Измеритель плотности энергии импульсного полихроматического оптического излучения
ENERGY DENSITY METER FOR PULSING POLYCHROMATIC OPTICAL RADIATION

Устройство относится к области фотометрии. Оно может быть использовано в экспериментах, связанных с исследованием 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 взрывов специальных боеприпасов на оптические и оптико-электронные приборы, применяемые в современных образцах вооружения и военной техники. Оно может найти также применение при оценке защитных свойств средств защиты органа зрения личного состава войск и экипажей боевых машин от интенсивного импульсного полихроматического оптического излучения природного (молнии, взрывы болидов) и техногенного происхождения (светового излучения взрывов специальных боеприпасов и ударно-световых боеприпасов, светолучевых средств воздействия и т.д.).
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению, принятого за прототип по совокупности признаков, является «Устройство для исследования энергетических и временных параметров светового излучения», включающее 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, при этом, приемный элемент закреплен на теплоизоляционной опоре через теплоизоляционный демпфер и выполнен в виде диска, в центре которого зачеканен горячий спай измерительной 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 теплоизолированные между собой теплоизоляционными прокладками, в каждую секцию зачеканены горячие спаи корректирующих термопар, причем, термопары противоположных секций соединены встречно по ЭДС, облучаемые стороны секций покрыты сажей, между термоизоляционными опорами смонтированы аккумуляторы тепла, с которыми соединены холодные спаи измерительной термопары, при этом, аккумуляторы тепла термо-электро-изолированы друг от друга и от корпуса устройства, внутри корпуса устройства смонтирован усилитель сигнала, формируемого измерительной термопарой, сам усилитель снабжен элементом питания. См. Патент РФ №2761119 от 6.12.21 МПК G01K 7/02, G01J5/02 [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве:
- существует зависимость погрешности измерения от температуры окружающей среды, так как температура холодных спаев равна температуре окружающей среды;
- низкая термоизоляция тыльной и боковой сторон приемного элемента, за счет этого приемный элемент не нагревается до максимально возможной температуры из-за потерь тепла и как, следствие, достаточно высокая погрешность измерения;
- из-за отсутствия принудительного охлаждения приемного элемента, требуется значительное время подготовки устройства к очередным измерениям, например, при проведении серии экспериментов.
Сущность изобретения заключается в следующем. Целью предлагаемого изобретения является расширение арсенала измерительных средств, которые используются: при исследованиях воздействия светового излучения на оптические и оптико-электронные приборы; при оценке защитных свойств средств защиты органа зрения личного состава войск и экипажей боевых машин от интенсивного импульсного полихроматического оптического излучения природного и техногенного происхождения, ударно-световых боеприпасов, светолучевых средств. Технический результат - повышение точности измерения плотности энергии импульсного полихроматического оптического излучения, воздействующего на исследуемый объект.
п
п
c
1с
2с
1с
2с
1c
2c
1c
2c
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве «Измеритель плотности энергии импульсного полихроматического оптического излучения», содержащем корпус, заднюю крышку, термоизоляционную втулку, обойму с защитным стеклом, соединительное устройство, которое соединяет сигнальные выводы измерительной термопары с регистрирующей аппаратурой, приемный элемент, выполненный в виде диска из материала с высокой теплопроводностью, в центре тыльной поверхности которого закреплен горячий спай измерительной термопары, а рабочая облучаемая поверхность приемного элемента покрыта сажей, сам приемный элемент закреплен на теплоизоляционных опорах, новым является то, что в корпусе выполнены окна, приемный элемент имеет диаметр d и толщину δ, причем, значения d и δ, являются оптимальными и определяются расчетно-экспериментальным путем, приемный элемент с термоизоляционными опорами и измерительной термопарой тыльной и боковой сторонами помещен в термоизоляционный блок, корпус которого имеет цилиндрическую форму и выполнен из материала с высоким термическим сопротивлением, при этом, к термоизоляционными опорами приемного элемента внутри корпуса термоизоляционного блока прижат пакет из n термоизоляционных прокладок, имеющих форму круга с равными диаметрами, которые равны диаметру приемного элемента d, и имеющие одинаковую толщину δ, выполненных из одного и того же материала с высоким термическим сопротивлением, причем конструктивно прокладки выполнены с различной теплопроводностью λ и λ, при этом λ>λ, а в пакете прокладки чередуются по теплопроводности, как λ-λ-λ-λ…, на внутренних поверхностях корпуса термоизоляционного блока выполнены открытые каналы, со стороны облучаемой поверхности приемного элемента к термоизоляционному блоку прижата диафрагма, выполненная в виде кругового кольца из материала с высокой теплопроводностью, причем наружный диаметр диафрагмы равен наружному диаметру корпуса теплоизоляционного блока, а внутренний диаметр диафрагмы меньше диаметра приемного элемента на величину Δd, с противоположной стороны к термоизоляционному блоку через термоизоляционную втулку прижат изотермический блок, в который помещены два холодных спая измерительной термопары и два термоэлектрических модуля, при этом, холодные стороны этих модулей расположены в непосредственной близости холодных спаев измерительной термопары, а горячие стороны модулей обращены в стороны боковых поверхностей изотермического блока, которые оснащены охлаждающими ребрами, на внутренней стороне задней крышки смонтированы два электронных блока управления термоэлектрическими модулями, коммутатор, воздушный канал охлаждения тыльной стороны приемного элемента, причем на выходе поперечное сечение канала уменьшено, дополнительно через соединительное устройство электронные блоки и коммутатор соединены с регистрирующей и измерительной аппаратурой.
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 изображен общий вид устройства в рабочем положении; на фиг. 2 изображен вид устройства с разнесенными элементами; на фиг. 3 изображена конструкция термоизоляционного блока; на фиг. 4 представлена функциональная схема устройства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства в рабочем положении. Перед измерением устройство устанавливается на юстировочный стол (1) и рабочей стороной ориентируется в сторону источника светового излучения. С тыльной стороны к устройству подводятся коммуникации, назначение которых будет описано ниже.
п
На фиг. 2 изображен вид устройства с разнесенными элементами, которые в том же порядке расположены внутри корпуса (2). С рабочей стороны устройства к корпусу (2) шплинтами (3) закреплена обойма (4) с прокладками (5) и защитным стеклом (6), защитное стекло (6) через прокладку (5) удерживается наружной стороной буртика (7), выполненным внутри корпуса (2). К внутренней стороне буртика (7) прижата диафрагма (8), выполненная в виде кругового кольца из материала с высокой теплопроводностью, например, из полированного алюминия, к диафрагме прижат теплоизоляционный блок (9), в теплоизоляционный блок помещен приемный элемент (10), выполненный в виде диска диаметром d и толщиной δ из материала с высокой теплопроводностью, рабочая облучаемая поверхность которого покрыта сажей, с тыльной стороны приемного элемента закреплен горячий спай измерительной термопары (на фиг. 2 термопара не показана), конструкция самого термоизоляционного блока представлена на фиг. 3, наружный диаметр диафрагмы (8) равен наружному диаметру корпуса теплоизоляционного блока, а внутренний диаметр диафрагмы меньше диаметра приемного элемента на величину Δd. Теплоизоляционный блок (9) дополнительно фиксируется винтом (11). К термоизоляционному блоку (9) через термоизоляционную втулку (12) прижат изотермический блок (13), в который помещены два холодных спая измерительной термопары (на фиг. 2 не показаны) и два термоэлектрических модуля (14), при этом, холодные стороны этих модулей расположены вплотную к холодным спаям измерительной термопары, а горячие стороны модулей обращены в стороны боковых поверхностей изотермического блока (13), которые оснащены охлаждающими ребрами (15). На внутренней стороне задней крышки (16) смонтированы два электронных блока управления термоэлектрическими модулями (17), коммутатор (18), воздушный канал охлаждения (19) тыльной стороны приемного элемента, на конце канала охлаждения смонтирован насадок (20), который уменьшает сечение канала. На наружной стороне задней крышки (16) смонтирована гнездовая часть соединительного устройства (разъема) (21), рядом с гнездовой частью (21) закреплен штуцер (22) канала охлаждения (19). Внутри корпуса (2) термоизоляционная втулка (12) и изотермический блок (13) фиксируются винтами (23) и (24) соответственно, задняя крышка (16) фиксируется винтом (25). Позицией (26) обозначены проводники горячего спая измерительной термопары, выполненных из металла А и металла В. Позицией (27) обозначены окна в корпусе (2).
с
1с
2с
1с
2с
1с
2с
1с
2с
с
На фиг. 3 показана конструкция термоизоляционного блока (9), корпус (28) которого имеет цилиндрическую форму и выполнен из материала с высоким термическим сопротивлением, внутри корпуса (28) к термоизоляционным опорам (29) приемного элемента (10) прижат пакет термоизоляционных прокладок (30) и (31), имеющих форму диска диаметром d (как и у приемного элемента (10)) и одинаковую толщину δ, выполненных из одного и того же материала с высоким термическим сопротивлением, при этом, конструктивно прокладки выполнены с различной теплопроводностью λ и λ, различная теплопроводность обеспечивается тем, что в прокладке (31) выполнены сквозные отверстия, которые имитируют воздушные промежутки, причем, λ>λ, в пакете прокладки чередуются по теплопроводности, как λ-λ-λ-λ (в зависимости от режима работы устройства, набор прокладок может быть увеличен или уменьшен). Толщина δ обеспечивает необходимый оптимальный набор прокладок (30) и (31) внутри корпуса (9). На внутренних поверхностях корпуса термоизоляционного блока выполнены открытые каналы (32).
Назначение элементов. Корпус (2) представляет собой несущую конструкцию и дополнительно обеспечивает защиту элементов от разного рода внешних воздействий. Обойма (4) с прокладками (5) и защитным стеклом (6) обеспечивает защиту приемного элемента (10) при транспортировке и настройке устройства (при работе устройства обойма (4) снимается). Диафрагма (8) предназначена для защиты боковой поверхности приемного элемента (10) от воздействия сходящихся лучей, идущих от источника излучения. Теплоизоляционный блок (9) обеспечивает теплоизоляцию тыльной и боковой сторон приемного элемента (10) за счет исключения (или минимизации) отдачи тепла от тыльной и боковой поверхностей приемного элемента. Внутри блока (9) термоизоляционные опоры (29) создают воздушный промежуток между тыльной стороной приемного элемента (10) и прокладками (30) и (31) и который выполняет функцию термоизоляционной стенки и одновременно функцию вентиляционного промежутка в который поступает охлаждающий тыльную сторону приемного элемента (10) воздух. Термоизоляционные прокладки (30) и (31), собранные в пакет, выполняют функцию многослойной термоизоляционной стенки. Каналы (32) на внутренней стороне корпуса (28) блока (9) предназначены для циркуляции воздуха, охлаждающего тыльную сторону приемного элемента (10). Приемный элемент (10) преобразует энергию источника излучения в тепло, которое передается горячему спаю измерительной термопары. Термоизоляционная втулка (12) дополнительно тепло изолирует теплоизоляционный блок (9) от изотермического блока (13). Изотермический блок (13) в который помещены два холодных спая измерительной термопары и два термоэлектрических модуля (14) обеспечивает термо стабилизацию холодных спаев измерительной термопары в широком диапазоне температур нагрева горячего спая, в свою очередь, это обеспечивает высокую точность измерений нагрева горячего спая. Два термоэлектрических модуля (14) являются электронными холодильникам, температура холодных сторон которых может регулироваться. Охлаждающие ребра (15) обеспечивают дополнительное охлаждение горячих сторон термоэлектрических модулей (14), что стабилизирует температуру холодных сторон модулей (14). Электронные блоки управления (17) термоэлектрическими модулями (14) и коммутатор (18) в зависимости от нагрева горячего спая измерительной термопары и соответственно вырабатываемого ей напряжения, обеспечивают режим максимального холодильного коэффициента и режим максимальной холодопроизводительности. В первом случае термоэлемент будет наиболее эффективно преобразовывать потребляемую электрическую энергию в «холод», во втором - в ущерб экономичности может быть получено наибольшее понижение температуры. Дополнительно блоки (17) формируют информацию о температуре холодных и горячих сторон термоэлектрических модулей (14). Воздушный канал охлаждения (19) с насадком (20) предназначены для охлаждения потоком воздуха тыльной стороны приемного элемента (10) и пакета прокладок (30) и (31) в промежутках между измерениями, что значительно сокращает время подготовки устройства между экспериментами по измерению импульсов облучения, при этом, в насадке (20) внутреннее сечение сужается, это сужение увеличивает скорость потока воздуха на выходе насадка (20) и снижает его температуру, подключение к воздушной магистрали производится через штуцер (22). Гнездовая часть разъема (21) предназначена для подключения штепсельной части разъема с проводниками, подключенными к соответствующей управляющей и регистрирующей аппаратуре. Окна (27) в корпусе (2) соединяют охлаждающие ребра (15) блока (13) с внешней средой.
2п
1п
2п
1п
2п
1п
2п
1п
2п
1п
2п
1п
Работа устройства поясняется фиг. 4, где представлена функциональная схема устройства. Измерительную термопару образуют проводники, выполненные из металла А и металла В, соединенные в горячий спай (33) и в холодные спаи (34), которые, свою очередь, образованы соединением металла А с медью и металла В с медью. Горячий спай (33) закреплен на тыльной стороне приемного элемента (10), а холодные спаи (34) помещены в изотермический блок (13). Перед началом измерений, устройство через разъем (21) подключается к регистрирующей и управляющей аппаратуре и через штуцер (22) к воздушной магистрали (воздух подается только в промежутках между измерениями). При воздействии полихроматического импульсного оптического светового излучения на приемный элемент (10), последний нагревается до температуры t до этой же температуры нагревается и горячий спай (33) термопары, а холодные спаи (34) термопары остаются при температуре t. Согласно явлению Зеебека [2] измерительная термопара генерирует сигнал, пропорциональный разности температуры горячего (33) - t и холодных спаев (34) - t, далее сигнал через штепсельный разъем и соединительный кабель подается на вход управляющей и регистрирующей аппаратуры, где по известным алгоритмам определяется величина нагрева Δt=t-t. В зависимости от величины разности температур (t-t) и соответственно величины генерируемого измерительной термопарой напряжения, электронные блоки управления (17) и коммутатор (18) вырабатывают соответствующие режимы работы термоэлектрических модулей (14). Например, при небольшом нагреве (небольшой разнице (t-t)) обеспечивается режим максимального холодильного коэффициента, при котором термоэлектрические модули будут наиболее эффективно преобразовывать потребляемую электрическую энергию в «холод», а при большом (максимальном) нагреве (большой разнице (t-t)) - в ущерб экономичности может быть получено наибольшее понижение температуры. Режим максимального холодильного коэффициента характеризует наиболее экономичную работу термоэлектрического холодильника, а режим максимальной холодопроизводительности обеспечивает максимальное количество отведенного тепла в единицу времени. В целом, возможность работы термоэлектрических модулей (14) в различных режимах обеспечивает стабильную температуру холодных спаев (34) при различном нагреве горячего спая (33), что позволяет устройству функционировать с минимальной погрешностью.
п
2п
п
Геометрические размеры приемного элемента (10) - диаметр d и толщина δ являются оптимальными и связаны с амплитудой и длительностью импульсов воздействующего полихроматического оптического излучения. То есть, за время действия импульса полихроматического оптического излучения происходит равномерный нагрев всего объема диска приемного элемента до температуры t, значение которой зависит от амплитуды, длительности импульса излучения и теплофизических характеристик приемного диска. Значения d и δ были получены расчетно-экспериментальным путем. Применяя готовые решения дифференциального уравнения теплопроводности [3, 4]:
где х, у, z - прямоугольные координаты;
τ - время, с;
λ - теплопроводность, Вт/(м⋅К);
v
q - мощность объемных источников тепла;
с - теплоемкость, Дж/кг⋅К);
3
ρ - плотность, кг/м.
3
При расчетах использовались физические характеристики меди (λ=395 Вт/(м⋅К), с=385 Дж/(кг⋅К), ρ=8960 кг/м), при времени воздействия τ=0…1 с. Были получены следующие геометрические параметры диска:
п
d=0,04…0,07 м, δ=0,003…0,001 м.
Экспериментально, на моделирующей световой установке, при воздействии полихроматического импульсного оптического светового излучения различной длительности были определены оптимальные размеры диска:
п
d=0,05 м; δ=0,001 м.
Для определения требуемых теплоизоляционных свойств многослойной стенки, собранной из прокладок (30) и (31), были использованы готовые решения нахождения теплового потока Q и плотности теплового потока q через плоскую стенку [5]. Тепловой поток Q через плоскую стенку:
2
где S - площадь поверхности стенки, м, откуда q:
Для расчетов использовались прогнозируемые значения теплового потока Q, который будет формироваться на тыльной стороне диска (10).
Плотность теплового потока q через стенку [5]:
1c
2c
где t и t - температура соответственно на внутренней и наружной поверхностях стенки, °С;
1с
λ - теплопроводность материала стенки, Вт/(м⋅К);
с
δ - толщина стенки, м.
с
Откуда δ:
1с
1с
По формуле (5) была определена оптимальная толщина s стенки прокладки (30), теплопроводность материала прокладки (30) бралась для материала с λ<<1, например, для фторопласта λ=0,25 Вт/(м⋅К).
2с
Для расчета λ прокладки (31) применялась формула определения плотности теплового потока через стенку, состоящую из n слоев [5]:
2
Откуда, например, для двухслойной стенки λ определялось, как:
3c
1с
2с
3c
где t - температура на внешней стороне второй стенки, К. Расчеты проводились при условии λ>λ, при этом, варьировалась температура t. Количество отверстий и их диаметр прокладки (31) определялись исходя из того, что коэффициент теплопроводности неметаллических твердых тел зависит от их плотности, которая, в свою очередь, зависит от пористости. Увеличение пористости вызывает уменьшение плотности и, как следствие, снижение коэффициента теплопроводности [3, 4, 5].
1c
2c
1c
с
1с
1c
2c
1с
2с
3с
1c
2с
3с
4c
4с
4
2
3
2
По формулам (4) и (6) были сделаны сравнительные расчеты плотности теплового потока. По формуле (4) рассчитывалось значение плотности теплового потока через однослойную стенку, а по формуле (6) значение плотности теплового потока через стенку, состоящую из трех слоев, причем сочетание по теплопроводности бралось в следующем порядке - λ-λ-λ. В формуле (4) были приняты следующие значения: δ=0,003 м, λ=0,25 Вт/(м⋅К), t=160°С, t=20°С; значение плотности теплового потока q через данную стенку составило - q=1,21×10 Вт/м. В формуле (6) были приняты следующие значения: δ=δ=δ=0,001 м, λ=0,25 Вт/(м⋅К), λ=0,15 Вт/(м⋅К), λ=0,25 Вт/(м⋅К), t=160°С, t=20°С; значение плотности теплового потока q через данную стенку составило - q=9,75×10 Вт/м. То есть, при одинаковой общей толщине - 0,003 м, трехслойная стенка, в данном случае, снижает плотность теплового потока почти на 20%.
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 средств и методов;
п
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно повысить точность работы устройства при измерении плотности энергии импульсного полихроматического оптического излучения, это достигается за счет выбора оптимальных размеров d и δ диска приемного элемента (10), высокого тепло изолирования тыльной и боковых сторон приемного элемента (10) за счет применения многослойной стенки, составленной из прокладок (30) и (31), возможности оперативного охлаждения тыльной стороны приемного элемента (10), поддержания стабильной температуры холодных спаев измерительной термопары в широких диапазонах нагрева горячего спая измерительной термопары. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Ковтун А.Ф., Сало А.А., Точилин О. Н., Бурушенков С.И., Шуба Я.В. Устройство для исследования энергетических и временных параметров светового излучения. Патент РФ №2761119 от 6.12.21 МПК G01K 7/02, G01J 5/02.
2. Яворский Б.М., Детлав А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов: издание шестое, исправленное. - М., изд-во «Наука», 1974 г., - 944 стр. с илл.
3. Коновалов В.И., Пахомов А.Н., Гатапова Н.Ц., Колиух А.Н. Методы решения задач тепломассопереноса. Теплопроводность и диффузия в неподвижной среде. Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005, - 80 с.
4. Мазо А.Б. Основы теории и методы расчета теплопередачи. Учебное пособие, Казань, Казан, ун-т, 2013. - 144 с
5. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов. Учебное пособие, Томский политехнический университет, Томск, Изд-во Томского политехнического университета, 2011 г., - 97 с.