Экспериментальные исследования излучательных 48 характеристик высокотемпературных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.Н. КОЛЕСНИЧЕНКО, к. т. н., доцент кафедры физики МГУЛа

Среди многих используемых композиционных материалов в качестве основы неразрушающейся многоразовой теплозащиты наибольшее применение нашли композиционные углерод-углерод, углеграфитовые, кремнеземносодержащие теплоизоляционные материалы. Исследованием теплофизических свойств данных материалов занимаются ряд зарубежных фирм: Американский институт авиации и астронавтики (AIAA); Научно-исследовательский центр им. Эймса отделение Aero therm (NASA); General Electric; McDonnell Douglas; Lockheed; Hitco, исследования проводятся и в отечественных научных центрах (ИВТ РАН, ЦАГИ им. Жуковского, ЦНИИ MB, МАИ и др.).

Существующие экспериментальные данные по теплофизическим свойствам не-разрушающихся теплозащитных материалов ограничены как по числу изученных объектов, так и по верхнему пределу исследованных температур. Даже для относительно хорошо изученных материалов результаты исследований различных авторов значительно отличаются. Это связано как с различными технологиями получения объектов исследования, так и с различными условиями эксперимента и трудностями в измерении температур 1500-3000 К.

В данной работе рассмотрены разработанные методики совместного определения спектральных и интегральных излуча-тельных характеристик неразрушающихся теплозащитных материалов. Особое внимание уделено методам полихроматической пирометрии для определения истинной температуры исследуемых образцов во время проведения теплофизического эксперимента. Разработанные методики и автоматизированный информационно-измерительный комплекс внедрены на установке ВУТС-1 [1] Института высоких температур РАН. Исследованы спектральная и интегральная излуча-

тельные характеристики ряда теплозащитных неэлектропроводных материалов в диапазоне температур 1200-2400 К в спектральном интервале 1,0-5,0 мкм.

Исследуемые образцы помещают в графитовую модель абсолютно черного тела (АЧТ), нагрев которой осуществляют от высокочастотного генератора (60 кВт, 75 кГц). Исследования основаны на методе сравнения излучения образцов и модели АЧТ. Модель АЧТ выполнена в виде симметричной цилиндрической графитовой трубки с перегородкой посередине (соотношение длины к радиусу ЫЯ = 3,86). Образованные таким образом верхняя и нижняя полости служат моделью черного тела. Их геометрические размеры: диаметр - 58 мм, длина - 112 мм при общей длине печи 228 мм.

В установке устранены погрешности, связанные с неизотермичностью образцов, влиянием фонового излучения, предотвращены кристаллизация и другие физикохимические превращения в образцах. Информационно-измерительный комплекс на базе ЭВМ «Арр1е-2» и программное обеспечение дают возможность из полученной информации определить спектральную и интегральную излучательные способности и ряд других теплофизических характеристик. Высокое разрешение по длинам волн (1 х ю 2 мкм) и температуре (1К) позволило уменьшить основную погрешность исследуемых свойств до ± 3 %.

Система регистрации данных состоит из подсистем: регистрации интегрального и спектрального излучения. Приемником полного (интегрального) излучения является пироэлектрический приемник БП2-3, имеющий высокое быстродействие (менее 1 мкс), спектральный диапазон 1-20 мкм, вольт-ваттную чувствительность порядка 20 В/Вт при частоте модуляции 20 Гц. Приемник ра-

-о,

і.. Го

ботает в режиме однократной модуляции. Приемником спектрального излучения является опытный образец скоростного инфракрасного спектрометра ИКС-20. где £

В результате разработки автоматизированного информационно-измерительного комплекса и модернизации системы управления ходом эксперимента, на теплофизической установке ВУТС-1 в реальном режиме времени проводятся совместные измерения спектральных и интегральных излучений исследуемых образцов, последующий расчет спектральной и интегральной излучательной способности.

При достижении стационарного температурного состояния печи с образцом излучение в пределах центрального угла 0,003 стерадиан попадает на плоское зеркало и через флюоритовое окно фиксируется на входной щели скоростного спектрометра ИКС-20. В данном случае регистрируются амплитудные значения спектральных компонент излучения модели АЧТ с образцом

Е

об+ачт; т '

Одновременно это же излучение от печи с образцом в пределах периферийного угла 0,006 стерадиан попадает на собирающее сферическое зеркало, с помощью которого излучение фиксируется на пироэлектрическом приемнике. В данном случае регистрируется электрический сигнал, соответствующий интегральному лучистому потоку от модели АЧТ с образцом р

об+ачт т ’

После измерения и регистрации сигналов от модели АЧТ с образцом печь сбрасывается, излучение от нее и нагретых элементов камеры перекрывается зачерненным водоохлаждаемым затвором. Регистрируется спектр излучения образца 2?об> г и электри- 1п-ческий сигнал соответствующий интегральному лучистому потоку от него Ео6] .

Расчет монохроматической излучательной способности ех г по снятым спектрам излучения исследуемого образца и модели АЧТ с образцом проводится по формуле

'об

71

'0.

то

'Ь'Г0

Е.

об-.

об+ачт.

К

к.

2.

Го

О)

7'0 '•. То

- амплитудные значе-

ния спектральных компонент излучения образца и модели АЧТ с образцом; ех т и

Х.Г0

- эффективные спектральные излуча-тельные способности исследуемого образца и графитовой печи как модели АЧТ; К,

коэффициент, учитывающий отличие модели АЧТ с образцом от просто модели АЧТ; К2 - коэффициент охлаждения, учитывающий остывание образца от момента падения печи до момента регистрации спектра излучения.

Основная трудность определения ех г состоит в уточнении е0 и определении АТ = Г0 - Тх, так как температура Т0 модели АЧТ с образцом и температура Тх образца в момент регистрации спектров излучения не равны между собой. Вопросы несовершенства модели АЧТ (е0 ] и улучшение

ее характеристик рассматриваются отдельно [2, 5].

В приближении Вина для спектральных компонент излучения образца и модели АЧТ при температурах Тх и Т0 соответственно имеем:

/

7|

с2

V

Ґ

Тогда

£об, ,, е0

К,

-схХ 5 ехр

ХТ,

■^об+ачт; ,0 ^\, 7(1

= ІПЄ, т —-

X

о

1 1

т

Чо

С учетом (1)

Г, =1П£Ч, г0 +

1 1

Т

(2)

(3)

(4)

(5)

і /

где еХ Та - монохроматическая излучатель-ная способность образца в нулевом приближении.

Таким образом, чтобы определить истинные значения ех т необходимо в процессе эксперимента найти разность значений температур модели АЧТ Т0 и образца Тх. Существуют два метода определения истинной температуры образца в момент измерения спектральных компонент излучения -прямой и косвенный.

Косвенный метод включает в себя исследование процесса охлаждения образца. Темп изменения температуры регистрируется яр костным методом. Система регистрации включает в себя яркостный пирометр «РЬоШтайс» с постоянной времени 1 мс, показатель визирования 1/600, эффективная длина волны 0,65 мкм. Чувствительность по температуре собранной измерительной системы регистрации охлаждения составляет 1 К на уровне 1500 К. По полученным данным экспериментов строятся кривые охлаждения в диапазоне рабочих температур 1200-1800 К.

После регистрации спектров излучения модели АЧТ (при Т0) и образца (Тх -Т0 -Ат) рассчитывают значение спектральной излучательной способности с учетом температуры охлаждения (АТ), беря ее в зависимости от времени срабатывания затвора. В данном случае погрешность определения АТ определяет только уровень значения т и на характер изменения излучательной способности образца не влияет.

Прямой метод подразумевает определение истинной температуры образца по собственному тепловому излучению.

Ни один из методов оптической пирометрии (радиационный, частичного излучения, цветовой), взятый в отдельности, не позволяет определить истинную температуру исследуемого объекта по его собственному тепловому излучению. Поэтому разработка и исследование методов полихроматической пирометрии является актуальной за-

дачей. В литературе [3] приведены и систематизированы методы пирометрии, основанные на спектральном распределении теплового излучения. Данная работа позволяет на основе единого подхода сопоставить и выбрать метод пирометрии применительно к конкретным условиям. Тем не менее объекты изучения столь разнообразны, что для каждого из них необходимо проводить тщательное исследование.

В работе [4] показана возможность определения истинной температуры и излу-чательных характеристик по собственному тепловому излучению из систем уравнений, связывающих разности обратных яркостных температур и аппроксимации излучательной характеристики функцией вида

єх = ехр

Ч'=°

где аі - коэффициенты полинома, подлежащие определению; т - порядок полинома; п - число используемых монохроматических компонент.

Однако такой путь не самый лучший, т.к. целесообразнее использовать методы пирометрии, позволяющие исключить влияние излучательной способности.

В работе [5] предложен метод полихроматической пирометрии для определения истинной температуры и излучательных характеристик при минимальном объеме априорной информации. Формулы условных температур, полученных в приближении Вина, имеют вид

Т~х -т;х =Хс~11пвх, (7)

при цветовом методе спектрального отношения:

Єї

т <п

(6)

Л2С2

-I

1п-

(8)

при цветовом методе двойного спектрального отношения для трех длин волн:

г -Т.,

■ Л3с2

1п

%

Л~з' =ГХ +Г3‘ -2Г2'

(9)

и для четырех компонент спектра:

т = л4с2 іп

л;1 = х;1 + г3' - х;1 - . (1 о)

Если неизвестны абсолютные или относительные значения ех в спектральном диапазоне полихроматического пирометра, то задача определения истинной температуры может быть решена только путем измерения ряда условных температур и некоторых допущений о характере е> . Основным требованием к ех является монотонный характер ее изменения в спектральном диапазоне пирометра. На рисунке представлены четыре возможных вида функции8х.

1.5

К, мкм

Рисунок

Из соотношений (9), (10) следует, что информация об излучательных характеристиках может быть получена в виде независимых от температуры выражений. Действительно, если длины волн в уравнении (10) выбраны так, что

-1

А., +

■К'+К'> (11)

то при А —» со , выходной сигнал пирометра

и0=\п-

8, 8

X, X.,

(12)

при 2, 4 ио >0. Монохроматические потоки в длинах волн Х], X", Х3 и Х1, Х\, Хъ позволяют измерить две цветовые температуры двойного спектрального отнощения Т и

Т

Гз

в эквивалентных длинах

Уз ВОЛН

лу>гЫ

лУз|>0, |л

Уз

< 0. Соотношение

характеризует излучательную способность гх и не зависит от температуры. При зависимостях вида 1, 3 (см. рисунок) ио < 0, а

между Гуз, и цветовой температурой

спектрального отношения Тсд дает возможность установить спадающий 1, 2 или возрастающий 3, 4 характер изменения е; (см. рисунок). Таким образом, по четырем спектральным яркостям в предположении о монотонности ех возможно установить качественный характер ее изменения.

Для получения количественных результатов необходимо задать вид аппроксимации с. . Однако для видимой области спектра даже в идеальном случае твердых веществ с оптически гладкой поверхностью нет никаких критериев для выбора вида функциональной зависимости ех. С учетом возможных погрешностей определения условных температур ех удобнее всего представлять в виде

ех = йехр{ьХт), (13)

что, учитывая возможность выбора узкого интервала (Х1, Х3), и в необходимой области спектра, как правило, выполнимо. Здесь подлежащий определению коэффициент а > 0 всегда, коэффициенты 6>0(6<0)ит>0 (т < 0) в зависимости от характера изменения (см. рисунок).

Ограничением, налагаемым на методы пирометрии (7-10), является то, что обобщенная излучательная способность (13) не должна содержать множитель вида ехр(бД). Это ограничение связано с использованием приближения Вина. Действительно, излучатель с селективностью (13) при т = \, 0<а<1пЬ>0 можно назвать «квазисерым», т.к. все цветовые температуры будут равны между собой, а Г > .

Другой возможный случай - излучатель с

селективностью (13) при /П = -1,а=1иЬ<0 можно назвать «квазичерным», т.к. все условные температуры будут равны между собой. Независимое от температуры выражение (12) и в первом и во втором случаях будет равно нулю.

Невозможность различения серого (ех - const < 1) и «квазисерого» характера излучения, а также черного (sx = 1) и «квазичерного» приводит в первом случае к завышенной, а во втором случае заниженной оценкам истинной температуры. Снять данное ограничение можно выбором спектрального интервала, в котором приближение Вина не может быть использовано.

Для температурных измерений поверхности исследуемых образцов при проведении экспериментов на установке ВУТС-1, оптимальным является использование спектрального диапазона от 1,0 мкм до 2,0 мкм, что дает возможность выбрать для коэффициента к значение не менее 1,5. Выбранная последовательность рабочих длин волн и спектральных светимостей объекта, позволяет получить значения пропорциональные следующим оптическим температурам, например:

- четырем яркостным с Хэф = 1,3; 1,5; 1,625; 1,95 мкм (7);

- шести цветовым спектрального отношения (8);

- двум цветовым двойного спектрального отношения (9);

- одной четырехцветовой температуре (10).

В настоящей работе предложен следующий метод определения излучательных характеристик и истинной температуры поверхности исследуемого материала.

1. Находят показатель селективности т по трем измеренным цветовым температурам (одной спектрального и двум двойного спектрального отношения) из формулы

-т;:)=f(m,k,K). (14)

2. По независимому от температуры выражению (14) находят коэффициент Ь\

b = Ur

1 + кт -

к +1

ґ к2 +к4 к +1

л-1

Г

(15)

3. Коэффициент а находят по измеренным яркостной и цветовой спектрального отношения температурам:

г к /.» л Л С,

In а = Ь7 "

к-1

(16)

4. Определяют истинную температуру по одной из формул (7-10).

Известно, что цветовая температура двойного спектрального отношения при селективности излучателя (13) совпадает с истинной, если длины волн удовлетворяют условиям [4]:

Х,=Х; Х3=кХ; Х2=Х^(кт +л). (17)

Оптимальная чувствительность метода будет при выборе Х2 для т = 1.

Тогда

К

г_*(*+і).

к2 +\ ’ 2

■■X

к +1

(18)

С учетом (11) и (18) выражение (14) при к - 1,5 примет вид

Дт,кХ,)=1+—-" --2:1,25"*—. (19) 1,5+ 1,5”-2,5-1,1539м

По наиболее достоверным данным для вольфрама предложенный метод был проверен расчетным путем. Данные расчетов для вольфрама при температуре 2600 К представлены в таблице.

Таблица

т = 3 = 0,45100 мкм Т =2620 К %

11 Хг = 0,56375 мкм Т = 2647 К со

Ъ = -0,5379 Х3 = 0,67650 мкм 7 =2555 К

а = 0,47586 X.' = 0,52038 мкм 7\. =2733 К

А,’ = 0,56375 мкм (/„ = 0,03049 В

Для исключения влияния оптической системы на приемник излучения должен поступать и спектр эталонной лампы. Была использована лампа СИ 10-300 № 155, пита-

ние осуществлялось стабилизированным источником СИП-30. Градуировку температурной лампы проводили с шагом в 100 К методом сличения с показаниями прецизионного пирометра ЭОП-66.

Предложенный метод позволяет определять истинную температуру поверхности с погрешностью ± 1 % от измеряемой температуры при чувствительности полихроматического пирометра не хуже ± 2 К на уровне 2000 К в пределах видимой области спектра. При этом обеспечивается погрешность определения излучательной способности на уровне 10 % (Де; <10 %). При переходе от к истинной температуре Гист погрешность данного метода составит 1 %. Например для яркостной температуры при средних значениях X - 1 мкм, Т = 1500 К, С, = 14388 мкм • К, имеем

АТ __ ХТ Аек ^ 1 Двх Т С2 8, 10 8Х

Интегральная излучательная способность образца определяется по формуле

Вт — *0

'Об т

■К,

Р К “т*

■^об+ачт^ 1 1 .

(20)

где £г И 80

го ?Ь

эффективные интегральные

излучательные способности исследуемого образца и графитовой печи как модели АЧТ; Е 5+ , Е0б - максимальный электриче-

То Т\

ский сигнал приемно-регистрирующей системы, соответствующий интегральному лучистому потоку, воздействующему на пироэлектрический приемник излучения от модели АЧТ с образцом и от образца соответственно; К] - коэффициент, учитывающий

отличие модели АЧТ с образцом от просто

модели АЧТ; К2

{ гр \

о

Т

V I У

- коэффициент

охлаждения, учитывающий остывание образца от момента падения печи до момента регистрации спектра излучения.

Здесь Т0 и Тх - температуры изотермического равновесия образца и модели

АЧТ, а также образца в момент регистрации интегрального излучения.

Данная методика позволяет непосредственно контролировать эффективность выбранной модели АЧТ, найти интервалы длин волн X и температур Т, в которых модель АЧТ обладает селективностью. При выполнении условия (11) выходной сигнал пирометра характеризует излучательную способность исследуемого образца, например модель АЧТ, и не зависит от температуры нагрева (12). Метод определения эффективности модели АЧТ следующий. По формуле (18) рассчитываются четверки рабочих длин волн А.,, Х'2, Х"2, Х3, удовлетворяющих условию (11). Берутся значения спектральных светимостей излучения модели АЧТ для выбранных длин волн и по формуле (12) рассчитывается значение выходного сигнала пирометра и°, соответствующее данной рабочей температуре нагрева Т.

Сравнивая значения и£ во всем температурном диапазоне, можно судить об эффективности выбранной модели АЧТ, найти рабочий интервал длин волн, в котором излучение данной модели не селективно.

Литература

1. Петров В.А., Резник В.Ю. Экспериментальное исследование интегральной нормальной излучательной способности частично прозрачных материалов. В кн.: Теплофизические свойства твердых веществ. - М.: Наука, 1973. - С. 120-125.

2. Русин С.П. Простой способ расчета эффективного излучения в неизотермических полостях и камерах с помощью оптико-геометрических функций // Инженерно-физический журнал. - 1980. - Т. 39. -№ 1,-С. 154-156.

3. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. - М.: Наука, 1968.

4. Снопко В.Н. Методы оптимальной полихроматиче-

ской пирометрии // ТВТ. - 1987. - Т. 25. - № 5. -С. 980-986.

5. Колесниченко А.Н. Исследование излучательных характеристик и температуры поверхности при реальном характере излучения // Научн. тр. / МЛТИ. -1980.-Вып. 129.-С. 164-169.