способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, заключающийся в том, что измеряют температуры и излучение исследуемых поверхностей и вычисляют коэффициенты излучательной способности, отличающийся тем, что измеряют интенсивности излучения (I) в точке каждой исследуемой поверхности, измеряют распределение температуры на внутренних поверхностях, определяют температуру и химический состав газа внутри полости, проводят математическое моделирование распределения излучения в исследуемой полости методом обращения траекторий фотонов, учитывая при этом непостоянство температуры поверхностей и наличие содержащегося в полости излучающе-поглощающего газа, в результате чего определяют числовые коэффициенты (А) при членах в системе нелинейных уравнений, вычисляют с помощью формулы Планка интенсивность в заданном спектральном диапазоне в точке каждой исследуемой поверхности и путем решения системы уравнений получают искомые коэффициенты излучательной способности исследуемых поверхностей, при этом указанная система для цилиндрической полости имеет вид

где ₁ - коэффициент излучательной способности дна исследуемого цилиндра;

₂ - коэффициент излучательной способности боковой поверхности исследуемого цилиндра;

В₁ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках дна исследуемого цилиндра, вычисленная по формуле Планка;

В₂ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках боковой поверхности исследуемого цилиндра, вычисленная по формуле Планка;

Р₁ - вычисляют как 1- ₁, Р₂ вычисляют как 1- ₂.

2. Устройство для измерения излучения внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, содержащее измерительный прибор, зеркала с внешним зеркальным покрытием, блок усиления электрического сигнала, блок цифрового преобразования и блок математической обработки сигнала, отличающееся тем, что устройство содержит поворотное зеркало с внешним зеркальным покрытием, которое установлено под углом 45° к оси прибора и его отражающая сторона обращена в сторону измерительного прибора, неповоротные зеркала с внешними зеркальными покрытиями установлены так, что их отражающие стороны обращены к исследуемой полости, а центры зеркал расположены в плоскости, перпендикулярной оптической оси измерительного прибора, исполнительный блок поворота, блок управления поворотом зеркала и включения измерительного прибора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, и может быть использовано в металлургической, химической, электронной, авиационной и других отраслях промышленности.

Знание оптических свойств материалов необходимо для определения лучистого теплообмена между элементами нагретых полостей, например внутренними стенками и дном печей или муфелей, нагретыми электронными элементами компьютеров, а также между ними и находящимися вблизи них заготовками, электронными чипами и другими предметами.

Известен “Способ определения коэффициентов излучательной способности и истинной температуры поверхности”, авторское свидетельство №1676336, от 14.06.89 г., в котором производят измерение излучения поверхности с неизвестной и изменяющейся излучательной способностью за счет определения двунаправленных коэффициентов излучательной способности с помощью сравнения сигналов, пропорциональных двунаправленным коэффициентам отражения на двух длинах волн.

Недостатком данного способа является необходимость определения коэффициентов излучательной способности исследуемых поверхностей в лабораторных условиях на образцах.

Известно устройство для определения интенсивности инфракрасного облучения поверхностей тел с помощью датчиков, теплоизолированных от этих тел, коэффициенты излучательной способности которых такие же, как и коэффициенты излучательной способности объектов, патент РФ №2180098 от 29.02.2000 г., которое дает возможность определять и поддерживать необходимый уровень облучения при проведении модельных стендовых испытаний космических аппаратов с имитацией их нагрева излучением солнца. Для применения данного устройства необходимо, чтобы коэффициенты излучательной способности поверхностей объектов и приемников излучения были предварительно определены.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является "Способ определения спектральной излучательной способности (его варианты)", патент РФ №2162210 от 29.12.1999 г., при котором в области справедливости закона Вина 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. Изобретение поясняется структурной схемой осуществления предложенного способа и его варианта.

Недостатком данного способа является необходимость проведения измерений спектральной излучательной способности исследуемого материала на образцах. Данный способ не применим для измерения излучательной способности внутренних поверхностей полости, непосредственно в полости без изготовления образцов, так как не учитывает взаимную облученность поверхностей и наличие излучающе-поглощающего газа внутри полости.

Во многих технических приложениях оба эти фактора могут вносить большие ошибки. Так во многих случаях температуры поверхностей могут быть не постоянными, а иметь большие градиенты. Особенно это относится к устройствам, содержащим протекающий газ с большими градиентами температуры, или к устройствам с источниками подвода или отвода тепла. Тогда отраженное поверхностями излучение может существенно превышать собственное излучение поверхности, внося большую ошибку в измерения. В атмосфере топочных устройств может содержаться большое количество частиц сажи и золы, оптические свойства которых не имеют “окон прозрачности” по длинам волн, а также высокие концентрации при большом давлении паров воды, углекислого газа и других продуктов сгорания, излучающих и поглощающих излучение, что приводит к необходимости учитывать взаимодействие излучения с газом даже в “окнах прозрачности” газа. Кроме этого нахождение простыми способами разрешающих угловых коэффициентов при сложной геометрии исследуемых полостей невозможно.

На оптические характеристики исследуемых поверхностей реальных технических объектов влияют наличие загрязнений на поверхностях, время работы объектов при высоких температурах, когда происходит взаимодействие материалов с агрессивными средами и другие факторы. Поэтому образцы для измерения коэффициентов излучательной способности поверхностей в лабораторных условиях изготавливают из находящихся в эксплуатации или отработавших свой срок объектов с учетом необходимости сохранения на образцах имеющихся окислов, сажи и других образований, влияющих на оптические характеристики. При этом снижается точность определения коэффициентов излучательной способности и практически невозможно определить зависимость коэффициентов излучательной способности образцов от времени эксплуатации. Поэтому на практике часто возникает необходимость измерять оптические коэффициенты непосредственно на полостях.

Технической задачей предлагаемого способа и устройства является определение коэффициентов излучательной способности поверхностей неоднородно нагретой полости путем измерения интенсивностей излучения и распределения температур с последующей математической обработкой результатов.

Технический результат в заявленном техническом решении достигается тем, что измеряют температуры и излучение исследуемых поверхностей и вычисляют коэффициенты излучательной способности, при этом измеряют интенсивность излучения (I) в точке каждой исследуемой поверхности, измеряют распределение температуры на внутренних поверхностях, определяют температуру и химический состав газа внутри полости, проводят математическое моделирование распространения излучения в исследуемой полости методом обращения траекторий фотонов, учитывая при этом непостоянство температуры поверхностей и наличие содержащегося в полости излучающе-поглощающего газа, в результате чего определяют числовые коэффициенты (А) при членах в системе нелинейных уравнений, вычисляют с помощью формулы Планка интенсивность в заданном спектральном диапазоне в точке каждой исследуемой поверхности и путем решения системы уравнений получают искомые коэффициенты излучательной способности исследуемых поверхностей.

Определяют излучательные способности внутренних поверхностей исследуемой полости следующим образом.

Измеряют с помощью заявленного устройства для измерения излучения от внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости интенсивность излучения (I) в точке каждой исследуемой поверхности. В качестве прибора для измерения интенсивности излучения используют, например, спектрометр или радиометр с фильтром для соответствующего спектрального диапазона с предварительной градуировкой устройства и измерительного прибора с помощью модели абсолютно черного тела при различных температурах. Измеряют распределение температуры (Т) на внутренних поверхностях исследуемой полости, например, методом термометрирования, а также известными методами определяют температуру и химический состав газа внутри полости. Производят математическое моделирование распространения излучения в исследуемой полости методом “обращения траекторий фотонов” (см. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029), являющегося модификацией известного статистического метода Монте-Карло (см. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.), учитывая при этом непостоянство температуры поверхностей и наличие содержащегося в полости излучающе-поглощающего газа. В результате определяют числовые коэффициенты (А) при членах в системе нелинейных уравнений. Решение полученной системы уравнений дает искомые коэффициенты излучательной способности ( ) исследуемых поверхностей. Интенсивность в заданном спектральном интервале (В) в точке исследуемой поверхности, из которой излучение вышло, вычисляют с помощью известной формулы Планка.

При измерении интенсивности излучения (I) поверхности, расположенной внутри полости, получают интенсивность излучения поверхности вместе с отражаемым от поверхности излучением, попадающим на нее от других элементов полости, что искажает результаты измерений. Поэтому необходима последующая расчетная обработка результатов измерений, при которой исключается отраженное излучение и уменьшается ошибка определения излучения исследуемой поверхности.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, для определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости на чертеже представлено применительно к полости, имеющей форму пустотелого цилиндра 1, содержащего дно 2, боковую поверхность 3 цилиндра 1, излучающе-поглощающий газ 4, направление 6 визирования устройства на боковую поверхность 3 полости цилиндра 1, направление 6 визирования устройства на дно 2 полости цилиндра 1, неповоротные зеркала 7, 8 для визирования устройства на исследуемый объект, расположенные на разной высоте в плоскости 9, перпендикулярной оптической оси 12 прибора 13, поворотное зеркало 10 своей отражающей стороной поворачивается исполнительным механизмом 11 на заданный угол для передачи оптического сигнала в измерительный прибор 13, например радиометр или спектрометр, входной объектив 14 измерительного прибора 13, блок 15 управления исполнительным механизмом 11 и включения измерительного прибора 13, усилитель 16 электрического сигнала измерительного прибора 13, блок 17 цифровой обработки сигнала, блок 18 математической обработки и записи цифрового сигнала.

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, работает следующим образом.

Излучение от боковой поверхности 3 и дна 2 нагретой цилиндрической полости 1 проходит через излучающе-поглощающий газ 4 в направлениях 5 и 6 на неповоротные зеркала 7 и 8 с внешним зеркальным покрытием, от которых отражается, и проходит в плоскости 9 к поворотному зеркалу 10. Поворотное зеркало 10 установлено под углом 45 градусов к оси прибора, а его отражающая часть обращена к измерительному прибору, последовательно устанавливается поворотным механизмом 11 по сигналу блока управления 15 в положения для приема сигнала от неповоротных зеркал 7 и 8, которые установлены так, что их отражающие стороны обращены к исследуемой полости для передачи излучения во входной объектив 14, а далее фокусирования сигнала на чувствительный элемент прибора 13 с одновременным включением прибора 13. Вырабатываемый прибором 13 электрический сигнал усиливается усилителем 16 и попадает в блок цифровой обработки сигнала 17. Затем в цифровом виде сигнал направляется в блок 18 математической обработки и записи цифрового сигнала.

После проведения измерений производят матеметическую обработку сигнала. Метод расчета основан на моделировании траекторий групп фотонов, зарождающихся на излучающих поверхностях и взаимодействующих с другими поверхностями и газом в исследуемой полости. В результате прослеживания большого числа траекторий групп фотонов определяют средние характеристики лучистого взаимодействия элементов полости.

В случаях, когда нужны характеристики излучения в какой-либо малой части пространства, например в малой части полости, в выбранном направлении или в малом телесном угле для получения надежных данных необходимо прослеживать нереально большое число траекторий групп фотонов. В этом случае используют статистический метод “обращения траекторий фотонов” (см. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029), являющийся модификацией метода Монте-Карло (см. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.). В предлагаемом способе расчет выходящего из полости излучения производят с большой статистикой для каждого из выбранных направлений, что повышает точность расчетов.

Для проведения расчета задают геометрические размеры исследуемой полости, выбранные направления выходящего излучения, измеряют известными методами распределение температур на стенках полости, концентрацию излучающих компонент в смеси газа и его температуру.

Применяя метод расчета, траектории вылетающих групп фотонов прослеживают в обратном направлении, начиная от выходного сечения полости. В каждой точке пересечения обратной траектории с исследуемой поверхностью определяют возможные направления, с которых излучение могло попасть в данную точку. Для диффузно отражающих поверхностей эти направления равновероятны, хотя в расчетах могут быть учтены и более сложные законы отражения, например смешанный диффузно-зеркальный.

После определения каждой новой точки взаимодействия излучения с исследуемой поверхностью учитывают ослабление излучения при отражении от поверхности. Аналогично определяют по случайному закону следующее направление, с которого могло прийти излучение в эту точку. И так прослеживают до выхода обратной траектории из полости или до достижения заданного ограничения по числу точек взаимодействий излучения с поверхностями полости. В последней точке учитывают собственное излучение поверхности в точке.

Общий вид системы уравнений представлен в общем функциональном виде:

где - коэффициент излучательной способности исследуемой поверхности,

I - измеренное значение интенсивности излучения в точке исследуемой поверхности,

В - интенсивность в заданном спектральном интервале излучения в точке поверхности, из которой излучение вышло,

А - числовой коэффициент при членах уравнения, индексы:

m - число уравнений,

n - число членов в уравнении,

i - переменная величина, которая в системе уравнений изменяется от 1 до m.

Для цилиндрической полости система нелинейных уравнений для определения коэффициентов излучательной способности дна и боковой поверхности имеет вид:

А₁₁· ₁· В₁+А₁₂· ₂· В₂· Р₁+А₁₃· ₁· В₁· Р₁· Р₂+А₁₄· ₂· В₂· Р₁· Р₂+

А₁₅ · ₁· В₁· Р₁· Р²₂+А ₁₆· ₂· В₂· Р₁· Р²₂+А ₁₇· ₂· В₂· Р²₁· Р₂=I ₁

А₂₁· ₂· В₂+А₂₂· ₁· В₁· Р₂+А₂₃· ₂· В₂· Р₂+А₂₄· ₂· В₂· Р₁· Р₂+

А₂₅ · ₁· В₁·Р² ₂+А₂₆· ₂· В₂·Р² ₂+А₂₇· ₁· В₁· Р₁·Р²₂+А₂₈· ₁· В₁·

Р²₂+А₂₉· ₂· В₂· Р³₂+А₂₁₀· ₂· В₂· Р₁· Р²₂=I ₂

где ₁ - коэффициент излучательной способности дна исследуемого цилиндра,

₂ - коэффициент излучательной способности боковой поверхностей исследуемого цилиндра,

B₁ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках дна исследуемого цилиндра,

В₂ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках боковой поверхности исследуемого цилиндра. Находятся с помощью формулы Планка и зависят от температуры в точках,

А - численные коэффициенты при членах в уравнениях, определяемые методом “обращения траекторий фотонов”,

P₁ - вычисляют как 1- ₁, P₂ вычисляют как 1- ₂.

В расчетах было принято, что максимальное число точек взаимодействия траекторий групп фотонов с поверхностями полости, включая точку зарождения, не превышает 4. При этом относительная ошибка вычислений составляет не более 1.5% при коэффициентах излучательной способности внутренних поверхностей полости, больших 0.5, что справедливо для многих поверхностей. Для повышения точности расчетов следует увеличивать принятое число точек взаимодействия.

Предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости и устройство для его осуществления позволяют определять коэффициенты излучательной способности исследуемых поверхностей непосредственно в полости в процессе их эксплуатации и с помощью измерения температур и интенсивностей излучения учитывать зависящие от времени работы окисление и загрязнение поверхностей, что необходимо для многих технических приложений.

Источники информации

1. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.

2. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029.