УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ЧЕРНОТЫ ПОКРЫТИЙ
DEVICE FOR MEASURING EMISSIVITY OF COATINGS

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для измерений интегрального полусферического коэффициента черноты (коэффициента теплового излучения, излучательной способности, степени черноты), калориметрическим способом, основанным на зависимости радиационного теплового потока при теплообмене двух тел с разными температурами от коэффициента черноты их поверхности.
Известны устройства, реализующие такой способ измерений. Аналогами предлагаемого изобретения являются устройства, реализующие калориметрический метод, основанный на измерениях температуры и радиационного теплового потока на поверхности исследуемых объектов (Новицкий Л.А. Методы и средства измерений теплового излучения тел / Теплофизика высоких температур. - 1966. - т. 4. - №4. - С. 577-587; Излучательные свойства твердых материалов / Справочник под ред. А.Е. Шейндлина. // М.: Энергия. - 1974. - 472 с.).
Чаще всего такие устройства конструктивно выполняют в виде теплообменника, содержащего тепловой излучатель, теплообменную полость и теплосток. Тепловой излучатель, покрытый исследуемым материалом, при этом размещен в теплообменной полости, снабжен внутренним нагревателем, подключенным к измерителю мощности, и термодатчиком, подключенным к измерителю температуры. Теплообменная полость выполнена в виде герметичной камеры, в которой создается вакуум. Стенки камеры выполняют функцию теплостока. Для этого их зачерняют с внутренней стороны и охлаждают ниже температуры излучателя с помощью внешнего термостата (криостата). Коэффициент черноты исследуемого покрытия рассчитывают по формулам радиационного теплообмена с учетом измеренных значений температуры и мощности, а также особенностей геометрии системы теплообмена (Новицкий Л.А. Методы и средства измерений теплового излучения тел // Теплофизика высоких температур. - 1966. - т. 4. - №4. - С. 577-587).
Недостатком таких устройств является то, что они фактически могут быть реализованы только в виде достаточно сложных и громоздких измерительных установок, содержащих вакуумную систему, устройства охлаждения и термостатирования, а также средства измерений мощности и температуры. Поэтому их нельзя использовать в качестве мобильных измерительных приборов для широкого применения в испытательных и измерительных лабораториях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, взятым в качестве прототипа, является портативный прибор для измерений степени черноты поверхностей - терморадиометр «ТЕРМ» (Рекант Н.Б., Демидов С.А., Хрусталев Б.А., Князев А.И. Устройства для измерений относительной излучательной способности (степени черноты) материалов и покрытий при комнатной температуре // Промышленная теплотехника. - 1981. - т. 3. - №1. - С. 13-19). Прибор состоит из измерительной головки и регистрирующего блока. Измерительная головка выполнена в виде цилиндрической полости (трубки) с хорошо отражающей излучение внутренней боковой поверхностью. На верхнем торце трубки укреплен медный диск, на внутреннюю поверхность которого наклеен датчик теплового потока, а на внешней его поверхности установлен нагреватель. Теплостоком при этом является находящийся, например, на столе образец исследуемого покрытия, нанесенного на поверхность какой-либо пластины. При измерениях измерительную головку прибора устанавливают нижним торцом трубки на поверхность такого образца.
Измерения с помощью прибора «Терм» проводят методом сравнения. Для этого перед началом каждого измерения необходима настройка прибора по двум эталонам с известными коэффициентами черноты. В качестве эталона с малым коэффициентом черноты используют золотое зеркало, а вторым эталоном с большим коэффициентом черноты является краска на основе жидкого стекла и сажи.
Таким образом, к недостаткам прототипа относится, прежде всего, полное отсутствие средств контроля за соблюдением постоянства температурного режима излучателя, боковой поверхности теплообменника и исследуемого образца. Это приводит, в частности, к возникновению погрешности, обусловленной изменением теплового потока, измеряемого датчиком. Следствием этого недостатка является необходимость наличия в комплекте прибора стандартных образцов с известными значениями коэффициента черноты и обязательного их применения для настройки прибора перед каждым измерением. К недостатку такого устройства относится также отсутствие возможности измерений коэффициента черноты в диапазоне температур.
Поэтому является актуальной задача создания устройства, которое позволяет повысить точность и расширить температурный диапазон измерений за счет сведения к минимуму влияния боковой поверхности теплообменника, а также благодаря возможности задавать в широком диапазоне температур и поддерживать в процессе измерений постоянство температур исследуемого покрытия, нанесенного на теплообменные поверхности излучателя и теплостока.
Технический результат от внедрения устройства заключается в том, что оно может быть выполнено в виде компактного мобильного прибора, позволяющего проводить точные измерения коэффициента черноты покрытий в широком диапазоне температур без постоянного привлечения к процессу измерений стандартных образцов с известными значениями коэффициента черноты.
Для решения поставленной задачи и достижения такого технического результата предлагается устройство, которое содержит идентичные по конструкции тепловой излучатель и теплосток, снабженные подключенными к выходу регуляторов температуры термоэлектрическими батареями Пельтье, на поверхности которых последовательно размещены подключенные к измерителю сигналов датчики теплового потока и покрытые с внешней стороны исследуемым материалом теплопроводящие пластины с подключенными к входам регуляторов температуры термодатчиками, а полостью теплообменника является фиксированный зазор между параллельно расположенными пластинами теплового изучателя и теплостока.
Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1, где:
1 - воздушный зазор, 2 - нижний датчик теплового потока, 3 - нижняя пластина с датчиком температуры, 4 - нижняя батарея Пельтье, 5 - измеритель сигналов датчиков теплового, 6 - теплоизоляция, 7 - верхняя батарея Пельтье, 8 - верхний датчик теплового потока, 9 - верхняя пластина с датчиком температуры, 10 - фиксатор зазора, 11 - регулятор температуры верхней пластины, 12 - регулятор температуры нижней пластины.
Конструкция теплового блока устройства состоит из двух содержащих одинаковые элементы половин - нижней и верхней. Каждая из этих половин может выполнять функцию излучателя или теплостока. На батарее Пельтье 4 нижней половины теплового блока закреплен датчик теплового потока 2, на котором установлена нижняя пластина 3 с исследуемым покрытием, обращенным в сторону зазора 1. На пластине последовательно размещены: фиксатор зазора 10, верхняя пластина 9 с обращенным в сторону зазора исследуемым покрытием и датчик теплового потока 8, закрепленный на верхней батарее Пельтье 7. Батареи Пельтье, датчики теплового потока и пластины с зазором окружены теплоизоляцией 6.
Датчики теплового потока подключены к измерителю сигналов 5, а датчики температуры - к входам регуляторов температуры 11 и 12. Выходы регуляторов подключены к батареям Пельтье.
2
1
Устройство работает следующим образом. С помощью регуляторов температуры задают и поддерживают постоянными значения температуры нижней и верхней пластин, соответственно, T излучателя и T теплостока. Эти значения должны находиться в интересующем диапазоне температур, для которого требуется найти значения коэффициента черноты исследуемого покрытия. При этом их разность выбирают достаточной для уверенных измерений датчиками теплового потока интенсивности радиационного теплообмена в зазоре между пластинами. Плотность теплового потока в зазоре в этом случае определяется известным из теории теплообмена соотношением
λ
2
1
є
где q=λ(T-T)/h - плотность кондуктивного теплового потока, обусловленная теплопроводностью λ воздушного слоя толщиной h в зазоре; q - плотность радиационного теплового потока в зазоре;  - приведенный коэффициент черноты, который для такой плоскопараллельной системы тел равен
1
2
х
Если пластины имеют одинаковое покрытие (∈=∈), то искомый коэффициент ∈ черноты равен
х
а уравнение измерений для получения значений ∈ имеет с учетом (1) вид
12
λ
12
∈
Здесь  - постоянная, которая задается и поддерживается постоянной в процессе измерений с помощью регуляторов температуры, q - плотность теплового потока в зазоре; q - постоянная, соответствующая q при отсутствии радиационного теплового потока в зазоре (для q=0).
2
4
λ
Постоянную А, входящую в (2), можно рассчитать по формуле, приведенной выше, с учетом, что постоянная Стефана-Больцмана σ равна 5,67 Вт/(м·К). Постоянную q можно определить путем измерений покрытий с близким к нулю коэффициентом черноты.
12
12
1
2
Наличие двух датчиков и идентичность нижней и верхней частей теплового блока позволяют точно определить значения q плотности теплового потока в зазоре путем исключения влияния остаточного теплообмена между боковыми поверхностями пластин и теплоизоляцией. При условии кососимметричного распределения температурного поля на боковой поверхности теплоизоляции относительно средней температуры зазора плотность q равна среднему арифметическому значению плотности тепловых потоков и q и q, измеряемых соответственно нижним и верхним датчиками:
12
В общем случае произвольного распределения температурного поля в теплоизоляции имеется возможность дополнительного уточнения значений q, используя среднее арифметическое значений, полученных при двух противоположных направлениях теплового потока. Смена направлений достигается, если поменять ролями излучатель и теплосток.
Необходимо отметить, что с помощью предлагаемого устройства возможны абсолютные измерения, основанные на уравнении (2), и относительные измерения, основанные на известной зависимости измеренных значений плотности теплового потока от коэффициента черноты, установленной путем калибровки прибора по стандартным образцам, например, после его изготовления.
Таким образом, в соответствии с поставленной задачей достигнут заявленный технический результат. Это подтверждается тем, что предлагаемое устройство не содержит характерных для аналогичных устройств и прототипа недостатков. Повышение точности достигается: во-первых, использованием в устройстве идентичных конструкций излучателя и теплостока с двумя датчиками теплового потока, позволяющих исключить влияние бокового теплообмена; во-вторых, использованием одинакового покрытия теплообменных поверхностей излучателя и теплостока исследуемым материалом, позволяющим повысить чувствительность благодаря удвоению площади теплообмена, а также исключить погрешность из-за неопределенности коэффициента черноты покрытия излучателя или теплостока, обычно являющегося неотъемлемым атрибутом аналогичных устройств.
Расширение температурного диапазона достигается использованием батарей Пельтье, которые могут работать как в режиме нагревания, так и в режиме охлаждения, в том числе ниже комнатной температуры. Использование регуляторов температуры обеспечивает постоянство и воспроизводимость температурного режима в тепловом блоке устройства. Это также способствует повышению точности и исключает необходимость обязательного применения стандартных образцов перед каждым измерением.