УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ЗЕРКАЛ Российский патент 1997 года по МПК G01M11/00 G02B5/08 

Изобретение относится к квантовой электротехнике, в частности к устройствам для измерения коэффициента поглощения используемых в устройствах формирования и транспортировки излучения охлаждаемых зеркал на рабочей длине волны.

Известно устройство для измерения коэффициента поглощения образцов зеркал [1] включающее источник излучения, образец зеркала, прикрепленный к нему электрический нагреватель, термодатчики, работающие по принципу первоначального нагрева зеркала от источника излучения и последующего аналогичного нагрева от нагревателя.

Основными недостатками известного устройства являются его применение для исследования лишь специально изготовленных неохлаждаемых образцов зеркал со встроенными нагревателями, а не реальных охлаждаемых зеркал, и низкая точность измерений.

По технической сущности наиболее близким к изобретению /прототипом/ является калориметрическое устройство для измерения коэффициента поглощения зеркал [2] содержащее источник излучения, неохлаждаемый образец зеркала с вмонтированным электрическим нагревателем, тепловой резервуар с охлаждающей термостабилизированной жидкостью, тепловод, размещенный между образцом и тепловым резервуаром, термодатчики-термисторы, поглощающий конус с электронагревателем и тепловодом. При нагреве образца зеркала и поглощающего конуса энергией излучения с помощью термисторов измеряется перепад температур на тепловоде между образцом /конусом/ и резервуаром с охлаждающей жидкостью постоянной температуры, затем этот перепад воспроизводится с помощью встроенного нагревателя.

Основными недостатками устройства /2/ являются возможность перемещения его в лабораторных условиях для исследования лишь специально изготовленных неохлаждаемых образцов с нагревателями и тепловодами, а не предназначенных для эксплуатации охлаждаемых зеркал, при неограниченном времени работы источника и постоянной мощности излучения, большое влияние тепловых потерь на точность измерений ввиду того, что лазерный и электрический нагрев разнесены во времени.

Задачей изобретения является повышение точности измерения коэффициента поглощения находящихся с эксплуатации и применяемых в устройствах формирования и транспортировки излучения охлаждаемых зеркал.

Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство, содержащее источник излучения, оптически сопряженный через зеркало с поглощающим конусом, системы охлаждения зеркала и конуса с коллекторами входа и выхода хладагента и каналами охлаждения, термодатчики, дополнительно снабжен патрубками с карманами для размещения термодатчиков, при этом на тыльной поверхности поглощающего конуса размещены коллекторы входа и выхода хладагента, на боковой и тыльной поверхности конуса выполнены каналы охлаждения, патрубки с карманами для размещения термодатчиков присоединены к коллекторам входа и выхода хладагента поглощающего конуса и зеркала, причем термодатчики установлены в патрубках и ориентированы в направлении, противоположном движению хладагента, а карман для размещения термодатчика состоит из штуцера, полого чехла, термодатчика, выполненного в виде многослойной термопары, при этом штуцер введен в отверстие на боковой стороне патрубка и жестко соединен с ним, а чехол с электродами многослойной термопары размещен внутри штуцера.

На фиг. 1 схематически изображено предложенное устройство для измерения коэффициента поглощения зеркал; на фиг. 2 патрубок с карманом для размещения термодатчика.

Устройство содержит охлаждаемое зеркало 1, патрубки 2 с карманами для размещения термодатчиков на участках входа хладагента, патрубки 3 с карманами для размещения термодатчиков на участках выхода хладагента, карманы 4 для размещения термодатчиков, термодатчики /многослойные термопары/ 5, поглощающий конус 6, коллекторы 7 входа хладагента, коллекторы 8 выхода хладагента, каналы 9 охлаждения, источник излучения 10.

К входному и выходному фланцам системы охлаждения зеркала 1, коэффициент поглощения которого необходимо измерить, присоединяются патрубки 2 и 3 с карманами 4 для размещения термодатчиков 5. Поглощающий конус 6 измеритель энергии отраженного излучения имеет на тыльной поверхности коллекторы входа и выхода хладагента 7 и 8, а также каналы охлаждения 9, выполненные на боковой и тыльной поверхностях конуса. К фланцам системы охлаждения конуса 6, как и у зеркала 1, присоединяются патрубки 2 и 3 с карманами 4 и термодатчиками 5. В качестве термодатчиков 5 используются многослойные термопары, спаи которых помещаются непосредственно в потоке хладагента. Зеркало 1 и конус 6 расположены таким образом, что отраженное поверхностью зеркала излучение источника 10 попадает на рабочую поверхность поглощающего конуса.

Патрубок 2 с карманом для размещения термодатчика включает штуцер 11, чехол 12, шайбу 13, прокладку 14, гайку 15.

Патрубок 2 на боковой стороне имеет сквозное отверстие, в которое вводится штуцер 11 и жестко соединяется с патрубком /например, сваркой/. Внутри штуцера размещен полый чехол 12, представляющий фигурную металлическую трубку с открытыми концами и со специальной напаянной на трубку уплотнительной шайбой 13. Прокладка 14 с гайкой 15 обеспечивает герметичный ввод чехла 12 внутрь патрубка 2. Спаи термопары 5 выходят на несколько миллиметров навстречу потоку из открытого конца чехла 12, а электроды термопары проходят внутри чехла. Для обеспечения герметичности внутренняя полость чехла с электродами залита герметизирующей смолой.

Устройство работает следующим образом.

Поглощенная отражающей поверхностью зеркала 1 часть энергии падающего излучения источника 10 отводится хладагентом, прокачиваемым через систему охлаждения зеркала при постоянном расходе и постоянной температуре хладагента на входе. С помощью многоспайной термопары 5 записывается изменение во времени температурного перепада хладагента на входе-выходе зеркала 1. Отраженная зеркалом 1 часть энергии излучения поглощается рабочей поверхностью поглощающего конуса 6 и отводится хладагентом, прокачиваемым через конус 6 при постоянном расходе и постоянной температуре хладагента на выходе. Перепад температуры на входе-выходе конуса фиксируется с помощью многоспайной термопары 5. Можно показать, что коэффициент поглощения зеркала A_λ /с учетом теплового потока взаимодействия зеркала 1 и конуса 6 с окружающей средой/ вычисляется по формуле
а в случае стационарного режима работы при одинаковых хладагентах в системах охлаждения зеркала и конуса

G_з,G_к расход хладагента через зеркало и конус соответственно;
перепад температуры хладагента на зеркале и конусе под действием излучения;
перепад температуры хладагента на зеркале и конусе без нагрузки,
τ время.

Использование в устройстве специальных патрубков с карманами для размещения термодатчиков, обеспечивающих герметичный ввод термодатчика /многоспайной термопары/ непосредственно в поток хладагента навстречу его движению, обеспечивает малую инерционность и высокую точность измерений температуры хладагента и соответственно поглощенной энергии. Это же обеспечивается выполнением поглощающего конуса с каналами охлаждения на боковой и тыльной поверхностях, а использование коллекторов в системе охлаждения способствует хорошему перемешиванию жидкости и точному измерению среднемассовой температуры жидкости. Соединение патрубков непосредственно с коллекторами входа и выхода хладагента уменьшает длину пробега хладагента до термодатчиков и соответственно тепловые потери в окружающую среду.

Кроме вышеперечисленного, существенным преимуществом предлагаемого устройства перед устройством /2/, позволяющим повысить точность измерений коэффициента поглощения, является отсутствие электрического нагревателя, обеспечивающего эквивалентный электрический нагрев после проведения нагрева излучением. Измерение коэффициента поглощения /поглощенной энергии излучения/, выполняемое с помощью предложенного устройства, может быть проведено в отличие от прототипа, для любого охлаждаемого зеркала, находящегося в эксплуатации. При этом, если для устройства /2/ требуется стабильность мощности излучения при определенном времени работы источника излучения, предлагаемое устройство не предъявляет никаких требований к стабильности мощности в времени работы источника излучения, что существенно увеличивает точность измерения. Приближенный расчет показывает, что, например, если мощность источника излучения равномерно меняется на 20% в течение 30 с, то погрешность измерения коэффициента поглощения с использованием известного устройства может достигать 15-25% в то время, как при использовании предлагаемого устройства 5-10%

Сущность изобретения: устройство содержит источник излучения, оптически сопряженный через зеркало с поглощающим конусом, систему охлаждения зеркала и конуса с коллекторами входа и выхода хладагента и каналами охлаждения, термодатчики. Зеркало и поглощающий конус дополнительно снабжены патрубками с размещенными в них термодатчиками, выполненными в виде многоспайной термопары и ориентированными в направлении, противоположном движению хладагента. Коллекторы входа и выхода хладагента поглощающего конуса размещены на его тыльной поверхности, а каналы охлаждения конуса выполнены на его боковой и тыльной поверхностях. Патрубки присоединены к коллекторам входа и выхода хладагента поглощающего конуса и зеркала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения коэффициента поглощения зеркал, содержащее источник излучения, оптически сопряженный через зеркало с поглощающим конусом, систему охлаждения зеркала и конуса с коллекторами входа и выхода хладагента и каналами охлаждения, а также термодатчики, отличающееся тем, что зеркало и поглощающий конус дополнительно снабжены патрубками с размещенными в них термодатчиками, которые выполнены в виде многоспайной термопары и ориентированы в направлении, противоположном движению хладагента, коллекторы входа и выхода хладагента поглощающего конуса размещены на его тыльной поверхности, а каналы охлаждения конуса выполнены на его боковой и тыльной поверхностях, при этом патрубки присоединены к коллекторам входа и выхода хладагента поглощающего конуса и зеркала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из патрубков снабжен карманом, состоящим из штуцера и установленного в нем полого чехла, внутри которого размещена термопара, а штуцер установлен на боковой стенке патрубка и жестко с ним соединен.