СПОСОБ ЗАМЕРА ТЕПЛОПРИТОКОВ ОХЛАЖДАЕМЫХ ИК-ФОТОПРИЕМНИКОВ Российский патент 2008 года по МПК G01K17/00 

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях.

Теплоприток - это тепловой поток из окружающей среды к элементам конструкции фотоприемника ФП, имеющим температуру ниже температуры окружающей среды. Поскольку теплоприток зависит от конструкции ФП и определяет величину тепловой нагрузки на микрокриогенную систему, поэтому величину теплопритока необходимо измерять для выбора основных параметров МКС, которые смогут обеспечить необходимую для чувствительного элемента рабочую температуру и будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к фотоприемному устройству в целом.

Установки, позволяющие проводить замеры теплопритоков ФП, базируются на методе определения времени испарения фиксированного количества (0,1 г) жидкого азота залитого в криостат ИК-приемника. Замер количества жидкого азота, который находится на дне криостата, производится весовым или объемным методом.

Весовой метод достаточно объективен, однако его практическая реализация усложняется необходимостью использования измерителя массы высокой степени точности, т.к. масса фотоприемника во много сотен раз больше измеряемой Δm=0,1 г жидкого азота. Кроме того, измерение теплопритоков весовым методом практически невозможно при повышенной температуре окружающей среды.

Известен метод замера теплопритоков ИК-фотоприемников (Руководящий технический материал 3-1033-77: Приемники излучения криостатные. Метод определения теплопритоков на уровне 77 К, введен 01.01.1978 г.) наиболее близкий к изобретению и включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, процесс контроля времени t и расчет теплопритока.

В установке, позволяющей осуществлять известный способ, прохождение измеренного объема испаряющегося азота происходит в стеклянной бюретке, которая через тройник соединена с трубкой отходящего испаряющегося азота, а другой конец соединен со спринцовкой, заполненной шампунем. Установка позволяет измерять время, в течение которого пленка шампуня пройдет измеренный объем V_изм, соответствующий массе m=0,1 г. жидкого азота и температуру отходящих паров на уровне верхнего среза горловины криостата. Теплоприток из окружающей среды рассчитывают по формуле

q=m/t[r+c(T-77)],

где q - теплоприток из окружающей среды, Вт;

m - масса испарившегося азота, г;

t - время, с;

r - 198 Дж/г - скрытая теплота испарения;

с - 1,06 Дж/(г·К) - средняя теплоемкость азота в интервале температур 283-77К;

Т - температура отходящих паров на уровне верхнего среза горловины криостата, К.

Основными недостатками известного способа являются

- Для получения достоверного результата проводят три измерения с использованием бюретки, после чего вычисляют среднее арифметическое значение времени и температуры, что приводит к трудоемкости и длительности метода.

- Кроме температуры окружающей среды, необходимо учитывать барометрическое давление.

- Сложно точно зафиксировать время прохождения контролируемой порции азота, при условии того, что на дне криостата остается 0,05 г жидкого азота.

- Замер теплопритоков при температуре окружающей среды, отличной от НКУ, требует специальной доработки климатической камеры.

Все вышеперечисленные недостатки не вызывали острых неудобств и не требовали повышения точности измерений, поскольку создаваемые фотоприемники были газонаполненной конструкции и выпускались небольшими партиями. В настоящее время многоэлементные матричные фотоприемники основаны на вакуумных конструкциях, теплоприток которых составляет несколько сот мВт. При этом теплоприток в таких конструкциях является определяющей величиной характеризующей работу прибора, его измерение входит в технологический процесс изготовления ФП и требует оперативного и более точного метода контроля. В то же время современные ПК-приемники предназначены для работы в широком диапазоне температур окружающей среды, поэтому при их разработке и испытаниях требуется измерять теплоприток при различных температурах.

Задачей изобретения является создание способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, обеспечивающего оперативность и точность замера до нескольких десятков мВт при различных температурах окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что способ замера теплопритоков ИК-фотоприемников заключается в том, что измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, электронным расходомером измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут расход в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно и рассчитывают теплоприток по формуле

q=ρG(i₂-i₁),

где q - теплоприток из окружающей среды [Вт];

ρ=1,25 [кг/м³] - плотность газообразного азота [Дж/кг];

i₂ - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата [Дж/кг];

i₁ - удельная энтальпия жидкого азота [Дж/кг];

G - величина расхода (скорости испарения) азота [м³/с], испаряющегося азота в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно t_крит>t_стаб≥t_крит-20 [с], где t_крит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.

При этом одновременно с измерением расхода жидкого азота и контролем зависимости расхода от времени G(t) проводят измерения датчиком температуры, установленным на дне колодца криостата фотоприемника, и контролируют зависимость температуры на дне колодца от времени T(t).

На фиг.1 показан график зависимости массового расхода жидкого азота от времени;

На фиг.2 показан график зависимости температуры криостата фотоприемника на дне колодца от времени.

Замер теплопритоков ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом.

Начинают измерения после прекращения бурного кипения жидкого азота в момент, когда термодатчик, установленный на дне колодца криостата, показывает, что температура на дне стала равна температуре жидкого азота.

Измерения теплопритоков в фотоприемниках осуществляют электронным расходомером, который рекомендуется выбирать с точностью не менее 1% и максимальным измеряемым расходом не менее 100 см³/мин. В качестве электронного расходомера может быть использован расходомер, принцип работы которого основан на поддержании постоянного температурного профиля в сенсорной трубке, по которой протекает азот и вокруг которой расположена нагревательная обмотка. При протекании азота температурный профиль в сенсорной трубке изменяется, при этом, чем больше скорость течения, т.е. расход азота, тем больше понижение температуры, а значит, большее напряжение подается на нагревательную обмотку для компенсации этой разницы. Именно по этому напряжению и определяется величина расхода G испарившегося азота. Расходомер обеспечивает измерение расхода азота с точностью 1%. В таком расходомере величина расхода определяется при стандартных условиях (температуре 0°С и давлении 1 атм) и не зависит от параметров окружающей среды. Контроль зависимости расхода от времени G(t) (фиг.1) и контроль зависимости температуры на дне колодца от времени (Т/t) (фиг.2) может быть осуществлен с помощью ПЭВМ. После испарения всего азота измерения завершаются. В результате мы получаем протокол измерений, в котором указан теплоприток с точностью до 10 мВт и приведены графики изменения расхода испарившегося азота и температуры на дне колодца криостата фотоприемника от времени.

Из математического выражения 1-го начала термодинамики известно:

dQ=dE+dL,

где Е - собственная энергия тела;

L - работа, совершаемая теплом.

dE=dU+(d(w²/2g)+dh).

В нашем случае внешней энергией (кинетической и потенциальной) можно пренебречь, тогда:

В свою очередь уравнение изменения энтальпии азота в процессе испарения имеет вид dI=d(U+PV)=dU+PdV+VdP,

где I - энтальпия азота;

U - внутренняя энергия;

P - давление;

V - объем.

При постоянном давлении VdP=0, следовательно:

Сравнивая формулы (1) и (2), видно, что:

Для расчета тепла Q запишем:

где Q - тепло, необходимое для испарения [Дж],

Δi - изменение удельной энтальпии азота [Дж/кг],

m - масса азота [кг].

Исходя из того, что m=V·ρ и для того, чтобы получить не тепло Q [Дж], а количество тепла в единицу времени, т.е. теплоприток q [Вт] запишем:

q=(i₂-i₁)·ρ·G,

где q - теплоприток [Вт],

G - расход азота [м³/с],

i₂ - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата [Дж/кг],

i₁ - удельная энтальпия жидкого азота [Дж/кг] (определяется по диаграмме T-S),

i₁=126,8·10³ Дж/кг,

ρ=1,25 [кг/м³] - плотность газообразного азота.

i₂ определяется по диаграмме T-S в соответствии с измеренной температурой на верхнем срезе криостата.

Для расчета теплопритока берут G - величину расхода (скорости испарения) испаряющегося азота в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно t_крит>t_стаб≥t_крит-20 [с], где t_крит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.

Пример работы

Для используемого нами расходомера верно соотношение

где G - расход азота [м³/с];

b=36·10⁵ - коэффициент пересчета для используемого расходомера [В·с/м³].

U_Gmin - напряжение на выходе расходомера [В] в момент времени, когда расход азота минимален, при условии сохранения температуры жидкого азота на дне колодца криостата ФП.

Проведя замер температуры на верхнем срезе криостата для одного из ФП, мы получили, что Т=15°С при T_{окр cp.}=20°С, далее по T-S диаграмме находим i₂ энтальпию азота при 15°С: i₂=551,8·10³ Дж/кг. Энтальпия жидкого азота: i₁=126,8·10³ Дж/кг.

Подставив все в формулу (5), получим:

На полученной зависимости G(t) точка А соответствует 1_крит, так как начинается резкое уменьшение величины расхода. Для расчета теплопритока берут расход в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, например t_стаб=t_крит-20, что соответствует точке Б (фиг.1).

В нашем примере зависимость G(t) выражена зависимостью U_G(t) (фиг.1), по ней мы и находим значение U_Gmin=1,52 В в точке Б.

Таким образом, теплоприток данного криостата: q=0,223 Вт.

Для сопоставления результатов, полученных с помощью предлагаемой методики с результатами, полученными по РТМ, определим средний расход испаряющегося азота по методике РТМ 31033-77. Определяемое время испарения 0,1 г азота при теплопритоке 0,25 Вт составит 3 минуты. Поскольку после испарения 0,1 г азота в криостате остается 0,05 г азота, определим на фиг.2 точку D - начало отсчета периода испарения и точка С - конец периода испарения азота. Точка С отстоит от точки Б на 90 с, а точка D - на 270 с. Значит, действуя по РТМ 31033-77, величину U_G мы определяем в точке G_средн:U_Gсредн=1,686 В;

q=0,147·U_Gсредн=0,248 Вт.

Разница в результатах измерений одного и того же криостата Δq=0,223-0,248=0,025 Вт, что свидетельствует о том, что с помощью предлагаемого способа замера теплопритоков можно получать результаты точнее на 10-12%, чем рассчитанные по РТМ 31033-77.

Таким образом, предложен новый способ для измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, характеризующийся удобством, оперативностью и высокой точностью измерений.

От прототипа - способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, описанного в РТМ3-1033-77 - предлагаемый способ отличается:

- повышенной точностью измерений (до 10 мВт);

- независимостью измерений от параметров окружающей среды;

- возможностью измерять теплоприток в стандартной климатической камере при различных температурах;

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях.

Техническим результатом является создание способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, обеспечивающего оперативность и точность замера до нескольких десятков мВт при различных температурах окружающей среды. Технический результат достигается тем, что измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, электронным расходомером, измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут величину расхода в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, равный t_крит>t_стаб≥t_крит-20 [с], где t_крит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ замера теплопритоков ИК-фотоприемников, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, процесс контроля времени t и расчет теплопритока, отличающийся тем, что измерение расхода G жидкого азота осуществляют электронным расходомером, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут расход в момент времени t_стаб., когда испарение жидкого азота происходит стабильно и рассчитывают теплоприток по формуле:

q=ρG(i₂-i₁),

где q - теплоприток из окружающей среды, (Вт);

ρ=1,25 [кг/м³] - плотность газообразного азота, (Дж/кг);

i₂ - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата, (Дж/кг);

i₁ - удельная энтальпия жидкого азота, (Дж/кг);

G - величина расхода (скорости испарения), (м³/с) испаряющегося азота в момент времени t_стаб., когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно t_крит>t_стаб.≥t_крит-20, (с), где t_крит. - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.