КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
CONTAINER FOR OPTICAL-ELECTRONIC DEVICES

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам защиты оптического тракта оптико-электронных приборов и систем от влияния тепловых возмущений.
Известны устройства защиты оптических трактов оптико-электронных приборов и систем от температурных и турбулентных неоднородностей показателя преломления газовой среды, позволяющие уменьшить или вовсе исключить влияние тепловых воздействий.
Например, устройство защиты оптического тракта оптико-электронной системы (см. Пат. РФ №137630, МПК G12B 07/00, приор. 17.09.2013), включающее заполненный при пониженном давлении газообразной средой с теплопроводностью не ниже 0.05 вт/(м °K) и точкой росы не выше -50°С герметичный металлический корпус с фиксированной в пределах упругих деформаций площадью внутренней поверхности, с окнами и штуцером в корпусе. Такое устройство защиты оптического тракта не позволяет контролировать состояние оптической среды.
Большое число оптических измерительных приборов для получения высокой точности измерений помещают в герметичные, снабженные оптическими окнами, заполненные сухим газом или вакуумированные контейнеры. Среди оптических измерительных приборов есть и такие, которые требуют их установки внутри контейнера на платформы, позволяющие их горизонтировать. В приводах многих из них имеются тепловыделяющие устройства. Тепловые возмущения, возникающие в таких случаях, приводят к изменению настроек оптических приборов и появлению в оптической среде конвективных и турбулентных тепловых потоков, ухудшающих результаты измерений. В таких условиях, когда в процессе измерений одновременно действуют и внешние, и внутренние тепловые возмущения, на первый план выдвигается задача контроля параметров состояния газовой среды внутри замкнутого объема и корректировки настроек оптических приборов по результатам этого контроля.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по большинству существенных признаков является контейнер для оптико-электронных приборов (см. Пат. РФ №2689898, МПК G12B 07/00, приор. 15.08.2018.), включающий основание, кожух, на внутренних стенках которого установлены термоэлементы, и блок управления с термодатчиком, при этом основание и кожух образуют герметичный контейнер, заполненный инертным газом; в корпус контейнера встроены коммуникационный блок и два штуцера.
Основным недостатком названного устройства является длительное время подготовки оптико-электронных приборов к проведению измерений, а также невысокая точность измерений из-за отсутствия информации о состоянии газовой среды.
При проведении исследований нами было показано, что наиболее информативной характеристикой газовой среды, одновременно связанной с температурой оптической среды и определяющей показатель ее преломления, является диэлектрическая проницаемость, от которой зависят величины емкости и тангенса диэлектрических потерь газовой среды устройства. Также нами определены условия выбора газа или газовой смеси, обладающих наименьшей энтропией во время температурных флуктуаций.
Зависимость мощности, рассеиваемой в газовой среде, от температуры Р(°Т) найдена экспериментально и определена как
Р(°Т)=k2πfΔC(°T)Δtgδ(°T), Вт, где
k - коэффициент пропорциональности;
f - частота источника питания при напряжении источника, равном 1 в, Гц. Зависимость величины внутренней энергии газовой среды устройства от температуры Q(°T) определена как
Q(°T)=(i/2)(m/μ)R°T, Дж, где
i - число степеней свободы атомов газа;
m - масса газовой среды в устройстве, г;
μ - молекулярный вес газа, г/моль;
R - универсальная газовая постоянная, дж/(моль °K).
Определив зависимость от температуры диэлектрической проницаемости оптической среды и величины активного сопротивления газовой среды устройства, мы получили возможность определять рассеиваемую в газовой среде мощность и время завершения в устройстве переходных процессов в результате тепловых возмущений.
Техническим эффектом заявляемого изобретения является повышение оперативности и точности измерений.
Такой технический эффект получен нами, когда в контейнере для оптико-электронных приборов, содержащем заполненный газообразной средой с теплопроводностью не ниже 0,05 вт/(м °K), точка росы которой не выше - 50°С, герметичный корпус с, по меньшей мере, одним окном, со штуцером, термодатчиком, коммуникационным блоком и блоком управления, новым является то, что в устройстве корпус и штуцер выполнены металлическими и разделены электроизоляционной втулкой, блок управления выполнен в виде следящей системы, содержащей измеритель иммитанса* (* Иммитанс - это полное сопротивление или полная проводимость [Я.Н. Лугинский, М.С. Фези-Жилинская, Ю.С. Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]) среды с источником питания, вычислительное устройство с памятью и таймером, при этом один вход измерителя иммитанса среды электрически связан с корпусом, второй - со штуцером, выходы измерителя иммитанса и термодатчика связаны с вычислительным устройством, а газообразная среда выбрана из условия
1
1
2
2
n
n
3
(cρ+cρ+…+cρ)≤934.2 дж/(м °K), где
i
c - удельная теплоемкость компонента газовой среды, дж/(кг °K);
i
3
ρ - плотность компонента газовой среды, кг/м;
n - число компонентов газовой среды.
Выполнение прокладки в зазоре между боковой поверхностью окон и поверхностью корпуса из низкоплавкого материала позволяет совместить технологические операции при изготовлении контейнера и существенно упростить конструкцию устройства, значительно сократив трудоемкость и, соответственно, его стоимость, (см. п. 2 Формулы).
На фиг. 1 представлена общая схема устройства, где герметичный корпус 1, окно 2, прокладка 3, штуцер 4, термодатчик 5, коммуникационный блок 6, электроизоляционная втулка 7, измеритель 8 иммитанса среды с источником питания, вычислительное устройство 9 с памятью и таймером;
← → ↔ направление передачи сигнала.
На фиг. 2 графически представлены полученные нами зависимости, где кривая 10 - зависимость диэлектрической проницаемости от температуры АС(°Т), пф; кривая 11 - зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры Δtgδ (°Т); кривая 12 - зависимость мощности, рассеиваемой в газовой среде в зависимости от температуры Р(°Т), Вт; прямая 13 - зависимость величины внутренней энергии газовой среды устройства от температуры Q(°T), Дж;
Δt - задаваемый таймером интервал времени, в течение которого производится измерение и усреднение указанных величин, сек;
пунктиром указана середина интервала Δt;
i
P - среднее значение мощности на измерительном интервале, Вт;
1
Q - начальная величина внутренней энергии газовой среды устройства, Дж;
2
Q - конечная величина внутренней энергии, Дж.
Заявленный контейнер работает следующим образом.
Металлический корпус контейнера изготавливают с металлическим штуцером, установленным через электроизоляционную втулку. Корпус контейнера вакуумируют и заполняют газом.
Благодаря установке металлического штуцера через электроизоляционную втулку, между корпусом и штуцером получаем емкостную пару, величина емкости которой определена материалом диэлектрика и площадью меньшей из обкладок конденсатора. Характеристики емкостной пары определяют измерителем иммитанса - прибором для измерения электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, входы которого подключают к штуцеру и корпусу контейнера.
Исполнение блока управления в виде следящей системы позволяет непрерывно получать информацию о состоянии газовой среды, сравнивать полученные данные с базовыми величинами и прогнозировать ее поведение с учетом параметров возмущений и характеристик устройства.
н
н
н
н
в
в
В рабочем состоянии устройства сигнал от термодатчика, расположенного на корпусе устройства, непрерывно поступает на вход дифференцирующего блока вычислительного устройства. При поступлении теплового импульса, свидетельствующего о быстром нагревании или охлаждении корпуса устройства, включается таймер и измеритель иммитанса. Таймер задает период измерений и время их окончания, а измеритель иммитанса определяет параметры С и tgδ емкостного датчика, образованного поверхностью корпуса устройства и поверхностью штуцера. Измеренные значения поступают на вход блока сравнения вычислительного устройства. Одновременно на вход вычислительного устройства от термодатчика поступают значения температуры. Поступающие на вход блока сравнения следящей системы значения С и tgδ сравниваются с выбранными из памяти вычислительного устройства величинами С и tgδ, соответствующими текущему значению температуры Т °K. Значения разностей ΔС и Δtgδ, определенные в блоке сравнения, поступают на вход блока умножения вычислительного устройства с временным интервалом, задаваемым таймером. При достижении величины внутренней энергии газовой среды, соответствующей ее температуре, и определяемой величиной ее массы, таймер формирует команду готовности к измерениям. Эта команда может быть отражена на световом индикаторе.
Дифференцирующий блок, блок сравнения, блок умножения в вычислительном устройстве могут быть реализованы программно.
Пример конкретного исполнения.
Авторами была разработана рабочая конструкторская документация, по которой были изготовлены два опытных образца контейнера.
Корпус устройства изготовлен из титана и покрыт черным никелем.
В качестве штуцера был использован изготовленный из меди штенгель, электроизоляционная втулка изготовлена из капролона. К штуцеру и корпусу был подключен измеритель емкости и тангенса угла диэлектрических потерь LCR-817, температура корпуса измерялась ртутным термометром ТЛ-19 ГОСТ 2045-71.
В конструкции устройства в зазоре между боковой поверхностью окон и поверхностью корпуса была уложена проволока диаметром 0.4 мм из легкоплавкого материала индия (In). Во время удаления адсорбированной влаги устройство было нагрето до температуры плавления индия, который при этом заполнил зазор, образовывая при остывании герметичную прокладку, а устройство при этом вакуумировалось. Данное совмещение технологических операций позволило существенно упросить конструкцию устройства и технологический процесс его изготовления, значительно сократив трудоемкость и его стоимость.
После проверки на герметичность нами экспериментально получены тепловые характеристики устройства в вакуумированном и газонаполненном состоянии; определена зависимость от температуры, по которой изменяется диэлектрическая проницаемость газовой среды устройства.
в
в
Перед началом работы были определены показатели зависимости устройства от температуры в вакуумированном состоянии С и tgδ, состав и масса компонентов газовой смеси, и записаны в память вычислительного устройства.
Значения емкости и тангенса диэлектрических потерь в зависимости от температуры после заполнения устройства газом приведены в Таблице 1 и Таблице 2.
После обработки экспериментальных данных мы получили характеристики устройства, приведенные к температуре 20°С. (Подходы к решению задачи экстраполяции экспериментальных данных известны).
н
[0.0075(t-20)+0.0002(t-20)^2]
С=4.84е, пф;
в
[0.0057(t-20)+0.0002(t-20)^2]]
С=4.59е, пф;
н
0.0402(t-20)
tgδ=0.042е;
в
0.0383(t-20)
tgδ=0.032e.
Заявленную конструкцию контейнера предполагают использовать при проведении работ по модернизации систем передачи азимута, например, для используемого устройства передачи азимута, по пат. №2408840.