Устройство для определения спектральной излучательной способности частично прозрачных материалов Советский патент 1992 года по МПК G01J5/08 

Изобретение относится к прикладной физике, к исследованию теплофизических свойств вещества, в частности к изучению излучательных характеристик твердых тел.

Известно устройство для измерения спектральной излучательной способности твердых частично прозрачных материалов при 313 - 473°К и в спектральном диапазоне 2 - 2 мкм. Это устройство позволяет измерять излучательную способность раглич- ной, в том числе и малой, величины.

Недостатками данного устройства при исследовании рассеивающих частично прозрачных материалов являются возможность попадания в приемник излучения нагревателя, пропущенного поверхностью образца, рассеянного в объеме а затем вышедшего

из образца. Это не позволяет исследовать рассеивающие материалы, в особенности обладающие малым коэффициентом поглощения и большим коэффициентом рассеяния.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности спектральному (1,5 - 5 мкм) и температурному (1073 - 1773 К) диапазону исследований является устройство для исследования спектральной излучательной способности частично прозрачных материалов при высоких температурах

Однако данное устройство не может использоваться д™ измерения образцов материалов, обладающих малым поглощением (а, следовательно, и малой излучательной способностью), поскольку измерение сигнаv4

4 4 СЛ

Ј

лов от образца и модели черного тела проводится нэ одном и том же диапазоне измерительной аппаратуры, что приводит к большой погрешности при измерении малых сигналов.

Цель изобретения - повышение точности измерений при малых значениях излуча- тельной способности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения спектральной излучательной способности частично прозрачных материалов, включающее последовательно соединенные скоростной спектрометр с приемником излучения и датчиком Начало спектра, предварительный усилитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и систему сбора данных (ЭВМ), между предварительным усилителем и усилителем дополнительно вводят аналоговый ключ и усилитель с прецизионным коэффициентом усиления, причем вход управления аналогового ключа связан через систему управления с датчиком Начало спектра, а система управления состоит из последовательно включенных усилителя, генератора, блока согласования и программируемого генератора.

На чертеже схематически изображена блок-схема измерений спектральной излу- ч,ательной способности твердых материалов.

При измерении сигналов отобразца или модели черного тела излучение, проходя через быстродействующий спектрометр 1, разлагается в спектр, который периодически сканируется по приемнику 2 излучения, а импульс начала каждого спектра вырабатывается оптронной парой 3 (датчик Начало спектра)-. Приемник 2 излучения преобразует энергию спектра излучения в электрические импульсы, поступающие в схему усиления аналогового сигнала, его преобразования до цифрового вида и последующей обработки, состоящую из предварительного усилителя 4, аналогового ключа 5, усилителя 6 с прецизионным коэффициентом усиления, аналого-цифрового преобразователя 7 и электронной вычислительной машины 8, а импульс Начало спектра поступает в схему 9 управления аналоговым ключом, необходимую для выделения из спектра требуемых участков, состоящую из последовательно соединенных усилителя 10, генератора 11 прямоугольных импульсов, блока 12 согласования и программируемого генератора 13 прямоуголь- ных импульсов. Программируемый генератор 13 прямоугольных импульсов формирует на выходе прямоугольный импульс с требуемой длительностью т мс и с требуемой задеожкой D мс относительно входного запускающего импульса. Усилитель 10, генератор 11 прямоугольных импульсов и блок 12 согласования вводят для формирования такого

запускающего импульса. Выход программируемого генератора 13 связан с входом аналогового ключа 5. Аналоговый ключ 5 открывается только во время действия сигнала длительностью т мс. В остальное время он закрыт и не пропускает аналоговый сигнал с приемника 2 излучения, усиленный предварительным усилителем 4. Таким образом, набирая на программируемом генераторе 13 требуемую задержку мсотносительно импульса Начало спектра и длительность регистрации сигнала т мс, осуществляется выбор участков спектра, подлежащих дальнейшему прецизионному усилению и преобразованию соответственно при помощи усилителя 6 с прецизионным коэффициентом усиления и аналого-цифрового преобразователя 7. При этом выбор ди- скретного коэффициента усиления осуществляется так, что, с целью обеспечения

наивысшей точности измерений, уровень сигнала, поступающего на аналого-цифровой преобразователь, близок к его верхнему пределу измерений и следовательно величина погрешности в регистрации сигнала будет

минимальной.

Существенным отличием данного устройства от ранее используемых устройств для измерения спектральной излучательной способности материалов является выделение участка с малой излучательной способностью из всего регистрируемого спектра излучения образца при скоростном сканировании и дальнейшее прецизионное усиление выделенного малого аналогового сигнала

до уровня, близкого к уровню максимальной чувствительности измерительной аппаратуры (предельной точности измерений аналого- цифрового преобразователя), что позволяет значительно повысить точность измерений

при малых значениях излучательной способности образцов материалов в области их высокой прозрачности.

Устройство для определения спектральной излучательной способности частично

прозрачных материалов при высоких температурах работает следующим образом.

После выхода на-стационарный температурный режим печи (модели черного тела) производят измерение спектра ее излучения во всем спектральном диапазоне сканирования скоростного спектрометра 1. Для этого на программируемом генераторе 13 прямоугольных импульсов устанавливают задержку мс (относительно импульса

Начало спектра) и длительность регистрации сначала печи т мс, равной времени сканирования одного спектра излучения скоростным спектрометром 1. Коэффициент усиления аналогового сигнала от модели черного тела Км.ч.т прецизионного усилите- ля 6 выбирают так, чтобы уровень сигнала на выходе прецизионного усилителя 6 был близок к уровню верхнего предела измерений аналого-цифрового преобразователя 7.

В таком режиме измерения аналого- цифровой преобразователь осуществляет цифровую регистрацию спектра излучения печи (модели черного тела) во всем спектральном диапазоне сканирования скоро- стного спектрометра 1 с максимальной точностью регистрации (минимальной погрешностью регистрации). Данные по оцифрованному спектру поступают в электронно-вычислительную машину 8 для дальнейшей обработки и хране- ния. Затем приступают к измерению спектра излучения образца, предварительно нагретого до той же температуры, что и модель черного тела. В случае, если в спектральном диапазоне сканирования исследуемый ма- териал имеет области с малой, и с большой спектральной излучательной способностью, измерение спектра излучения образца сначала производят в режиме, аналогичном режиму измерения спектра модели черного тела (во всем спектральном диапазоне сканирования скоростного спектрометра 1 и с коэффициентом усиления прецизионного усилителя 6, равным Км.ч т. Данная процедура выполняется для получе- ния количественных данных в спектральной области с большой излучательной способностью, Затем на программируемом генераторе 13 прямоугольных импульсов устанавливают такую задержку D1 мс (отно- сительно импульса Начало спектра) и время регистрации сигнала т мс, что аналоговый сигнал пропущенный аналоговым ключом 5. соответствует области с малой излучательной способностью. Дискретный коэффициент усиления прецизионного усилителя 6 К0 выбирают так чтобы уровень сигнала на выходе прецизионного усилителя был близок к уровню верхне- предела измерений аналого-цифрового преобразователя 7 и следовательно величина погрешности в регистрации сигнала будет минимальной. Действительно, пусть в области высокой прозрачности материала условная амплитуда сигнала в относительных единицах (относительно амп- литуды сигнала от модели черного тела) составляет примерно 0 02 Тогда при регистрации сигналов от образца и модели черного тела с одним и тем же коэффициентом усиления Км.ч.т. и на одном и том же диапазоне аналого-цифрового преобразователя (АЦП) мы бы сравнивали сигналы, отличающиеся в 50 раз, и из-за ограничений в разрешении АЦП относительная погрешность измерения сигнала, соответствующего излучению образца, могла быть очень высокой и достигать 50% и более. Выделение и прецизионное усиление малого аналогового сигнала до уровня, близкого к уровню максимальной точности регистрации аналого- цифровым преобразователем, позволяет значительно повысить точность измерений.

Предлагаемое устройство может быть использовано не только для уменьшения инструментальной погрешности измерения малой излучательной способности. Каждый скоростной спектрометр обладает своей аппаратной функцией, искажающей реальный спектр исследуемого сигнала. Помимо этого, на форму спектра оказывают влияние в виде полос поглощения содержащиеся в воздухе газы и газовые смеси (пары НаО, С02 и др.). Все эти факторы приводят к ухудшению инструментальной погрешности на определенных, характерных для данного устройства, участках спектра. Предлагаемое устройство позволяет уменьшить инструментальную погрешность измерения спектральной излучательной способности на этих участках.

Формула изобретения

Устройство для определения спектральной излучательной способности частично прозрачных материалов, содержащее последовательно включенные скоростной спектрометр с приемником излучения и датчиком Начало спектра, предварительный усилитель, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и систему сбора данных, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений при малых значениях излучательной способности, устройство дополнительно содержит между предварительным усилителем и усилителем аналоговый ключ, усилитель выполнен с прецизионным коэффициентом усиления, вход управления аналогового ключа связан через систему управления-с датчиком Начало спектра, а система управления состоит из последовательно включенных усилителя, генератора, блока согласования и программируемого генератора, выход которого является выходом системы управления.

Использование: прикладная физика, исследование теплофизических свойств веществ, в частности изучение малых значений излучательных характеристик твердых тел. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно включенные скоростной спектрометр с приемником излучения и датчиком Начало спектра, предварительный усилитель, аналоговый ключ, усилитель с прецизионным коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь и систему сбора данных Вход управления аналогового ключа связан через систему управления с датчиком начала спектра, а система управления состоит из последовательно включенных усилителя, генератора блока согласования и программируемого генератора. 1 ил. Ё