Способ определения коэффициентов излучения тел

 

Изобретение относится к области измерений в теплофизике и теплотехнике. Сущность изобретения: способ включает измерения интенсивностей излучения в отраженном видимом свете на масштабном макете тела со специальным модельным покрытием и помещенном в фотометрический шар. В качестве модельного покрытия подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК- области спектра. Фотометрическим устройством регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента масштабного макета тела и эталона и по их отношениям вычисляют коэффициенты яркости β_ρ(2π,xy) . Коэффициенты теплового излучения каждого элемента тела (xy) определяют по формуле: ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy) , где β_ρ(2π,xy) - коэффициент яркости отражения полусферической подсветкой из 2π стерадиан элемента наблюдаемой проекции тела с координатами (xy), ε(T, xy) - коэффициент теплового излучения этого же элемента тела. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения фотометрических характеристик в теплофизике и теплотехнике.

Известны способы определения коэффициентов излучения. Например, известен способ определения коэффициентов излучения (ГОСТ 7601-78) по соотношению измеренного теплового излучения исследуемого образца и измеренного теплового излучения "абсолютно черного тела", нагретого до той же температуры, что и измеряемый образец. По этому способу измеряют тепловое излучение нагретого до определенной температуры образца. Доводят "абсолютно черное тело" до этой же температуры и измеряют его тепловое излучение. Коэффициент излучения образца получают, разделив первый результат на второй.

Главным недостатком этого способа является необходимость точного измерения температуры образца и поддержание с необходимой точностью такой же температуры у "черного тела".

Существуют способы, при которых в одном эксперименте одновременно с измерением излучения определяют температуру образца. Например, известен принятый нами в качестве прототипа способ определения коэффициента излучения (патент Японии JP-4-62009, бюллетень "Изобретения стран мира", вып. 83, N 7, 1994), при котором с помощью спектрометра измеряют спектральную интенсивность теплового излучения образца не менее чем на четырех длинах волн и сравнивают значения на трех из них со спектральной интенсивностью идеального теплового излучателя.

Температуру, при которой минимально расхождение между этой спектральной интенсивностью и соответствующей ей измеренной спектральной интенсивностью теплового излучения, принимают за температуру образца. По найденной температуре определяют спектральный коэффициент теплового излучения для трех вышеуказанных длин волн. Исходя из этих значений и измеренной спектральной интенсивности теплового излучения для четвертой длины волны, близкой к вышеуказанным трем длинам волн, определяют еще (раз) значение температуры. Исходя из полученного значения температуры, измеренной длины волны и спектральной интенсивности теплового излучения, определяют коэффициент теплового излучения образца.

Недостатком указанного способа является необходимость проведения спектральных измерений ИК-излучения образца, использование для этой цели громоздких ИК-спектрометров, обычно обладающих низкой чувствительностью. Последнее значительно усложняет точные измерения теплового излучения образца, особенно при умеренных температурах, когда к собственному излучению образца прибавляется отраженное тепловое излучение окружающих нагретых предметов, неизбежно присутствующее вокруг образца.

Целью заявляемого способа и его техническим результатом является повышение точности путем исключения из процесса определения коэффициентов излучения измерений температуры и устранение влияния теплового излучения окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициентов излучения тел, включающем измерение интенсивности излучения, измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК- диапазоне; регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента (xy) тела и эталона, по соотношениям которых вычисляют коэффициенты яркости отражения β_ρ(2π,xy); коэффициенты теплового излучения e(T,xy) каждого элемента тела (xy) определяют по формуле ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy) (1) Здесь b_ρ(2π,xy) коэффициент яркости отражения элемента поверхности тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2π стерадиан, e (T, xy) коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.

В обоснование выражения (1) нами теоретически показано, что процесс теплового излучения тел является частным случаем фундаментального физического двуединого явления пропускания-отражения оптической радиации при падении ее на границу раздела двух сред, обладающих разными скоростями света c/n₁ и c/n₂ (здесь c скорость света в вакууме, n₁ и n₂ - показатели преломления сред). Проходя из первой во вторую среду с преломлением по закону синусов (q₁ угол падения, равный углу отражения, Θ₂ угол преломления) n₁SinΘ₁ = n₂SinΘ₂ (2) с коэффициентом пропускания τ(Θ₁,Θ₂), часть радиации отражается в первую среду с коэффициентом ρ(Θ₁,Θ₂),, которые выражаются формулами Френеля (Бори М. Вольф Э. Основы оптики, изд. "Наука", 1970, с. 62-77).

(в целях сокращения здесь приведены выражения только для параллельной составляющей поляризации, но выводы справедливы и для другой - перпендикулярной). При этом по закону сохранения энергии имеем: τ(Θ₁,Θ₂) + ρ(Θ₁,Θ₁) = 1 (4) Нами показано, что при обратном прохождении оптической радиации из второй среды в первую коэффициенты пропускания τ"(Θ₂,Θ₁) и отражения ρ"(Θ₂,Θ₂) сохраняют свои значения. Тогда формулы (3) при перемене местами индексов 1 и 2 не изменяются, так что имеет место закон обратимости τ(Θ₂,Θ₁) = τ(Θ₁,Θ₂) ρ(Θ₂,Θ₂) = ρ(Θ₁,Θ₁). (5) Из (1), (4) и (5) вытекает соотношение:
τ(Θ₂,Θ₁) + ρ(Θ₁,Θ₁) = 1 (6)
Из этого соотношения (6) следует важный практический вывод: коэффициент пропускания оптической радиации из второй среды в первую τ(Θ₂,Θ₁) можно вычислить, измерив коэффициент отражения в первой среде ρ(Θ₁,Θ₁). Если первая среда воздух, а вторая нагретое тело, то, измерив в воздухе коэффициент отражения ρ(Θ₁,Θ₁) от поверхности тела в направлении Θ₁, коэффициент теплового излучения ε(Θ₂,Θ₁),, выходящего изнутри нагретого тела в этом же направлении, который из наших выводов физически является коэффициентом пропускания τ(Θ₂,Θ₁) из второй среды в первую, вычисляют по формуле:
ε(Θ₂,Θ₁) = 1 - ρ(Θ₁,Θ₁) (7)
Генерированное тепловыми колебаниями атомов или молекул тела тепловое излучение падает изнутри на границу тела равномерно под всеми углами Θ₂ из всей внутренней полусферы и выходит под всеми углами Θ₁ во внешнюю полусферу (углы Θ₁ и Θ₂ связаны взаимно законом синусов (2)). Обозначая внутреннюю полусферу знаком T, а внешнюю знаком 2π, выражение (7) представляем в виде:
e(T,Θ) = 1-ρ(Θ,2π) (8)
Таким образом, с помощью выражения (8) коэффициент излучения ε(T,Θ) в направлении Θ определяем, измеряя коэффициент отражения r(Θ,2π) при падении радиации под этим же углом Θ и не прибегая к использованию температуры тела. Поскольку согласно правилу обратимости Гельмгольца (Гуревич М.М. Фотометрия. Л. Энергоатомиздат, 1983) коэффициент отражения r(Θ,2π) в полусферу 2π стерадиан при падении радиации на поверхность под углом q равен коэффициенту яркости отражения b_ρ(2π,Θ) при равномерном диффузном освещении из 2π а углы q для объемных тел связаны с координатами (xy) каждого наблюдаемого элемента поверхности тела, то из (8) следует формула (1).

Принципиальным отличием выражения (1) от встречающегося в ряде случаев неконкретного выражения вида e = 1 - ρ является то, что здесь нами теоретически установлена некорректность последнего: по коэффициенту отражения r(Θ,2π) при освещении из направления Θ согласно (8) определяют коэффициент направленного излучения e(T,Θ) а коэффициент излучения ε(T,2π) в полусферу, как нами показано, выражается через коэффициент отражения ρ(2π,2π) при полусферической подсветке
ε(T,2π) = 1 - ρ(2π,2π) (9)
Предлагаемое нами определение коэффициентов излучения через коэффициенты отражения без измерения температур позволяет устранить воздействие теплового излучения окружающих предметов, для чего характеристики отражения измеряются в видимом диапазоне на специально окрашенном фотометрически подобном масштабном макете тела. Моделирующее покрытие, наносимое на макет, имеет индикатрису отражения в видимом свете, совпадающую с индикатрисой отражения в ИК-диапазоне материала действительного тела. Фотометрическое подобие тела в ИК- диапазоне и масштабного макета в видимом диапазоне обеспечивается указанным совпадением индикатрис отражения моделирующего и действительного покрытий и геометрическим подобием тела и его макета.

Полусферическая подсветка для определения коэффициента яркости отражения β_ρ(2π,xy) в выражении (1) обеспечивается помещением макета внутрь фотометрического шара.

Определение коэффициентов излучения тел по предлагаемому способу производят в следующей последовательности:
1. Измеряют на гониометрической установке в тепловом диапазоне (например на длинах волн около 10 мкм) индикатрису отражения материала покрытия тела (или нескольких покрытий, если тело разнородно окрашено).

2. Подбирают по совпадению индикатрис отражения в видимом свете покрытие, моделирующее индикатрису отражения действительного покрытия тела в ИК-диапазоне.

3. Наносят модельное покрытие на масштабный макет тела и освещают его диффузно рассеянным видимым светом в фотометрическом шаре.

4. При помощи фотоприемного устройства регистрируют отраженное видимое излучение наблюдаемых элементов проекции тела. Сравнивая его с излучением эталонного отражателя, определяют коэффициент яркости отражения каждого элемента проекции тела.

5. По выражению (1) определяют коэффициенты излучения элементов проекций тела.

Экспериментальное подтверждение способа было проведено на предприятии с телами типа плоскость, двугранный угол, круговой цилиндр, круговой конус, на тех участках тел, где имеют место переотражения. Материалом, моделирующим покрытия в ИК-спектре, оказалось покрытие НЦ-25. Для конуса и двугранного угла в местах переотражения согласно теории эффективное значение коэффициента излучения должно быть равным 1, так как это значение является комплексным и равно
e(T,Θ) = β(2π,Θ)ε(T,Θ) = ε(T,Θ) = [1 - ε(T,Θ)]ε(T,Θ).
Тогда для моделируемых красок МЛ-1279, ПФ-115, МЧ-241 со значением ε(T,Θ) = 1 - β_ρ(2π,Θ) = 0,94 и коэффициентом отражения, равным 0,06, эффективный коэффициент излучения участков тела с переотражением должен быть равен 0,94(1+0,06)= 0,999, что подтверждено фотометрированием этих участков на изображениях тел, окрашенных подобранным модельным покрытием.

Для измерений использовалась спектрогониометрическая установка на длинах волн 0,63 и 10,6 мкм, а изображения (фиг. 1) регистрировались фотокамерой "Киев М" и фотометрировались микроденситометром АМД.

Пример существенно сложного распределения коэффициентов излучения тел, полученного предлагаемым способом, представлен на фотографии макета транспортного корабля многократного использования ШАТТЛ (фиг. 2).

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в следующем:
1. Нет необходимости производить измерение температуры образца и "абсолютно черного тела", так как нами показано, что коэффициенты излучения определяются через другие параметры коэффициенты отражения.

2. Исключаются неконтролируемые добавки излучения от окружающих тел, так как измерения проводятся в видимом свете, позволяющем легко исключить паразитную подсветку.

3. Высокая точность измерений отражения в видимом диапазоне по сравнению с ИК-диапазоном обеспечивается высоко развитыми методами и средствами фотометрических измерений в видимом свете.

4. Измерения отражения производятся на масштабных макетах тел, а не на самих объектах, что упрощает и удешевляет измерения.

5. Способ позволяет определить локальные коэффициенты излучения вогнутых элементов тела, где присутствуют многократные переотражения.

Формула изобретения

Способ определения коэффициентов излучения тел, включающий измерение интенсивностей излучения, отличающийся тем, что измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК диапазоне, регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента масштабного макета тела и эталона, по соотношению которых вычисляют коэффициенты яркости отражения, коэффициенты излучения каждого элемента тела определяют по формуле
ε(T,xy) = 1 - β_ρ(2π,xy),
где b_ρ(2π,xy) - коэффициент яркости отражения элемента наблюдаемой проекции тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2π стерадиан;
e(T,xy) - коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2