Устройство для измерения излучательной способности твердых непрозрачных материалов Советский патент 1992 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к теплофизике, в частности к устройствам для определения излучательной способности высокотемпературных материалов.

Известно устройство для исследования излучательной способности поверхности теплоизоляционных материалов, которое содержит вакуумную камеру, теплопроводный зачерненный диск, расположенный с зазором от образца, механизм вращения образца, нагреватель, приемник лучистого потока и датчик температуры образца, Излучательная способность в данном устройстве определяется по разности температур диска и нагревателя и по результатам измерений плотности излучения исследуемой поверхности,

Однако такое устройство не позволяет измерять спектральную излуча- тельную способность, так как приемник лучистого потока является термоэлектрическим с низкой чувствительностью и способен регистрировать только величину полного радиационного потока. Кроме этого при высоких температурах образца (Я 000 К) возможен перегрев приемника лучистого потока, находящегося в непосредственной близости к нагретой поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения излучательной способности твердых материалов, содержащее вакуумную камеру, цилиндрический радиационный нагреватель с отверстием, блок теплоизоляции, образец с моделью черного тела, водоохлаждаемую диафрагму и приемник радиационного потока с усилительно-регистрирующей аппаратурой.

Однако известное устройство обладает низкой точностью эксперимента, обусловленной уходом параметров

Ё

J

ее to

00

электронной аппаратуры приемника излучения, что вызвано нестабильностью работы усилительно-регистрирующей системы и колебаниями температуры пе ми между последовательными измерениями лучистого потока от образца и модели черного тела} длительностью эксперимента ввиду необходимости поочередного измерения интенсивности излучения образца1, искажением собственного излучения образца вследствие переотражения поверхностью диафрагмы с диффузной составляющей отражательной способности.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения излу- чательной способности твердых непрозрачных материалов, содержащем фотоприемники, камеру с расположенным в ней радиационным нагревателем, блоком теплоизоляции, водоохлаждаемой диафрагмой и моделью черного тела, размещенной в закрепленном с возможностью вращения исследуемом образце, причем водоохлаждаемая диафрагма размещена на одной оптической оси между моделью черного тела и фотоприемником, предусмотрена дополнительная водоохлаждаемая диафрагма, установленная со смещением на величину, превышающую ширину модели черного тела, и оптически сопряженную со спектрометром, при этом внутренняя поверхность диафрагм выполнена зеркальной, а образец закреплен с возможностью поочередной установки модель черного тела напротив, диафрагм.

Наличие дополнительной диафрагмы позволяет производить измерение, одновременно двух сигналов - от образца и от модели черного тела, отношение этих сигналов исключает влияние нестабильности усилительно-регистрирующей аппаратуры и температуры печи на точность измерений, Смещение образца вдоль оси вращения на ширину модели устраняет систематическую ошибку измерений, связанную с неравновесностью плеч оптических каналов, так как в этом случае меняются функции каналов: излучение от образц направляется в канал сравнения, а о модели черного тела - в измерительны Наличие зеркальной внутренней поверхности диафрагм исключает переотра- женное от диафрагмы и образца излуче0

5

5

|

ние, что позволяет регистрировать только собственное излучение образца и модели без искажений переотраженным излучением.

На чертеже схематически показано устройство для измерения излучатель- ной способности твердых материалов.

Устройство содержит охлаждаемую камеру - печь 1, механизм 2 для вращения и перемещения исследуемого образца 3 с моделью черного тела, выполненной в виде щелевой полости по образующей цилиндрической поверхности образца, омический нагреватель 5, блок 6 теплоизоляции, водо- охлаждаемые диафрагмы 7, расположенные с зазором fOO,5 мм напротив исследуемой поверхности образца и модели черного тела, два плоских зеркала 8 и двухлучевой спектрофотометр 9. Образец 3 имеет возможность перемещения вдоль оси вала, на котором он закреплен, с целью попеременной установки в измерительном и сравнительном каналах спектрофотометра исследуемой поверхности и модели черного тела,

Устройство работает следующим образом,

S

0

5

0

5

Предварительно перед экспериментом печь устанавливают в кюветное отделение спектрофотометра, при этом осветитель спектрофотометра отключен. В процессе испытаний образец приводят во вращение, и после выхода на рабочие режимы систем установки и стационарный тепловой режим вращающегося образца измеряют интенсивность излучения двухлучевым спектрофотометром сравнением сигналов IQ с исследуемой поверхности образца и IM модели чер.- ного тела, В измерительном канале спектрофотометра находится излучение исследуемой поверхности, а в сравнительном - излучение модели черного тела. Отношение сигналов 1О/1Мзаписывается на диаграмме спектрофотометра и поступает в ЭВМ для обработки результатов, С целью устранения ошибки измерений, вызванной неравновесностью оптических каналов устройства, образец сдвигается относительно диафрагм.так, что излучение образца попадает в сравнительный канал, а излучение модели - в измерительный. Для этого образец перемещают вдоль оси вращения на ширину модели черного тела, так как только в этом случае

517321

обеспечивается равноценная замена образца и модели в различных каналах спектрометра. Вновь производят регист- рацию отношения сигналов ,

Определение среднеарифметического значения

1о/1м + Io/1/л 2

устраняет ошибку неодинаковости оптических каналов.

Спектральная излучательная способность Ј« рассчитывается по соотношению

е-л-А-блл, (о

где 6М степень черноты модели

черного тела.

Степень черноты модели определяется в виде полинома п степени по расчетным данным для зависимости Јм от степени черноты материала стенок полости при заданной геометрии модели черного тела. Например, при геометрии модели

С5 §УУ2-Щ-™ - ширина щели

Јм а + 2 коэффициенты полинома определяются методом наименьших квадратов. Так как Ј входит в выражение полинома заранее неизвестным параметром, излучательная способность образца рас- считывается ЭВМ итерационным методом при совместном решении уравнений (1) и (2),

В предлагаемом устройстве благодаря введению дополнительной диафра мы и осевому смещению образца достигается повышение точности и скорости измерений за счет одновременной регистрации двух сигналов от образца и модели черного тела и поочеред-

o

с

«1б

ной замены функций измерительного и сравнительного каналов с возможностью автоматической регистрации и обработки результатов измерений, что в сочетании с зеркальной внутренней поверхностью диафрагм обеспечивает получение чистого сигнала.

Анализ точности измерений, проведенный на основании соотношений (1) и (2), показал, что при температурах образца 1 3000 К в предлагаемом устройстве погрешность измерения излу- чательной способности твердых материалов на меньше, чем в известном.

Формула изобретения

Устройство для измерения излуча- тельной способности твердых непрозрачных материалов, содержащее фотоприемники, камеру с расположенным в ней радиационным нагревателем, блоком теплоизоляции, водоохлаждаемой диафрагмой и моделью черного тела, размещенной в закрепленном с возможностью вращения исследуемом образце, причем водоохлаждаемая диафрагма размещена на одной оптической оси между моделью черного тела и фотоприемником, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, приемник выполнен в виде двухлучевого спектрометра, камера дополнительно содержит водоохлаждаемую диафрагму, установленную со смещением на величину, превышающую ширину модели черного тела, и оптически сопряженную со спектрометром, при этом внутренняя поверхность диафрагм выполнена зеркальной, а образец закреплен с возможное т hjo поочередной установки модели черного тела напротив диафрагм.

8

8

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использоеа- но в лабораторной практике исследо- ния теплофизических свойств веществ. Целью изобретения является повышение точности, Водоохлаждаемая камера снабжена двумя охлаждаемыми диафрагмами, смещенными одна от другой на ширину модели, имеет механизм вращения и перемещения образца с моделью черного , выполненной в виде щелевой полости. Внутренняя поверхность диафрагм выполнена зеркальной, 1 ил.