Способ измерения теплопритоков охлаждаемых ИК-приемников Российский патент 2023 года по МПК G01K17/00 G01F5/00 

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

Известен метод замера теплопритоков ИК-фотоприемников (Руководящий технический материал РТМ 3-1033-77: Приемники излучения криостатные. Метод определения теплопритоков на уровне 77 К, введен 01.01.1978 г.), 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 по формуле

где

q - теплоприток к криостату из окружающей среды, Вт;

m - масса испарившегося азота (m=0,1 г);

t - время испарения 0,1 г азота, с;

r - скрытая теплота испарения азота (198 Дж/г);

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

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

Этот способ был разработан в середине 70-х годов прошлого века применительно к фотоприемникам с заливными криостатами, т.е. у которых в процессе его работы в колодце всегда находился столбик жидкого азота.

Однако в 80-х годах на смену заливным криостатам пришли криостаты, у которых внутри колодца отсутствует жидкая фаза криоагента, а охлаждение фоточувствительного элемента осуществляется путем криостатирования днища держателя (колодца) криостата при помощи холодного пальца газовой криогенной машины или теплообменника микрохолодильника дроссельного типа.

Основными недостатками известного способа являются:

- низкая достоверность полученного результата, так как проводится три измерения с поддержанием заданной высота столба жидкого азота в колодце, после чего вычисляют среднее арифметическое значение времени и температуры;

- невозможность измерения расхода в момент полного испарения азота.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является «Способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников» выполненный по патенту RU №2332647 (МПК G01K 17/00, опубл. 27.08.2008), заключающийся в том, что электронным расходомером измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени, а для расчета теплопритока q берут значение расхода в момент времени t_стаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, и рассчитывают теплоприток по формуле где

q - теплоприток из окружающей среды, Вт;

ρ - плотность газообразного азота, г/см³;

i₂ - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата, Дж/г;

i₁ - удельная энтальпия жидкого азота, Дж/г;

G - величина расхода (скорости испарения) азота [см³/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 температуру дна колодца Т_∂. Измерения теплопритоков в фотоприемниках осуществляют электронным расходомером, применение которого позволяет проводить измерение расхода испарившегося азота вплоть до момента исчезновения его жидкой фазы. Однако данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что уравнение (2) аналогично по своей сути уравнению (1), так как они оба учитывают изменение теплосодержания испарившегося азота, что искажает достоверность полученных данных по теплопритоку.

Проведем сравнительный расчет по уравнениям (1) и (2), используя исходные данные из патента РФ №2332647: энтальпия i₁=126,8 Дж/г при температуре жидкого азота 77 К, энтальпия i₂=551,8 Дж/г при температуре азота на верхнем срезе колодца криостата Т=15+273=288 К. Будем также иметь в виду, что и p⋅G - это одна и та же величина т.е. массовый расход газа [г/с]. Тогда можно определить коэффициент корреляции К между формулами (1) и (2)

где

q₍₁₎ - определяется по уравнению (1);

q₍₂₎ - 0ПРеДеляется по уравнению (2).

Подставив исходные данные, получим

Таким образом, расчет по уравнениям (1) и (2) дает расхождение в результатах расчета всего лишь 0,8%. Это свидетельствует о том, что уравнение (2), по сути, является уравнением (1), только записанным в других переменных.

Таким образом, хотя известный способ и позволяет приблизить замер теплопритока к моменту исчезновения жидкой фазы азота, но не позволяет получить достоверный результат, так как в уравнении (2) присутствует составляющая, учитывающая теплосодержание испарившегося азота.

Следует сказать, что существует нормативный документ «Методика расчета приведенных охлаждаемых масс фотоприемников (ФП) и их тепловых моделей (МРОМ-110-89)», регламентирующий порядок расчета тепловых параметров криостатов ФП, охлаждаемых с помощью газовых криогенных машин или микрохолодильников дроссельного типа. В этом документе расписаны все составляющие, входящие в величину полного теплопритока к криостату фотоприемника из окружающей среды. Составляющая теплопритока, учитывающая теплосодержание испарившегося азота в процессе охлаждения криостата, в этом документе исключена, так как жидкой фазы азота в криостатах современных ФП нет.

Другим существенным недостатком известного способа является нечеткое обоснование выбора момента времени t_крит>t_стаб≥(t_крит-20c), в который необходимо зафиксировать расход азота для расчета теплопритока. Следствием этого, является некоторое завышение полученного результата по сравнению с реальным теплопритоком, так как в течение 20 секунд после прекращения измерений величина теплопритока продолжает падать.

Таким образом, способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников по патенту РФ №2332647 отличается от РТМ 3-1033-77 только применением электронного расходомера вместо «пленочного» расходомера.

Максимально приблизиться к определению реальной величины теплопритока можно, если при измерениях не учитывать теплоту отходящих паров азота, а результат измерений регистрировать в момент окончания испарения жидкой фазы.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, техническим результатом которого является повышение достоверности результатов измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс контроля температуры донышка колодца T_∂ и расчет теплопритока, отличающийся тем, что на участке стабилизированного испарения измеряют величину расхода газообразного азота V_i для любого момента времени t_i затем определяют теплоприток q_i по формуле

q_i=V_i⋅ρ⋅r;

где

q_i - теплоприток к криостату из окружающей среды, Вт;

V_i - объемный расход газообразного азота, см³/с;

ρ - плотность газообразного азота, г/см³;

r - скрытая теплота испарения азота, Дж/г;

фиксируют конечный момент времени t_k, когда расход азота V_i становится равным нулю, после чего, используя полученные значения qⁱ, определяют аппроксимирующую зависимость изменения теплопритока во времени:

q_i=A⋅exp[b⋅(t_k-t_i)];

где А и b - постоянные коэффициенты, определяемые путем решения полученной системы уравнений q_i=f(t_к-t_i) с помощью, например, метода наименьших квадратов, и определяют из полученной аппроксимирующей зависимости истинное значение теплопритока q_k для t_k, подставляя значение (t_к-t_i)=0, соответствующее моменту полного испарения азота, т.е. q_k=А.

Измерение теплопритоков ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом. Заливают жидкий азот в колодец криостата. После прекращения бурного кипения жидкого азота по показанию термодатчика, установленного на дне колодца криостата, убеждаются, что температура дна колодца стабилизировалась. Затем начинают измерять объемный расход испарившегося азота V_i с помощью пленочного расходомера (РТМ 3-1033-77) или электронного расходомера. Измеренное для любого момента времени (t_i) значение расхода подставляется в уравнение q_i=V_i⋅ρ⋅r, из которого определяется текущее значение теплопритока q_i. До момента полного испарения азота необходимо провести не менее 6-7 измерений. Фиксируют момент времени t_к, когда расход азота V_i становится равным нулю, а результаты измерений заносят в таблицу в виде q_i=f(t_к-t_i).

При измерении расхода с помощью пленочного расходомера t_к фиксируют в момент остановки движения пленок в расходомере, при измерении расхода с помощью электронного расходомера t_к фиксируют в момент резкого изменения угла наклона расходной характеристики. Пример записи изменения расхода испарившегося азота во времени с помощью электронного расходомера представлен на чертеже фиг. 1 (по оси абсцисс - время, по оси ординат - величина расхода, соответствует перелому кривой). Полученный массив замеренных величин q_i используется для определения функциональной зависимости теплопритоков от времени при испарении жидкого азота в криостате. После заливки величина теплопритоков к приемнику непрерывно уменьшается со временем вследствие уменьшения объема жидкой фазы, к моменту полного испарения азота теплоприток имеет конечное и минимальное значение.

Аппроксимирующая кривая, описывающая экспериментальные данные по теплопритокам, представляется в виде экспоненциальной зависимости q_i=q_k⋅exp[b⋅(t_k-t_i)]. Константы q_k и b в аппроксимирующей зависимости определяются с использованием данных из таблицы измерений и известных математических методов обработки, например, метода наименьших квадратов [Дьяконов В.П. Справочник по применению системы EUREKA. - М.: Физматлит, 1993].

В качестве примера покажем, как рассчитывается аппроксимирующая кривая. Пусть в результате измерений получена следующая таблица 1 измерений теплопритоков к фотоприемнику, записанных в виде q_i=f(t_к-t_i).

После обработки данных таблицы по методу наименьших квадратов получаем следующие значения констант, учитывая, что q_k=А:

q_k=0,321, b=0,053

С учетом констант аппроксимирующая зависимость будет выглядеть так:

q_i=0,321⋅ехр[0,053⋅(t_k-t_i)]

Сравнение результатов измерений q_i с аппроксимирующей зависимостью представлено на чертеже фиг. 2.

Для момента полного испарения азота, т.е. когда t_i=t_k, a (t_к-t_i)=0, теплоприток равен q_k=0,321 Вт. Эта величина и будет являться истинным теплопритоком криостата фотоприемника.

Предлагаемый способ может быть реализован как с помощью измерения расхода азота «пленочным» расходомером (РТМ 3-1033-77), так и с помощью электронного расходомера (патент РФ №2332647).

В АО «МЗ «САПФИР» были выполнены сравнительные измерения теплопритоков различных фотоприемников по предлагаемому способу и по известному способу, учитывающему теплосодержание испарившегося азота, результаты измерений представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, учет теплоты отходящих паров при измерении теплопритоков, как это делается в прототипе, приводит к недостоверным измерениям, а именно к завышению расчетной величины теплопритока криостата по сравнению с реальной величиной в условиях работы с ГКМ.

Таким образом, измеренная величина теплопритока с помощью предлагаемого способа наиболее близка к реальной величине, так как при измерениях не учитывается теплота отходящих паров азота, а результат измерений соответствует моменту исчезновения жидкой фазы.

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников инфракрасного излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях. Предложен способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, который включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс контроля температуры донышка колодца Т_∂ и расчет теплопритока, а на участке стабилизированного испарения измеряют величину расхода газообразного азота V_i для любого момента времени t_i, затем определяют теплоприток q_i по формуле q_i=V_i⋅ρ⋅r; где q_i - теплоприток к криостату из окружающей среды, Вт; V_i - объемный расход газообразного азота, см³/с; ρ - плотность газообразного азота, г/см³; r - скрытая теплота испарения азота, Дж/г; фиксируют конечный момент времени t_k, когда расход азота становится равным нулю, после чего, используя полученные значения q_i, определяют аппроксимирующую зависимость изменения теплопритока во времени: q_i=A⋅exp[b⋅(t_k-t_i)]; где А и b - постоянные коэффициенты, определяемые путем решения полученной системы уравнений q_i=f(t_к-t_i) с помощью, например, метода наименьших квадратов, и определяют из полученной аппроксимирующей зависимости истинное значение теплопритока q_k для t_к, подставляя значение (t_к-t_i)=0, соответствующее моменту полного испарения азота, т.е. q_k=А. Технический результат - повышение достоверности результатов измерений. 2 ил., 2 табл.

Способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс контроля температуры донышка колодца T_∂ и расчет теплопритока, отличающийся тем, что на участке стабилизированного испарения для каждого последующего любого момента времени t_i рассчитывают теплоприток q_i по формуле

q_i=V_i⋅ρ⋅r,

где

q_i - теплоприток к криостату из окружающей среды в момент времени t_i, Вт;

V_i - измеренный объемный расход газообразного азота в момент времени t_i, см³/с;

ρ - плотность газообразного азота, г/см³;

r - скрытая теплота испарения азота, Дж/г;

фиксируют момент времени t_k, когда расход азота V_i становится равным нулю, после чего на основе рассчитанных значений q_i получают аппроксимирующую зависимость изменения теплопритока во времени

q_i=A⋅ехр[b⋅(t_k-t_i)],

где А и b - постоянные коэффициенты, определяемые путем решения полученной системы уравнений q_i=f(t_к-t_i) с помощью метода наименьших квадратов, а затем из полученной аппроксимирующей зависимости определяют истинное значение теплопритока q_k для момента полного испарения азота (t_к-t_i)=0, получая значение q_k=A.