способ определения спектральной излучательной способности (его варианты)

Формула изобретения

1. Способ измерения нормальной спектральной излучательной (отражательной) способности поверхности, включающий измерения яркостных температур и коэффициентов направленного отражения, отличающийся тем, что на двух длинах волн одновременно измеряют разности обратных значений яркостных температур при двух значениях истинной температуры и отношения коэффициентов направленного спектрального отражения при тех же двух значениях температур для каждой из длин волн и из полученных соотношений определяют искомое значение излучательной способности.

2. Способ измерения нормальной спектральной излучательной (отражательной) способности поверхности, включающий одновременное измерение интенсивностей спектральных составляющих собственного теплового излучения на двух длинах волн (₁, ₂) при трех значениях температуры (T₁ < T₂ < T₃) и коэффициентов направленного спектрального отражения на тех же длинах волн и при тех же температурах, отличающийся тем, что для каждой пары температур (T₁, T₂) и (T₂, T₃) на каждой из длин волн (₁, ₂) измеряют отношения коэффициентов направленного отражения и возведенные в степень с показателем, численно равным соответствующей длине волны, отношения спектральных интенсивностей на двух длинах волн при тех же значениях температуры, из указанных отношений определяются искомое значение нормальной излучательной способности для всех значений температур и обеих длин волн.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к радиационной термометрии, радиометрии.

Известно, что измерение излучательной способности on line до сих пор сопровождается серьезными трудностями.

В то же время, необходимость в таких измерениях весьма велика в самых широких областях техники и науки.

Попытки решить эту задачу на основании закона Кирхгофа для непрозрачных тел методами рефлектометрии оказались безрезультатными вследствие рассеяния излучения шероховатостями поверхности.

Так, по закону Кирхгофа (_l,T_j)=1-(_l,T_j), где (_l,T_j)- коэффициент излучательной способности на длине волны -_l и при температуре - T_j; (_l,T_j)- коэффициент отражательной способности при той же длине волны и температуре.

Однако в написанном виде закон Кирхгофа справедлив для поверхности, которая подчиняется закону Ламберта.

При шероховатой поверхности имеет место рассеяние, наличие которого приводит к недопустимым погрешностям.

Из предыдущего уровня техники известен прибор Травера (см. Travers J.P. Foex М. - Rev. Gen. Elec. 1970, Nov. v 79, N 10, p 813). Недостаток этого известного прибора и ряда других аналогичных состоит в том, что при наличии рассеяния, т. е. отклонения излучения от закона Ламберта, он практически неприменим, т.е. дает большую погрешность.

Известен способ модуляционной рефлектометрии, взятый за прототип, описанный в книге Д.Я.Свет "Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения" (Москва, Наука, 1968 г., стр. 165-168). Недостаток этого способа состоит в том, что, когда рассеяние зависит от длины волны, а это весьма часто имеет место, метод также неприменим. Использование же различных "собирающих" устройств типа интегрирующих сфер и полусфер при высоких температурах также практически малореально.

В настоящем изобретении поставленная задача решается тем, что в области Вина, т.е. при T 3000 мкн.град. одновременно на двух спектральных интервалах с эффективными длинами волн ₁ и ₂, яркостным пирометром измеряются два обратных значения яркостных температур [T^-₁¹(₁)-T^-₁¹(₂)] и [T^-₂¹(₁)-T^-₂¹(₂)] и рефлектометром два отношения направленных коэффициентов спектрального отражения:

^*(_1,T₁)/^*(_2,T₁) и ^*(_1,T₂)/^*(_2,T₂) с теми же длинами волн, при тех же температурах.

Из указанных четырех соотношений определяются искомые значения спектральных коэффициентов излучательной способности.

Действительно, на основании известного выражения для обратного значения яркостной температуры:

T^-1 _рк.l(₁) = T^-1_ист.l-(_l/C₂)ln(_l,T_j),

где i = 1, 2; j = 1,2.

Таким образом, разности обратных значений яркостных температур для двух длин волн при двух значениях истинной температуры будут:



где (_1,T₁);(_1,T₂) и (_2,T₁);(_2,T₂)- коэффициенты излучательной способности в направлении визирования (нормальном или близком к нормальному).

Отношения коэффициентов отражения в этом же направлении с теми же длинами волн ₁и ₂ и при тех же значениях температур T₁ и T₂ можем записать согласно закону Кирхгофа, как:



где x₁ и x₂ - коэффициенты, учитывающие влияние рассеяния излучения за счет шероховатостей поверхности излучения соответственно на длинах волн ₁и _2.

Естественно, значения x₁ и x₂ не зависят от температуры и характеризуют только микрогеометрию поверхности излучения.

Очевидно, что лучистая энергия, рассеиваемая за счет шероховатости поверхности пропорциональна (1-x₂) на длине волны ₁ и (1-x₂) на длине волны ₂ соответственно.

Таким образом, при отсутствии рассеяния, при зеркальной поверхности x₁ = x₂ = 1.

Зависимость же излучательной, а следовательно согласно закона Кирхгофа отражательной способности от температуры, определяется, как известно, электропроводностью, диэлектрической постоянной и магнитной проницаемостью материала поверхности на частоте (длине волны) излучения.

Запишем изменение излучательной способности от температуры как:





Здесь _{1,2,1,2,...,1,2}- коэффициенты полинома, аппроксимирующего температурную зависимость излучательных способностей.

Таким образом, отношения коэффициентов отражения можем переписать в виде:



или вводя обозначения:



С другой стороны, обозначая ₂/₁ = Z, можно написать:



или



То есть, получаем четыре уравнения с четырьмя неизвестными:



Совместное решение уравнений (1) - (4) позволяет определить все четыре неизвестных.

Естественно, что это делается с помощью компьютера.

В памяти последнего хранятся и данные градуировок, необходимые константы, значения длин волн и др.

В качестве примера, иллюстрирующего предлагаемый способ, приведем реальное соотношение между длинами волн, при котором получается простое аналитическое решение: - это соотношение ₂= 2_1.

В этом случае:



Тогда для (_2,T₂) получается обычное квадратное уравнение:

a(_2,T₂)²+b(_2,T₂)+c = 0, т.е.

где a = J₁(1-B²) - J₂(1-A);

b = J₁(2B-2B²);

c = J₁B²-A;



Значение корней этого уравнения определяются элементарно, т.к. (_1,T₂) и (_2,T₂) всегда суть положительные величины.

Вариантом этого способа является способ определения спектральной излучательной способности, отличающийся тем, что с целью исключения градуировки пирометра в яркостных температурах для трех значений неизвестных температур T₁<T<T на каждой из двух длин волн измеряются отношения сигналов, пропорциональные спектральным яркостям для двух пар значений температур (T₁, T₂) и (T₃, T₂), возведенных соответственно в степени с показателями, численно равными соответствующим длинам волн, т.е.:



где U(_l,T_j) = _lC₁^-_l⁵(_l,T_j)exp-(C₂/_l,T_j)

Здесь i = 1, 2; j = 1, 2, 3;

аппаратная функция;

C₁ и C₂ - известные пирометрические постоянные.

Одновременно с отношениями (5) и (6) измеряются четыре отношения направленных коэффициентов отражения:



Таким образом, получаются 6 уравнений (5) - (10), из которых определяются 6 неизвестных:



Естественно, что аналогично основному способу при ₁/₂ = 2 для определения (_2,T₂) получается также квадратное уравнение, но с другими коэффициентами. Заметим также, что значения аппаратных функций также как и величины неизвестных температур в данном способе не определяются, а исключаются.

В дальнейшем изобретение поясняется примером осуществления предложенного способа и его варианта чертежом на фиг. 1, где схематично изображена структурная схема осуществления предложенного способа и его варианта.

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит: два источника монохроматического излучения - лазеры 1 и 2, например, аргоновый лазер с удваивающим частоту кристаллом с модулятором излучения обеих лазеров - 3. Поток модулированного излучения лазера с длиной волны - ₁ поворачивается на 90 град. зеркалом - 4, а поток с длиной волны - ₂ поворачивается на 90 град. полупрозрачным зеркалом - 5, которые оба потока отражают на обтюратор - 22. Через отверстие - 6 в обтюраторе - 22 оба потока отражаются полупрозрачным зеркалом - 7 на светофильтр - 8 и полупрозрачный (в частности, кремниевый) приемник излучения - 9. На этом приемнике поток с более короткой длиной волны - ₁ создает сигнал, пропорциональный интенсивности "падающего" излучения. Прошедший через приемник - 9 поток с длиной волны - _2, проходит далее через светофильтр - 10 и аналогично создает сигнал "падающего" излучения на втором приемнике излучения - 11.

Спектральная характеристика светофильтра - 8, изображенная на фиг. 2 буквами A B C D E F позволяет выделить излучение на приемнике - 9 (спектральная характеристика этого приемника изображена на фиг. 2 пунктиром - I). Соответственно, спектральная характеристика светофильтра GHK-10 позволяет выделить сигнал с длиной волны - ₂ на приемник - 11, имеющий спектральную характеристику, изображенную на фиг. 2 пунктиром - II.

Кремниевая "сэндвич-пара" выбрана для сокращения количества зеркал в устройстве.

Если же необходимо использование не частично-прозрачных приемников, что естественно определяется требуемым спектральным диапазоном, то в устройстве добавляется еще одно полупрозрачное зеркало - 7а, а светофильтр - 10 и приемник - 11 переносятся и ставятся в виде 10а и 11а за ним. Далее схема остается без изменений.

Таким образом, на выходе приемников 9 и 11 получаются сигналы, пропорциональные интенсивностям лазеров на частоте модуляции. Эти интенсивности усиливаются и на выходе резонансных фильтров 14 и 15, настроенных на частоту модуляции, подаются на аналого-цифровые преобразователи 23 и далее попадают в оперативную память микропроцессора, где запоминаются в виде значений потоков "падающего" излучения с длинами волн ₁ и _2.

Далее обтюратор - 22 поворачивается, поток излучения от зеркал 4 и 5 прерывается и через обтюратор проходит поток излучения от поверхности - 18 (через полупрозрачные зеркала - 16 и 17). Этот поток состоит из собственного излучения поверхности и потоков отраженного ею нормально модулированного излучения от лазеров, падающих на поверхность от полупрозрачных зеркал 16 и 17 и отраженного поверхностью через те же полупрозрачные зеркала 16 и 17. Все эти три потока: собственный поток излучения поверхности и отраженные последней потоки излучения от лазеров, отражаются зеркалом - 19, проходят через полупрозрачное зеркало - 7 и светофильтр - 8, после чего попадают на приемник (кремниевый фотодиод) - 9, через него на светофильтр - 10 и, пройдя через него попадает на приемник - 11.

Сигналы, пропорциональные 4-м потокам излучения (собственный поток излучения поверхности на волне _1, отраженный поверхностью поток излучения от лазера на длине волны _1, а также поток собственного излучения поверхности на волне ₂ и отраженный поверхностью поток излучения от лазера на длине волны ₂) усиливаются в усилителях 12 и 13, разделяются фильтрами 14 и 20, и 15 и 21, оцифровываются в АЦП-16 и подаются на микропроцессор.

Все эти процессы в указанном устройстве происходят при двух значениях яркостных температур в основном способе или при трех тепловых состояниях поверхности - 18.