последовательно за каждым конденсатором вдоль оптической оси, при этом каждый из N отражателей выполнен в виде части эллипсоида вращения, а каждый из N выравнивателей яркости в виде совокупности многогранных призм со сферическими торцами, расположенных параллельно друг другу с контактом по граням, каждые i-е (i 1, N) конденсатор, выравниватель яркости и коллиматор размещены в одном корпусе, объединенном с возможностью осевого смещения в модуле с i-м источником света и отражателем, каждый i-й из центральносимметрично расположенных модулей установлен на общей раме с возможностью перемещения в плоскости общей рамы и поворота относительно этой плоскости, а маломощная лампа накаливания с возможностью фиксации в фокусе каждого i-го отражателя, фокальные плоскости N коллиматоров совмещены, а датчик излучения размещен в совмещенной фокальной плоскости и соединен с блоком задания режима излучения.

На фиг. 1 изображены принципиальные схемы имитатора солнечного излучения, закрепления i-го модуля на общей раме (фиг. 2), i-го модуля (фиг. 3), а также общий вид интегнирующей оптической системы в плане (фиг. 4) и электронная схема блока задания режима излучения (фиг. 5).

Объект испытаний 1 расположен в совмещенной фокальной плоскости имитатора, сформированной за счет согласования фокусных расстояний выходов блока модулей 2, предназначенных для моделирования солнечного излучения. Блок модулей 2 состоит из девяти модулей, закрепленных на общей вертикальной раме 3, выполненной в виде силовой металлоконструкции и установленной на фундаменте (не показано), центрально-симметрично относительно оптической оси центрального модуля. Каждый модуль 4 закреплен в системе вложенных друг в друга четырех металлических силовых рамок 5 8. Рамка 5 со всеми вложенными в нее элементами имеет возможность перемещения по горизонтальным направляющим 9, которые жестко закреплены на общей раме (не показано), а рамка 6 имеет возможность перемещения по вертикальным направляющим рамки 5. Рамка 7 имеет возможность поворота в рамке 6 вокруг горизонтальной оси, а рамка 8 в рамке 7 вокруг вертикальной оси. Вращение рамок 7 и 8 обеспечивают червячные механизмы (не показано). При этом рамка 5 центрального модуля имеет возможность перемещения по направляющим, закрепленным на общей раме 3, вдоль оптической оси модуля.

В состав модуля 4 входят последовательно и соосно расположенные на цилиндрических направляющих 10 источник света (излучения) 11, закрепленный в рамке 8, конденсатор 12, выравнивателя яркости 13 и коллиматор 14. Причем конденсор 12, выравниватели яркости 13 и коллиматор 14 установлены в одном корпусе 15 с возможностью его смещения в осевом направлении по цилиндрическим направляющим 10. Источник света (лампа) 11 выполнен в виде дуговой ксеноновой лампы-светильника. Внутренняя поверхность корпуса лампы 11, представляющая собой отражатель и контротражатель 16, выполнена в виде части зеркального эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого расположена дуга, и предназначена для перераспределения лучистого потока дугового разряда лампы таким образом, чтобы практически все излучение через отражатель и контротражатель 16 фокусировалось на срезе выходного окна 17 лампы 11. Конденсор 12 выполнен в виде двояко-выпуклой кварцевой линзы, предназначенной для уменьшения угла рассеивания лучистого потока лампы 11, и установлен таким образом, что его фокус совпадает с фокусом 17 отражателя и контротражателя 16. Геометрические параметры конденсора 12 выбраны из расчетов так, чтобы лучи элементарных пучков, подающихся на выравниватели яркости 13, составляли угол с их оптическими осями не более 10^o при достаточно большом охвате лучистого потока лампы 11 входным окном конденсора 12.

Выравниватели яркости 13 представляют собой плотно упакованные с контактом по граням и закрепленные в оправе 18 от взаимного перемещения 163 одинаковых оптических элемента, выполненных в виде кварцевых шестигранных призм с торцами, обработанными по сфере, которые в совокупности образуют интегрирующую оптическую систему 19 и предназначены для выравнивания силы светового излучения. Выбор размера интегрирующей оптической системы 19, числа выравнивателей яркости 13 и расчет их геометрических параметров выполнены исходя из условий наилучшего использования упавшего на интегратор светового потока от конденсатора 12 и с учетом требований к имитатору в целом.

Коллиматором 14 является плоско-выпуклая кварцевая линза, которая устанавливается сразу за выравнивателями яркости 13 (интегрирующей оптической системы 19) и предназначена для сведения осевых лучей световых пучков от всех выравнивателей яркости 13 и полного их наложения в фокальной плоскости модуля 4. Геометрические параметры коллиматора 14 определены корректировкой параметров безаберрационной линзы методом последовательных приближений путем расчета реального хода лучей через весь оптический тракт модуля 4.

Источником питания 20 лампы 11 служит тиристорный преобразователь, установленный на фундаменте. Тиристорный преобразователь допускает дистанционное включение и отключение лампы 11, а также управление током дуги лампы 11 (и соответственно ее световым потоком) с помощью внешнего задающего сигнала.

Система охлаждения 21 предназначена для охлаждения технической водой анода, катода и внутренних элементов (отражатель и контротражатель 16), а также дистиллированной водой выходного окна лампы 11. Охлаждение технической и дистиллированной водой проходит по самостоятельным замкнутым контурам, в каждый из которых входят: для технической воды насос ЗКМ-6; для дистиллированной воды помпа 1029, накопительные емкости и магистрали связи. Накопитель емкости контура технической воды предварительно заполняется из водопроводной сети, а дистиллированной воды с помощью дистиллятора Э1-90М.

Для задания режимов, контроля и корректировки работы имитатора применен блок задания режима излучения 22, с помощью которого задается форма светового импульса. Принципиальная электронная схема блока задания режима излучения (фиг. 5) состоит из мостовой схемы 23, в одно из плеч которой подключен датчик излучения 24 (например, фоторезистор), усилительной схемы 25 (эмиттерного повторителя), схемы задатчика амплитуды и длительности светового импульса 26 и блока питания (не показан). Датчик 24 установлен в фокальной плоскости имитатора и предназначен для контроля и корректировки амплитуды светового импульса во время работы имитатора. Задатчик 26 выполнен в виде m-го количества переменных резисторов 27 и m-го количества электромагнитных реле времени 28 типа ЭМРВ-278. Переменные резисторы 27 подобраны так, чтобы при включении каждого из них в цепь база эмиттер эмиттерного повторителя (ЭП) 25 они определяли диапазон смещения последнего, охватывающий весь диапазон сигнала управления током источников питания 20, а электромагнитные реле времени 28 необходимый диапазон длительности светового импульса. На направляющей 10 центрального модуля закреплена поворотная телескопическая штанга 29, на свободном конце которой установлен источник излучения 30, выполненный в виде лампы накаливания малой мощности. Штанга 29 позволяет фиксировать источник 30 в фокусе 17 отражателя и контротражателя 16 каждой i-й лампы 11, который предназначен для замены лампы 11 в процессах юстировки оптического тракта модуля 4 и наведения световой зоны на испытуемый объект 1.

Применение блока задания режима излучения 22 в совокупности с датчиком излучения 24 позволяет формировать необходимые режимы излучения с заданными энергетическими и временными характеристиками, а также проводить их корректировку в процессе работы имитатора.

Применение интегрирующей оптической системы обеспечивает высокую равномерность распределения энергии в совмещенной фокальной плоскости, позволяет использовать различные типы источников излучения, а применение лампы накаливания малой мощности 30 позволяет проводить юстировку всего оптического тракта и совмещать фокальные плоскости от каждого модуля без включения источников излучения, что значительно ускоряет и упрощает проведение испытаний.

Центральносимметричное расположение модулей, пространственная ориентация каждого из которых обеспечивается закреплением в системе из четырех вложенных друг в друга рамок (фиг. 2), позволяет расширить площадь светового воздействия путем наложения световых зон от отдельных световых модулей.

Устройство работает следующим образом.

Объект испытаний 1 устанавливают в рабочей зоне имитатора (совмещенная фокальная плоскость блока модулей). С помощью малого источника излучения 30 световые зоны последовательно от каждого модуля наводят на объект испытаний путем ориентации модулей в пространстве в системе вложенных друг в друга рамок (фиг. 2). После проведения юстировки оптического тракта модулей и наведения световой зоны на объект испытаний 1 телескопическую штангу 29 с малым источником излучения 30 убирают из зоны действия лампы 11. Затем включают источники питания 20 и с помощью блока задания режима излучения 22 при замыкания ключа K (фиг. 5) происходит отрабатывание заданной программы.

Блок задания режима излучения 22 вместе с датчиком 24 работает следующим образом. Заданная форма светового излучения (СИ) разбивается на m участков по времени. Причем время срабатывания m-го реле времени 28 устанавливают равным где τ_i длительность i-го участка разбиения, а амплитуду сигнала управления источниками питания 20 лампы 11 i-го временного участка выбирают с помощью i-го переменного резистора 27 таким образом, чтобы СИ на i-м временном участке соответствовало заданному. При замыкании ключа K (фиг. 5) происходит подключение источников питания 20 и одновременно подачи питания на все n реле времени 28. I-е реле времени 28 включает в цепь база эмиттер эмиттерного повторителя 25 i + 1-й переменный резистор 27, что обеспечивает смещение эмиттерного повторителя 25, соответствующее амплитуде i + 1-го участка разбивания СИ. Одновременно i-е реле времени 28 отключает i-й переменный резистор 27 от цепи база эмиттер эмиттерного повторителя 25. N-е реле времени после отработки своей программы по длительности, равной длительности всего СИ, подает сигнал на отключение источников питания 20, а также отключение питания всех реле времени 28.

Корректировка амплитуды СИ в пределах длительности i-го участка разбиения происходит следующим образом. Изменение амплитуды СИ приводит к изменению сопротивления датчика излучения 24 (например, фоторезистора), что в свою очередь изменяет баланс мостовой схемы 23, ток база коллектор эмиттерного повторителя 25 и соответственно сигнал управления, поступающий на источники питания 20, причем увеличение СИ приводит к уменьшению сигнала управления.

Вышеописанное выполнение имитатора солнечного излучения обеспечивает возможность воспроизведения в лабораторных условиях режимов нагревания объектов, близких к эксплуатационным, что приводит к значительной экономии средств и повышению надежности объектов.

Использование: испытательная техника для проведения высокотемпературных испытаний, например, исследований на стойкость к световым воздействиям различных красителей и лакокрасочных покрытий. Сущность изобретения: в имитатор солнечного излучения, содержащий отражатель, источник сети, конденсатор, выравниватель яркости и коллиматор, введены блок задания режима излучения, датчик излучения и лампа накаливания малой мощности. Также дополнительно введено по N-1 отражателей, источников света, конденсаторов, выравнивателей яркости и коллиматоров. При этом каждые i-e (i=1,...,N) отражатель, источник излучения, конденсатор, выравниватель емкости и коллиматор установлены последовательно. Фокус каждого i-го конденсатора совмещен с фокусом соответствующего i-го отражателя. Отражатели выполнены в виде части эллипсоида вращения, а выравнивателя яркости - в виде многогранных, например, шестигранных, призм со сферическими торцами. Призмы каждого i-го выравнивателя яркости установлены в одном корпусе с i-ми конденсатором и коллиматором параллельно с контактом по граням. Каждый i-й корпус с возможностью смещения в осевом направлении объединен в i-й модуль с i-ми источником излучения и отражателем. Каждый i-й модуль установлен на общей раме с возможностью перемещения в плоскость общей рамы и поворота относительно этой плоскости. Лампа накаливания малой мощности установлена на общей раме с возможностью фиксации в фокусе каждого i-го отражателя. Фокальные плоскости коллиматоров совмещены, а датчик излучения размещен в совмещенной фокальной плоскости и соединен с блоком задания режима излучения. 5 ил.

Имитатор солнечного излучения, содержащий источник света, расположенный одновременно в фокусах отражателя и конденсора, выравниватель яркости и коллиматор, установленные последовательно за конденсором вдоль оптической оси, отличающийся тем, что в него введены блок задания режима излучения, датчик излучения, маломощная лампа накаливания и по N 1 дополнительных источников света, отражателей, конденсоров, выравнивателей яркости и коллиматоров, из которых каждый источник света расположен одновременно в фокусах соответствующих отражателя и конденсора, а соответствующие выравниватель яркости и коллиматор установлены последовательно за каждым конденсором вдоль оптической оси, при этом каждый из N отражателей выполнен в виде части эллипсоида вращения, а каждый из N выравнивателей яркости в виде совокупности многогранных призм со сферическими торцами, расположенных параллельно друг другу с контактом по граням, каждые i-е (i 1.N) конденсор, выравниватель яркости и коллиматор размещены в одном корпусе, объединенном с возможностью осевого смещения в модуле с i-ми источником света и отражателем, каждый i-й из центрально-симметрично расположенных модулей установлен на общей раме с возможностью перемещения в плоскости общей рамы и поворота относительно этой плоскости, а маломощная лампа накаливания с возможностью фиксации в фокусе каждого i-го отражателя, фокальные плоскости N коллиматоров совмещены, а датчик излучения размещен в совмещенной фокальной плоскости и соединен с блоком задания режима излучения.