Устройство для определения спектральной излучательной способности частично прозрачных материалов

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

tsi)s G 01 J 5/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4855469/25; 4855494/25 (22) 31.07.90 (46) 30.06.92. Бюл. N. 24 (71) Институт высоких температур AH СССР (72) В.С.Дождиков, Н,Н,Ковенков и В.А.Петров (53) 536.35 (088.8) (56) D.L, Stierwalt et al, Measurement of the

infrared spectral absorbtaпсе of optical

materials". AppL Opt., ч.2, ¹ 11, 1963, р;1169, Дождиков В,С. и др, Высокоскоростная автоматизированная установка для исследования спектральной излучательной способн зсти частично прозрачных материалов при высоких температурах. — Измерительная техника, 1985, N11,,с.60 — 62. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ CflOИзобретение 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 — 25 мкм, Это устройство позволяет измерять излучательную способность ра-nwной, н том числе и малой, величины.

Недостатками данного устройства при. исследовании рассеивающих частично I!розрачных материалов являются возможнссть попадания в приемник излучения нагрева-. теля, пропущенного поверхностью образца, рассеянного в объеме. а затем выш дщего,, Ы,, 1744514 А1

СОБНОСТИ ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ

МАТЕ РИАЛОВ (57) 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. из образца. Это не позволяет исследовать рассеивающие материалы, в особенности обладающие малым коэффициентом погло- 4 щения и большим коэффициентом рассея- (Л ния. и

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 npv высоких температурах.

Однако данное устройство не может использоваться д.1я измерения образцов материалов, обладающих малым поглощением (а, следовательно, и малой иэлучательной способностью). поскольку измерение сигна1744514 лов от образца и модели черного тела проводится на одном и том же диапазоне измерительной аппаратуры, что приводит. к большой погрешности при измерении малых сигналов.

Цель изобретения — повышение точности измерений при малых значениях излучательной 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 (Э BM), 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 програм,мируемого генератора.

На чертеже схематически изображена блок-схема измерений спектральной излучательной способности твердых материалов.

При измерении сигналов от образца 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 элекгрические 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 прямоугольных иМпульсов. Программируемый генератор

13 прямоугольных импульсов формирует на выходе прямоугольный импульс с требуемой длительностью т мс и с требуемой задеожФ кой D мс относительно входного запускающего импульса, Усилитель 10, генератор 11 прямоугольных импульсов и блок 12 согласования вводяг 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 t мс, В остальное время он закрыт и не пропускает аналоговый

10 сигнал с приемника 2 излучения, усиленный предварительным усилителем 4. Таким образом, набирая на программируемом генераторе 13.требуемую задержку мс относи15 тельно импульса "Начало спектра" и длительность регистрации сигнала т мс, осуществляется выбор участков спектра, подлежащих дальнейшему прецизионному усилению и преобразованию соответствен20 но при помощи усилителя 6 с прецизионным коэффициентом усиления и аналого-цифрового преобразователя 7. При этом выбор дискретного 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

30 минимальной, Существенным отличием данного устройства от ранее используемых устройств для измерения спектральной излучательной способности материалов является выделе35 ние участка с малой излучательной способностью из всего регистрируемого спектра излучения образца при скоростном сканировании и дальнейшее прецизионное усиление выделенного малого аналогового сигнала

40 до уровня, близкого к уровню максимальной чувствительности измерительной аппаратуры (предельной гочности измерений аналогоцифрового преобразователя), что позволяет значительно повысить точность измерений

45 при малых значениях излучательной способности образцов материалов в области их выt:.îêîé прозрачности, Устройство для определения спектральной излучательной способности частично

50 прозрачных материалов при высоких температурах работает следующим образом, После выхода на.стационарный температурный режим печи (модели черного тела) . производят измерение спектра ее излуче55 ния во всем спектральном диапазоне сканирования скоростного спектрометра 1. Для этого на программируемом генераторе 13 прямоугольных импул сов устанавливают задержку D=O мс (относительно импульса

1744514

"Начало спектра") и длительность регистрации сначала печи армс, равной времени сканирования одного спектра излучения скоростным спектрометром 1. Коэффициент усиления аналогового сигнала от модели черного тела KM „T прецизионного усилите- 5 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 аналогоцифровой преобразователь осуществляет цифровую регистрацию спектра излучения печи (модели черного тела) во всем спектральном диапазоне сканирования скоро- 15 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- 20 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- 25 териал имеет области с малой, и с большой спектральной излучательной способностью, измерение спектра излучения образца сначала производят в режиме, аналогичном режиму измерения спектра 30 модели черного тела (во всем спектральном диапазоне сканирования скоростного спек. трометра 1 и с коэффициентом усиления прецизионного усилителя 6, равным Км,ч,т, Данная процедура выполняется для получе- 35 ния,<оличественных данных в спектральной области с большой излучательной способностью, Затем на программируемом генераторе 13 прямоугольных импульсов устанавливают такую задержку D мс (отно- 40

1 сительно импульса "Начало спектра") и время регистрации сигнала т мс, что аналоговый сигнал. пропущенный аналоговым ключом 5. соответствует области с малой излучательной способностью. Дискретный 45 коэффициент усиления прецизионного усилителя 6 Ко выбирают так. чтобы уровень сигнала на выходе прецизионного усилителя был близок к уровню верхнего предела измерений аналого-цифрового преобразователя 7 и 50 следс вательно величина погрешности в регистрации сигнала будет минимальной. Действительно, пусть в области высокой прозрачности материала условная амплитуда сигнала е относительных единицах (относительно амп- 55 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 KM.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 аналогоцифровым 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 Н20, COz и др.). Все эти факторы приводят к ухудшению инструментальной погрешности на определенных, характерныхдля данногоустройства, участках спектра. Предлагаемое устройство позволяет уменьшить инструментальную погрешность измерения спектральной излучательной способности на этих участках.

Формула изобретения

Устройство для определения спектральной иэлучательной способности частично прозрачных материалов, содержащее последовательно включенные скоростной спектрометр с приемником излучения и датчиком "Качало спектра", предварительный усилитель, усилитель, аналого-цифровой п реобразователь и систему сбора данных, о т л и ч а ю щ е е с я. 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, 1744514

Составитель В,Андрианова

Редактор М.Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 2189 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101