УСТРОЙСТВО ГРАДУИРОВКИ ПРИЕМНИКОВ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR GRADUATING RADIANT ENERGY RECEIVERS

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройству градуировки приемников лучистой энергии (ПЛЭ), с термочувствительными элементами.
Рассматриваемые для градуировки ПЛЭ используют для контроля теплообмена объекта исследования (ОИ), например космического аппарата (КА), или его составных частей, в условиях космоса или в условиях, имитирующих космическую среду при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) в наземных тепловакуумных камерах (ТВК) /7, с.9/. Тепловая энергия воспринимаемых лучистых потоков таких ПЛЭ отводится через его корпус в окружающую среду излучением. Температура ПЛЭ при этом должна быть средней равновесной, обеспечивающей излучение потребного количества энергии. Ограничения на температуры конструкционных и термочувствительных элементов ПЛЭ приводят в этом случае к ограничению уровня воспринимаемых лучистых потоков /5, с.132/.
Градуировка, т.е. проверка показаний приборов путем сравнения с показаниями образцовых приборов (ОП), широко применяется в современном приборостроении, являясь одной из последних операций при выпуске приборов.
Известно, что для абсолютной градуировки инфракрасной аппаратуры различного назначения используют эталонные излучатели /6, с.92/. Так, в качестве эталонного излучателя применяли нагретые тела, например:
- излучатель в виде полого медного куба, нагреваемого до определенной температуры горячей водой /6, с.92/;
- металлические цилиндры, наружная поверхность которых была покрыта сажей, вовнутрь наливалась горячая вода /6, с.93/;
- металлический сосуд с кипящей водой и зачерненная медная пластина, нагреваемая пламенем спиртовой лампы до температуры примерно 400°С /6, с.93/.
Наиболее широко для абсолютной градуировки инфракрасной аппаратуры используют в качестве эталонного источника излучения имитаторы абсолютно черного тела (ИАЧТ). В практике применяют источники излучения с постоянным по спектру коэффициентом излучения, величина которого немного меньше единицы /6, с.92/. Так, известно устройство градуировки радиационных пирометров, приборов для измерения температуры объектов по их тепловому электромагнитному излучению, где в качестве эталонного источника использован ИАЧТ /2, с.276-277/.
Упомянутые устройства не могут быть использованы при градуировке приемников лучистой энергии, так как не отвечают требованиям создания условий, имитирующих космические.
Прототип предложенного устройства градуировки ПЛЭ, приборов для измерения интенсивности лучистой энергии в условиях космоса или в условиях, имитирующих космос, не найден.
Задачей изобретения является обеспечение градуировки ПЛЭ, в условиях, приближенных к условиям их эксплуатации в космосе, а также в условиях эксплуатации ПЛЭ при тепловакуумных испытаниях КА, или его составных частей, за счет соответствия величины интенсивности лучистой энергии, падающей на ПЛЭ, температурам конструктивных элементов ПЛЭ.
Задача решается устройством градуировки приемников лучистой энергии, состоящим из тепловакуумной камеры, имитирующей факторы космического пространства, внутри которой на технологической подставке на нитях подвеса размещены экранируемые со всех сторон криогенными экранами два образцовых прибора, каждый из которых включает имитатор абсолютно черного тела и систему терморегулирования стенки полости этого имитатора, включающую электронагреватель и датчик температуры, установленные на стенке полости имитатора, и экранно-вакуумную теплоизоляцию, закрывающую внешнюю поверхность стенки полости имитатора, кроме окна в стенке полости имитатора; окна имитаторов абсолютно черного тела расположены напротив друг друга; в объеме между окнами, на нитях подвеса, размещен приемник лучистой энергии, чувствительные плоскости которого параллельны плоскостям окон, на расстоянии, исключающем тепловой контакт приемника лучистой энергии с образцовыми приборами.
В качестве датчика температуры использован термометр сопротивления платиновый или медный.
Стенка полости имитатора абсолютно черного тела выполнена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
ИАЧТ выполняют в виде замкнутой изотермической полости с вырезанным в стенке полости окном, площадь которого много меньше площади внутренней поверхности полости. Форма полости ИАЧТ может быть: сферической, конической, клиновидной, цилиндрической, цилиндрической с излучением через круглое отверстие в боковой поверхности /6, с.95-97/.
Тепловой режим полости ИАЧТ для каждого ОП, в требуемых для градуировки ПЛЭ пределах, поддерживается системой терморегулирования (СТР), обеспечивающей контролируемый теплообмен с окружающей ОП средой внутри ТВК. СТР поддерживает требуемый тепловой режим полости ИАЧТ каждого ОП активными (электронагреватели (ЭН)) и пассивными (экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ)) средствами и контролируется датчиками температуры (ДТ).
Предложение использовать в качестве ДТ термометры сопротивления (ТС) платиновые или медные вызвано широким распространением этих термометров. Например, при помощи высокоточных платиновых ТС воспроизводится Международная практическая шкала, проводятся точные измерения температуры и градуировка других термометров в диапазоне 14-900 К /8, с.755/. Платиновые термометры для точных измерений имеют погрешность менее 0,001 К /1, с.179/.
Предложение выполнять стенку полости ИАЧТ из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из Al, Cu /1, с.340-342/ или их сплавов, позволяет получить более равномерное распределение температуры по стенке полости, что позволяет более точно определить интенсивность лучистой энергии образцового прибора.
2
3
2
Рекомендуется покрывать внутреннюю поверхность стенки полости ИАЧТ материалом, хорошо поглощающим тепловые лучи, например, покрытие из рыхлой металлической черни, толщиной, достигающей 40-60 мкм и более, с максимальной величиной открытой пористости. Это вызвано в первую очередь необходимостью иметь возможно более высокий коэффициент излучения полости в широкой области длин волн, позволяющей увеличить эффективный коэффициент излучения ИАЧТ /6, с.95-97/. Можно также, для увеличения коэффициента теплового излучения ИАЧТ, использовать покрытия на основе пигментов AlО, CaO, ZrO, ZnO, CuO, как имеющие стабильные и наибольшие значения коэффициента теплового излучения /1, с.779/.
ЭВТИ, входящая в систему терморегулирования ИАЧТ, способствует также более равномерному распределению температуры по стенке полости ИАЧТ и одновременно уменьшает затраты энергии при градуировке.
Нити подвеса выполняют из теплоизоляционных материалов, исходя из принятых при градуировке рабочих температурных условий /10, 11/.
На чертеже приведен конкретный пример конструктивного исполнения устройства градуировки ПЛЭ, где:
1 - тепловакуумная камера (ТВК);
2 - криогенные экраны (КЭ);
3, 4 - образцовые приборы (ОП);
5, 6 - имитаторы абсолютно черного тела (ИАЧТ);
7, 8 - датчики температуры (ДТ);
9, 10 - электронагреватели (ЭН);
11, 12 - экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ);
13, 14, 15 - нити подвеса;
16 - подставка;
17, 18 - окна;
19 - приемник лучистой энергии (ПЛЭ);
20, 21 - стенки полостей.
Устройство градуировки приемников лучистой энергии, конструкция которого состоит из ТВК 1, имитирующей факторы космического пространства, внутри которой на технологической подставке 16 на нитях подвеса 13, 14 размещены экранируемые со всех сторон криоэкранами 2 два образцовых прибора 3 и 4. Каждый ОП 3 и 4 включает ИАЧТ 5 и 6, соответственно, и свою систему терморегулирования стенок полостей 20 и 21 ИАЧТ 5 и 6, соответственно. СТР каждого ОП 3 и 4 включает ЭН 9 и 10, соответственно, ДТ 7 и 8, соответственно, и ЭВТИ 11 и 12, соответственно. Окна 17 и 18 ИАЧТ 5 и 6, соответственно, расположены напротив друг друга. В объеме между окнами 17 и 18, на нитях подвеса 15, размещен ПЛЭ 19, чувствительные плоскости которого параллельны плоскостям окон 17 и 18, на расстоянии, исключающем тепловой контакт ПЛЭ 19 с ОП 3 и ОП 4.
Устройство градуировки приемников лучистой энергии работает следующим образом.
Смонтированные, с помощью нитей подвеса 13, 14, 15, на технологической подставке 16 ОП 3 и ОП 4 и ПЛЭ 19 размещают внутри ТВК 1.
Закрывают ТВК 1 и начинают проверять работу системы измерения контролируемых параметров ОП 3 и ОП 4, а именно:
п1
п2
- работоспособность ДТ 7 и 8, контролирующих температуры стенки полости 20 (T) ИАЧТ 5 и стенки полости 21 (Т) ИАЧТ 6;
- работоспособность ЭН 9 ИАЧТ 5 и ЭН 10 ИАЧТ 6.
Также проверяют работу термочувствительных элементов (ТЧЭ) (на чертеже не показаны), входящих в конструкцию ПЛЭ 19.
ДТ 7 и 8, выполненные, например, из тонкого платинового провода, имеют предварительно выполненные градуировочные характеристики, выраженные зависимостью сопротивления от температуры.
Затем начинают процесс вакуумирования ТВК 1, с помощью откачной системы вакуумирования (на чертеже не показана) и охлаждения жидким азотом КЭ 2, моделируя в ТВК 1 условия, близкие к космическим, обеспечивающие радиационный характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизолирующих устройств ЭВТИ 11 и 12, используемых при градуировке.
п1
п2
Начинаем процесс градуировки, фиксируя начальное температурное состояние ОП 3 T и ОП 4 Т, по показаниям ДТ 7 и 8, соответственно, и температурное состояние контролируемых конструктивных элементов ПЛЭ 19, по показаниям, снимаемым с ТЧЭ ПЛЭ.
Определяем полную испускательную способность каждого ИАЧТ 5 и 6, т.е. количество лучистой энергии с единицы поверхности каждого окна 17 и 18, соответственно, в единицу времени, с использованием закона Стефана-Больцмана /8, с.725/, из выражений:
2
4
где σ - постоянная Стефана - Больцмана равна 5,67·10 Вт/(м·К);
1
2
ε' и ε' - эффективные коэффициенты излучения полостей ИАЧТ 5 и 6, соответственно, зависящие от конфигурации полостей ИАЧТ и определяемые, например, по методу Гуффе /6, с.95/.
п1
п2
1
п2
п1
п2
п1
п2
С помощью регулировки мощности ЭН 9 и 10 и частичного отвода тепла излучением на КЭ 2 с внешней поверхности ОП 3 и ОП 4, устанавливаем желаемые температуры стенок полостей 20 и 21 ИАЧТ 5 и 6, фиксируемые ДТ 7 и 8, соответственно T и Т. При установившемся тепловом состоянии системы, включающей ОП 3, ОП 4 и ПЛЭ 19, по выражениям (1) и (2), определяем величины интенсивности падающей лучистой энергии qп и q на чувствительные плоскости ПЛЭ 19. Лучистая энергия (q и q) частично поглощается конструкцией ПЛЭ 19, нагревая конструктивные элементы ПЛЭ 19, что фиксируется его ТЧЭ. С помощью ТЧЭ ПЛЭ 19 фиксируем температуры конструкции ПЛЭ 19, однозначно соответствующие величинам интенсивности падающей лучистой энергии q и q. Получаем зависимости показаний ТЧЭ конструкции ПЛЭ 19 от величины интенсивности лучистой энергии от ОП 3 и ОП 4, падающей с двух сторон на чувствительные плоскости ПЛЭ 19.
Таким образом, полученные зависимости можно представить в виде градуировочных таблиц или градуировочных кривых, однозначно отражающих связь эффекта на выходе ПЛЭ (показаний ТЧЭ ПЛЭ) с величиной интенсивности лучистой энергии от образцовых приборов, подводимой к чувствительным плоскостям ПЛЭ.
Приведем расчетный пример применения устройства градуировки приемников лучистой энергии. В качестве конкретного конструктивного решения ПЛЭ можно взять, например устройство приведенное в /12/, конструкция которого включает два термочувствительных элемента.
Размерности всех параметров в расчетном примере приведены в Международной системе единиц.
Примем интервал рабочих температур для элементов устройства градуировки и ПЛЭ от 77 К (минимальная температура КЭ ТВК, обеспечиваемая подачей в полость КЭ жидкого азота) до 373 К (максимальная температура из-за ограничений, которые мы примем, например, на температуры элементов ПЛЭ).
-3
2
2
Положим, что в составе каждого ОП используют сферические полости для ИАЧТ 5 и 6. На внутренние поверхности стенок полостей 20 и 21 нанесено покрытие на основе черного пигмента СuО с коэффициентом излучения ε=0,9. Площадь окна s в стенке полости каждого ИАЧТ должна быть больше или равна площади чувствительной плоскости ПЛЭ, примем s равной 1,2·10 м. Примем полную площадь S полости каждого ИАЧТ равной 0,7854 м, что соответствует диаметру полости, равному 0,5 м. Размещаем в ТВК два ОП, установленных на нитях подвеса на технологической подставке ТВК. ОП размещают так, чтобы окна ИАЧТ были расположены напротив друг друга на минимальном расстоянии, исключающем тепловой контакт ПЛЭ и нитей подвеса ПЛЭ с ОП.
В объеме между окнами ОП на нитях подвеса, параллельно плоскостям окон, устанавливают ПЛЭ так, чтобы чувствительные плоскости ПЛЭ "смотрели" в окна ОП.
Герметично закрывают ТВК, проверяют работу системы для измерения контролируемых параметров ОП и ПЛЭ.
В качестве ДТ ОП используем платиновые ТС, стандартная градуировочная таблица для этих термометров приведена в /1, с.179/.
Затем начинаем процессы вакуумирования ТВК, положим до давления
-3
в ТВК, равного 1,33·10 Па, и охлаждения жидким азотом КЭ ТВК, положим до минимальной температуры на КЭ, равной 77 К, моделируя в ТВК условия, близкие к космическим, обеспечивающие радиационный характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизолирующих устройств, используемых при градуировке.
п1
п2
После чего начинаем процесс градуировки. При установившемся тепловом состоянии ОП и ПЛЭ, фиксируем начальное состояние по показаниям контролируемых параметров, например, получили T≈77 К и Т≈77 К для ОП, и фиксируемые ТЧЭ ПЛЭ температуры конструктивных элементов ПЛЭ.
1
2
Определяем полную испускательную способность для ИАЧТ из выражений (1) и (2), где в данном примере ε'=ε' и для сферической полости определяем по формуле /6, с.96/:
Подставляем в (3) принятые значения для ε, s, S и определяем
Из (1) и (2) получаем для начального состояния:
- для одного образцового прибора
п1
1
п1
4
-8
4
2
q=ε'·σ·T =0,99983·5,67·10·77=1,99 Вт/м;
- для другого образцового прибора
п2
2
п2
4
-8
4
2
q=ε'·σ·Т =0,99983·5,67·10·77=1,99 Вт/м.
п1
п2
п1
п2
п1
п2
п1
п2
п2
Регулируя мощности тепловыделения ЭН ОП, изменяем температуры стенок полостей ИАЧТ, с предварительно выбранным шагом по температуре этих полостей ΔT и ΔТ, фиксируем показания ДТ 7 T и ДТ 8 Т, и из выражений (1) и (2) определяем величины интенсивности падающей лучистой энергии на чувствительные плоскости ПЛЭ, однозначно соответствующие фиксируемым ТЧЭ температурам ПЛЭ. Зафиксировав T полости ИАЧТ 5 для ОП 3, затем изменяем температуру полости ИАЧТ 6 для ОП 4, начиная с Т=T, с выбранным шагом ΔТ до максимальной температуры, в данном примере до Т=373 К.
п1
п2
п1
п2
п1
п2
п1
п2
2
Так, например, при установившемся состоянии системы, зафиксировав для ОП 3 T=100 К и Т=120 К, для ОП 4, из выражений (1) и (2) определяем величины плотности падающего излучения q=5,67 Вт/м и q=11,76 Вт/м на чувствительные плоскости ПЛЭ. Лучистая энергия q и q частично поглощается конструкцией ПЛЭ, нагревая конструктивные элементы ПЛЭ до температур, фиксируемых ТЧЭ ПЛЭ, зависящих от величин q и q, а также от теплофизических, геометрических и оптических характеристик конкретного ПЛЭ.
п1
п2
Продолжая таким же образом, получаем зависимости величины интенсивности лучистой энергии q и q от ОП 3 и ОП 4, падающей с двух сторон на ПЛЭ, от показаний ТЧЭ ПЛЭ.
Таким образом, полученные зависимости можно представить в виде градуировочных таблиц или градуировочных кривых, однозначно отражающих связь температуры конструктивных элементов ПЛЭ (по показаниям ТЧЭ ПЛЭ) с величиной лучистой энергии, подводимой к чувствительным плоскостям ПЛЭ от образцовых приборов.
Применение предлагаемой конструкции устройства градуировки приемников лучистой энергии позволяет:
1) определить соответствие двух потоков лучистой энергии, одновременно падающих с двух сторон на конструкцию ПЛЭ, температурам конструктивных элементов ПЛЭ;
2) представить полученные зависимости в виде градуировочных таблиц или градуировочных кривых, однозначно отражающих связь эффекта на входе ПЛЭ, т.е. величины интенсивности лучистой энергии от образцовых приборов, с показаниями термочувствительных элементов ПЛЭ на выходе;
3) достигнуть высокой точности замеров при градуировке, благодаря использованию эталонных источников излучения на основе имитаторов абсолютно черного тела, а также использованию высокоточных платиновых термометров сопротивления;
4) проводить градуировку приемников лучистой энергии в условиях, максимально близких к рабочим, благодаря использованию в устройстве тепловакуумной камеры, моделируя в ней условия, близкие к космическим, обеспечивающие радиационный характер внешней теплопередачи и рабочий режим работы теплоизолирующих устройств, используемых при градуировке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.
2. С.А.Спектор. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Ленинград. Энергоатомиздат.Ленинградское отделение, 1987.
3. Приборы для измерения температуры контактным способом. Справочник под ред. Р.В.Бычковского. Львов. Изательство при Львовском государственном университете издательского объединения "Вища школа", 1979.
4. Я.Вепшек. Измерение низких температур электрическими методами. Под ред. М.П.Орловой. Москва: "Энергия", 1980.
5. О.Б.Андрейчук, Н.Н.Малахов. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.
6. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Советское радио, 1978.
7. Моделирование тепловых режимов космического аппарата и окружающей его среды. Под ред. акад. Г.И.Петрова. М.: Машиностроение, 1971.
8. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.
9. М.А.Михеев, И.М.Михеева. Основы теплопередачи, Москва: Энергия, 1973.
10. ГОСТ 6309-93 "Нитки швейные хлопчатобумажные и синтетические. Технические условия".
11. ГОСТ 8325-93 "Нити стеклянные крученые комплексные. Технические условия".
12. Патент RU 2353923. Изобретения 2009, бюл. №12.