Способ измерения интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных материалов при заданной температуре Советский патент 1992 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к фотометрии сред и может быть использовано при оценке оптических и радиационных свойств материалов.

Известны способы и устройства для измерений коэффициентов пропускания т, отражения р и излучения Ј (или поглощения а) полупрозрачных светорассеивающих материалов при нормальных или близких к нормальным температурам. Так, при измерениях по известному способу в изотермическую камеру с непрозрачными стенками, имитирующую черное тело при температуре камеры Ti, помещают плоский образец исследуемого материала, термостябилизиро- ванный при его заданной те с/л ер ату ре Та 5йTi, измеряют с помощью фогоприемной системы (ФПС) энергетическую яркость (ЭЯ) стенок камеры LI, и установленного в ней оЬразца Ln, вводят между стенкой, камеры и образцом черное тело с температурой, равной температуре образца Т2 и измеряют ЭЯ образца Li2 на фоне этого черного тела, затем выводят образец из пеня зрения ФПС и измеряют ЭЯ черного тела L.2, а коэффициент излучения и сумму коэффициентов пропускания и излучения определяют по формулам

е (Ln-Li)/(L2-Li);(1)

T+e(l i2-Li)/(L2-U)(2)

Недостатком этого способа является техническая сложность достижения равномерного прогрева (или охлаждения) образцов и установления их температуры, равной

Ю ON СО

температуре черного тела, что, как правило, приводит к заметным погрешностям измерений и (или) требует существенного усложнения измерительного устройства. Другим недостатком является применимость способа только для выполнения спектральных измерений и невозможность или большие методические погрешности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения, спектрально селективных материалов,связанные с тем,что величины названных интегральных коэффициентов для спектров излучения ЦА Т) черных тел при разных температурах Ti и Т2 в общем случае различны. Например, для интегральных коэффициентов излучения имеем

со

/ Ј (ATi) L (A; Ti) d А 9

ei

(T2)(AT2)L(A-pdA , (3)

где Ј(ATi) и е(АТ2) - спектральные коэффициенты излучения образца при температурах Тч и Та;

L(ATi) и L(AT2)- спектральные плотности ЭЯ черных тел при температурах Ti и Г2. определяемые функциями Планка при этих температурах;

А- длина волны;

сг-постоянная Стефана-Больцмана.

Неравенство e(Ti) fifTa) остается в силе даже в случаях малых разностей температур (|Ti-T2l« Ti), когда в их узких диапазонах практически имеют место равенства

Ј(АТ1) Ј(АТ2) Ј(А).

,-,

Это следует из различного спектрального хода функций ЦА, Т) неодинаковых температурах Ti и Т2 (с ростом температур их максимумы смещаются в сторону коротких длин волн). И только в случае Ј (А) const (для неселективных материалов) справедливо равенство f(Ti) Ј(Т2). Аналогично (3) имеем также г(Т1)т(Т2)и/(Т1)Р(Т2).

Неучет этого результата при выполнении интегральных измерений известным способом приводит к методическим погрешностям. Например, для определяемой по (1) интегральной величины Ј , учитывая, что согласно закону сохранения энергии и в соответствии с законом Кирхгофа, устанавливающим численное равенство a(Ti) Ј (Ti), справедливо соотношение

10

15

20

25

30

35

40

45

E(Tl) + T(Tl)+/o(Ti)1,(4)

имеем „ Ј(T2)(Ti) + P(Ti)3Li-Li

I - I

e(T2)L2-e(TO Li

2 - LiI5j

Из (5) при Ј (Т2) (Ti) получаем, что е (Т1)иЈ е(Т2). Более того, анализ (5) показывает, что определяемые таким образом величины Ј не попадают в интервал значений между Ј (Ti) и Ј (Т2), если величины Ј(Т) имеют монотонную зависимость от температуры. Аналогичный неопределенный результат имеет место и для двух других интегральных коэффициентов.

Известен способ измерений в котором коэффициенты излучения, пропускания и отражения полупрозрачных плоских образцов материалов определяют по результатам фотометрирования ЭЯ при последовательной смене условий полусферического облучения обеих их сторон, производимого черными телами при трех температурах с обеспечением условия постоянства температуры образца; помещают образец в замкнутую изометрическую камеру и обе его стороны облучают образованным полостью камеры черным телом при температуре стенок камеры Ti; измеряют ЭЯ образца Ln, помещают образец между встречно установленными апертурами двух других черных тел, облучая визируемую сторону черным телом с температурой Тз, а обратную сторону - черным телом с температурой Т2; измеряют ЭЯ образца меняют положение черных тел относительно сторон образца и визируемую сторону облучают черным телом при температуре Т2, а обратную сторону - черным телом при температуре Тз; измеряют ЭЯ образца измеряют ЭЯ черных тел при всех трех температурах , L.2 и -з; искомые коэффициенты определяют по формулам

Ј 1-А;Т(А +В)/2;/ (А-В)/2 , (6)

где

А

U2 + L.23-2 Ln L2 + 1з - 2 Li

В

L32 L23 L2-L3

(7)

5

Этот способ измерений не требует создания специальных устройств, обеспечивающих изотермичность и поддержание температуры образца на заданном уровне, сокращает время измерений за счет исключения операции установления и стабилизации заданной температуры образца. Однако приводит к методическим погрешностям измерений интегральных козффици51742

ентов Ј , спектрально селективных мате- ; риалов из-за зависимости величин этих коэффициентов от спектров воздействующих на измеряемый образец излучений.

Цель изобретения - повышение точно- 5 сти измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных спектрально селективных материалов при заданной температуре и определение температурных градиентов из- 1 меряемых коэффициентов в узком диапазоне температур вблизи заданной.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных материалов, заключающемуся в полусферическом облучении плоского образца материала черными телами при трех различных температурах, одна из которых соответствует заданной, измерении с помощью ФПС ЭЯ образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении ЭЯчерныхтел и определении коэффициен- тов излучения, пропускания и отражения об- разца расчетным путем по результатам измере- ний, измеряют первую заданную (Ti), вторую (Т2) и третью (Тз) температуры черных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной ФПС ЭЯ образца (Lit) при облучении визируемой и обратной его сторон черными телами при первой температуре, одновременно с облучением визируемой стороны образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответствующие ЭЯ образца (Li2 и из), одновременно с облучением обратной стороны образца черным телом при первой температуре облучают визируемую сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответгтвующие ЭЯ образ- ца (L21 и LSI), интегральные коэффициенты излучения (Ј), пропускания (т) и отражения (p образца при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов в узком диапазоне температур черных тел вблизи заданной (е d e/dT, t d T/dT, г dp /dT) рассчитывают по формулам

((8)

№а т3Птъ-тО-(ц,-Мт24(тй-т,)

f (LarU,)T:tVT,b(U1rUlT TVU f (9) Р О Г СтТШЦ-Ь Т Та-т,)

5lT,l-{ ЗД-р(т,), (4)

t (,,.,(T,-Tf) . (щ

й.е-Мт5(Тъ-т,)-(-1,,|т|(тг-т,) г (1- г1 Цт2-т КЬ«-и() .I-Uj-MT OyT,) (}1) e(). (12) .

0 5 0

В данном способе нет необходимости в равенстве температуры образца температуре того или иного черного тела, а требуется лишь ее стабильность за время проведения измерений величин ЭЯ Ln, 1.12, Lai и Lai, входящих в расчетные формулы (8)...(12) и (4). Однако требуется дополнительная операция измерения (а не только стабилизации) температур черных тел, необходимость в которой очевидна из-за температурной зависимости измеряемых интегральных коэффициентов. Другими особенностями являются операции облучения обеих сторон образца, а также признак, определяющий, что известная операция изотропного с обеих сторон освещения образца должна выполняться черными телами при заданной (первой) температуре.

На фиг. 1 и 2 показаны принципиальные схемы устройства для осуществления способа.

В изотермической камере 1, полость которой имитирует черное тело с заданной температурой Tt, установлены два черных тела 2 и 3 с температурами Т2 и Тз, не равными TL Они закреплены на поворотном устройстве 4, которое благодаря поочередному развороту по двум осям обеспечивает смену положений черных тел 2 и 3 одного на место другого, а также их совместный разворот на 180°. Черные тела излучающими апертурами установлены в одну сторону. Перед апертурой одного из них на минимальном от ее плоскости расстоянии установлен измеряемый образец 5. который, буд«ч / закрепленным на подвижном устройстве 6, может уводиться в сторону (псз. 5) от черных тел и облучаться только стенками камеры 1 Черные тела 2 и 3 имеют по одному сквозному отверстию на их излучающей поверхности, которые необходимы для визирования образца со стороны его подсветки данным черным телом. Эти отверстия в рабочем положении каждого из 5 черных тел располагаются на оптической оси фотоприемной системы, состоящей из объектива 7, спектрально неселективного приемника 8 излучения, преобразующего воспринимаемое в электрический сигнал, неподвижного плоского зеркала 9 и перекидного плоского зеркала 10, которое может также направлять поле зрения фотоприемной системы через второе неподвижное плоское зеркало 11 на образец в позиции 5 (или при отсутствии образца - на стенку камеры 1). Для исключения помеховых воздействий черных тел 2 и 3 на ЭЯ образца 5 и стенок камеры 1 внутри камеры установлены экраны с температурой, равной TL (не показаны). Модулятор 12 излучения и реги- стрирующее устройство 13 также входят в состав фотоприемной системы,

Способ осуществляют следующим образом.

Устанавливают, стабилизируют и изме- ряют температуры Ti, T2 и Тз всех черных тел. Желательно, чтобы эти температуры отличались не менее чем на несколько десятков градусов, что необходимо для создания и регистрации надежно воспроизводимых уровней сигналов, Образец 5 закрепляют в держателе 6 и устанавливают в положение 5 (при этом температура образца Т0 приобретает значение, близкое (практически равное) к температуре камеры Тч. Зеркало 10 устанавливают в положение, обозначенное штрихами, и измеряют ЭЯ LII образца 5 р условиях его изотропного облучения с обеих сторон стенками камеры 1, т.е. черными телами при первой (заданной) температу- ре TL Затем образец 5 убирают из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ Li черного тела при первой температуре TL

Черные тела 2 и 3 устанавливают в положение I (справа от образца, с его визируемой стороны), зеркало 10 переводят в положение, обозначенное сплошными линиями, устанавливают образец 5 перед апертурой черного тела 2 и, визируя обра- зец через отверстие в этом черном теле, измеряют его ЭЯ . Затем с помощью поворотного устройства 4 меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ образца Lai. После этого с помощью того же устрой- ства 4 устанавливают черные тела в положение II (на схеме слева от образца, с его обратной стороны), помещая черное тело 3 непосредственно за образцом. Измеряют ЭЯ образца 1из, меняют черные тела 2 и 3 местами и измеряют ЭЯ образца Li2. Образец 5 удаляют из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ 2 черного тела 2, вновь меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ з черного тела 3.

С учетом линейных преобразований излучения при пропускании и отражении и отсутствия многократных отражений между черными телами и образцом запишем зависимости между измеренными интегральными ЭЯ и искомыми интегральными

коэффициентами

Ln e (To) Lo + Т 01) Li +p 0i) Li ;(13)

Lia e (To) Lo + т 02) L2 +p 0i) Li ;(14)

Li3 Ј (To) Lo + т (Тз) La +p (Ti) Lt;(15)

L21 Ј (To) Lo + r (Ti) Li +p 0-jj) L2 ;(16)

U31 Ј (To) Lo + т (Ti) Li +p (Тз) L3 ;(17)

где Lo - ЭЯ черного тела при температуре Т0 образца (в общем случае Т0 Ti).

Помимо соотношений (13) - (17) и тождества (4) искомые величины связывают анало- гичные (4) выражения при двух других температурах, также следующие из закона сохранения энергии и закона Кирхгофа

е (Т2) + г(Т2) +р 02) 1. е Оз) + т0з) +р (Г3)1,

(18) (19)

Система восьми уравнений (4), (13)-(19) содержит 11 неизвестных величин (две неопределенных Ј (То) и Lo и девять искомых Е г ир при трех температурах каждая) и в общем виде не может быть решена. Для определения по этим данным интегральных коэффициентов Ј0i), r(Ti) и /(Ti) воспользуемся свойством, подтвержденным экспериментальными и расчетными исследованиями и устанавливающим практически линейную зависимость искомых величин от температуры. Такая зависимость, тем более, имеет место в относительно узком диапазоне используемых температур черных тел (максимально отличающихся друг от друга на величины порядка или не более 100 К). В этом случае запишем

е02) е 0i) + -ff (Ti-T2)

Ј (Ti) + е (Т2 - Ti): (20) Ј 0з) е 01) +e03-Ti);(2l) г0) r0i) + t07.-Ti); (22) Г0з) T0i) + t03-Ti); (23) p(T2)/00i) + r02-Ti)(24);

p03)p(Ti) + r(T3-Ti);(25) Вычисляя при Lo const попарно разности и Li3-Ln, и L 3i-Lr, - использованием соотношений (22)-(25), получим две системы уравнений

L12 - Li 1 Г 02) L2 - ТCTi) U Г CTi) (L2 - Li) +1 L2 (T2-Ti), (26J

L Lia - Ln Г СГз) U - Г ) Li Г СП) (U - Li) + t La ),

jfL2i-Li1 /D(T2)L2-pO l))(Ti)(L2-L1) + rL2fr2-Ti), (j-31 - Ln /оГГз) L3-P(T1) Li -/(Ti)(L3- U) + r L3 OVh),

Использование: в области фотометрии сред. Сущность способа: заключается в проведении серии измерений энергетических яркостей (ЭЯ) измеряемого плоского образца при одновременном полусферическом облучении обеих его сторон черными телами при одной температуре, а затем черными телами при двух неодинаковых температурах с последующей заменой положений этих черных тел, а также измерений ЭЯ используемых черных тел при трех температурах. По результатам измерений ЭЯ, проведенных в пяти комбинациях положений черных тел относительно образца, и измерений ЭЯ и трех температур черных тел вычисляют интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отражения образца и температурные градиенты этих коэффициентов. 2 ил. (Л с

каждая из которых содержит по две неизвестные величины; т (Ti) и t (26) и/з(ТО и г (27). Путем несложных преобразований из (26) и (27) с учетом равенства (12), получаемого из тождества (4), и соотношений, определяющих интегральные ЭЯ черных тел (сг/лг)т и U (о/я)т1 , получаем приведенные выражения (8)-(11).

При линейности и постоянстве параметров чувствительности ФПС, включая функционально относящийся к ней модулятор 12, каждый сигнал Ui, соответствующий измеренной ЭЯ U, может быть представлен в виде Ui - k(U-LM), где LM - ЭЯ лопастей модулятора к - коэффициент преобразования. Определяя Ц LM+Ui/k и подставляя при LM const и к const соответствующие значения U в (8)-(1U выразим измеренные интегральные коэффициенты и их температурные градиенты через соответствующие величины электрических сигналов на выходе регистрирующего устройства 13 фотоприемной системы

-ГТ| (Ц -и«1Т Уг-Т.(Та-ТИ ,gl) -и,1т;(Т,-Т,)-(иги-)Тг(Тв-Т,) - j

, ((,-(и3|-Ц|41Т$() ,д,)

ри (иг-и(т(т,-то-(и,-и(П(тг-т,) д , 1Ц|ъ-ЦмИт2-т)-(иц-и.лп1-тМ (Ue-WiTj- HiviUTlCVT,) t10 )

(UirU(()(,4)-(U2r(JnUT;-T (n

r

(UrUflTjCVT.HlVUilTiCTa-T,)

Таким образом, расчет по выражениям (8)-(11) совместно с (4) и (12) позволяет по результатам измерений выходных сигналов ФПС, соответствующих ЭЯ образца в определенных условиях его двухсторонней подсветки черными телами при трех различных температурах и ЭЯ этих черных тел, определить как интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отражения этого образца при одной из температур используемых чеоных тел (заданной), так и температурные градиенты этих коэффициентов.

Последнее обстоятельство позволяет по соотношениям (20)-(25) определять величины этих коэффициентов при других температурах в диапазоне температур используемых

черных тел.

Учет температурной зависимости интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения спектрально селективных материалов, которая принята 0 линейной в диапазоне температур используемых черных тел, способствует исключению методических погрешностей, измерений, имеющих место в известных способах, и тем самым, способствует повы- 5 шению точности измерений. Дополнительная обработка тех же самых результатов измерений позволяет непосредственно определять температурные градиенты этих коэффициентов. 0 Формула изобретения

Способ измерения интегральных коэф- фициентое излучения, пропускания и отражения, полупрозрачных материалов при заданной температуре, заключающийся в 5 полусферическом облучении измеряемого образца черными телами при трех различ- ных температурах, одн из которых соответствует заданной, измерении с помощью фотоприемной системы энергетических яр- 30 костей образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении энергетических яркостей черных тел и определении коэффициентов излучения, 35 пропускания и отражения образца расчетным путем по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропуска- 40 ния и отражения спектрально селективных материалов и определения температурных градиентов этих коэффициентов в узком диапазоне температур черных тел вблизи заданной, измеряют первую заданную, 45 вторую и третью температуры черных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной фотоприемной системы энергетическую яркость образца при облучении визируемой и обратной его сторон черными 50 телами при первой температуре, одновременно с облучением визируемой стороны

образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответствующие энергетические яркости образца, интегральные коэффициенты излучения (е), пропускания (т) и отражения (р) при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов (е d Ј/dT; t d T/dT и г d ) в диапазоне температур (Т) черных тел рассчитывают по формулам

(U-UT y-Q-q -L CvT,)

(.,)

(1а,-и)(1у1м)гЈ(Та-тЛ

Ы (Ьа-Ц,1тЈОУТ,НЦ-ЦТ2 (Ta -Т()

Ј1т,1- -ад-р(т,1,

(L,-U(.g-U(Tr-T) .

(.Hi viMiTjcvT,} ;

г

(LsrU(TJ-Tf)-(L8t-U() (Ьг-1ЛтЈ (VT,-(4-L,nt (Та-т,)

Фиг 7

0

5

0

5

е -It + rV

где Ti, Та и Тз - первая (заданная), вторая и третья температуры черных тел, соответственно.

Li, L2 и з - интегральные энергетические яркости черных тел при первой, второй и третьей температурах соответственно;

LIT - интегральная энергетическая яркость образца при облучении обеих его сторон черными телами при первой температуре;

L12 и Us - интегральные энергетические яркости образца при облучении его визируемой стороны черным телом при первой температуре и его обратной стороны черными телами при второй и третьей температурах, соответственно;

L-21 и LSI - интегральные энергетические яркости образца при облучении его обратной стороны черным телом при первой температуре и его визируемой стороны черными телами при второй и третьей температурах соответственно.

30

35

40

45

V4.