радиометр

Формула изобретения

Радиометр, содержащий установленные в корпусе конический приемный элемент в виде абсолютно черного тела, термически связанный с теплостоком через термическое сопротивление, электрический нагреватель замещения, а также дифференциальный термоэлемент, размещенный на термическом сопротивлении, отличающийся тем, что приемный элемент выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого укреплено на термическом сопротивлении, на другой стороне сопротивления укреплен пленочный электрический нагреватель замещения, который расположен соосно с приемным элементом и имеет поверхность, идентичную поверхности меньшего основания конуса приемного элемента, при этом термическое сопротивление выполнено из диэлектрического материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике в части создания радиометров и может быть использовано для измерения энергии теплового излучения, например, в качестве образцового средства измерения, в пиргелиометрии, аэрокосмической технике и др.

Известен радиометр, содержащий приемный конический элемент в виде абсолютно черного тела (АЧТ), на наружной поверхности которого установлены электрический нагреватель замещения и горячие спаи термобатареи [1]

Недостатком радиометра является низкая точность измерения, связанная с неидентичностью замещения величины измеряемого потока излучения электрической мощностью, а также большой тепловой инерцией устройства.

Известен радиометр, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий установленные в корпусе конический приемный элемент в виде АЧТ, термически связанный с теплостоком через термическое сопротивление, электрический нагреватель замещения, а также дифференциальный термоэлемент, размещенный на термическом сопротивлении. В устройстве термическое сопротивление подключено к приемному элементу со стороны основания конуса, а электрический нагреватель замещения размещен у вершины конуса (примерно до половины его образующей), при этом термическое сопротивление выполнено из электропроводящего высокотеплопроводного материала (серебряной фольги)[2]

Известное устройство обладает, по сравнению с [1] значительно меньшей тепловой инерцией за счет организации термической связи конического приемного элемента с теплостоком.

Недостатком известного устройства является то, что его точность измерения (3 5%) не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным средствам измерения. Низкая точность устройства обусловлена неидентичностью замещения величины измеряемого теплового излучения электрической мощностью, влиянием на результаты измерения электрических наводок от внешних электромагнитных полей в дифференциальном термоэлементе, а также необходимостью измерения малого градиента температуры на термическом сопротивлении.

Технической задачей является повышение точности измерения.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном радиометре, содержащем установленные в корпусе конический приемный элемент в виде АЧТ, термическим связанный с теплостоком через термическое сопротивление, электрический нагреватель замещения, а также дифференциальный термоэлемент, размещенный на термическом сопротивлении, согласно изобретению, приемный элемент выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого укреплено на термическом сопротивлении, на котором также укреплен пленочный электрический нагреватель замещения, который расположен соосно с приемным элементом и имеет поверхность нагрева, идентичную поверхности меньшего основания конуса приемного элемента, при этом термическое сопротивление выполнено из диэлектрического материала.

Анализ предложения по критериям охраноспособности показал, что заявителю не известна из уровня техники совокупность существенных признаков предложения, что, по мнению заявителя, позволяет считать предложение новым. При этом, по мнению заявителя, предложение явным образом не следует из уровня техники, что позволяет считать предложение, имеющим изобретательский уровень. Предложение промышленно применимо, что показано выше.

Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков предложения и достигаемым техническим результатом показано в разделе, описывающем работу устройства.

На чертеже показан продольный разрез радиометра.

Радиометр содержит установленные в корпусе 1 конический приемный элемент 2 в виде абсолютно черного тела, термически связанный с теплостоком 3 через термическое сопротивление 4, электрический нагреватель замещения 5, а также дифференциальный термоэлемент 6, например, в виде пленочной кремниевой термобатареи, размещенные на термическом сопротивлении 4. Приемный элемент 2 выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание 7 которого укреплено на термическом сопротивлении 4, на котором укреплен также пленочный электрический нагреватель замещения 5. Нагреватель 5 расположен соосно с приемным элементом 2 и имеет поверхность нагрева, идентичную поверхности меньшего основания 7 конуса приемного элемента. Термическое сопротивление 4 выполнено из диэлектрического материала, например лейкосапфира (преимущественно) или кварца. На входе приемного элемента 2 установлена апертурная диафрагма 8, примыкающая к теплостоку 3. На термическом сопротивлении 4 установлен также терморезистор 9 для температурного контроля термоэлемента 6.

Устройство работает следующим образом.

В электрический нагреватель замещения 5 подается электрическая мощность от источника, на чертеже не показанного. Выделяющийся при этом тепловой поток стекает через термическое сопротивление 4 в теплосток 3. На концах термического сопротивления образуется разность температур, преобразуемая дифференциальным термоэлементом 6 пленочной кремниевой термобатаpеей в измеряемый электрический сигнал (регистратор на чертеже не показан). При поступлении на вход приемного элемента радиометра потока теплового излучения, например излучения Солнца, тепловой поток, поглощенный внутренней поверхностью конического приемного элемента 2, нагревает его и стекает через основание 7 конуса в термическое сопротивление 4, а затем в теплосток, при этом разность температур, образующихся на термическом сопротивлении 4, регистрируется с помощью термоэлемента 6.

Радиометр может работать как с постоянно подаваемой мощностью замещения (в этом случае мощность излучения, поглощенного в приемном элементе, равна разности электрических мощностей, рассеиваемых в нем при затенении и облучении) или с периодической подачей мощности замещения, которая в этом случае используется для калибровки радиометра.

За счет того, что приемный элемент 2 выполнен в форме усеченного конуса с основанием 7, имеющим тепловой контакт с термически сопротивлением 4 (в то время как в прототипе термическое сопротивление имеет тепловой контакт с приемным элементом в зоне входа излучения в приемный элемент), а также за счет того, что электрический нагреватель замещения 5 расположен непосредственно на термическом сопротивлении 4 соосно с основанием 7 (в то время как в прототипе нагреватель замещения расположен на наружной поверхности конуса приемного элемента в зоне его вершины), при этом поверхности основания 7 конуса приемного элемента и нагревателя замещения идентичны, существенно уменьшена неидентичность замещения величины измеряемого потока излучения электрической мощностью, что снижает погрешность измерения.

Действительно, в прототипе поток теплового излучения поглощается непосредственно приемным элементом, а тепловой поток, выделяемый нагревателем замещения, частично идет на нагрев самого нагревателя, а частично на нагрев слоя электрической изоляции между нагревателем и приемным элементом.

В результате тепловые потоки излучения и электрического замещения, нагревающие приемный элемент до одной и той же температуры, не равны между собой, что обуславливает неидентичность замещения.

Заметим, что в процессе эксплуатации устройства степень неидентичности может изменяться при изменении теплофизических свойств электрической изоляции. Вместе с тем, в описанном устройстве поглощенный поток теплового излучения нагревает приемный элемент и через зону наибольшей интенсивности нагрева основание 7 приемного элемента и термосопротивление 4 стекает в теплосток, а тепловой поток, выделяемый в пленочном нагревателе 5, также идет на нагрев приемного элемента и тем же путем стекает в теплосток, при этом активные поверхности, локально нагревающие термосопротивление: основания 7 и пленочного нагревателя 5, идентичны и расположены в одной и той же зоне термического сопротивления.

Причем за счет того, что термическое сопротивление выполнено из диэлектрического материала, между нагревателем и термическим сопротивлением не требуется слой электрической изоляции, что обеспечивает максимальную идентичность замещения величины потока теплового излучения электрической мощностью. Выполнение термического сопротивления из диэлектрического материала исключает также наводки от внешних электромагнитных полей, имеющие место в высокотеплопроводном проводящем термическом сопротивлении прототипа и ухудшающие точностные параметры устройства, при этом одновременно увеличен, по сравнению с прототипом, градиент температуры на термическом сопротивлении (за счет меньшей теплопроводности диэлектрика), что также повышает точность измерения, особенно при воздействии тепловых потоков малой плотности. Дополнительные преимущества устройства состоят в том, что отпадает необходимость в электрической изоляции термоэлемента от термического сопротивления, в то время как обязательное наличие изоляции в прототипе увеличивает теплоемкость и, как следствие, тепловую инерцию устройства, а также усложняет его в целом.

Выполнение приемного элемента в виде усеченного конуса достаточно технологично и не требует жесткого контроля в процессе его изготовления. Ограничением наименьшей высоты конуса является сохранение эффекта поглощения измеряемого излучения моделью АЧТ, а ограничением наибольшей высоты - технологичность крепления основания 7 к термическому сопротивлению 4 и технологичность выполнения пленочного нагревателя замещения 5.

Кроме того, использование в устройстве пленочных нагревателя и термобатареи из кремния, размещенных на термическом сопротивлении из монокристалла лейкосапфира, создает возможность применения микроэлектронной технологии, что существенно повышает надежность устройства и позволяет обеспечить его массовое изготовление.

Описанные преимущества устройства позволяют использовать его как в качестве рабочего, так и образцового средства измерения в различных областях народного хозяйства.