СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING EMISSIVITY OF HARD MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к теплофизике (в частности, к теплофизическим исследованиям свойств твердых материалов) и может быть использовано, например, для определения радиационных характеристик поверхностей и покрытий твердых тел.
Известно устройство для измерения интегральной излучательной способности металлов в атмосфере гелия (авторское свидетельство SU 1786412, 07.01.93. Бюл. №1), включающее размещенную в вакуумной камере подложку с выемкой для исследуемого металла, расположенный над ней интегральный приемник теплового излучения в виде радиометра прямого видения с термоэлементом от оптического пирометра типа «Рапир-2» и термопару, помещенную в чехол. В подложке имеется сквозное отверстие, в котором с возможностью перемещения располагается термопара. В результате работы устройства реализован способ, при котором происходит непрерывный замер интегрального теплового излучения и температуры поверхности металла. Для определения излучательной способности измеряется температура плавления образца при его нагреве индукционным способом и температура кристаллизации при отключенном индукционном нагреве. Недостатками устройства и способа являются использование индукционного способа нагрева, что ограничивает диапазон исследуемых материалов - только однородный материал и только металлы, а также длительная и технологически сложная подготовка образца, что повышает трудоемкость выполнения измерений. Кроме того, использование вакуумной камеры также усложняет процесс измерений.
Наиболее близким по технической сущности к способу измерения излучательной способности твердых тел, являющемуся предметом настоящего изобретения, можно считать способ измерения излучательной способности углеродистой стали при нагреве лазерным излучением (работа G.B. Wang, C.Y. Wang, Y.Q. Zhang, X. Xiong, X.S. Tang «The absorptivity low-carbon steel under Nd: YAG CW laser loading» XVII Inter. Sympos. On Gas Flow, Chemical Lasers and High-Power Lasers, 2009. Proc. of SPIE vol.7131, pp.71311N1-71311N6). Способ - прототип состоит в том, что располагают образец исследуемого материала (ОИ) на пути лазерного излучения (ЛИ), измеряют истинную температуру образца контактно в процессе непосредственного воздействия лазерного излучения на образец, одновременно измеряют бесконтактно интенсивность излучения, отраженного от поверхности образца ЛИ, используют полученные экспериментальные данные для построения временной и температурной зависимостей излучательной способности. Недостатком данного способа измерений является непосредственное воздействие ЛИ на ОИ, что не позволяет прогнозировать уровень и темп нагрева ОИ, и, соответственно, снижает точность измерений, и, кроме того, ограничивает диапазон анализируемых материалов. При бесконтактном определении интенсивности излучения измеряемой в ходе эксперимента величиной является коэффициент отражения излучения от силового лазера, соответственно, определяется спектральная излучательная способность материала образца (на одной длине волны), что недостаточно характеризует состояние поверхности нагретого образца и дает лишь косвенные данные об энергетической характеристике излучающего тела, требующие сложных математических расчетов для получения параметров, характеризующих излучательную способность твердого материала в целом.
Устройство для реализации способа прототипа содержит источник лазерного излучения, на оси лазерного излучения расположены две измерительные фотометрические сферы - рабочая с расположенным в ней ОИ и эталонная, внутренняя поверхность сфер покрыта веществом с известной излучательной способностью. В рабочей измерительной сфере организовано два канала регистрации: в одном канале на поверхности ОИ установлена термопара, передающая сигналы на регистратор, за ОИ в другом канале регистрации расположен полосно-пропускающий (интерференционный) фильтр, за которым следует детектор, образующие измеритель интенсивности излучения, отраженного от поверхности образца, сигнал с которого также поступает на регистратор, обеспечивающий обработку экспериментальных данных с термопары и детектора, а также управление процессом. В эталонной сфере канал регистрации образован аналогичными вышеназванным интерференционным фильтром и детектором, связанным с регистратором. К недостаткам устройства можно отнести наличие двух фотометрических сфер - рабочей и эталонной, наличие интерференционных фильтров (измерение проводится на длине волны лазера), связанных с детекторами, что конструктивно усложняет схему измерений, требует дополнительного времени, чтобы подобрать соответствующий калиброванный эталон, а также ограничивает диапазон измеряемых температур с точки зрения учета тепловых свойств материала сферы, так как существует возможность получения данных лишь до момента разрушения сферы.
Задачей является разработка способа и устройства для определения излучательной способности твердых материалов, позволяющих просто, быстро и точно проанализировать тепловые свойства твердых материалов, в частности определить интегральную излучательную способность (ее температурную и временную зависимость) в широком диапазоне температур.
Технический результат, достигаемый способом, состоит в повышении точности определения теплофизических параметров за счет обеспечения возможности предсказуемо контролировать темп и уровень нагрева образца, а также в расширении диапазона исследуемых материалов в широком диапазоне измеряемых температур.
Технический результат, достигаемый устройством, заключается в упрощении конструкции, экономии времени на подготовку эксперимента, расширении диапазона температур до пределов, обусловленных свойствами материалов.
1
2
я
я
1
2
Технический результат в заявленном техническом решении для способа достигается тем, что в отличие от известного способа определения излучательной способности твердых материалов, заключающегося в том, что воздействуют на исследуемый образец с помощью лазерного излучения, измеряют истинную контактную температуру Т поверхности образца в процессе воздействия, одновременно бесконтактно определяют интенсивность излучения от образца и используют полученные данные для определения излучательной способности, в предложенном способе воздействуют на образец лазерным излучением, преобразованным в тепловое излучение, после равномерного нагрева образца преобразованным лазерным излучением измеряют в исследуемом спектральном диапазоне длин волн теплового излучения от образца от λ до λ яркостную температуру Т поверхности образца, по которой судят об интенсивности теплового излучения от образца, при этом яркостную температуру Т поверхности образца измеряют одновременно с измерением истинной температуры Т поверхности образца в одной и той же точке рабочей зоны нагрева поверхности образца, осуществляют расчет интегральной излучательной способности ε в спектральном диапазоне длин волн теплового излучения от образца от λ до λ с использованием полученных экспериментальных данных по следующему соотношению на основе формулы Планка
1
2
я
2
-16
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10 Вт⋅м, С=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны теплового излучения от образца, Т и Т - экспериментально полученные соответственно яркостная и истинная температуры поверхности образца в один и тот же момент времени и в одной и той же точке поверхности образца.
Технический результат в заявленном техническом решении для устройства состоит в том, что в отличие от известного устройства для определения излучательной способности твердых материалов, содержащего источник лазерного излучения с оптической схемой, обеспечивающей требуемую геометрию пучка, установленный в держателе на оси источника лазерного излучения исследуемый образец, термопару, расположенную на рабочей поверхности исследуемого образца, и средство измерения интенсивности излучения от образца, при этом термопара и средство измерения интенсивности излучения от образца подключены к регистратору, в предложенном устройстве за источником лазерного излучения с оптической схемой на его оси перед образцом в непосредственном контакте с ним размещен преобразователь лазерного излучения в тепловое излучение - тепловой конвертер, обеспечивающий равномерный нагрев образца в рабочей зоне, конвертер и образец расположены в экранированном теплоизоляционном боксе, за образцом на оси источника лазерного излучения в качестве средства измерения интенсивности излучения от образца установлен оптический пирометр с областью визирования размером, не превышающим размер рабочей зоны равномерного нагрева образца.
В основу заявляемого подхода заложена следующая физическая модель.
Тепловое излучение - это излучение системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Излучение реальных нагретых тел, как правило, является тепловым. Тепловое излучение любых тел подчиняется закону Кирхгофа, согласно которому отношение плотности потока монохроматического излучения любого тела к коэффициенту монохроматического поглощения есть величина, не зависящая от излучающего тела, но зависящая от длины волны и температуры.
λT
где α - монохроматический коэффициент поглощения, - плотность потока монохроматического излучения абсолютно черного тела (АЧТ).
Следовательно, для того чтобы, пользуясь законом Кирхгофа, по известному коэффициенту поглощения определить плотность потока монохроматического излучения любого тела как функцию температуры и длины волны, необходимо знать аналогичную функцию для абсолютно черного тела.
Формула, выражающая спектральную плотность потока излучения АЧТ, была получена М. Планком в предположении о квантовом характере излучения. Формула Планка определяет спектральное распределение полусферической плотности потока монохроматического излучения АЧТ, находящегося при температуре Т:
1
2
2
-16
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10 Вт⋅м, С=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны излучения.
Зависимость интегральной по спектру плотность потока излучения АЧТ от температуры получается путем интегрирования формулы Планка по всем длинам волн от 0 до ∞ и называется законом Стефана-Больцмана. Согласно ему, интегральная по спектру плотность потока излучения АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:
b
4
e(T)=σ⋅T,
-8
2
4
где σ=5,67⋅10 Вт/мК - постоянная Стефана-Больцмана.
Спектральная (монохроматическая) излучательная способность определяется как отношение плотности потока излучения реального и абсолютно черного тел, имеющих одинаковую температуру:
Тогда, пользуясь законом Стефана-Больцмана и формулой Планка, можно выразить плотность потока излучения любого тела с излучательной способностью ε(T), находящегося при температуре Т:
T
4
e=ε(T)σT.
Таким образом, интегральная излучательная способность является определяющим параметром теплообмена излучением.
Я
Температуры, измеряемые оптическими пирометрами, являются условными. По определению, условной принято называть температуру, которая заменяет истинную температуру в законе Планка в тех случаях, когда он применяется к излучению реальных нечерных тел. Вводят понятие яркостной температуры, то есть такой температуры АЧТ T, при которой плотность потока (яркость) его монохроматического излучения равна плотности потока монохроматического излучения реального тела. С учетом формулы Планка расчетное соотношение для определения спектральной степени черноты:
Из формулы следует, что при использовании яркостного пирометра с рабочей длиной волны λ можно определить спектральную степень черноты на этой длине волны теплового излучения. Естественно, при этом необходимо независимым способом измерить истинную температуру излучаемой поверхности тела, например, с помощью термопары.
1
2
С помощью широкополосного пирометра, например, «Кельвин Компакт 1300» яркостная температура измеряется в широком диапазоне длин волн от λ=1 до λ=15 мкм.
Проинтегрировав выражение и полагая, что ε(λ,T)=const, получаем, что среднеинтегральная степень черноты в этом широком спектральном диапазоне  определяется по формуле:
1
2
я
2
-16
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10 Вт⋅м, C=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны теплового излучения от образца, Т и Т - яркостная и истинная температуры поверхности образца в один и тот же момент времени и в одной и той же точке поверхности образца.
Практическая реализация в рамках данной физической модели показала следующее.
1
2
я
я
Непосредственное воздействие ЛИ на ОИ, что имеет место в прототипе, приводит к тому, что темп нагрева зависит от состояния поверхности ОИ и меняется со временем, следствием чего является неравномерное распределение температуры на ОИ. В предложенном же случае происходит воздействие ЛИ, преобразованного в тепловое, с равномерным его распределением в рабочей зоне образца, что позволяет прогнозировать уровень и темп нагрева ОИ (это обусловлено свойствами материала, из которого выполнен преобразователь, а именно стабильностью поглощательной способности, следовательно, ОИ равномерно нагревается, вне зависимости от состояния его поверхности или предварительной обработки), и, соответственно, повышает точность измерений. Повышение точности измерений связано также с тем, что в качестве исходных данных для получения искомого результата - излучающей способности использованы параметры, несущие непосредственную экспериментальную информацию об интенсивности излучения от поверхности ОИ с точки зрения теплообмена, а именно яркостной температуры в рабочей зоне нагрева излучающей поверхности, с последующим непосредственным использованием этой информации, полученной в эксперименте, при математическом моделировании процессов. При этом возможность получения интегральной излучательной способности обусловлена тем, что после равномерного нагрева образца преобразованным ЛИ измеряют в исследуемом спектральном диапазоне длин волн теплового излучения от ОИ от λ до λ яркостную температуру Т поверхности образца, по которой судят об интенсивности теплового излучения от ОИ, при этом яркостную температуру Т поверхности ОИ измеряют одновременно с измерением истинной температуры Т поверхности образца в одной и той же точке рабочей зоны нагрева поверхности ОИ, что важно для обеспечения идентичности условий измерения температур. Кроме того, в связи с тем, что отсутствует непосредственное воздействие ЛИ на ОИ, нет ограничения на диапазон исследуемых материалов и расширен диапазон рабочих температур (все зависит от свойств исследуемого материала, например, ОИ может воспламениться при непосредственном воздействии ЛИ, или ОИ с большой отражательной способностью невозможно будет нагреть ЛИ).
После проведения измерений в заявляемом способе производят математическую обработку сигнала, базируясь на следующей расчетной модели, в основу которой заложен закон спектрального распределения поверхностной плотности потока излучения Планка (Р. Зигель, Дж. Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.):
,
1
2
2
-16
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10 Вт⋅м, С=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны излучения.
Авторами на основе формулы Планка проведено математическое моделирование тепловых процессов, в результате которого получена рабочая формула для определения излучательной способности. С учетом этого подхода среднеинтегральная излучательная способность  поверхности образца твердого материала в широком спектральном диапазоне определяется по соотношению:
1
2
я
2
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10-16 Вт⋅м, С=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны теплового излучения от ОИ, Т и Т - яркостная в рабочем диапазоне рабочих длин волн пирометра и истинная температуры поверхности образца в один и тот же момент времени, в одной и той же точке рабочей поверхности нагрева образца.
В данной математической модели использованы экспериментально полученные временные зависимости истинной и яркостной температур на основе прямых измерений, что также позволило повысить точность определения излучательной способности.
Следует еще раз подчеркнуть, что в прототипе для получения искомого результата используется косвенная информация - отраженное от поверхности лазерное излучение, при этом определяется спектральная излучательная способность материала ОИ (на рабочей длине волны лазера), что недостаточно полно характеризует состояние поверхности нагретого образца, с вытекающей из этого необходимостью математической обработки информации на основе решения уравнений теплопроводности (низкая точность временной зависимости температуры, которая получена путем расчетов).
Преобразование излучения от источника ЛИ с задающей требуемый размер пучка оптической схемой обеспечено путем установки преобразователя лазерного излучения в тепловое излучение (тепловой конвертер) в непосредственный контакт с поверхностью образца, что позволяет сгладить начальное неоднородное по пространству распределение интенсивности ЛИ, получить практически однородное температурное поле в центральной области ОИ, расположение конвертора и ОИ в экранированном теплоизоляционном боксе позволяет обеспечить стабильное получение максимального значения температуры и избежать тепловых потерь за счет конвективного охлаждения, при этом экраном обеспечена защита от паразитного излучения, которое может исказить показания приборов. Введение в схему измерений оптического пирометра в качестве средства измерения интенсивности излучения от образца с областью визирования, не превышающей размер рабочей зоны равномерного нагрева ОИ (с целью повышения точности измерений, поскольку температурное поле в центре рабочей зоны нагрева однородно), позволяет экспериментально измерить яркостную температуру образца. В результате предложенного конструктивного исполнения, где конкретно реализована предложенная физическая модель, достигается по сравнению с прототипом технический результат, состоящий в упрощении схемы измерений и экономии времени на подготовку эксперимента в связи с исключением из нее канала регистрации с калиброванным эталоном, а также исключением измерительных сфер, что позволяет расширить температурный диапазон измерений (нет необходимости учитывать свойства материалов измерительных сфер, нет риска их разрушения при нагреве в широком диапазоне температур), упрощение также связано с выбором в качестве средства измерения интенсивности излучения от образца вместо детекторов с интерференционными фильтрами, имеющих место в прототипе, предложенного пирометра, что исключает необходимость подбирать фильтры на соответствующую длину волны ЛИ.
Таким образом, достигнуты повышение точности и расширение диапазона исследуемых твердых материалов в широком диапазоне температур в способе и упрощение устройства, сокращение времени на подготовку эксперимента при определении излучательной способности твердых материалов.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности твердых материалов и покрытий для них в диапазоне температур от 300 до 1300°С.
На фиг. 2 приведены графики зависимости излучательной способности от температуры на примере образцов стали 12Х18Н10Т, в первом случае образец полированный, во втором образец покрыт слоем высокодисперсного углерода (сажи).
Устройство, реализующее предлагаемый способ определения излучательной способности твердых материалов, содержит источник ЛИ 1 с выходным коллиматором 2 и линзой 3, образующими оптическую схему, обеспечивающую требуемую геометрию пучка, малоинерционную малогабаритную хромель-алюмелевую термопару 4, расположенную на рабочей поверхности исследуемого образца 5, расположенного в держателе с тепловым преобразователем - конвертером (пластиной, например, из графита) ЛИ 6, высокотемпературной теплоизоляцией 7 (например, вспененная керамика) и экраном 8 (например, фольгированный текстолит), оптический пирометр «Кельвин Компакт 1300» 9 с областью визирования 10, установленный за образцом 5, и рабочую станцию записи сигналов и математической обработки 11 (регистратор). То есть в конкретном варианте реализации в качестве прибора для измерения яркостной температуры (средства для измерения интенсивности излучения от образца) образцов, нагреваемых с помощью лазерного излучения, использован промышленный пирометр «Кельвин Компакт 1300», включенный в «Государственный Реестр средств измерений РФ», который измеряет температуру поверхности образцов в диапазоне от 300 до 1300°С по их собственному тепловому излучению в диапазоне длин волн от 1 до 15 мкм
я
Устройство (фиг. 1), реализующее предлагаемый способ определения излучательной способности твердых материалов, работает следующим образом. В качестве источника тепловой энергии используется лазер 1. Лазер 1 генерирует пучок непрерывного излучения длиной волны 1,07 мкм, мощностью до 1,5 кВт и диаметром пучка ЛИ по уровню мощности 0,84 на выходном коллиматоре 2 лазера 1, равном ~5 мм. Узконаправленное излучение лазера 1 расширяется до необходимых размеров линзой 3, падает на графитовый преобразователь 6 и нагревает его. В свою очередь, преобразователь ЛИ в тепловое излучение (тепловой конвертер) 6 равномерно нагревает исследуемый образец 5, который вплотную прижат к нему. Тепловой конвертер 6 из графита позволяет сгладить начальное неоднородное по пространству распределение интенсивности ЛИ, получить практически однородное температурное поле в центральной области образца 5, добиться стабильности коэффициента поглощения ЛИ системой и темпа нагрева образца 5 и избежать сквозного прожигания образца 5. Теплоизоляционный слой 7 позволяет стабилизировать максимальное значение температуры и исключить тепловые потери. Экран 8 обеспечивает защиту показаний приборов от паразитного излучения. Далее с помощью малоинерционных термопар 4, приваренных точечной конденсаторной сваркой в центре рабочей поверхности образца, осуществляется измерение истинной (термодинамической) температуры 7, а с помощью пирометра «Кельвин Компакт 1300» 9, направленного в область визирования 10, размером, не превышающим размер зоны равномерного нагрева образца, измеряется яркостная температура поверхности Т в диапазоне от 300 до 1300°С по их собственному тепловому излучению в диапазоне длин волн от 1 до 15 мкм. Сигналы термопары 4 и пирометра 9 направляются на рабочую станцию записи сигналов и математической обработки (регистратор) 11.
я
я
Излучательная способность исследуемых образцов определялась следующим образом. Воздействуют на образец ЛИ через тепловой конвертер, обеспечивая нагрев ОИ. В качестве прибора для измерения яркостной температуры образцов, нагреваемых с помощью ЛИ, использован промышленный пирометр «Кельвин Компакт 1300», который измеряет температуру поверхности образца в диапазоне от 300 до 1300°С по их собственному тепловому излучению в диапазоне длин волн от 1 до 15 мкм. Пирометр «Кельвин Компакт 1300» в рабочем диапазоне температур преобразует излученную поверхностью образца тепловую энергию в электрический сигнал. Затем эта информация преобразуется в температурные данные T(t). Измеряют термодинамическую (истинную) температуру образца T(t), нагреваемого с помощью ЛИ, путем регистрации значений электрических сигналов, пропорциональных изменениям термоэлектродвижущей силы на выходе хромель-алюмелевой термопары. При этом яркостную температуру Т поверхности ОИ измеряют одновременно с измерением истинной температуры T поверхности образца в одной и той же точке рабочей зоны нагрева поверхности образца. Для уменьшения погрешности измерения температуры вследствие теплоотвода по термоэлектродам и надежного теплового контакта малогабаритная хромель-алюмелевая термопара с диаметром термоэлектродов 0.2 мм приваривалась точечной конденсаторной сваркой в центре рабочей поверхности ОИ.
я
i
я
i
1
2
Производят математический расчет среднеинтегральной излучательной способности в широком спектральном диапазоне , учитывая, что при обработке экспериментальных данных для определения степени черноты для каждой временной точки зависимостей T(t) и T(t) необходимо проводить интегрирование по формуле (1), поэтому исходные экспериментальные данные считывают из соответствующих файлов-таблиц, сформированных регистраторами, затем сигнал с термопары пересчитывается в температуру по градуировочному полиному для хромель-алюмелевой термопары с учетом значения комнатной температуры, а сигнал пирометра с помощью сплайнов интерполируется внутри временного диапазона с тем же шагом, что и сигнал термопары, и сдвигается по оси времени для получения двух сигналов в одни и те же моменты времени. Далее для каждого момента времени из массива данных выбирают значения T(t) и T(t) и рассчитываются определенные интегралы числителя и знаменателя формулы (1) по методу трапеций. Затем по их отношению вычисляется излучательная способность и выводится ее временная и температурная зависимость степени черноты. В данном случае определяется среднеинтегральная (интегральная) излучательная способность  в широком спектральном диапазоне от λ до λ от 1 до 15 мкм в случае использования пирометра «Кельвин» по соотношению:
1
2
я
2
-16
2
-2
где С=2πhc=3,7413⋅10 Вт⋅м, С=hc/k=1,4388⋅10 м⋅К - первая и вторая константы излучения; λ - длина волны излучения, Т и Т - яркостная в рабочем диапазоне длин волн пирометра и истинная температуры поверхности образца в один и тот же момент времени, измеряемые с помощью яркостного пирометра и термопары. После этого полученные данные пересылаются в программу анализа и визуализации для последующей обработки и вывода графической информации, в частности, в виде зависимости излучательной способности от температуры на примере образцов стали 12Х18Н10Т, в первом случае образец полированный, во втором образец покрыт слоем высокодисперсного углерода (сажей) (фиг. 2).
Таким образом, в способе повышена точность определения теплофизических параметров за счет обеспечения возможности предсказуемо контролировать темп и уровень нагрева образца, а также расширен диапазон исследуемых материалов в широком диапазоне измеряемых температур; в устройстве упрощена конструкция, сэкономлено время на подготовку эксперимента, расширен диапазон температур до пределов, обусловленных свойствами материалов.