Разработка методов и средств метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.6 (031)

В.Я. Черепанов

ФГУП «СНИИМ», Новосибирск

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Тепловое поле недр Земли является результатом сложного взаимодействия внутренних источников тепла с внешними источниками или приемниками тепловых потоков, такими как Солнце и космос. С точки зрения теории теплообмена интенсивность этого взаимодействия определяется не только теплопроводностью пород земной коры и конвективным теплообменом ее поверхности с атмосферой, но и радиационным теплообменом, интенсивность которого зависит от терморадиационных свойств земной поверхности [1].

К таким характеристикам относятся, прежде всего, коэффициенты теплового излучения (излучательная способность или степень черноты). Наиболее надежным способом определения этих характеристик является их измерение. В данной работе рассматриваются разработанные ФГУП «СНИИМ» пути повышения точности и возможности метрологического обеспечения измерений коэффициентов теплового излучения различных материалов.

Известно [2], что плотность потока теплового излучения нечерного, реального тела зависит не только от его температуры, длины волны или диапазона длин волн, но и от свойств материала, а также от состояния и формы излучающей поверхности. Поэтому, если рассматривать тепловое излучение реального тела в очень узком диапазоне длин волн, то близость интенсивности такого излучения к излучению « абсолютно черного тела» при тех же длинах волн характеризуют монохроматическим коэффициентом теплового излучения Бх. Если аналогично рассматривать весь спектр излучения, то он характеризуется интегральным коэффициентом теплового излучения еь Для характеристики излучения, идущего по всем направлениям от реально нагретой поверхности, используют термин полусферический коэффициент теплового излучения бн , а идущего перпендикулярно к излучающей поверхности - нормальный коэффициент теплового излучения

Бп.

Сочетание этих понятий дает три важных для практических применений коэффициента теплового излучения: б1Н - интегральный полусферический, Бп - интегральный нормальный и б^ - монохроматический нормальный.

Коэффициент б1Н определяет теплообменные свойства поверхностей материалов, а коэффициенты б^, бп используют для введения поправок на «нечерноту» тел при измерениях температуры нагретых поверхностей монохроматическими или радиационными пирометрами и тепловизорами. Расчет тепловых потоков с поверхностей объектов обычно ведут на основе справочных данных по Бн , а результаты измерений температуры поверхности этих же объектов основаны на данных по б^ (измерения монохроматическим

пирометрами или тепловизорами) или бп (измерения радиационными пирометрами).

Насколько же отличаются коэффициенты бн и бп для одного и того же вещества (материала)? Однозначного ответа нет, прежде всего, из-за плохой сопоставимости данных, полученных на разных измерительных установках, разными методами и на различных образцах. Погрешность таких измерений обычно составляет более 5%. Для наиболее изученных полированных металлов, таких как вольфрам, тантал, молибден, платина и никель расхождения бн и бп составляют до 20% при сравнительно низких температурах и, как правило, менее 5% при температурах, близких к плавлению этих металлов.

Кроме того есть основание считать, что эти расхождения становятся малыми при больших значениях коэффициентов бн и бы. Следовательно, для многих пород и строительных материалов, имеющих значение коэффициентов теплового излучения, близкие к 0,9, это правило выполняется, хотя точного подтверждения этому нет. Таким образом сложившаяся ситуация показывает, что единственным надежным способом определения б являются не «справочные данные», которые сами по себе приведены зачастую с большой погрешностью и не гарантируют надежной идентификации поверхностей различных материалов, а измерение б реальных поверхностей. Рассмотрим основные методы таких измерений.

Калориметрический метод предназначен для измерений интегрального полусферического коэффициента теплового излучения бн и основан на закономерностях теплообмена, в которых участвуют два тела, имеющих разные температуры. Интенсивность теплообмена ( плотность теплового потока) чб определяется по закону Стефана-Больцмана дс = £„, а (Г,4 -Т24), (1)

где Бн - эффективный коэффициент теплового излучения поверхности

О

тел (0 < б < 1),а - постоянная Стефана - Больцмана, равная 5,67 *10-Вт/(м2*К4); Т,, Т2 - абсолютные температуры поверхностей тел, (К). Для измерении Бн, нагретый образец помещают в замкнутую оболочку, находящуюся при значительно более низкой температуре (Т,4 >>Т24) и имеющую значительно большую площадь поверхности, чем образец. В этом случае интенсивность теплообмена определяется только коэффициентом Бн образца. При этом, кроме того, вторым слагаемым в формуле (1) можно пренебречь и получить формулу для определения Бн калориметрическим методом [2]

Бгк= Чб /аТ,4 (2)

Схема тепловой ячейки для реализации метода приведена на рис. 1.

6 1 2

Рис.1. Тепловая ячейка для измерения £Л теплометрическим методом:

1 - нагреватель, 2 - термостатированный блок , 3 - образец, 4 - корпус вакуумной камеры, 5 - тепломер, 6 - основной термометр, 7 - дифференциальная термопара.

Поток теплового излучения плотностью д£ создается нагревателем 1, расположенным внутри термостатированного блока 2. При наступлении стационарного температурного режима (dТ^/ йт = 0) тепловой поток, идущий от нагревателя, рассеивается с поверхности образца 3 к стенкам корпуса вакуумной камеры 4, температура Т2 которой поддерживается значительно более низкой, чем Т}, например, при температуре кипящего азота (« - 196 °С).

Значение теплового потока определяют по измерениям мощности нагревателя или сигнала тепломера 5. При использовании тепломера метод называют теплометрическим [4].

В термостатированном блоке расположен основной термопреобразователь 6 - носитель температурной шкалы, который с учетом поправки, определяемой дифференциальной термопарой 7 измеряет значения температуры поверхности образца. Для этого один измерительный спай термопары располагают на поверхности образца, другой - на поверхности термопреобразователя.

Измерительные установки, реализующие калориметрический метод,

2

Рис.2. Компаратор излучательных свойств:

1 - исследуемый образец с нагревателем, 2 - стандартный образец с нагревателем, 3 -дифференциальный радиометр, 4 - тепломер, 5 - регулятор температуры стандартного образца, 6 - регулятор температуры исследуемого образца, 7 - термометр

были созданы в СНИИМ с целью создания исходных средств для метрологического обеспечения измерений е в диапазоне температур от -100 до 650 °С. С помощью этих установок исследованы температурные зависимости егъ целого ряда материалов и покрытий в диапазоне значений от 0,1 до 0,95 с погрешностью 1 ^ 2,5 %.Результат исследований - рекомендация нескольких материалов и покрытий в качестве стандартных образцов е^.

Для исследования стабильности и определения температурной зависимости , необходимых для поиска стандартных образцов, в СНИИМ разработан компаратор излучательных свойств [5] (рис. 2), который содержит плоские нагреватели с исследуемым 1 и стандартным 2 образцами материалов, расположенные на одной оптической оси по разные стороны дифференциального радиометра 4 специальной конструкции. Чувствительным элементом радиометра является дифференциальный преобразователь теплового потока (тепломер) 4, выполняющий функцию нуль-индикатора равенства плотностей тепловых потоков дх и д0, соответственно, от исследуемого и стандартного образцов. Температура Т0 стандартного образца с известным значением е °ш задается и поддерживается постоянной с помощью регулятора 5. Температура Тх исследуемого образца с искомым значением ехп устанавливается с помощью регулятора 6 по нулевому сигналу тепломера 4, что соответствует равенству значений дх и д0.

Точные значения температур образцов измеряют специально разработанным термоэлектрическим термометром 7 со следящей компенсацией теплоотвода по термоэлектродам.

Искомое значение нормального коэффициента теплового излучения исследуемого образца рассчитывают по формуле

е\ = ео„, То4 / Тх4. (3)

Погрешность компарирования коэффициентов излучения составляет 1,5^2,5 % для значений еп от 0,2 до 1,0 при температурах 100^650°С.

Для повышения точности измерений е хш необходимы надежные данные по е °ш стандартного образца. С этой целью в СНИИМ был разработан излучатель типа “черное тело” с контролируемым значением коэффициента теплового излучения. Принцип действия такого излучателя основан на использовании полуоткрытой адиабатической оболочки. Устройство излучателя представлено на рис. 3. Оно содержит никелевый блок 1 в виде АЧТ с нагревателем 2. Блок с одной торцевой и боковой поверхностей окружен адиабатической оболочкой 3, температура Т2 которой поддерживается равной температуре Т} блока с помощью дифференциальной термопары 4. Значения температур Т} = Т2 при этом измеряют термометром 5, являющимся носителем температурной шкалы.

В стационарном режиме, выделяемая нагревателем блока АЧТ мощность Р, полностью рассеивается в виде теплового потока плотностью де. При этом с учетом закона Стефана-Больцмана справедливо соотношение

P

где F - площадь наружного сечения выходного отверстия АЧТ.

Такой излучатель воспроизводит значения е п в диапазоне 100^600°С с погрешностью 1^1,5 %.

На основе рассмотренных прецизионных средств измерения полусферического и нормального интегральных коэффициентов теплового излучения подготовлен проект государственной поверочной схемы для значений е и еп в диапазоне 0,10^0,99, в котором эти средства предложены для использования в качестве установок высшей точности, компаратора и стандартных образцов (мер), обеспечивающих воспроизведение и передачу размера единиц этих важнейших терморадиационных характеристик материалов.

Рис.3. Излучатель «черное тело» с контролируемым коэффициентом

теплового излучения:

1 - модель АЧТ, 2 - нагреватель, 3 - адиабатический экран, 4 - дифференциальная

термопара, 5 - основной термометр.

Однако прекращение в последние годы серийного выпуска отечественных терморадиометров и свертывание работ по созданию и и исследованию свойств новых конструкционных материалов приостановило внедрение поверочной схемы. В настоящее время решение вопросов, прежде всего, энергосбережения и энергоаудита требует надежных данных по терморадиационным характеристикам материалов. В связи с этим создание современных технических средств приборного и метрологического обеспечения измерений этих характеристик становится вновь актуальным.

4

5

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тепловое поле недр Сибири/ Дучков А.Д., Лысак С.В., .Балобаев В.Т. и др./ Новосибирск, Наука, 1987, 196 с.

2. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е.Шейндлина. М., «Энергия», 1974, 472 с.

3. Мисяченко И.И., Черепанов В.Я. Измерительная установка для исследования и аттестации стандартных образцов излучательных свойств. /В сб.: Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. Оптико-физические свойства материалов. М., ВИАМ, 1989, с. 44-49.

4. Грищенко Т.Г., Декуша Л.В., Воробъев Л.И., Гайдучек А.В. Калориметрический

метод и устройство для определения терморадиационных характеристик

энергосберегающих материалов и покрытий/ Пром. теплотехника, т. 24, № 2-3, с. 159-164.

5. Cherepanov V. Metrological problems of heat exchange parameters measurements on

the solid surface/ IMECO-TC 12 Workshop on “Surface thermal measurements”. Budapest,

1995, c. 111-118.

© В.Я. Черепанов, 2005