Устройство для измерения энергетических параметров светового излучения
DEVICE FOR MEASURING ENERGY PARAMETERS OF LIGHT RADIATION

Изобретение относится к области фотометрии и 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, а именно при измерении энергетических параметров светового излучения, в частности, устройство может применено при измерении распределения плотности энергии светового излучения в испытательной зоне установки, моделирующей его воздействие.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является тепловой приемник (патент РФ на изобретение №2518250, 10.06.2014 г.) [1], содержащий герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например, пленки из диоксида ванадия, в виде элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. Согласно изобретению, круговая приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Термочувствительные элементы имеют форму секторов колец подобной геометрической формы, разделенных круговыми зазорами. Общие электроды расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой. Сигнальные электроды расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента и сквозными выводами соединены с контактными площадками на обратной стороне подложки.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что:
- заявленная в изобретении толщина термочувствительного слоя недостаточна для измерения плотности распределения энергии светового излучения требуемого уровня, так как воспроизводимое световое излучение может привести к разрушению этого термочувствительного слоя;
- потребность в постоянном источнике тока с точными параметрами;
- потребность в периодической калибровке.
Сущность изобретения заключается в создании устройства, способного преобразовывать энергетические параметры светового излучения, например, плотность энергии светового излучения в пропорциональный электрический сигнал с минимальной погрешностью в заданном диапазоне длин волн светового излучения и на заданных расстояниях z от фокальной плоскости концентратора, а также, чтобы конструкция устройства позволяла в максимально достоверной форме обрабатывать результаты измерений с помощью компьютерных математических программ.
Техническим результатом при решении данной задачи является повышение точности получаемых данных об энергетических параметрах светового излучения в испытательной зоне моделирующих установок с концентраторами лучистой энергии в заданном диапазоне длин волн светового излучения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем герметичный корпус, термочувствительные элементы, четыре одинаковых квадранта, сигнальные электроды, разъем, закрепленный с тыльной стороны корпуса, новым является то, что герметичный корпус выполнен в виде круглого цилиндра, основания которого являются лицевой и тыльной сторонами этого корпуса, термочувствительные элементы, каждый из которых имеет форму прямоугольного параллелепипеда, закреплены на лицевой стороне герметичного корпуса по линиям двух взаимно перпендикулярных его диаметров, в каждый термочувствительный элемент со стороны его нижнего основания зачеканен горячий спай измерительной термопары, холодные спаи этих термопар размещены внутри герметичного корпуса и собраны в пучок, в котором все спаи имеют одинаковую стабилизированную температуру, сигнальные проводники всех измерительных термопар электрически соединены с контактами гнезда разъема, которые выделены в отдельную измерительную группу, четыре одинаковых квадранта являются центрирующими элементами и в каждый из них зачеканен горячий спай термопары, сигнальные проводники этих термопар электрически включены встречно и соединены с контактами гнезда разъема, выделенные в группу настройки, термочувствительные элементы и четыре одинаковых квадранта изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, а на их наружные рабочие поверхности нанесено покрытие с высоким интегральным коэффициентом поглощения светового излучения в широком спектральном интервале, внутри герметичного корпуса, с его тыльной стороны, установлен аккумулятор холода, который прижат к пучку холодных спаев измерительных термопар.
При исследовании отличительных признаков описываемого устройства для измерения энергетических параметров светового излучения не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся использования традиционной конструкции при реализации процесса измерения энергетических параметров светового излучения, позволяющих получать данные, например, о плотности распределения энергии светового излучения.
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.
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 (частей) известного средства другой, известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
• исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
• увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
• выполнение известного средства или его части (частей) 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 (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
На чертежах представлено: на фиг.1 показан общий вид устройства, на фиг.2 представлен принцип зачеканки горячего спая термопары, на фиг.3 изображена упрощенная схема обработки сигналов, на фиг.4 представлены фрагменты расчетного блока для определения и визуализации распределения плотности энергии.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. На фиг.1 изображен общий вид устройства. Герметичный корпус (1) (далее по тексту корпус) имеет форму круглого цилиндра, основания которого являются лицевой и тыльной сторонами этого корпуса. На лицевой стороне корпуса (1), вдоль линий взаимно-перпендикулярных диаметров корпуса размещены термочувствительные элементы (2) с зачеканинными в них горячими спаями измерительных термопар из хромель-копелевых проводов (3) (принцип зачеканки будет пояснен фиг.2). Холодные спаи этих термопар размещены внутри корпуса (1) и собраны в пучок (на фигурах не показаны). Сигнальные электроды измерительных термопар выведены на контакты гнезда разъема (4), размещенного на тыльной стороне корпуса (1), при этом контакты этого разъема выделены в отдельную измерительную группу. Каждый термочувствительный элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из меди, что обеспечивает его высокую теплопроводность, а его наружная рабочая поверхность покрыта материалом с высоким интегральным коэффициентом поглощения светового излучения в широком спектральном интервале, например, керосиновой сажей. На лицевой стороне герметичного корпуса дополнительно закреплены площадки в виде квадрантов (5), которые прямыми сторонами прилегают к термочувствительным элементам (2) и закреплены в одной с ними плоскости и вместе с ними образуют круговую приемную площадку. Квадранты (5) являются центрирующими элементами и изготовлены из меди, а их наружные рабочие поверхности также покрыты керосиновой сажей, которая обеспечивает для данного элемента высокий коэффициент поглощения светового излучения. В каждый квадрант (5) зачеканен горячий спай термопары, сигнальные электроды которых электрически включены встречно по ЭДС (положительные с положительными, отрицательные с отрицательными) и выведены на контакты гнезда разъема (4), эти контакты выделены в отдельную группу настройки. Круговая приемная площадка, которую образуют термочувствительные элементы (2) вместе с квадрантами (5), с максимальной точностью повторяет геометрию светового пятна моделирующей установки и дополнительно облегчает наведение на устройство центра рабочего пятна моделирующей установки (или устройство устанавливается по центру пятна). Предложенное расположение термочувствительных элементов (2) также способствует максимально достоверной и удобной обработке результатов измерений. Контроль по наведению пятна или установки устройства в центре пятна осуществляется по сигналам термопар квадрантов (5), например, если температура на всех квадрантах одинакова, то при встречном включении термопар их суммирующий сигнал будет взаимно скомпенсирован до нуля, что будет свидетельствовать о расположении устройства по центру пятна. При этом квадранты (5) еще и препятствуют передаче тепла от термочувствительных элементов (2) на корпус, что позволяет фиксировать реальное распределение энергии в пучке светового излучения. Гнездо разъема (4) предназначено для соединения или разъединения устройства, например, посредством многоканальной сигнальной цепи со средствами обработки сигналов (пояснение фиг.3). Для закрепления устройства на каком либо приспособлении, на его корпусе выполнены канавка (6) и проточка (7). В задней части корпуса (1) установлен выдвижной контейнер (8), в который помещается аккумулятор холода (9). При установке контейнера (8) в закрытое положение, к аккумулятору холода (9) плотно прижимаются собранные в пучок холодные спаи измерительных термопар (на фиг.1 не показаны). Нахождение холодных спаев в пучке при одинаковой температуре, которую создает аккумулятор холода и которая близка к температуре окружающей среды (аккумулятор холода сохраняет значение температуры окружающей среды, которое было перед началом нагрева), позволяет снизить погрешность измерения напряжения, генерируемого термопарой, это особенно важно, когда необходимо измерить напряжение с разных термопар, которые подвергаются нагреву с небольшой разницей. На фиг.2 показан принцип зачеканки горячего спая термопары. Перед зачеканкой с тыльной стороны приемного элемента (2) выполняется глухое отверстие (10), куда вставляется горячий спай термопары из хромель-копелевых проводов (3). Затем, края (11) отверстия (10) механическим или слесарным способом деформируются внутрь, при этом обжимается горячий спай из хромель-копелевых проводов (3). Зачеканка горячего спая из хромель-копелевых проводов (3) способствует плотной его посадке в отверстии (10), а при нагреве - быстрому выравниванию температуры по всему объему термочувствительного элемента (2). Тем самым достигается фиксация достоверного значения термо-ЭДС, генерируемого термопарой.
Работа устройства.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Импульс энергии светового излучения, генерируемый каким либо устройством (например, моделирующей установкой), в виде входного сигнала поглощается термочувствительными элементами (2), которые при этом нагреваются. Нагрев каждого элемента (2) пропорционален поглощенной плотности энергии (импульсу облучения, количеству облучения) и определяется по формуле
0i
где t - начальная температура i-го термочувствительного элемента, град;
i
t - максимальная температура i-го термочувствительного элемента, град;
А - коэффициент поглощения сажевого покрытия, обычно 0,95±0,1%;
2
U - плотность энергии, кал/см;
с - теплоемкость меди, кал/г град;
3
γ - плотность меди, г/см;
d - толщина термочувствительного элемента, см.
В результате этого измерительные термопары вырабатывают выходные сигналы в виде максимальных приращений ЭДС, которые пропорциональны нагреву термочувствительных элементов (2), и, как следствие, плотности энергии, поглощенной с некоторым коэффициентом термочувствительным элементом. Это видно из следующих соотношений. ЭДС, генерируемая термопарой i-того элемента
где α - коэффициент термо-ЭДС термопары, мВ/град;
подставив значение нагрева (1) в формулу (2), получим
Откуда получим выражение для определения плотности, поглощенной i-тым элементом энергии
2
где отношение  называется коэффициентом преобразования i-го термочувствительного элемента:, кал/см⋅мВ или
Дальнейшая работа предлагаемого устройства поясняется фиг.3. Сформированные устройством сигналы в виде некоторых значений напряжения через многоканальную сигнальную цепь передаются на многоканальный усилитель (12) и усиливаются до значений, достаточных для их оцифровки аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) (13), далее через контроллер (14) сигналы поступают на компьютер (15), где с помощью математической программы производится окончательная обработка и получение результата. Сигнал, формируемый термопарами, по которому производится оценка уровней нагрева площадок (5), после усиления визуализируется вольтметром, подсоединяемым к соответствующему выходу усилителя (12). Принцип обработки поясняется фрагментами расчетного блока, разработанного в программе MathCAD (фиг.4), где представлены промежуточные результаты и итоговый результат - распределение плотности энергии в пятне моделирующей установки. В расчетах используются формулы (1)-(4), представленные выше. Расположение термочувствительных элементов (2) на устройстве для измерения энергетических параметров светового излучения позволяет из результатов измерений формировать матрицу (16), в которой элементы столбцов и строк отображают значения упавшей плотности энергии на термочувствительные элементы в том же порядке, в каком они расположены на заявленном устройстве. Далее строится гистограмма уровней (17), показывающая уровни упавшей энергии на каждый термочувствительный элемент устройства, также по гистограмме определяют состояние термопар (например, отклонения от рабочего состояния или неисправность). После гистограммы, используя столбец или строку матрицы (16) со значениями упавшей плотности энергии, расчетный блок выдает поле (18) (в виде изолиний) поглощенной устройством плотности энергии со значением плотности энергии на каждой изолинии в относительных единицах. По расположению и концентрации изолиний окончательно определяют точность фокусировки относительно центра пятна светового излучения и визуально оценивают распределение упавшей на устройство энергии. Затем расчетный блок строит объемную поверхность вращения (19) (здесь также используется столбец или строка матрицы (16) со значениями упавшей плотности энергии), которая аппроксимирует значения поглощенной устройством энергии в любой его точке (например, на квадрантах (5)). Итогом обработки данных является график распределения плотности энергии в процентном отношении по пятну светового излучения в установленной координате z (20).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использования 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;
2
• средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Преимущество изобретения состоит в том, что позволяет получать точные данные о распределении энергии в пятне светового излучения моделирующей установки, это достигается и конструкцией термочувствительных элементов и их расположением на корпусе устройства. Используя эти особенности, можно изготовить ряд (линейку) подобных устройств с разной толщиной термочувствительных элементов для измерения плотности энергии от единиц до нескольких сотен кал/см.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Олейник Анатолий Семенович, Журавлев Ефим Андреевич, Тепловой приемник, патент РФ на изобретение №2518250, 10.06.2014, МПК G01J 5/02.