СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛ Российский патент 1998 года по МПК G01N21/55 G01J5/00 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения фотометрических характеристик в теплофизике и теплотехнике.

Известны способы определения коэффициентов излучения. Например, известен способ определения коэффициентов излучения (ГОСТ 7601-78) по соотношению измеренного теплового излучения исследуемого образца и измеренного теплового излучения "абсолютно черного тела", нагретого до той же температуры, что и измеряемый образец. По этому способу измеряют тепловое излучение нагретого до определенной температуры образца. Доводят "абсолютно черное тело" до этой же температуры и измеряют его тепловое излучение. Коэффициент излучения образца получают, разделив первый результат на второй.

Главным недостатком этого способа является необходимость точного измерения температуры образца и поддержание с необходимой точностью такой же температуры у "черного тела".

Существуют способы, при которых в одном эксперименте одновременно с измерением излучения определяют температуру образца. Например, известен принятый нами в качестве прототипа способ определения коэффициента излучения (патент Японии JP-4-62009, бюллетень "Изобретения стран мира", вып. 83, N 7, 1994), при котором с помощью спектрометра измеряют спектральную интенсивность теплового излучения образца не менее чем на четырех длинах волн и сравнивают значения на трех из них со спектральной интенсивностью идеального теплового излучателя.

Температуру, при которой минимально расхождение между этой спектральной интенсивностью и соответствующей ей измеренной спектральной интенсивностью теплового излучения, принимают за температуру образца. По найденной температуре определяют спектральный коэффициент теплового излучения для трех вышеуказанных длин волн. Исходя из этих значений и измеренной спектральной интенсивности теплового излучения для четвертой длины волны, близкой к вышеуказанным трем длинам волн, определяют еще (раз) значение температуры. Исходя из полученного значения температуры, измеренной длины волны и спектральной интенсивности теплового излучения, определяют коэффициент теплового излучения образца.

Недостатком указанного способа является необходимость проведения спектральных измерений ИК-излучения образца, использование для этой цели громоздких ИК-спектрометров, обычно обладающих низкой чувствительностью. Последнее значительно усложняет точные измерения теплового излучения образца, особенно при умеренных температурах, когда к собственному излучению образца прибавляется отраженное тепловое излучение окружающих нагретых предметов, неизбежно присутствующее вокруг образца.

Целью заявляемого способа и его техническим результатом является повышение точности путем исключения из процесса определения коэффициентов излучения измерений температуры и устранение влияния теплового излучения окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициентов излучения тел, включающем измерение интенсивности излучения, измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК- диапазоне; регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента (xy) тела и эталона, по соотношениям которых вычисляют коэффициенты яркости отражения β_ρ(2π,xy); коэффициенты теплового излучения e(T,xy) каждого элемента тела (xy) определяют по формуле
ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy) (1)
Здесь b_ρ(2π,xy) коэффициент яркости отражения элемента поверхности тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2π стерадиан, e (T, xy) коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.

В обоснование выражения (1) нами теоретически показано, что процесс теплового излучения тел является частным случаем фундаментального физического двуединого явления пропускания-отражения оптической радиации при падении ее на границу раздела двух сред, обладающих разными скоростями света c/n₁ и c/n₂ (здесь c скорость света в вакууме, n₁ и n₂ - показатели преломления сред). Проходя из первой во вторую среду с преломлением по закону синусов (q₁ угол падения, равный углу отражения, θ₂ угол преломления)
n₁Sinθ₁ = n₂Sinθ₂ (2)
с коэффициентом пропускания τ(θ₁,θ₂), часть радиации отражается в первую среду с коэффициентом ρ(θ₁,θ₂),, которые выражаются формулами Френеля (Бори М. Вольф Э. Основы оптики, изд. "Наука", 1970, с. 62-77).

(в целях сокращения здесь приведены выражения только для параллельной составляющей поляризации, но выводы справедливы и для другой - перпендикулярной). При этом по закону сохранения энергии имеем:
τ(θ₁,θ₂) + ρ(θ₁,θ₁) = 1 (4)
Нами показано, что при обратном прохождении оптической радиации из второй среды в первую коэффициенты пропускания τ"(θ₂,θ₁) и отражения ρ"(θ₂,θ₂) сохраняют свои значения. Тогда формулы (3) при перемене местами индексов 1 и 2 не изменяются, так что имеет место закон обратимости
τ(θ₂,θ₁) = τ(θ₁,θ₂) ρ(θ₂,θ₂) = ρ(θ₁,θ₁). (5)
Из (1), (4) и (5) вытекает соотношение:
τ(θ₂,θ₁) + ρ(θ₁,θ₁) = 1 (6)
Из этого соотношения (6) следует важный практический вывод: коэффициент пропускания оптической радиации из второй среды в первую τ(θ₂,θ₁) можно вычислить, измерив коэффициент отражения в первой среде ρ(θ₁,θ₁). Если первая среда воздух, а вторая нагретое тело, то, измерив в воздухе коэффициент отражения ρ(θ₁,θ₁) от поверхности тела в направлении θ₁, коэффициент теплового излучения ε(θ₂,θ₁),, выходящего изнутри нагретого тела в этом же направлении, который из наших выводов физически является коэффициентом пропускания τ(θ₂,θ₁) из второй среды в первую, вычисляют по формуле:
ε(θ₂,θ₁) = 1 - ρ(θ₁,θ₁) (7)
Генерированное тепловыми колебаниями атомов или молекул тела тепловое излучение падает изнутри на границу тела равномерно под всеми углами θ₂ из всей внутренней полусферы и выходит под всеми углами θ₁ во внешнюю полусферу (углы θ₁ и θ₂ связаны взаимно законом синусов (2)). Обозначая внутреннюю полусферу знаком T, а внешнюю знаком 2π, выражение (7) представляем в виде:
e(T,θ) = 1-ρ(θ,2π) (8)
Таким образом, с помощью выражения (8) коэффициент излучения ε(T,θ) в направлении θ определяем, измеряя коэффициент отражения r(θ,2π) при падении радиации под этим же углом θ и не прибегая к использованию температуры тела. Поскольку согласно правилу обратимости Гельмгольца (Гуревич М.М. Фотометрия. Л. Энергоатомиздат, 1983) коэффициент отражения r(θ,2π) в полусферу 2π стерадиан при падении радиации на поверхность под углом q равен коэффициенту яркости отражения b_ρ(2π,θ) при равномерном диффузном освещении из 2π а углы q для объемных тел связаны с координатами (xy) каждого наблюдаемого элемента поверхности тела, то из (8) следует формула (1).

Принципиальным отличием выражения (1) от встречающегося в ряде случаев неконкретного выражения вида e = 1 - ρ является то, что здесь нами теоретически установлена некорректность последнего: по коэффициенту отражения r(θ,2π) при освещении из направления θ согласно (8) определяют коэффициент направленного излучения e(T,θ) а коэффициент излучения ε(T,2π) в полусферу, как нами показано, выражается через коэффициент отражения ρ(2π,2π) при полусферической подсветке
ε(T,2π) = 1 - ρ(2π,2π) (9)
Предлагаемое нами определение коэффициентов излучения через коэффициенты отражения без измерения температур позволяет устранить воздействие теплового излучения окружающих предметов, для чего характеристики отражения измеряются в видимом диапазоне на специально окрашенном фотометрически подобном масштабном макете тела. Моделирующее покрытие, наносимое на макет, имеет индикатрису отражения в видимом свете, совпадающую с индикатрисой отражения в ИК-диапазоне материала действительного тела. Фотометрическое подобие тела в ИК- диапазоне и масштабного макета в видимом диапазоне обеспечивается указанным совпадением индикатрис отражения моделирующего и действительного покрытий и геометрическим подобием тела и его макета.

Полусферическая подсветка для определения коэффициента яркости отражения β_ρ(2π,xy) в выражении (1) обеспечивается помещением макета внутрь фотометрического шара.

Определение коэффициентов излучения тел по предлагаемому способу производят в следующей последовательности:
1. Измеряют на гониометрической установке в тепловом диапазоне (например на длинах волн около 10 мкм) индикатрису отражения материала покрытия тела (или нескольких покрытий, если тело разнородно окрашено).

2. Подбирают по совпадению индикатрис отражения в видимом свете покрытие, моделирующее индикатрису отражения действительного покрытия тела в ИК-диапазоне.

3. Наносят модельное покрытие на масштабный макет тела и освещают его диффузно рассеянным видимым светом в фотометрическом шаре.

4. При помощи фотоприемного устройства регистрируют отраженное видимое излучение наблюдаемых элементов проекции тела. Сравнивая его с излучением эталонного отражателя, определяют коэффициент яркости отражения каждого элемента проекции тела.

5. По выражению (1) определяют коэффициенты излучения элементов проекций тела.

Экспериментальное подтверждение способа было проведено на предприятии с телами типа плоскость, двугранный угол, круговой цилиндр, круговой конус, на тех участках тел, где имеют место переотражения. Материалом, моделирующим покрытия в ИК-спектре, оказалось покрытие НЦ-25. Для конуса и двугранного угла в местах переотражения согласно теории эффективное значение коэффициента излучения должно быть равным 1, так как это значение является комплексным и равно
e(T,θ) = β(2π,θ)ε(T,θ) = ε(T,θ) = [1 - ε(T,θ)]ε(T,θ).
Тогда для моделируемых красок МЛ-1279, ПФ-115, МЧ-241 со значением ε(T,θ) = 1 - β_ρ(2π,θ) = 0,94 и коэффициентом отражения, равным 0,06, эффективный коэффициент излучения участков тела с переотражением должен быть равен 0,94(1+0,06)= 0,999, что подтверждено фотометрированием этих участков на изображениях тел, окрашенных подобранным модельным покрытием.

Для измерений использовалась спектрогониометрическая установка на длинах волн 0,63 и 10,6 мкм, а изображения (фиг. 1) регистрировались фотокамерой "Киев М" и фотометрировались микроденситометром АМД.

Пример существенно сложного распределения коэффициентов излучения тел, полученного предлагаемым способом, представлен на фотографии макета транспортного корабля многократного использования ШАТТЛ (фиг. 2).

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в следующем:
1. Нет необходимости производить измерение температуры образца и "абсолютно черного тела", так как нами показано, что коэффициенты излучения определяются через другие параметры коэффициенты отражения.

2. Исключаются неконтролируемые добавки излучения от окружающих тел, так как измерения проводятся в видимом свете, позволяющем легко исключить паразитную подсветку.

3. Высокая точность измерений отражения в видимом диапазоне по сравнению с ИК-диапазоном обеспечивается высоко развитыми методами и средствами фотометрических измерений в видимом свете.

4. Измерения отражения производятся на масштабных макетах тел, а не на самих объектах, что упрощает и удешевляет измерения.

5. Способ позволяет определить локальные коэффициенты излучения вогнутых элементов тела, где присутствуют многократные переотражения.

Изобретение относится к области измерений в теплофизике и теплотехнике. Сущность изобретения: способ включает измерения интенсивностей излучения в отраженном видимом свете на масштабном макете тела со специальным модельным покрытием и помещенном в фотометрический шар. В качестве модельного покрытия подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК- области спектра. Фотометрическим устройством регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента масштабного макета тела и эталона и по их отношениям вычисляют коэффициенты яркости β_ρ(2π,xy) . Коэффициенты теплового излучения каждого элемента тела (xy) определяют по формуле: ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy) , где β_ρ(2π,xy) - коэффициент яркости отражения полусферической подсветкой из 2π стерадиан элемента наблюдаемой проекции тела с координатами (xy), ε(T, xy) - коэффициент теплового излучения этого же элемента тела. 2 ил.

Способ определения коэффициентов излучения тел, включающий измерение интенсивностей излучения, отличающийся тем, что измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК диапазоне, регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента масштабного макета тела и эталона, по соотношению которых вычисляют коэффициенты яркости отражения, коэффициенты излучения каждого элемента тела определяют по формуле
ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy),
где b_ρ(2π,xy) - коэффициент яркости отражения элемента наблюдаемой проекции тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2π стерадиан;
e(T,xy) - коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.