CC BY
14
УДК 536.6
Н.А. Курбатова, Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов СГГА, Новосибирск
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ПОЛОСТИ МОДЕЛИ АЧТ
N.A. Kurbatova, D.P. Trocenko, V.Ya. Cherepanov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
MEASURING INSTALLATION FOR RESEARCHES OF TEMPERATURE AND THERMAL FIELDS OF A CAVITY OF ABSOLUTELY BLACK BODY
The measuring installation for study of dependences of factor of blackness absolutely black body from heterogeneity of temperature and density of a thermal flow of a radiating cavity, emissive of her surface and diameter of a target aperture is developed.
Для определения метрологических характеристик различных оптико-электронных приборов и комплексов все большее распространение получают различные излучатели, реализующие абсолютно черное тело (АЧТ). Модели АЧТ осуществляют в виде полости с хорошо поглощающими внутренними стенками, снабженной небольшим отверстием. Условие малости отверстия заключается в том, что его площадь должна быть намного меньше площади внутренней поверхности полости АЧТ [1]. Кроме этого, строгое выполнение законов «черного» электромагнитного излучения соблюдается лишь при условии постоянства и однородности температурного поля излучающей полости.
Близость излучения реальных тел к такому черному излучению определяется коэффициентом черноты s (коэффициентом теплового излучения, степенью черноты, излучательной способностью), который для реальных тел может изменяться в диапазоне 0 < s < 1. Для моделей АЧТ близость этого коэффициента к единице определяется, как правило, расчетным путем [2].
В данной работе рассмотрена измерительная установка, разработанная для изучения влияния указанных условий на коэффициенты черноты тепловых излучателей в виде модели АЧТ.
Схема установки приведена на рис. 1.
Установка состоит из прецизионного жидкостного термостата 1, в рабочее пространство которого помещается тепловой излучатель 2 с выходным отверстием 3, тепловой поток через которое измеряется датчиком 4. Излучатель выполнен в виде куба из стеклотекстолита, покрытого полированной медной фольгой. На внутренней поверхности каждой грани, имеющей размер (150*150) мм, расположены датчики теплового потока в виде дисков диаметром 25 мм и толщиной 2 мм. Рядом с этими датчиками расположены чувствительные элементы 5 (спаи) дифференциальных медь-константановых
термоэлектрических датчиков температуры. Сигналы всех двенадцати датчиков измеряет многоканальный измеритель 6. Измеренные значения отображаются с разрешением в 1 мкВ на мониторе компьютера 7.
Тср > T0
6 7
3
4
2
1
5
Рис. 1. Схема измерительной установки: 1 - термостат, 2 - излучатель, 3 - выходное отверстие, 4 - датчик теплового потока, 5 - датчик температуры, 6 - измерительсигналов, 7 - компьютер
Термостат обеспечивает постоянство температуры Т0 и однородность
ее распределения по объему рабочей камеры на уровне ±5 мК в диапазоне от 20 до 150 °С. Предусмотрена также возможность термостатирования излучателя в ваннах с тающим льдом и кипящей водой.
В установке использовались термоэлектрические датчики теплового
Л
потока с коэффициентом преобразования от 70 до 80 Вт/(м •мВ). Значения этих коэффициентов определялись с погрешностью 2 % в предварительных опытах с помощью теплометрического компаратора КТМ-01 [3] и эталонного датчика теплового потока, прослеживаемого к Государственному первичному эталону единицы поверхностной плотности теплового потока ГЭТ 176-2008. Эталонный датчик размещен в отверстии излучателя. Датчики теплового потока и измеритель их сигналов
Л
обеспечивают регистрацию малых потоков с плотностью менее 0,1 Вт/м .
Значение коэффициентов черноты внутренней поверхности излучателя и поверхности датчиков теплового потока также определялись в предварительных опытах с помощью терморадиометра ТРМ-И [4].
Используемые в установке дифференциальные термоэлектрические датчики имеют чувствительность около 40 мкВ/К, что позволяет измерять разности значений температуры менее 0,05 °С.
При помещении излучателя в термостат через выходное отверстие излучателя проходит тепловой поток плотностью q, направление и интенсивность которого определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана разностью четвертых степеней значений абсолютной температуры То излучателя и температуры Тср среды. Если Т0 < Тср, например, когда
излучатель помещен в тающий лед, он становится приемником излучения, и тепловой поток q становится направленным в полость такого приемника.
Разработанная установка позволяет установить экспериментальные зависимости коэффициента черноты излучателя (по показаниям эталонного датчика) от характера распределения температуры и плотности теплового потока на внутренней поверхности граней куба, а также от коэффициента черноты этих поверхностей и размеров выходного отверстия. Это позволит выработать экспериментально обоснованные рекомендации к построению моделей АЧТ различных конструкций, а также создавать излучатели с контролируемым коэффициентом черноты излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. Статическая физика. - М. «Наука», 1964. - 568 с.
2. Куинн, Т. Температура. - М.: «Мир», 1985. - 448 с.
3. Черепанов, В.Я. Методы и средства определения метрологических хараткеристик контактных преобразователей теплового потока // Измерительная техника. - 2004. - № 8. - С.17-21.
4. Парфинский В.А., Середенко М.М., Шипунов В.Л. Физические основы метода измерения степени черноты на терморадиометре ТРМ // Вопросы авиационной науки и техники. Научно-технический сборник. - 1989. - № 5. - С.32 - 34.
© Н.А. Курбатова, Д.П. Троценко, В.Я. Черепанов, 2009
