Способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых моделей Российский патент 2023 года по МПК G01K17/00 G01F5/00 

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике измерения приведенной охлаждаемой массы приемников инфракрасного излучения и их тепловых моделей.

При работе с охлаждаемыми ИК-фотоприемниками (ФП) необходимо знать его основные параметры, а именно, теплоприток из окружающей среды к криостату ФП и приведенную охлаждаемую массу ФП. Эти параметры используют для подбора соответствующей микрокриогенной системы (МКС), которая должна охлаждать фоточувствительный элемент (ФЧЭ) приемника до заданных температур. Теплоприток к криостату ФП является тепловой нагрузкой для МКС, поэтому определяет ее требуемую холодопроизводительность, а приведенная охлаждаемая масса ФП определяет время выхода ФП на рабочий режим.

Приведенная охлаждаемая масса ФП характеризует количество теплоты, которое необходимо отвести от ФП при его переводе из состояния равновесия с окружающей средой (например, при нормальных климатических условиях) в состояние, соответствующее рабочему режиму ФЧЭ приемника при криогенных температурах.

Поскольку конструктивно ФП состоит из деталей и узлов, выполненных из различных материалов, то принято приведенную массу ФП выражать в эквиваленте. Этот эквивалент численно равен такой массе меди, для охлаждения которой от температуры окружающей среды до рабочей температуры ФП (температуры криостатирования) требуется отвести столько же теплоты Q_0TB, сколько от ФП при его захолаживании до той же температуры (МРОМ-110-89).

Приведенная охлаждаемая масса ФП определяется расчетным путем в соответствии с указаниями документа МРОМ-110-89. Точность расчетов при этом невысока, причиной этого является приближенность основных допущений, заложенных в методике. Помимо этого, при изготовлении конструкции элементов и узлов ФП часто используются материалы-заменители, теплофизические свойства которых либо не изучены, либо отличаются от свойств материалов, указанных в проектной документации. Таким образом, основной проблемой данной методики является приближенное определение количества теплоты, отводимого от элементов ФП при его охлаждении, основанное на использовании справочных данных по материалам.

Вопрос определения количества теплоты, отводимого от элементов ФП, решается путем измерения теплопритоков к ФП от окружающей среды. Известен способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата ФП, процесс контроля температуры донышка колодца и расчет теплопритока к криостату ФП по расходу испарившегося азота (патент на изобретение RU №2791432, МПК G01K 17/00, G01F 5/00). Недостатком известного способа является невозможность непосредственного измерения приведенной охлаждаемой массы ФП.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых модулей, техническим результатом которого является повышение точности определения охлаждаемой массы путем непосредственного ее измерения.

Предлагаемый способ включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры донышка колодца, расчет теплопритока по расходу испарившегося азота, отличающийся тем, что определяют изменение теплопритока к ФП из окружающей среды и изменение температуры донышка колодца держателя ФП для двух последующих измерений, а также время между измерениями, после чего рассчитывают величину приведенной охлаждаемой массы ФП.

Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. Как известно, количество тепла ΔQ, полученное (отданное) телом массы М при увеличении (уменьшении) его температуры на ΔT, равно (см., например, Справочник по элементарной физике. М., «Наука», 1976, с. 60, уравнение 2.1):

где

ΔQ - количество тепла, Дж;

С - удельная теплоемкость материала тела, Дж/кг⋅К;

М - масса тела, кг;

ΔT - изменение температуры тела, К.

Преобразуя уравнение (1), получим зависимость для определения массы тела М:

Используя уравнение (2), можно определить приведенную охлаждаемую массу приемника М_пр, если измерить количество тепла ΔQ_пр, отведенное от ФП при его захолаживании, и соответствующее изменение его температуры ΔТ_пр:

Количество тепла ΔQ_пр можно определить, используя результаты измерений теплопритоков к ФП:

где

- изменение величины теплопритока к ФП из окружающей среды за время охлаждения его от τ_i до τ_i+1, Вт;

- измеренные теплопритоки в моменты времени τ_i и τ_i+1, Вт;

- время между двумя измерениями, с;

- изменение температуры донышка колодца за время измерения от τ_i до τ_i+1, К;

С_пр - средняя удельная теплоемкость, приведенная к эквиваленту меди (Таблица 2 МРОМ-110-89 регламентирует величину С_пр=360 Дж/кг⋅К).

Отсюда уравнение (3) можно привести к виду

Измерение приведенной охлаждаемой массы ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом. Заливают жидкий азот в колодец криостата ФП, после чего на участке стабилизированного испарения для любого момента времени τ_i определяют теплоприток q_i. по измеренному объемному расходу испарившегося азота в соответствии, например, с методикой патента на изобретение RU №2791432. Одновременно для каждого τ_i измеряют показания термодатчика, установленного на дне колодца криостата. Затем определяют изменение величины теплопритока Δq к ФП из окружающей среды за время охлаждения его от τ_i до τ_i+1, определяют время Δτ и изменение температуры донышка колодца ΔТ_пр за время между двумя измерениями. Полученные в результате измерений значения Δq, ΔТ_пр и Δτ подставляют в уравнение (4) и определяют приведенную охлаждаемую массу приемника М_пр.

В качестве примера покажем, как экспериментально определяется и в дальнейшем используется величина приведенной охлаждаемой массы приемника. Пусть для двух последних измерений перед полным выкипанием жидкого азота в колодце ФП получены следующие значения: Δτ=10 с, ΔТ_пр=0,4 К, Δq=0,326 - 0,254=0,072 Вт. Тогда из уравнения (4) получим:

Полученное значение приведенной охлаждаемой массы приемника в медном эквиваленте М_пр=5,4 г используем для выбора соответствующей по параметрам МКС, например, производства АО «НТК «Криогенная техника» (МСМГ) или фирмы «RICOR» (К508 и К548) (таблица 1).

Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что для ФП с приведенной охлаждаемой массой, равной 5,4 г, подходят следующие МКС:

- МСМГ-5А-1,3/80 и МСМГ-3В-1/80 разработки АО «НТК «Криогенная техника»;

- К548 разработки фирмы «RICOR».

Таким образом, измеренная величина приведенной охлаждаемой массы ФП с помощью предлагаемого способа является реальной величиной, которая может использоваться для уточнения расчетов, выполненных по МРОМ-110-89, и позволяет подобрать для ФП (даже при отсутствии у пользователя конструкторской документации на него) соответствующую по параметрам МКС.

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике измерения приведенной охлаждаемой массы фотоприемников (ФП) инфракрасного излучения и их тепловых моделей в лабораторных и производственных условиях. Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа определения приведенной охлаждаемой массы ИК-фотоприемников и их тепловых моделей. Предложен способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-фотоприемников и их тепловых моделей, который включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры донышка колодца, расчет теплопритока по расходу испарившегося азота. Причем определяют изменение теплопритока к фотоприемникам из окружающей среды и изменение температуры донышка колодца держателя фотоприемников для двух последующих измерений, а также время между измерениями, после чего рассчитывают величину приведенной охлаждаемой массы фотоприемников. Технический результат - повышение точности определения охлаждаемой массы путем непосредственного ее измерения. 1 табл.

Способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых моделей, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры донышка колодца, расчет теплопритока по расходу испарившегося азота, отличающийся тем, что определяют изменение теплопритока к фотоприемникам из окружающей среды и изменение температуры донышка колодца держателя фотоприемников для двух последующих измерений, а также время между измерениями, после чего рассчитывают величину приведенной охлаждаемой массы приемника по формуле

где М_пр - приведенная охлаждаемая масса фотоприемников, г;

- изменение теплопритока к фотоприемникам из окружающей среды за время измерения от τ_i до τ_i+1, Вт;

Δτ=(τ_i+1-τ_i) - время между двумя последующими измерениями, с;

- Т_i - изменение температуры донышка колодца держателя фотоприемников за время измерения от τ_i до τ_i+1, К.