Устройство для исследования энергетических и временных параметров светового излучения
DEVICE FOR STUDYING THE ENERGY AND TIME PARAMETERS OF LIGHT RADIATION

Изобретение относится к области фотометрии. Оно может быть использовано в экспериментах, связанных с исследованиями воздействия светового излучения на материалы и элементы, применяемые в современной технике, где требуется высокая достоверность значений измеряемых параметров. Например, для измерения импульсов облучения (плотности энергии, количества облучения) в испытательных зонах установок, моделирующих воздействие светового излучения ядерных взрывов на материалы и элементы, применяемые в современных образцах вооружения и военной техники. Оно может найти применение при исследовании поражающего действия светового излучения на современные и перспективные оптические и оптико-электронные приборы военного назначения. Это устройство также может найти применение при оценке эффективности средств защиты органа зрения членов экипажей боевых машин от оптического излучения высокоинтенсивных источников природного (молнии, взрывы метеоритов) и техногенного происхождения (светового излучения ядерных взрывов, взрывов ударно-световых боеприпасов, светолучевых средств воздействия и т.д.).
Наиболее близким по технической сути и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению следует считать устройство «Полупроводниковый термоэлектрический калориметр» [1], выбранное в качестве прототипа.
Это устройство содержит корпус, в котором размещены 10 калориметрических секций, состоящих из медных приемных пластин, покрытых керосиновой сажей, к тыльной поверхности которых припаяны полупроводниковые термопары. К приемным пластинам приклеены пробковые опоры, которые в свою очередь приклеены к основанию, изготовленному из асбоцементной плиты толщиной 25 мм.
Для защиты приемных пластин от атмосферных осадков и устранения их конвективного теплообмена с окружающей средой устройство оснащено защитным стеклом, которое устанавливается в специальную обойму с мелкой метрической резьбой. Обойма со стеклом соединяется с корпусом посредством резьбового соединения.
Термопары всех десяти секций соединены последовательно. На тыльной стороне корпуса устройства расположено соединительное устройство в виде двух клемм, которые служат для подключения устройства к измерителю термоЭДС.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что:
- имеются зоны не закрытой приемными пластинами;
- устройство невозможно использовать в сходящихся пучках излучения, формируемых оптическими концентрирующими системами моделирующих установок;
- трудности использования приемника для измерения энергетических параметров излучения в фокальных областях концентраторов при диаметрах пятна облучения ≤40 мм;
- наличие зазоров между приемными пластинами секций, что ведет к дополнительным погрешностям измерений;
- высокий отвод тепла от приемных пластин через полупроводниковые термопары, что приводит к существенному увеличению погрешности измерения;
- достаточно высокая зависимость погрешности измерения от температуры окружающей среды, так как холодные спаи термопар не термостатируются.
Сущность изобретения заключается в следующем. Целью предлагаемого изобретения является повышение метрологических и эксплуатационных характеристик устройства за счет конструкционных особенностей предлагаемого устройства.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве для исследования энергетических и временных параметров светового излучения, содержащем корпус, приемный элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, рабочая облучаемая поверхность которого покрыта сажей, термопары, термоизоляционные опоры, обойму с защитным стеклом, соединенную с корпусом посредством резьбового соединения, соединительное устройство на которое выведены сигнальные выводы термопар, новым является то, что приемный элемент закреплен на теплоизоляционной опоре через теплоизоляционный демпфер и выполнен в виде диска, в центре которого зачеканен горячий спай контрольной термопары, к боковой поверхности диска через термоизоляционную прокладку закреплено защитное кольцо, которое дополнительно является центрующим элементом и образовано четырьмя секциями, каждая секция выполнена из материала с высокой теплопроводностью в виде четверти кругового кольца, боковые поверхности секций теплоизолированы между собой теплоизоляционными прокладками, в каждую секцию зачеканены горячие спаи четырех термопар защитного кольца, причем, термопары противоположных секций соединены встречно по ЭДС, облучаемые стороны секций покрыты сажей, между термоизоляционными опорами смонтированы аккумуляторы тепла, с которыми соединены холодные спаи контрольной термопары, при этом, аккумуляторы тепла термо-электроизолированы друг от друга и от корпуса устройства, внутри корпуса устройства смонтирован усилитель сигнала, формируемого контрольной термопарой, сам усилитель снабжен элементом питания.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, которому присущи все признаки изобретения, выраженного формулой, предложенной заявителем и характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой, известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На чертежах представлено: на фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого устройства, на фиг. 2 изображена структурная схема измерительной системы.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
На фиг. 1 представлена конструкция устройства. Приемный элемент оптического излучения выполнен в виде диска (1) из меди марки М0, на тыльной поверхности которого зачеканена хромель-алюмелевая контрольная термопара (2) из проводов диаметром 0,2…0,3 мм. Для защиты боковой поверхности приемного диска от воздействия сходящихся лучей, идущих от концентратора, диск (1) снабжен защитным кольцом (3), изготовленным из меди марки М0той же толщины, что и диск (1). Защитное кольцо (3) крепится на приемном диске (1) с помощью клея через слюдяные прокладки (4) толщиной 0,2…0,3 мм, что необходимо для снижения передачи тепла от приемного диска (1) к защитному кольцу (3) и обратно. Защитное кольцо (3) образовано четырьмя секциями, каждая из которых выполнена из меди марки М0 в виде четверти кругового кольца. Боковые стороны секций теплоизолированы между собой (на фиг. 1 эта теплоизоляция не показана). На тыльной стороне каждой секции зачеканены горячие спаи хромель-алюмелевых термопар (5) защитного кольца из проводов диаметром 0,1 мм. Дополнительно защитное кольцо (3) является центрирующим элементом (см. описание ниже).
Диск (1) с защитным кольцом (3) для снижения теплоотвода с помощью клея крепится к термоизоляционной опоре (6), изготовленной из теплоизоляционного материала (например, стеклотекстолит, фторопласт и т.д.), причем это клеевое соединение выполнено на четырех пробковых опорах (7) размером 2×2×3 мм (теплоизоляционный демпфер). Диаметр приемного диска (1) выбирается исходя из диаметра пятна облучения моделирующей установки так, чтобы приемный диск (1) при измерениях располагался в зоне, где неравномерность плотности потока излучения была ≤5%.
Холодные спаи контрольной термопары (2) соединены с аккумуляторами тепла (8), выполненными в виде двух медных полуцилиндров. Аккумуляторы тепла (8) являются исполнительными элементами системы термостатирования холодных спаев контрольной термопары. К аккумуляторам (8) подключены гибкие проводники (9) с помощью винтов (10). Аккумуляторы тепла (8) теплоэлектроизолированы друг от друга и от корпуса (11), закреплены и отцентрированы в корпусе с помощью теплоизоляционной опоры (12), изготовленной из теплоизоляционного материала (стеклотекстолит, фторопласт и т.д.) и теплоизоляционной опоры (6), между собой аккумуляторы (8) теплоэлектроизолированы двумя цилиндрами (13) диаметром 4 мм из фторопласта.
Защитное кольцо (3) с термопарами (5), кроме экранирования торцевых поверхностей диска (1), служит для точной установки устройства в центр рабочего пятна моделирующей установки по результатам экспериментальной оценки плотности энергии, падающей на секции защитного кольца (3). Термопары (5) диаметрально противоположных секций защитного кольца (3) соединены встречно по ЭДС, поэтому при точной установке приемного диска (2) в центр пятна облучения сигналы, снимаемые с них, должны быть близкими к нулю.
Все элементы устройства размещаются в корпусе (11), изготовленного из алюминиевого сплава. Для защиты приемного элемента от атмосферных осадков и пыли устройство снабжено защитным стеклом (14), которое крепиться к корпусу (11) гайкой (15), изготовленной из алюминиевого сплава.
Тыльная сторона устройства снабжена заглушкой (16), которая крепиться к корпусу (11) с помощью резьбового соединения. На заглушке (16) с помощью крепежа (17) и (18) установлено соединительное устройство в виде штепсельного разъема (19), которое предназначено для подключения устройства к измерительно-регистрирующей системе. Сигнальные провода (20) термопар (5) защитного кольца (центрирующего элемента) соединены с внутренними клеммами разъема (19).
Внутри корпуса (11) между теплоизоляционной опорой (12) и заглушкой (16) установлен усилитель (21), усиливающий сигнал контрольной термопары (2). Усилитель (21) снабжен элементом питания (на фиг. 1 не показан). Установка усилителя (21) непосредственно в корпусе устройства позволяет передавать сформированный термопарой (2) сигнал на регистрирующую аппаратуру без искажений и помех.
После сборки устройства диск (1) и защитное кольцо (3) для повышения коэффициента поглощения излучения покрывается несколькими слоями керосиновой сажи с промежуточным уплотнение этиловым спиртом. При этом коэффициент поглощения излучения диском (1) в широком спектральном интервале (0,3…6 мкм) достигает величины 0,94…0,96.
Принцип действия предлагаемого устройства состоит в следующем. Импульсный поток оптического излучения воздействует на диск (1), вызывая изменение его теплового состояния. Нагрев диска определяется по формуле:
0
где t - начальная температура диска, град;
t - максимальная температура диска, град;
А - коэффициент поглощения сажевого покрытия, равный ~0,95;
2
u - плотность энергии излучения, кал/см;
с - теплоемкость меди, кал/г.град;
3
γ - плотность меди, г/см;
d - толщина приемного диска, см.
Величина термоЭДС е, генерируемая термопарой (2), пропорциональна нагреву диска (1):
где α - коэффициент термоЭДС термопары, для хромель-алюмелевой термопары он равен примерно 0,041 мВ/ град.
Подставив значение Δt в выражение (1) и решив его относительно параметра и (плотности энергии) получим:
2
где  - коэффициент преобразования калориметра, кал/(см мВ).
Из выражения (3) видно, что если имеются данные о теплофизических характеристиках материала диска (1), коэффициенте поглощения сажевого покрытия и величине удельной термоЭДС контрольной термопары, коэффициент преобразования устройства можно определить расчетным путем. Учитывая, что справочные данные по теплофизическим характеристикам меди имеют определенный разброс, для повышения точности измерений, коэффициент преобразования устройства с плоским приемным элементом обычно определяют на специальных поверочных установках лучистого нагрева со стабильными параметрами излучения.
Учитывая то, что:
2
где ε(τ) - плотность потока светового излучения (облученность), кал/(см с);
τ - текущее время, с;
u
τ - длительность импульса светового излучения, с.
Продифференцировав функцию u(τ) получим зависимость плотности потока излучения от времени ε(τ).
Устройство работает следующим образом. На фиг. 2 показана структурная схема измерительного тракта для экспериментальной оценки плотности энергии и плотности потока излучения. Сигнал, генерируемый термопарой (2) увеличивается до нужного уровня усилителем (21) и далее через штепсельный разъем (19) и сигнальный кабель поступает на вход первого усилительно-преобразующего модуля LTR-27T (22) измерительной установки LTR (23) для оценки плотности энергии излучения и устройству дифференцирования аналогового электрического сигнала (24) для определения временной зависимости плотности потока излучения в испытательной зоне установки, моделирующей воздействие светового излучения. Сигнал с выхода первого модуля LTR-27T (22) поступает на вход осциллографического канала измерительной установки LTR (23). Сигналы, формируемые термопарами (5) защитного кольца (центрирующего элемента) через штепсельный разъем (19), по сигнальному кабелю поступают на входы второго и третьего модулей LTR-27Т (25, 26) измерительной установки LTR (23), по амплитудам которых производится оценка правильности установки диска (1) в пятне моделирующей установки. При установке устройства в центе пятна, амплитуды сигналов на выходе второго и третьего модулей LTR-27T (25, 26) будут близки к нулю.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, в экспериментальных и испытательных целях.
для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повысить метрологические и эксплуатационные характеристики устройства при измерении энергетических и временных параметров светового излучения в испытательной зоне моделирующей установки, это достигается за счет применения четырех секционного защитного кольца, термостатирования холодных спаев термопары, применения усилительно-преобразовательного элемента.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Полупроводниковый термоэлектрический калориметр. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Министерство обороны СССР. Войсковая часть 51105. 1959 г.