УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИНФРАКРАСНОГО ОБЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01J5/12 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к приборам и измерительной аппаратуре для определения количественной характеристики интенсивности лучистого потока от источника излучения, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются повышенные требования к вопросам теоретических и экспериментальных исследований излучательных, поглощательных и отражательных характеристик энергетических аппаратов, изготовленных из различных материалов или имеющих разные покрытия. В частности, изобретение может использоваться для моделирования поля лучистых потоков от Солнца и планеты.

Известны устройства для определения количественной величины интенсивности излучения, в которых используют различные приемники (детекторы) электромагнитного излучения, как, например, калориметрические, термоэлектрические, фотоэлектрические, люминесцентно-фотоэлектрические, фотохимические, фотографические, фотоионизационные и другие приемники (см. патент США 4825078, G 01 Y 5/04; заявка ФРГ 2346917, G 01 Y 1/42; заявка ФРГ 3738480, G 01 Y 1/00; заявка Японии 59-33841, G 01 Y 1/02; патент США 5581090, G 01 Y 5/48, а также "Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды" под редакцией академика Г.И. Петрова, изд. "Машиностроение", Москва 1971 г., стр.300÷303).

Каждое из этих устройств имеет свои недостатки, как, например:
- устройство с калориметрическим приемником характеризуется большой инерционностью и необходимостью ввода в вакуумную камеру гибких трубок для подачи воды;
- устройство с фотохимическим приемником обуславливается сложностью измерений, связанных с проведением химических анализов;
- устройство с фотографическим приемником отличается сложностью калибровки;
- устройства с фотоэлектрическим, люминесцентно-фотоэлектрическим и фотоионизационным приемниками применяются очень редко из-за сложности и дороговизны оборудования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство с термоэлектрическим приемником, наиболее удобное для определения интенсивности облучения по сравнению с выше перечисленными устройствами, которое основано на использовании термоэлементов, термостолбиков или болометров (см. "Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды" под редакцией академика Г.И. Петрова, изд. "Машиностроение", Москва 1971 г., стр.301÷302). Это устройство удобно тем, что чувствительность его не зависит от длины волны.

Устройство с термоэлектрическим приемником излучения принято за прототип.

Недостатком прототипа является то, что из-за неадекватности спектра источников инфракрасного излучения спектральному составу солнечного излучения это устройство не может использоваться при моделировании интенсивности лучистого потока имитатора Солнца при помощи инфракрасных излучателей.

Задачей изобретения является определение интенсивности инфракрасного облучения исследуемого объекта с заданными оптическими характеристиками при имитации воздействия на объект лучистого потока естественного солнечного спектра.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в термоэлектрический приемник излучения введена пластина-приемник лучистого потока из материала с оптическими характеристиками исследуемого объекта, установленная на рабочей поверхности термоэлектрического приемника излучения, а с его тыльной стороны расположен многослойный пакет из теплоизолирующего материала.

Общий вид устройства определения интенсивности инфракрасного облучения представлен на фиг.1 и 2 (фиг.1 - вид сбоку, фиг.2 - вид сверху), где
1 - термоэлектрический приемник излучения;
2 - чувствительный элемент приемника излучения;
3÷4 - электроклеммы приемника излучения;
5 - монтажная пластина;
6 - пластина-приемник лучистого потока;
7 - электрокабель двужильный;
8÷9 - хомуты;
10 - установочная пластина;
11÷14 - дистанционные диэлектрические втулки;
15 - пакет из теплоизолирующего материала;
16 - стеклонитки.

Предложенное устройство пояснено на следующем примере его исполнения, где роль термоэлектрического приемника излучения выполняет, например, термометр сопротивления 1, который при помощи клея тыльной стороной крепят на монтажную пластину 5. Электроклеммы 3 и 4 термометра сопротивления 1 через отверстия в монтажной пластине 5 выводят на ее обратную сторону, где их припаивают к концами двужильного электрокабеля 7, соединяющего термометр сопротивления с регистрирующей аппаратурой. Конец электрокабеля 7 при помощи хомутов 8 и 9 закрепляют на монтажной и установочной пластинах 5 и 10, изготовленных из токонепроводящего и теплоизолирующего материала. На лицевую (рабочую) сторону термометра сопротивления 1 с чувствительным элементом 2 вплотную устанавливают пластину-приемник лучистого потока 6 из материала с оптическими характеристиками исследуемого объекта, которую закрепляют по периметру в нескольких точках к поверхности монтажной диэлектрической пластины 5. Для исключения влияния на чувствительный элемент термометра сопротивления 1 боковых и тыльных тепловых притоков обратную сторону монтажной пластины 5 закрывают многослойным пакетом из теплоизолирующего материала 15, например из экрановакуумной теплоизоляции, края которого заворачивают на кромки пластины-приемника 6 и закрепляют по периметру стеклонитками 16. В случае применения в качестве теплоизолирующего материала экрановакуумной теплоизоляции (ЭВТИ), сжатие которой приводит к резкому снижению теплоизолирующих свойств, последнюю располагают между монтажной пластиной 5 и установочной пластиной 10, расстояние между которыми, равное толщине пакета ЭВТИ, обеспечивается при помощи установки на клею дистанционных диэлектрических втулок 11÷14. При этом обеспечивается параллельное расположение установочной пластины 10 по отношению к монтажной пластине 5, что дает возможность точно устанавливать рабочую поверхность термометра сопротивления 1 под заданным углом относительно направления вектора лучистого потока источника излучения.

Термометр сопротивления 1 состоит из чувствительного элемента 2, выполненного в виде тонкой спирали из медного или платинового сплава, расположенной между двумя тонкими диэлектрическими пленками, герметично соединенными между собой. Концы спирали выведены на наружные пластинчатые электроклеммы 3 и 4, к которым посредством двужильного электрокабеля 7 подсоединяют вторичный прибор, измеряющий электрическое сопротивление термометра сопротивления.

Принцип работы предлагаемого устройства состоит в том, что при воздействии на его рабочую поверхность имитатора "холодного и черного космоса" или теплового излучателя происходит охлаждение или нагрев пластины-приемника 6, контактируемой с чувствительным элементом 2, в результате чего происходит изменение температурного состояния спирали чувствительного элемента и, как следствие, изменение электрического сопротивления спирали, причем каждому значению температуры чувствительного элемента 2 соответствует определенное значение его электрического сопротивления.

Величина нагрева пластины-приемника лучистого потока 6 при ее облучении постоянным по значению лучистым потоком естественного спектра Солнца зависит от оптических характеристик A_S и ε материала, из которого изготовлена эта пластина, где
A_S - коэффициент поглощения солнечного излучения;
ε - степень черноты.

Поэтому пластину-приемник лучистого потока 6 изготавливают из того же материала и наносят на нее такое же покрытие, что и на облучаемой поверхности объекта испытания, или облучаемую рабочую поверхность теплопроводной пластины-приемника покрывают тонким слоем эмали с оптическими характеристиками облучения A_S и ε, близкими к оптическим характеристикам облучаемой поверхности объекта испытания.

Тарировку устройства определения интенсивности инфракрасного облучения, при которой определяется значение температуры рабочей поверхности приемника при заданной интенсивности лучистого потока естественного спектра Солнца, проводят в термобарокамере (ТБК) после выведения ее на рабочий режим:
- давление в ТБК Р_ТБК≤1•10^-4 мм рт.ст.;
- температура криоэкранов ТБК Т_КЭ=минус(170÷190)^oС, т.е. производят полное захолаживание имитатора "холодного и черного космоса" ТБК жидким азотом.

Тарировка устройства определения интенсивности инфракрасного облучения включает в себя следующие этапы:
1) воздействие на устройство "холодного и черного космоса" (при выключенном имитаторе внешнего теплового потока, т.е. имитатора Солнца);
2) облучение рабочей поверхности устройства лучистым потоком переменной интенсивности (например, 600, 800, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 и 1500 Вт/(м²•ч)) со спектром естественного Солнца.

Интенсивность имитатора Солнца регулируют при помощи эталонного датчика плотности лучистого потока, являющегося принадлежностью имитатора солнечного излучения.

Каждому значению плотности лучистого потока имитатора Солнца при заданных значениях оптических характеристик A_S и ε пластины-приемника 6 соответствует определенное значение температуры, получаемое на этой пластине при ее облучении, и, как следствие, конкретное значение электрического сопротивления спирали чувствительного элемента 2 термометра сопротивления 1.

Регистрацию температуры поверхности пластины-приемника устройства определения интенсивности инфракрасного облучения на каждом режиме интенсивности лучистого потока производят после выхода ее на квазистационарный режим, при котором разность показаний температур, измеряемых устройством, не превышает 0,5^oС в течение одного часа, т.е. dT/dτ≤0,5^oС/ч.

Тарировочные значения заносят в паспортные данные устройства, где указывают индекс устройства, его заводской порядковый номер, оптические характеристики рабочей поверхности устройства A_S и ε, величину температуры на рабочей поверхности устройства в соответствии с заданной плотностью лучистого потока со спектром, близким к естественному спектру Солнца, и привязкой изменения этой температуры ко времени облучения.

Рассмотрим принцип функционирования устройства определения интенсивности инфракрасного облучения на примере тепловакуумных испытаний космического аппарата (КА).

Испытания КА проводят в ТБК при условиях, приближенных к эксплуатации в открытом космическом пространстве, т.е. при полностью захоложенном имитаторе "холодного и черного космоса" (температура криоэкранов Т_КЭ=минус(170÷190)^oС и давление в ТБК Р_ТБК≤1•10^-4 мм рт.ст.), где роль имитатора Солнца выполняет инфракрасный излучатель.

Известно, что если поверхность облучения испытуемого объекта имеет однородное покрытие с известными оптическими характеристиками A_S и ε, то для него всегда можно подобрать мощность инфракрасного излучателя, чтобы этот материал поглощал столько же энергии, сколько и при облучении его естественным солнечным потоком (см. стр.331÷332, "Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды" под редакцией академика Г.И. Петрова, изд. "Машиностроение", Москва 1971 г.). На этом принципе основано моделирование интенсивности лучистого потока Солнца при инфракрасном облучении, а именно на облучаемую поверхность испытуемого КА устанавливают устройство определения интенсивности инфракрасного облучения при помощи установочной пластины 10 с выполненными на ней отверстиями для крепления, оттарированное лучистым потоком солнечного спектра излучения, рабочей поверхностью пластины-приемника 6 перпендикулярно направлению вектора лучистого потока, включают инфракрасный излучатель и, регулируя его мощность, создают на рабочей поверхности пластины-приемника такую температуру, которая по тарировочным характеристикам устройства соответствует заданному значению лучистого потока естественного солнечного спектра для конкретных значений оптических характеристик A_S и ε поверхности облучения испытуемого объекта, причем регистрацию создаваемой на пластине-приемнике температуры производят после выхода ее на квазистационарный режим (dT/dτ≤0,5^oС/ч).

Использование предлагаемого изобретения позволяет:
а) управлять процессом имитации солнечного облучения объекта испытания инфракрасными излучателями посредством установки на облучаемые поверхности устройств определения интенсивности инфракрасного облучения для измерения интенсивности модельного потока Солнца при инфракрасном облучении и введением в систему управления задатчика значения теплового потока от "солнечного" источника, блока сравнения потоков (заданного и измеренного) и блока управления мощностью инфракрасных излучателей, с помощью которых измеренная величина потока от инфракрасных излучателей (в температурном эквиваленте) сравнивается со значением теплового потока, соответствующего заданному "солнечному" излучению, и при неравенстве этих значений осуществляется регулировка теплового потока от инфракрасных излучателей;
б) обеспечивать динамику управления процессом имитации солнечного облучения при инфракрасном излучении при моделировании неустановившихся тепловых режимов, обусловленных частой сменой ориентации КА относительно Солнца или пассивным полетом вокруг Земли, где в течение одного витка КА один час находится на "солнце" и 30 минут в "тени";
Предлагаемое изобретение может иметь большое практическое применение при тепловакуумных испытаниях КА большой, средней и малой размерностей с имитацией солнечного облучения инфракрасными излучателями, что обеспечивает значительную экономию по сравнению с испытаниями, в которых используют дорогостоящие и сложные оптические имитаторы солнечного излучения, без потери точности и достоверности их результатов.

Предлагаемое устройство характеризуется простотой выполнения, не требующего сложной технологической оснастки, состоит из комплектующих, имеющих широкое практическое применение в измерительной технике, и при его изготовлении требуется минимум материальных затрат.

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность состоит в том, что на облучаемую поверхность испытуемого объекта устанавливают устройство для измерения интенсивности модельного лучистого потока. Устройство состоит из термоэлектрического приемника излучения. Тыльная сторона приемника закреплена на плоскости монтажной пластины. Обратную сторону пластины закрывают многослойным пакетом из теплоизолирующего материала. Технический результат - возможность определения интенсивности облучения при имитации воздействия на объект лучистого потока естественного солнечного спектра. 2 ил.

Устройство определения интенсивности инфракрасного облучения, содержащее термоэлектрический приемник излучения, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью установки на облучаемую поверхность исследуемого объекта, при этом в него введена пластина-приемник лучистого потока из материала с оптическими характеристиками исследуемого объекта, установленная на рабочей поверхности термоэлектрического приемника излучения, а с его тыльной стороны расположен многослойный пакет из теплоизолирующего материала.