МОДЕЛЬ ЧЕРНОГО ТЕЛА Российский патент 2000 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к технической физике в части создания модели черного тела (МЧТ), используемой в качестве эталонного источника излучения в пирометрических, фотометрических и радиометрических комплексах при температурах 2500 - 3200 K.

Известна МЧТ, содержащая расположенные вдоль оси излучения излучающую и вспомогательную полости, отделенные друг от друга перегородкой и выполненные из графита [1].

Недостатком устройства является то, что изготовленная с использованием графита МЧТ позволяет достигать температур 3000 K при малых сроках службы (до 1 часа) с сохранением метрологических свойств излучателя.

Также известна МЧТ, являющаяся наиболее близкой к описываемой, содержащая расположенные вдоль оси излучения излучающую и вспомогательную полости, образованные набором идентичных пирографитовых колец, расположенных в тепловом цилиндрическом экране. Полости отделены друг от друга конусной перегородкой, вершина которой обращена в излучающую полость, которая снабжена выходной диафрагмой. Вспомогательная полость имеет внутри по крайней мере один, перекрывающий ее тепловой экран. Набор пирографитовых колец имеет подвижный и неподвижный токоподводы. Подвижный токоподвод снабжен полым электропроводящим подвижным цилиндром, часть которого охватывает пружина, подвижный конец которой закреплен на цилиндре. Пружина поджимает цилиндр одним его концом к набору колец в осевом направлении. При этом излучающая и вспомогательная полости, цилиндрический экран и часть подвижного токоподвода с пружиной помещены в камеру, заполненную инертным газом, снабженную штуцером для подачи газа и имеющую соосные водоохлаждаемую и водонеохлаждаемую части. Водоохлаждаемая часть камеры охватывает излучающую и вспомогательную полости с цилиндрическим экраном и снабжена водоохлаждаемыми торцами. Через первый из торцов проходит указанный подвижный цилиндр, от которого данный торец электрически изолирован. Набор колец со стороны выходной диафрагмы упирается во второй водоохлаждаемый торец, который является одновременно неподвижным токоподводом и имеет отверстие для выхода излучения. Часть подвижного цилиндра с пружиной расположена в водонеохлаждаемой части камеры, на торец которой опирается неподвижный конец пружины. Через этот же торец выступает из камеры противоположный кольцам конец подвижного цилиндра токоподвода, к которому подсоединен перемещаемый гибкий кабель (рассчитанный на ток ~ 1000 А) [2].

По сравнению с устройством [1] данное устройство, изготовленное с использованием пирографита и снабженное элементами, обеспечивающими изотермичность поверхности излучающей полости, обладает значительно лучшими метрологическими характеристиками и существенно большим сроком службы при температурах 3000 - 3200 K. Однако недостатком устройства-прототипа является недостаточная для эталонного устройства надежность работы, обусловленная конструктивным выполнением подвижного токоподвода, взаимодействующего с кольцами. Это вызвано следующими причинами. Перед заполнением камеры инертным газом ее предварительно надо откачать. При этом на выступающий из вакуумируемой камеры открытый конец подвижного цилиндра токоподвода воздействует давление наружной атмосферы, что не исключает динамичного воздействия другого конца подвижного цилиндра на набор хрупких пирографитовых колец, что может вызвать их деформацию (и даже разрушение). Поскольку особым свойством пирографита является его электрическая и теплопроводная анизотропия в осевом и радиальном направлении, то деформация колец ведет к снижению надежности работы устройства и к ухудшению его метрологических характеристик из-за увеличения градиента температуры вдоль поверхности излучающей полости. Эти же недостатки усугубляются и тем, что воздействующий на набор колец конец подвижного цилиндра, выполненный из токопроводящего металла, имеет существенно более низкую температуру (иначе он сгорит), чем набор пирографитовых колец (имеющих рабочую температуру 3200 K). Также существенно более низкую температуру, чем кольца, имеет торец камеры на другом конце набора колец. Поскольку кольца в наборе выполнены идентичными, то есть имеют примерно одинаковое электросопротивление, то из-за тепловых перетоков температура колец на концах набора снижается, что ведет к повышению градиента температуры излучающей полости. И, наконец, снижена надежность работы известного устройства из-за использования в подвижном токоподводе тяжелого перемещаемого кабеля, работающего при токах нагрузки порядка 800 А, консольно подключенного к подвижному цилиндру токоподвода, что создает в динамике дополнительные тангенциальные усилия на цилиндр, что в свою очередь также может привести к деформации колец, что ведет к вышеуказанным недостаткам устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы и улучшение метрологических характеристик параметров излучения МЧТ путем уменьшения градиента температуры вдоль поверхности излучающей полости.

Поставленная цель достигается тем, что в МЧТ, содержащей расположенные вдоль оси излучения излучающую и вспомогательную полости, образованные набором пирографитовых колец, расположенных в тепловом цилиндрическом экране, полости отделены друг от друга конусной перегородкой, вершина которой обращена в излучающую полость, которая снабжена выходной диафрагмой, а вспомогательная полость имеет внутри по крайней мере один, перекрывающий ее тепловой экран, при этом набор колец имеет подвижный и неподвижный токоподводы, подвижный токоподвод снабжен полым электропроводящим подвижным цилиндром, часть которого охватывает пружина, подвижный конец которой закреплен на цилиндре, пружина поджимает цилиндр одним его концом к набору колец в осевом направлении, при этом излучающая и вспомогательная полости, цилиндрический экран и часть подвижного токоподвода с пружиной помещены в камеру, заполненную инертным газом, снабженную штуцером для подачи газа и имеющую соосные водоохлаждаемую и водонеохлаждаемую части, причем водоохлаждаемая часть камеры охватывает излучающую и вспомогательную полости с цилиндрическим экраном и снабжена водоохлаждаемыми торцами, через первый из которых проходит указанный подвижный цилиндр, от которого данный торец электрически изолирован, а набор колец со стороны выходной диафрагмы упирается во второй водоохлаждаемый торец, который является одновременно неподвижным токоподводом и имеет отверстие для выхода излучения, часть подвижного цилиндра с пружиной расположена в водонеохлаждаемой части камеры, на торец которой опирается неподвижный конец пружины и через который выступает из камеры противоположный кольцам другой конец подвижного цилиндра токоподвода, согласно изобретению, введена дополнительная камера, которая примыкает к торцу водонеохлаждаемой части основной камеры, образует с основной камерой единый газовый объем и охватывает выступающий из основной камеры противоположный кольцам конец подвижного цилиндра токоподвода, при этом торец, к которому примыкает дополнительная камера, электрически изолирован от обеих камер, является неподвижным токоподводящим элементом подвижного токоподвода и связан с подвижным цилиндром этого токоподвода в дополнительной камере гибкими токопроводами, расположенными по окружности цилиндра, при этом пирографитовые кольца расположены в наборе вдоль оси излучения таким образом, что электрическое сопротивление каждого кольца относительно соседнего увеличивается от кольца к кольцу по мере удаления кольца от середины набора к его концам, причем отношение значений сопротивления каждого из крайних колец к серединному кольцу не больше двух.

Дополнительной целью является дальнейшее повышение срока службы устройства при высоких ( ~ 3200 K) рабочих температурах с улучшением метрологических характеристик излучения МЧТ.

Эта цель достигается тем, что в вышеописанном устройстве тепловой цилиндрический экран со стороны, обращенной к набору колец, выполнен из пирографита.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве обеспечен единый газовый объем, в котором заключены и все элементы подвижного цилиндра токоподвода, что при вакуумировании перед заполнением полости МЧТ инертным газом исключает динамическое воздействие концом подвижного токоподвода на набор колец и, следовательно, их деформацию, при этом исключено дополнительное механическое воздействие в динамике на подвижный цилиндр токоподвода от перемещаемого кабеля, т.к. кабель подсоединен к неподвижному элементу - торцу водонеохлаждаемой части основной камеры, а связь от этого неподвижного элемента с подвижным цилиндром осуществлена гибкими токопроводами. При этом уменьшен градиент температуры набора колец за счет специально выбранного условия выполнения набора колец с разным электросопротивлением.

В устройстве дополнительным введением пирографита в тепловой цилиндрический экран обеспечено дальнейшее повышение срока его службы с сохранением метрологических характеристик при работе на высоких температурах ~ 3200 K). При этом высокая осевая теплопроводность этого экрана способствует уменьшению градиента температуры по набору колец.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Модель черного тела содержит расположенные вдоль оси OO' излучения излучающую 1 и вспомогательную 2 полости, образованные набором пирографитовых колец 3, расположенных в тепловом цилиндрическом экране 4. Полости отделены друг от друга конусной перегородкой 5, вершина которой обращена в излучающую полость 1, которая снабжена выходной диафрагмой 6. Вспомогательная полость имеет внутри по крайней мере один, перекрывающий ее тепловой экран 7. Набор колец 3 имеет подвижный и неподвижный токоподводы. Подвижный токоподвод снабжен полым электропроводящим подвижным цилиндром 8 (наличие полости - для водоохлаждения), часть которого охватывает пружина 9, подвижный конец 10 которой закреплен на цилиндре 8. Пружина 9 поджимает цилиндр 8 одним его концом 11 к набору колец 3 в осевом OO' направлении. Излучающая 1 и вспомогательная 2 полости, цилиндрический экран 4 и часть подвижного токоподвода с пружиной 9 помещены в камеру, заполненную инертным газом (например, аргоном), снабженную штуцером 12 для подачи газа и имеющую соосные водоохлаждаемую 13 и водонеохлаждаемую 14 части. Водоохлаждаемая часть 13 камеры охватывает излучающую 1 и вспомогательную 2 полости с цилиндрическим экраном 4 и снабжена водоохлаждаемыми торцами 15 и 16. Через первый торец 15 проходит указанный подвижный цилиндр 8, от которого данный торец 15 электрически изолирован. Набор колец 3 со стороны выходной диафрагмы 6 упирается во второй водоохлаждаемый торец 16, который является одновременно неподвижным токоподводом и имеет отверстие 17 для выхода излучения. Часть подвижного цилиндра 8 с пружиной 9 расположена в водонеохлаждаемой части 14 камеры, на торец 18 которой опирается неподвижный конец 19 пружины 9. Через торец 18 выступает из камеры противоположный кольцам другой конец 20 подвижного цилиндра 8 токоподвода. В устройство введена дополнительная камера 21, которая примыкает к торцу 18 водонеохлаждаемой части 14 основной камеры, образует с основной камерой единый газовый объем и охватывает выступающий из основной камеры противоположный кольцам конец 20 подвижного цилиндра 8 токоподвода. При этом торец 18, к которому примыкает дополнительная камера 21, электрически изолирован от обеих камер, является неподвижным токоподводящим элементом подвижного токоподвода и связан с подвижным цилиндром 8 токоподвода в дополнительной камере 21 гибкими токопроводами 22, расположенными по окружности цилиндра 8. При этом пирографитовые кольца 3 расположены в наборе вдоль оси OO' излучения таким образом, что электрическое сопротивление каждого кольца относительно соседнего от кольца к кольцу увеличивается по мере удаления кольца от середины набора к его концам, причем отношение значений сопротивления каждого из крайних колец к серединному кольцу не больше двух. Тепловой цилиндрический экран 4 со стороны, обращенной к набору колец 3, выполнен из пирографита 23.

Указанное значение отношений электросопротивлений колец 3 получено экспериментально. При этом установлено, что значение отношений более двух в величинах сопротивлений крайних и центрального колец вновь приводит к возрастанию градиента температуры вдоль поверхности набора колец, но теперь уже "с обратным знаком", что недопустимо.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы камеры 13, 14, 21 МЧТ необходимо заполнить инертным газом (например, аргоном), который предохраняет нагретые элементы МЧТ от контакта с кислородом воздуха. Для этого отверстие 17 для выхода излучения вакуумноплотно закрывается. Откачивается с помощью вакуумного насоса через специальный штуцер (на чертеже не показаны) воздух из объема камер. За счет того, что конец 20 подвижного цилиндра 8 токоподвода находится, согласно изобретению, внутри единого вакуумного объема камер, он не подвергается динамическому воздействию от давления наружного воздуха, чем предотвращена деформация набора колец 3. После откачки камеры заполняются аргоном, открывается отверстие 17 и поддерживается продув аргоном камер в течение всего времени работы МЧТ. Подается вода в течение всего времени работы для охлаждения: в водоохлаждаемую часть 13 камеры, в торцы 15, 16 и в полость цилиндра 8. Включается электропитание на неподвижные электроды - торцы 16 и 18 от источника тока (на чертеже не показан) При этом за счет того, что, согласно изобретению, торец 18 является неподвижным токоподводящим элементом подвижного токоподвода и связан с подвижным цилиндром 8 с помощью гибких токоподводов 22, повышена надежность работы устройства: в устройстве тяжелый, рассчитанный на 1000 А кабель, подсоединенный к устройству, не перемещается в динамике вместе с подвижным цилиндром 8 и не создает тангенциальных усилий на цилиндр 8 как в прототипе. Ток ( ~ 800 А) проходит от неподвижного торца 18, через гибкие токоподводы 22, подвижный цилиндр 8, через набор пирографитовых колец 3 к неподвижному торцу 16. При протекании тока через набор пирографитовых колец они разогреваются до рабочих температур (~ 3200 K). При этом изменяется их осевой размер, что заставляет перемещаться в осевом направлении цилиндр 8 и изгибаться гибкие токоподводы 22, расположенные по окружности цилиндра 8. Стабильность контактирования цилиндра с кольцами обеспечивается пружиной 9. Кольца выполнены из пирографита, т.к. этот материал является термостойким, обладает высоким электросопротивлением и анизотропией теплопроводности, что обеспечивает работу при 3200 K и низкий осевой градиент температуры по набору колец при токах ~ 800 А. За счет того, что электросопротивления в наборе колец подобраны так, что они увеличиваются к концам по мере удаления от середины набора, при этом граничные значения соотносятся как ≤ 2, обеспечивается уменьшение градиента температуры вдоль набора при взаимодействии холодного конца 11 цилиндра 8 и холодного торца 16 с более выделяющими тепло, чем серединное, крайними кольцами набора. Тепловое излучение из объема излучающей полости 1 через выходную диафрагму 6 выходит из МЧТ. Вспомогательная полость 2 с тепловыми экранами 7 предназначена при этом для выравнивания градиента температур по перегородке 5 (дну) излучающей полости 1. Выполнение полости 2 с экранами позволяет сократить ее длину, сохраняя эффект изотермичности перегородки 5 (дна) полости 1. При этом уменьшается потребляемая мощность при той же температуре МЧТ. Тепловой цилиндрический экран 4 предназначен для уменьшения потерь с внешних поверхностей полостей 1 и 2 в радиальном направлении. Выполнение, согласно изобретению, теплового экрана 4 со стороны, обращенной к набору колец, из пирографита уменьшает тепловые потери в радиальном направлении от внешних поверхностей полостей 1 и 2 за счет того, что пирографит (обладая анизотропностью теплопроводности) снижает потери тепла в радиальном направлении, а в осевом направлении, имея больший коэффициент теплопроводности, обеспечивает уменьшение градиента температуры в осевом направлении по набору колец. При этом повышается срок службы устройства, т.к. пирографит является высокотермостойким материалом, и одновременно улучшаются метрологические характеристики излучения МЧТ из-за уменьшения осевого градиента температуры излучающей полости МЧТ.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ УСТРОЙСТВА
При выполнении вариантов устройства общими являются следующие параметры:
- кольца выполнены из пирографита ПВ-1
- длина набора колец равна 200 мм,
- внешний диаметр колец равен 53 мм,
- внутренний диаметр колец равен 37 мм,
- рабочая температура МЧТ равна 3200 K.

- время работы - 100 часов
Пример 1
Кольца в наборе имеют одинаковые сопротивления: отношение величин сопротивлений каждого из крайних колец к серединному кольцу равно 1 (R_кр/R_сер = 1). Устройство соответствует устройству-прототипу. Методом сличения измерена излучательная способность данного МЧТ. Степень черноты (зависящая от градиента температуры вдоль оси излучения) равна 0,998.

Пример 2
R_кр/R_сер = 1,8. Степень черноты равна 0,9985.

Пример 3
R_кр/R_сер = 2. Степень черноты равна 0,9983.

Пример 4
R_кр/R_сер = 2,1. Степень черноты равна 0,998.

Таким образом, описанное устройство обладает по сравнению с прототипом большей надежностью работы, т.к. в нем исключена деформация колец при вакуумной откачке МЧТ для заполнения полости МЧТ инертным газом и от тангенциального воздействия перемещаемого электрода, и обеспечивает рабочую температуру МЧТ 3200 K на протяжении 100 ч работы с лучшими метрологическими характеристиками параметров излучения за счет уменьшения градиента температуры вдоль поверхности излучающей полости.

Описанная модель черного тела разработана для применения в качестве эталонного источника при калибровке источников и приемников оптического излучения по освещенности, яркости и спектральной чувствительности и обладает высочайшей степенью черноты.

Источники информации:
1. А.В.Костановский. "Нетрадиционные методы определения параметров плавления и синтеза высокотемпературных неметаллических материалов". Автореферат диссертации на соискание ученой степени д. т.н., М. 1998, РАНОИВТ, с 13, рис. 2-2.

2. V. I. Sapritsky et al "High-temperature blackbody sources for precision radiometry". Applied optics, vol. 36, 1997, p. 5403-5408, fig 6 - прототип.

Изобретение может быть использовано при создании моделей черного тела в качестве эталонного источника излучения в пиро-, фото- и радиометрических комплексах при температурах 2500 - 3200 К. Модель черного тела (МЧТ) содержит излучающую и вспомогательную полости, образованные набором пирографитовых колец, которые имеют токоподводы. Подвижный токоподвод содержит подпружиненный пружиной подвижный цилиндр с гибкими токопроводами, связанными с торцом камеры МЧТ. Второй торец камеры является вторым токоподводом. Введена дополнительная камера, закрывающая конец цилиндра. Камеры имеют единый газовый объем. Кольца в наборе имеют увеличивающиеся от кольца к кольцу от середины набора электросопротивления. Крайние значения сопротивлений к серединному не превышают величины два. Набор колец окружен тепловым экраном, выполненным из пирографита на стороне, обращенной к набору колец. Технический результат - повышение надежности работы и улучшение метрологических характеристик параметров излучения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Модель черного тела, содержащая расположенные вдоль оси излучения излучающую и вспомогательную полости, образованные набором пирографитовых колец, расположенных в тепловом цилиндрическом экране, полости отделены друг от друга конусной перегородкой, вершина которой обращена в излучающую полость, которая снабжена выходной диафрагмой, а вспомогательная полость имеет внутри, по крайней мере, один, перекрывающий ее тепловой экран, при этом набор колец имеет подвижный и неподвижный токоподводы, подвижный токоподвод снабжен полым электропроводящим подвижным цилиндром, часть которого охватывает пружина, подвижный конец которой закреплен на цилиндре, пружина поджимает цилиндр одним его концом к набору колец в осевом направлении, при этом излучающая и вспомогательная полости, цилиндрический экран и часть подвижного токоподвода с пружиной помещены в камеру, заполненную инертным газом, снабженную штуцером для подачи газа и имеющую соосные водоохлаждаемую и водонеохлаждаемую части, причем водоохлаждаемая часть камеры охватывает излучающую и вспомогательную полости с цилиндрическим экраном и снабжена водоохлаждаемыми торцами, через первый из которых проходит указанный подвижный цилиндр, от которого данный торец электрически изолирован, а набор колец со стороны выходной диафрагмы упирается во второй водоохлаждаемый торец, который является одновременно неподвижным токоподводом и имеет отверстие для выхода излучения, часть подвижного цилиндра с пружиной расположена в водонеохлаждаемой части камеры, на торец которой опирается неподвижный конец пружины и через который выступает из камеры противоположный кольцам другой конец подвижного цилиндра токоподвода, отличающаяся тем, что введена дополнительная камера, которая примыкает к торцу водонеохлаждаемой части основной камеры, образует с основной камерой единый газовый объем и охватывает выступающий из основной камеры противоположный кольцам конец подвижного цилиндра токоподвода, при этом торец, к которому примыкает дополнительная камера, электрически изолирован от обеих камер, является неподвижным токоподводящим элементом подвижного токоподвода и связан с подвижным цилиндром токоподвода в дополнительной камере гибкими токопроводами, расположенными по окружности цилиндра, при этом пирографитовые кольца расположены в наборе вдоль оси излучения таким образом, что электрическое сопротивление каждого кольца относительно соседнего увеличивается от кольца к кольцу по мере удаления кольца от середины набора к его концам, причем отношение значений сопротивлений каждого из крайних колец к серединному кольцу не больше двух. 2. Модель черного тела по п.1, отличающаяся тем, что тепловой цилиндрический экран со стороны, обращенной к набору колец, выполнен из пирографита.