Способ и устройство для измерения направленного коэффициента инфракрасного излучения материала
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING A DIRECTED COEFFICIENT OF INFRARED MATERIAL RADIATION

Изобретение относится к области экспериментальной стендовой базы измерений направленного коэффициента инфракрасного (ИК) излучения исследуемого материала при высоких температурах, данные о котором необходимы при решении задач, связанных с определением полей яркости ИК излучения нагретых тел сложной формы. Направленный коэффициент излучения характеризует излучательную способность материала в определенном направлении и определяется, в частности, как отношение яркости данного материала к яркости эталонного излучателя при их одинаковой температуре и в одном направлении наблюдения. На Фиг. 1 представлена оптическая схема, поясняющая определение направленного коэффициента излучения, где O,X,Y,Z - прямоугольная система координат, dS - элемент поверхности материала или эталонного излучателя, dФ - поток излучения от элемента dS в телесном угле dω в направлении, характеризуемом углами θ, ϕ. Яркость материала или эталонного излучателя определяется как отношение потока dS к произведению величин dS и dω.
Моделирование полей яркости или термограмм ИК излучения протяженного объекта осуществляется, как правило, в ИК поддиапазонах длин волн, соответствующих рабочим спектрам приемников излучения оптико-электронных средств (ОЭС). Для этого традиционно используются спектральные характеристики ИК излучения материалов с последующим интегрированием яркости по длине волны в рамках рассматриваемого рабочего поддиапазона ОЭС. На практике применим и другой путь создания термограммы объекта с использованием спектрозонального направленного коэффициента ИК излучения материала, измеренного в том же поддиапазоне длин волн, в котором осуществляется формирование картины полей яркости излучения объекта. В этом случае практически полностью учитываются особенности восприятия ИК излучения объекта ОЭС с конкретным приемником ИК излучения.
Измерение спектральных и спектрозональных характеристик направленного коэффициента ИК излучения материала связано с непосредственным сравнением яркости излучения при одинаковых температурах нагрева образца материала и эталонного излучателя, причем в качестве эталонного излучателя применяют модель абсолютно черного тела (АЧТ) или образец материала с известным коэффициентом излучения. При этом необходимо уделять пристальное внимание процедуре нагрева образца материала и эталонного излучателя и обеспечению стабильности их рабочей температуры. В случае высокотемпературных измерений нагрев образца материала и эталонного излучателя должен осуществляться внутри вакуумной камеры или камеры с инертными газами для исключения окисления их поверхностей и изменения их оптических свойств.
Известен способ измерения, когда образец материала и эталонный излучатель последовательно нагревают в одной и той же термокамере после их замены на оптическом столике (Шейндлин А.Е. Излучательные свойства твердых материалов. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.). Примером реализации данного способа является устройство для измерения угловых зависимостей спектральных коэффициентов инфракрасного излучения материалов (Потапов Ю.Ф., Витковский В.В., Горшенев В.Г., Патент №2339921, приоритет от 16.05.2007 г. «Устройство для измерения угловых зависимостей спектральных коэффициентов инфракрасного излучения материалов»). Недостатком данного способа является большая трудоемкость измерений и сложность обеспечения полного совпадения условий измерений, обусловленные необходимостью отключения термокамеры для замены образца материала на эталонный излучатель с последующим обеспечением тех же температурных и угловых условий измерений.
Из известных способов для измерений направленного коэффициента ИК излучения материалов наиболее близким по технической сути к предлагаемому и принятым за прототип является способ, при котором образец материала и эталонный излучатель размещены в одной термокамере, а нагрев осуществляется одновременно (Шейндлин А.Е. Излучательные свойства твердых материалов. - М.: Энергия, 1974. - 472 с.). Реализация данного способа осуществлена в устройстве (G.W. Autio, E. Skala Normal Spectral Emissivity of Isotropic and Anisotropic Materials «Ракетная техника и космонавтика» (русский перевод), 1965, №4, с. 206-208).
Основными недостатками этого способа и соответствующего устройства являются:
- сложность конструктивного обеспечения равномерного прогрева образца материала и эталонного излучателя, обусловливающая использование средств одностороннего их нагрева с присущей им неравномерностью температурного поля;
- узкий угловой диапазон измерений, что связано с отсутствием учета соотношения угловых размеров поля зрения приемника и площади проекции образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси приемника, приводящего на больших углах наблюдения к проявлению граничных эффектов;
- отсутствие возможности одновременного измерения спектральных и спектрозональных характеристик направленного коэффициента излучения материалов.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении при измерении направленного коэффициента излучения материала равномерности прогрева образца материала и эталонного излучателя, расширении углового диапазона измерений и увеличении количества одновременно измеряемых характеристик.
В соответствии с этим одним из аспектов изобретения для решения поставленой задачи является предлагаемый способ определения угловой зависимости направленного коэффициента ИК излучения образца материала в широком диапазоне температур, включающий совместный нагрев и дискретный поворот находящихся в одной вакуумной термокамере образца материала и эталонного излучателя и измерение их яркости излучения, в рамках которого нагрев образца материала и эталонного излучателя, имеющих форму пластин, осуществляют со стороны внутренних и внешних их поверхностей плоскими нагревателями за счет контактного и радиационного способов нагрева соответственно, радиационный нагреватель после окончания нагрева выводят из зоны измерений, оставляя его в пределах термокамеры, диапазон углов измерений расширяют, придавая образцу материала и эталонному излучателю одинаковую форму, удлиненную в направлении нормали к оси поворота, измерения проводят одновременно в спектральном и спектрозональном представлении с использованием разделителя потока.
Таким образом, способ позволит обеспечить равномерный прогрев образца материала и эталонного излучателя, повысить точность измерений, увеличить угловой диапазон измерить и расширить информационность об оптических свойствах материала.
В соответствии с другим аспектом изобретения для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения угловой зависимости направленного коэффициента ИК излучения образца материала, содержащее вакуумную термокамеру, поворотный оптический столик для размещения образца материала и эталонного излучателя и систему измерений их яркости излучения, в котором содержится дополнительно набор из, как минимум, двух плоских нагревателей, один из которых для контактного нагрева образца материала и эталонного излучателя, а другой - для их радиационного нагрева, радиационный нагреватель состоит из двух плоских нагревателей в виде «вилки», между которыми размещаются образец материала и эталонный излучатель при нагреве, а система измерений состоит из спектрометра и тепловизора, расположенных под прямым углом друг к другу с установкой разделителя потока в точке пересечения их оптических осей.
Устройство для измерений направленного коэффициента ИК излучения материалов поясняется фиг. 2, на которой представлена схема предлагаемого измерительного устройства, и фиг. 3, на которой показано сечение А-А вакуумной термокамеры. В процессе разработки устройства было учтено, что при высокотемпературных измерениях в термокамере необходимо обеспечить отсутствие атмосферных газов, приводящих к окислению поверхности образца и изменению его оптических свойств. Это было достигнуто за счет вакуумирования объема термокамеры.
Устройство для измерений направленного коэффициента ИК излучения материалов при высоких температурах состоит из вакуумной термокамеры, поворотного оптического столика и приемника излучения. Основными конструктивными элементами предлагаемого устройства являются: вакуумная термокамера 1 с двойными стенками корпуса 2, герметичный люк термокамеры 3, поворотный оптический столик 4, двухсторонний плоский контактный нагреватель 5, образец материала в виде пластины 6, эталонный излучатель 7, вал 8 механизма поворота оптического столика, вакуумный ввод 9 для вала 8, свободная зона вакуумной камеры 10, два плоских радиационных нагревателя 11, шток 12 для перемещения нагревателей 11, вакуумный ввод 13 для штока 12, оптическое окно 14, корпус измерительной системы 15, разделитель потока 16, спектрометр 17, тепловизор 18, блок автоматического управления 19, вакуумный насос 20, мелкодискретный привод вращения 21.
Вакуумная термокамера 1 предлагаемого устройства конструктивно выполнена с двойными стенками 2 для прокачки охлаждающей жидкости (воды), что позволяет снизить и стабилизировать температуру внутренних поверхностей камеры, уменьшая тем самым их влияние на результат измерений.
В корпусе камеры предусмотрен герметичный люк 3, через который осуществляется установка образца материала и эталонного излучателя. Внутри камеры размещается оптический столик 4, конструкция которого обеспечивает крепление образца материала 6 и эталонного излучателя 7, их нагрев и поворот при измерениях. Для нагрева образца материала и эталонного излучателя предусмотрен двухсторонний плоский контактный нагреватель 5, обеспечивающий их нагрев за счет теплопроводности. При этом на одной стороне нагревателя плотно закрепляется образец материала в виде удлиненной пластины 6, на другой стороне - таких же размеров эталонный излучатель 7. Дистанционный контроль и регулирование рабочей температуры нагревателя в широком диапазоне осуществляются при помощи блока автоматического управления 19.
При измерениях предусмотрен дополнительный нагрев визируемых поверхностей образца материала и эталонного излучателя с помощью двух плоских радиационных нагревателей 11 в виде «вилки», выдвигаемой из свободной зоны камеры 10 за счет линейного движения штока 12 через вакуумный ввод 13 для размещения внутри нее образца материала и эталонного излучателя. При этом их нагрев осуществляется в отличие от контактного нагревателя за счет теплового излучения радиационных нагревателей также с контролем и регулировкой рабочей температуры, как и в первом случае, при помощи блока автоматического управления 19. После достижения установившегося температурного режима образца материала и эталонного излучателя радиационные нагреватели 11 выводятся из сектора измерений обратно в свободную зону 10 вакуумной термокамеры.
Предусмотренное в конструкции оптического столика одновременное размещение образца материала и эталонного излучателя значительно упрощает процесс измерений и обеспечивает полное совпадение температурных и пространственных условий измерений без выключения вакуумной термокамеры для замены образца на эталонный излучатель. Это повышает точность результатов и существенно снижает трудоемкость измерений.
Использование образца материала с удлиненной геометрией расширяет угловой диапазон измерений и повышает точность измерений при больших углах наблюдения, поскольку необходимое соотношение угловых размеров поля зрения приемника и площади проекции образца в плоскости, перпендикулярной оптической оси приемника, соблюдается в более широком диапазоне углов наблюдения. Следовательно, проявление граничных эффектов сдвигается в сторону больших углов наблюдения, расширяя угловой диапазон измерений.
Применение на внутренних стенках вакуумной термокамеры антибликового покрытия позволяет исключить влияние переотражений ИК излучения на величину измеряемого потока излучения от образца материала, что повышает точность измерений.
В боковой стенке вакуумной термокамеры установлено окно из оптически прозрачного материала 14, предназначенное для визирования образца материала и эталонного излучателя с помощью измерительных приборов. Для распределения измеряемого потока излучения на спектрометр 17 и тепловизор 18 установлен разделитель потока 16 на пересечении их оптических осей. Измерительные приборы с разделителем потока установлены в корпусе 15, соединенном с внешней поверхностью вакуумной термокамеры 1. На внутренние стенки корпуса 15 измерительной системы также нанесено антибликовое покрытие.
При измерениях с помощью предлагаемого устройства (Фиг. 2) используется относительный метод определения коэффициента ИК излучения как результата последовательных измерений значений яркости ИК излучения образца материала и эталонного излучателя, нагретых до заданной температуры одной и той же системой нагревателей и находящихся в одних и тех же условиях наблюдения в вакуумной термокамере с охлаждаемыми стенками и антибликовым внутренним покрытием, с учетом известного значения коэффициента ИК излучения эталонного излучателя.
Для этого процедура измерений осуществляется следующим образом. При открытом люке вакуумной камеры на оптический столик устанавливаются образец материала и эталонный излучатель. После герметизации камеры включается ее жидкостное охлаждение и с помощью вакуумного насоса 20 производится откачка воздуха. При достижении внутреннего рабочего давления включаются контактный и радиационные нагреватели образца материала и эталонного излучателя. После достижения и стабилизации заданной рабочей температуры радиационные нагреватели выводятся из зоны измерений в свободную зону вакуумной термокамеры, а контактный нагреватель с закрепленными на нем образцом материала и эталонным излучателем дистанционно с помощью мелкодискретного привода вращения 21 и вала 8 механизма поворота через вакуумный ввод 9 поворачивается на ± 360° с дискретным шагом. В процессе поворота при различных углах наблюдения проводятся измерения яркости излучения образца материала и эталонного излучателя с помощью спектрометра и тепловизора, объективы которых сфокусированы на поверхность образца или эталона. Искомый коэффициент ИК излучения материала определяется по отношению соответствующих значений яркости образца и эталонного излучателя с учетом известного значения коэффициента излучения эталона.
Предлагаемое устройство обеспечивает получение информации об угловых зависимостях коэффициентов ИК излучения металлических, диэлектрических и композитных материалов при высоких температурах с любыми направленными оптическими свойствами.