Способ измерения интегральной излучательной способности с применением микропечи (варианты) Российский патент 2017 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к измерительной технике. Изобретение относится к области высокотемпературной техники исследований излучательных свойств материалов и может использоваться для определения интегральной излучательной способности материалов и покрытий, а при известной излучательной способности одного материала позволяет определить абсолютное значение интегральной излучательной способности другого материала. Изобретение относится к новому методу измерения интегральной излучательной способности твердых материалов при высоких температурах с применением косвенного нагрева в микропечи.

Интегральная излучательная способность определяется как ε(T)=Q(T)/Q_АЧТ(T), где Q(T) и Q_АЧТ(T) - соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при той же температуре.

Все методы измерения интегральной излучательной способности можно условно разделить на радиационные и калориметрические. В первом случае с помощью детектора полного излучения измеряется лучистый поток от измеряемой поверхности и сравнивается с потоком излучения АЧТ. Во втором случае поток излучения определяется из теплового баланса учитывающего потери тепла за счет излучения: Q(T)=ε(T)σT⁴, где σ - постоянная Стефана-Больцмана.

Большинство экспериментальных методов определения интегральной излучательной способности материалов сводится к созданию в экспериментальной установке стационарного состояния исследуемого образца с хорошо контролируемыми или надежно измеряемыми величинами полного энерговклада и всевозможных механизмов тепловых потерь с поверхности, за исключением собственного излучения. Обычно используются образцы небольшого размера (термически тонкие), что обеспечивает практически однородное поле температуры по всему объему, включая излучающую поверхность. Тепловые потери за счет собственного излучения рассчитываются затем на основании уравнения суммарного энергетического баланса.

В работах (Allen R.D., Glasier L.F., JR., Jordan P.L.. Spectral Emissivity, Total Emissivity, and Thermal Conductivity of Molybdenum, Tantalum, and Tungsten above 2300 K // Journal of Applied Physics. 1960. Vol. 31. No. P. 1382-1387; Matsumoto Т., Cezairliyan A., Basak D. Hemispherical Total Emissivity of Niobium, Molybdenum, and Tungsten at High Temperatures Using a Combined Transient and Brief Steady-State Technique // International Journal of Thermophysics. 1999. Vol. 20. No. 3. P. 943-952; Cagran C., Pottlacher G., Rink M., Bauer W. Spectral Emissivities and Emissivity X-Points of Pure Molybdenum and Tungsten // International Journal of Thermophysics. 2005. Vol. 26. No. 4. P. 1001-1015), например, использовался нагрев тонких проволочек исследуемого материала электрическим током, что позволяло надежно фиксировать суммарный энерговклад. Измерение истиной температуры образца, знание которой необходимо для расчета интегральной излучательной способности, проводится при относительно небольших температурах с помощью термопар или, что более предпочтительно, с помощью бесконтактного пирометрического метода, исключающего дополнительные трудно контролируемые возмущения в суммарную теплоотдачу и позволяющего измерять более высокие температуры. Отметим, что в каждом отдельном эксперименте определяется интегральная излучательная способность при одной температуре.

Так, в широко используемом «радиационном методе» необходимо измерение трех параметров - температуры и плотности потока излучения, а также конвективных теплопотерь (при исключении конвективных теплопотерь, как видно, необходимо измерение двух величин). Для исключения конвективных теплопотерь и необходимости измерения потока излучения в работах (Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д., Теплообмен излучением. - М.: Энергия, 1977. - 294 с.; Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, книга 1, Справочник под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М., М, Энергоиздат, 1987. - 455 с.) была предложена упрощенная нестационарная методика определения интегральной излучательной способности (e_T) и предлагалось исключение конвективных теплопотерь за счет проведения эксперимента одновременного с двумя образцами - один с известной e_T, второй рабочий. Обе методики были основаны на том, что при одинаковых температурах и для одинаковых перепадов температур оба образца имеют одинаковые конвективные теплопотери. Однако, как известно для нестационарных методов необходимы образцы с одинаковыми размерами и с известными теплофизическими характеристиками (теплоемкость, масса), при этом также необходимо измерять время. Оба эти методы были предложены, но не были реализованы, не была проведена и оценка погрешности этих методов.

В статье «Определение излучательной способности стационарным методом» авторов У.Ф. Тураева, Ш.Ф. Тураев, С.С. Ибрагимов, напечатанной в журнале «Молодой ученый», 2013, №7, стр. 83-86 и размещенной на сайте «Молодой ученый» в сети Интернет по адресу: http://www.moluch.ru/archive/54/6786/, утверждается, что возможно развитие предложенных выше методов и разработка на этой основе стационарного метода - измерение излучательной способности по равновесным температурам.

Способ заключается в следующем. Берутся две тонкие плоские пластины, из одного рабочего материала толщиной порядка 1-5 мм и одна из них покрывается сажей. Эти образцы, рабочий и «черный» нагреваются с помощью источника излучения. Измеряются равновесные температуры образцов. Далее, учитывая, что перепады температур в образцах малы, меньше 0,1°, а также пренебрегая теплопотерями через боковые стороны пластин и теплопотерями через опорные ножки можем записать следующие уравнения баланса.

При температурах источника, близких к температурам нагрева, можно также считать, что

В этих уравнениях известны температуры образца и «АЧТ», температуры стен (измеряются), температура окружающего воздуха, измеряется и плотность падающего излучения E, а неизвестными являются коэффициенты конвективной теплоотдачи α_К1, α_К2.

Т.е. из уравнения (2) мы определяем коэффициент конвективной теплоотдачи α_К2. Найдем связь между α_К2 и α_К1. В общем, характер конвективной теплоотдачи на обоих образцах одинаков (одинаковые условия), поэтому различия между ними обусловлены различием в температурах рабочего образца и «АЧТ».

Как показали предварительные эксперименты, различие между температурами рабочего образца и «АЧТ» находится на уровне 10-15°, при этом различие между α_К2 и α_К1 не превышает 5%. Т.е. можно принять, что α_К1=α_K2. Тогда определяя α_К2 из (2) и подставляя вместо α_К1 из (1) определяем излучательную способность образца. Отмечается, что в случае вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи не зависит от температуры образцов, а зависит только от температуры окружающего воздуха.

В статье также приводится основные составляющие относительной погрешности d для этого способа. Они складываются из следующих случайных погрешностей:

- погрешность допущения о малости теплопотерь с боковой поверхности - d_S=100%_*(S_Б/(2_*S)=100%, которая при r_S=30 мм и h=2 мм равна d_S=100%(h/r_S)=100_*0.033=3.3%;

- погрешность определения температур образца и «АЧТ» термопарами - d_ТО; d_ТАЧТ=100%_*(0.5/90)=0.6%;

- погрешность определения плотности падающего потока - d_ПАД 5% (по паспорту);

- погрешность определение температура окружающего воздуха - d_В=100%*(0.2/25)=0.8%;

- погрешность допущения, что α_К1=α_К2 составляет в случае естественной конвекции - d_αК=5%, в случае вынужденной конвекции d_αК=0%;

- погрешность определения температуры «стен» - d_СТ=100%_*(0.5/30)=1.7%;

Суммарную относительную погрешность d будем определять по формуле [5].

Этот способ позволяет практически для всех тел определить интегральную излучательную способность и параметр селективности к солнечному излучению по ее равновесной температуре, причем, так как равновесные температуры серого и черного тела одинаковы, то в качестве серого тела можно использовать зачерненный рабочий образец.

Как видно из статьи, разработанный способ определения излучательной способности стационарным методом путем обеспечения нагрева двух образцов, один из которых АЧТ дает неточное измерение, в результате которого получают информацию, достоверность которой определена в рамках погрешностей в 5%. При этом, как видно из рассмотренного описания способа, некоторые параметры выбраны по данным паспорта, или по принятому утверждению, или по средним установленным значениям. Естественно, что использование уточняющих величин условного порядка не может позволить провести точное определение интегральной излучательной способности поверхности твердого образца.

Так, из уровня техники известен способ измерения интегральной излучательной способности твердых материалов при высоких температурах, описанный в кн. А.Г. Коротких «Теплопроводность материалов», Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2011, рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета, стр. 35-38 (это решение принято в качестве прототипа).

Определение интегрального коэффициента излучения радиационным методом состоит в сравнительном измерении специальным термоприемником лучистой энергии, испускаемой исследуемым и абсолютно черным телом или телом, коэффициент излучения которого известен. Экспериментальные установки для определения ε радиационным методом имеют устройство для нагревания образца до заданной температуры, приемник излучения и диафрагму.

Для приемников с линейной характеристикой наиболее простым методом определения коэффициента излучения является визирование приемника на исследуемый объект и на черное тело (или эталонный излучатель с известным коэффициентом излучения ε). При этом температура эталонного и исследуемого образцов должна быть одинаковой. Линейность приемника излучения может быть обеспечена только в определенном интервале потоков излучения и с ограниченной точностью. Поэтому в общем случае приемник излучения следует считать нелинейным. Тогда наиболее распространенной схемой осуществления радиационного метода является схема, основанная на равенстве сигналов от исследуемого образца и АЧТ (эталона) с разными температурами.

Для определения коэффициента излучения широко используют выпускаемые промышленностью радиационные пирометры. Зеркала и линзы вносят искажения в тепловой поток, приходящий к приемнику излучения. Коэффициенты отражения и пропускания зеркал и линз существенно зависят от длины волны. Поэтому погрешности определения существенно зависят от материала линз, зеркал и смотровых окон. С учетом этого радиационный линзовый пирометр или термоприемник, воспринимающий излучение через стекло, измеряют интегральный коэффициент излучения лишь в пределах пропускания оптической системы:

Как правило, радиационный метод осуществляется при условии, когда температура исследуемого объекта выше температуры приемника и поток излучения поступает от объекта к приемнику. Для надежного измерения этого потока различие температур между объектом и приемником не должно быть очень малым. Радиационный метод получил наибольшее распространение при исследовании неэлектропроводных материалов.

Сама задача учета радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов, паразитных засветок и многих других параметров окружающей испытываемый образец среды относится к категории чрезвычайно сложной. Эта сложность определена тем, что сам процесс проведения действий по нагреву образца твердого тела не представляет сложности, но последующие математические расчеты, которые должны учитывать влияние окружающей образец среды, на которую воздействует не только сам нагретый образец, но и печь, относятся к тем действиям, от которых зависит достоверность поучаемых данных об истинной интегральной излучательной способности поверхности твердого тела.

В настоящее время работы по совершенствованию способов измерения интегральной излучательной способности поверхности твердого тела в общем плане сводятся именно к попыткам исключения из расчетной части эксперимента условно установленных составляющих или составляющих с усредненными величинами. Исключение из расчетов этих неоднозначно точных составляющих позволяет снизить искажение значения излучательной способности. Но решение такой задачи невозможно без внесения изменений в материальную часть эксперимента, то есть непосредственно в саму установку, в которой производится нагружение образца тепловым воздействием.

Известен способ измерения интегрального коэффициента излучения поверхности различных материалов в широком диапазоне температур 1200-3000°К (Винникова А.Н., Петров А.Н., Шейндлин А.Е. «Методика измерений и экспериментальная установка для определения интегральной нормальной излучательной способности конструкционных материалов в интервале температур от 1200 до 3000 К» // ТВТ. - 1969. - Т. 7, №1, стр. 121-126). Определение интегрального коэффициента излучения указанным способом основано на использовании радиационного метода. Суть радиационного метода состоит в сравнительном измерении специальным термоприемником лучистой энергии, испускаемой исследуемым и абсолютно черным телом или телом, коэффициент излучения которого известен (эталонный образец), при одинаковой температуре поверхности T. Интегральный коэффициент излучения рассчитывается по формуле ε(T)=ε_eQ(T)/Q_e(T), где Q(T), Q_e(T) - измеренные значения мощности излучения при нагреве до температуры T исследуемого и эталонного образцов соответственно. Это решение принято в качестве прототипа для всех заявленных объектов.

Недостаток данного способа заключается в том, что для получения численного результата высокой достоверности необходимо учитывать величины радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов. Точное определение этих величин применительно к конкретному нагревательному устройству затруднительно, а применение условных усредненных значений заведомо искажает значение излучательной способности, показывая уровень интегральной излучательной способности конкретного тела по отношению к АЧП, но не ее точное численное значение.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении способа измерения интегральной излучательной способности твердого тела в широком диапазоне температур и повышении достоверности полученных результатов измерений за счет исключения влияния радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры T на его поверхности и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца, перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, а затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности по формуле:

где M, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(T) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры T поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности T, отличающийся тем, что перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/Q_АЧТ(T), где Q(T) и Q_АЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре T.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании эталонного образца указанного образца до установленной температуры T поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности T, отличающийся тем, что перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, эталонный образец в виде абсолютно черного тела размещен в отдельном приемнике излучения в виде зеркального пирометра полного излучения, привязанного к абсолютной энергетической шкале через калиброванную модель эталонного образца, при этом зеркальную систему зеркального пирометра полного излучения направляют на исследуемый образец и осуществляют регистрацию температуры T на поверхности исследуемого образца, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/Q_АЧТ(T), где Q(T) и Q_АЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре T.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

фиг. 1 - схема устройства нагрева исследуемого образца;

фиг. 2 - устройство нагрева исследуемого образца;

фиг. 3 - разрез по фиг. 2 в плоскости образца.

Согласно настоящему изобретению рассматриваются новые способы измерения интегральной излучательной способности твердых тел с помощью непрямого (косвенного) лазерного нагрева исследуемого образца. В предлагаемом изобретении речь идет о применении радиационного и калориметрического методов как по отдельности, так и совместно. В основе лежит идея о применении лазерного нагрева исследуемого образца 1 (образец представляет собой тонкий цилиндр (D>>l)), что в отличие от нагрева в традиционной печи сопротивления исключает радиационные потоки тепла от нагревателя печи и от ее элементов, которые создают паразитные засветки и искажают значение излучательной способности.

Большинство экспериментальных методов определения интегральной излучательной способности материалов сводятся к созданию в экспериментальной установке стационарного состояния исследуемого образца с хорошо контролируемыми или надежно измеряемыми величинами полного энерговклада и всевозможных механизмов тепловых потерь с поверхности, за исключением собственного излучения. Обычно используются образцы небольшого размера (термически тонкие), что обеспечивает практически однородное поле температуры по всему объему, включая излучающую поверхность. Тепловые потери за счет собственного излучения рассчитываются затем на основании уравнения суммарного энергетического баланса.

Для того чтобы уменьшить возможную ошибку из-за неопределенности в измерении абсолютной температуры образца в известных способах, используется непрямой (косвенный) лазерный нагрев образца. Лазерное излучение подводится к небольшому участку массивного графитового блока 2, окруженного теплоизоляцией 3. При использовании теплоизоляции 3 со сверхнизкой теплопроводностью для нагрева графитового блока 2 до достаточно высокой температуры (порядка 2000°C) требуется мощность лазера всего в несколько десятков ватт. В середине графитового блока 2 делается узкий вырез, в который и помещается образец 1, закрепленный в специальном держателе 4. На фиг. 1 схематично показано такое устройство нагрева. Проведенные тепловые расчеты подтверждают возможность однородного нагрева образца в такой «лазерной печке». Держатель образца крепится на механическом устройстве 5, которое обеспечивает быстрый вывод образца из печи и его помещение в область визирования пирометром полного излучения, где и происходит измерение. В этом способе достигается равенство температуры образца и температуры печи, которая измеряется с высокой точностью пирометрическим или контактным методом.

Согласно изобретения способ измерения интегральной излучательной способности по одному из вариантов измерений заключается в закреплении в отдельной вакуумной камере исследуемого образца 1 твердого тела и нагревании указанного образца до установленной температуры T на его поверхности. Затем проводят регистрацию термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца.

Перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева. Затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии.

В данном способе вместо измерения абсолютной температуры образца различными пирометрическими методами (а систематическая ошибка в определении этой температуры приводит к ошибке в излучательной способности в четыре раза большей) температура образца принимается равной температуре внутри «лазерной» печи.

Затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности по формуле:

где M, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(T) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.

Образец, закрепленный в держателе, нагревается теплом от графитового блока лазерным излучением до определенной температуры, температура контролируется пирометром или контактно. Далее происходит отключение лазера, и образец охлаждается только за счет потерь тепла излучением. Измерение происходит с использованием измеренной термограммы охлаждения. Такая процедура является вариантом калориметрического метода.

Лазерное излучение 6, проходя через цилиндрическое отверстие в теплоизоляции 3, поглощается графитовым цилиндром, имеющим достаточно высокую теплопроводность для формирования в нем однородного температурного поля. Этому способствует и теплоизоляция, существенно уменьшающая потери тепла. Расчетная мощность лазерного излучения, необходимая для нагрева графитового цилиндра диаметром 20 мм до температуры 2000К, составляет в зависимости от геометрии и типа теплоизоляции несколько десятков Вт. Для проведения измерений после достижения равновесной температуры внутри печи образец за достаточно короткое время выводится за пределы печи для проведения измерений. При этом его температура в момент выхода из печи полагается равной температуре внутри печи.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании для косвенного нагрева от другого тела термически тонкого образца, лазерного излучения, позволяющего реализовать стационарное состояние с практически любой температурой, вплоть до температуры плавления. Затем лазерное излучение отключается и с помощью пирометра регистрируется темп остывания образца, обусловленного только суммарными радиационными потерями с его полной поверхности.

Уравнение полного энергетического баланса в этом случае имеет вид:

где M, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина; T, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(T) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.

Определив в эксперименте T(t) и dT/dt, можно для материалов с известной температурной зависимостью теплоемкости c(T) рассчитать dh/dt=c(T)⋅dT/dt как функцию T и вычислить

Несомненным достоинством данного способа является возможность определения зависимости ε(T) в одном эксперименте в широком температурном диапазоне.

Для иллюстрации возможностей предлагаемого метода было проведено его численное моделирование. Рассматривался молибденовый образец с геометрическими размерами: R=0,25 см, l=0,1 см. Интегральная излучательная способность аппроксимировалась функцией

ε(T)=0,048+T(0,012+T(0,19-T(0,12-0,023 T))).

На всей поверхности образца задавались условия радиационного охлаждения. Рассчитывалось нестационарное температурное поле в интервале времени от 0 до 5 мин. Получено, что неоднородность температурного поля на стадии остывания не превышает 2К.

Приведенные результаты показывают, что погрешность определения интегральной излучательной способности по результатам «идеального» численного эксперимента не превышает 1%. Как показали расчеты, использование более массивных образцов не приводит к заметному увеличению погрешности. Так, например, при R=0,5 см, l=0,5 см максимальная погрешность также не превышает 1%, однако в последнем случае существенно возрастает время остывания образца (10 мин до температуры 600°К).

Способ измерения интегральной излучательной способности по второму примеру измерения заключается в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела и нагревании указанного образца до установленной температуры T поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности T.

Так же, как и для первого примера, перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева. Затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии.

Интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/Q_АЧТ(T), где Q(T) и Q_АЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре T.

Способ измерения интегральной излучательной способности по третьему примеру измерения заключается в закреплении эталонного образца в виде АЧТ и в отдельной камере исследуемого образца твердого тела и нагревании эталонного образца указанного образца до установленной температуры T поверхности образца твердого тела. Затем проводят регистрацию термоприемником 4 лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности T.

Так же, как и для ранее рассмотренных примеров, перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева. Затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии. В качестве термоприемника лучистой энергии используется яркостный пирометр при известности на длине волны пирометра спектральной излучательной способности или спектропирометр.

Эталонный образец в виде АЧП размещен в отдельном приемнике излучения, исполненном в виде зеркального пирометра полного излучения, привязанного к абсолютной энергетической шкале через калиброванная модель эталонного образца. При этом зеркальную систему зеркального пирометра полного излучения направляют на исследуемый образец и осуществляют регистрацию температуры T на поверхности исследуемого образца, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/Q_АЧТ(T), где Q(T) и Q_АЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре T.

Схема нагрева та же самая, что и в ранее рассмотренных примерах, но после лазерного нагрева до определенной температуры T поток теплового излучения с измеряемой поверхности измеряется с помощью детектора полного излучения (например, болометра). Излучение с определенного участка поверхности направляется на приемник излучения с помощью зеркальной оптики. Приемник излучения с оптической системой сделан в виде отдельного блока и калибруется по радиационной энергии с помощью модели АЧТ. Такое устройство иногда называется пирометром полного излучения. Абсолютная температура образца (как и для первого примера) определяется с помощью или монохроматического пирометра с использованием известной спектральной излучательной способности или с помощью спектропирометра.

Здесь зеркальный пирометр полного излучения направляется на образец, нагреваемый лазером, а температура поверхности измеряется яркостным пирометром (в случае, если спектральная излучательная способности на длине волны пирометра известна) либо для определения истинной температуры применяется спектропирометр. Для привязки пирометра полного излучения к абсолютной энергетической шкале используется калиброванная модель черного тела. При этом калибровка проводится через оптическое окно, установленное в камере. Это окно изготавливается из материала, имеющего достаточно «плоскую», в широком спектральном диапазоне, кривую прозрачности (это, например, ZnSe, BaF₂). Выбор материала окна зависит от температурного диапазона измерений: чем ниже температура, тем дальше, в сторону ИК области, должен простираться диапазон прозрачности стекла. В случае, если калибровка радиационного пирометра будет проводиться в единицах Кельвина, то интегральная излучательная способность определяется как ε(T)=(T_рад/T_ист)⁴, где T_рад - температура, измеренная зеркальным радиационным пирометром, а T_ист - истинная температура образца.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, по сути, реализует известные алгоритмические схемы проведения испытаний. Но внесение изменений в эти схемы, заключающиеся в применении непрямого (косвенного, через нагрев графитового блока) лазерного нагрева исследуемого образца позволяет получить расширенные возможности, которые не могли быть доступны в ранее апробированных способах. Первое преимущество заключается в том, что при непрямом лазерном нагреве исследуемого образца можно исключить необходимость учета в расчетах величин радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов. В связи с этим резко повышается достоверность конечных результатов измерений до величин 1% погрешности. Второе преимущество заключается в том, что применение непрямого лазерного нагрева при контроле температуры нагрева пирометром позволяет не только проводить испытания при любой выбранной температуре, но и определять зависимости ε(T) в одном эксперименте в широком температурном диапазоне. Это позволяет в отношении конкретного твердого материала проводить испытания по динамике его поведения при разных температурах и прогнозировать поведение материала по его отражательной способности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании излучательных свойств материалов. Способ измерения интегральной излучательной способности заключается в закреплении в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры T на его поверхности и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца. Перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью, и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры T и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева. Затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии. Затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности. Технический результат – повышение достоверности получаемых результатов. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения интегральной излучательной способности, заключающийся в закреплении в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры Т на его поверхности и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца, отличающийся тем, что перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью, и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры Т и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, а затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности по формуле

где М, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(Т) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру Т графитового блока определяют пирометром или контактно.

3. Способ измерения интегральной излучательной способности, заключающийся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т, отличающийся тем, что перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью, и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры Т и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как ε(T)=Q(Т)/Q_АЧТ(Т), где Q(T) и Q_АЧТ(T) - соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что температуру Т графитового блока определяют пирометром или контактно.

5. Способ измерения интегральной излучательной способности, заключающийся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании эталонного образца и исследуемого образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т, отличающийся тем, что перед нагревом исследуемый образец помещают в тело графитового блока, окруженного теплоизоляцией со сверхнизкой теплопроводностью, и осуществляют нагревание графитового блока путем подвода к локальной зоне графитового блока прямого лазерного излучения до нагрева этого блока до установленной температуры Т и одновременного нагрева размещенного в теле этого блока исследуемого образца путем передачи тепла от графитового блока образцу до состояния равенства их температур нагрева, затем выводят исследуемый образец из тела графитового блока и помещают его в область визирования пирометром полного излучения, выполняющим функцию термоприемника лучистой энергии, эталонный образец в виде абсолютно черного тела помещают в область визирования зеркальным пирометром полного излучения, привязанным к абсолютной энергетической шкале через калиброванную модель эталонного образца, при этом зеркальную систему зеркального пирометра полного излучения направляют на исследуемый образец и осуществляют регистрацию температуры Т на поверхности исследуемого образца, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как ε(T)=Q(T)/Q_AЧТ(T), где Q(T) и Q_AЧТ(T) соответственно - удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.