УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ

Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением, в частности, к методам и средствам определения радиационных характеристик поверхностей и покрытий твердых тел на основе сравнительного анализа радиационных характеристик поверхностей и покрытий твердых тел с известными свойствами и преимущественно может быть использовано для точного измерения интегральной по спектру излучения излучательной способности (степени черноты) поверхности твердых тел в широком интервале изменения температуры и определения температурной зависимости степени черноты.
Для измерения степени черноты поверхностей твердых тел применяются методы, основанные на сравнении величины измеряемой оптическим пирометром мощности лучистого потока нагретых тел с известной степенью черноты поверхности с мощностью лучистого потока тела с неизвестной степенью черноты, которую требуется определить, а также на сравнении температуры излучающих поверхностей твердого тела с известной степенью черноты с температурой излучающей поверхности тела с неизвестной степенью черноты.
1
2
Известно устройство для определения теплофизических свойств твердых тел (Ю.И.Шаров, П.А.Щинников. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. Сборник лабораторных работ. Новосибирск, 2002, с.30-36.). Устройство состоит из трех цилиндров. Поверхность каждого цилиндра обработана специальным образом. Поверхность одного из цилиндров - никелирована и полирована, степень черноты поверхности известна (ε=0,15) и этот цилиндр является белым телом или эталоном №1. Поверхность другого цилиндра покрыта сажей мазута, степень черноты поверхности известна (ε=0,95) и этот цилиндр является черным телом или эталоном №2. Поверхность третьего цилиндра покрыта окисью меди. Данный цилиндр является серым телом (образцом), степень черноты его поверхности неизвестна. Внутри каждого цилиндра установлен тепловыделяющий элемент (электронагреватель) на который подается напряжение. Температура на поверхности цилиндров регулируется изменением мощности на нагревательном элементе. Контроль температуры осуществляют посредством термопар и потенциометров, контроль мощности тепловыделяющего элемента - соответствующими измерительными приборами. После наступления стационарного режима производится выравнивание температур цилиндров. Соответствующие рассеиваемые мощности определяются по результатам измерения тока и напряжения:
W=IUcosφ,
где I - ток нагревательного элемента;
U - напряжение нагревательного элемента;
cosφ=0,96.
Определяется степень черноты образца
обр
2
1
2
обр
обр
1
ε=(ε-εC)/(1+С), С=(W-W)/(W-W).
Недостатком устройства является его сложность, а также сложность проведения измерений, необходимость выравнивания температуры трех различных тел, что снижает точность определения искомой степени черноты поверхности.
Известно устройство для определения степени черноты твердых тел (Техническая термодинамика и теплопередача: методические указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей / СПбГАСУ. Е.Т. Васьков. - СПб., 2003. - с.41-46.). Основной частью устройства является разъемная пластина-излучатель, выполненная из двух металлических пластин, между которыми в кольце помещен электрический нагреватель, выполненный из нихромовой проволоки. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором. Наружная поверхность одной из пластин излучателя зачернена сажей, а наружная поверхность второй пластины, степень черноты которой определяется, оставлена без покрытия. Температуры пластины измеряются с помощью термопар, горячие спаи которых закреплены в толще пластин с внутренней стороны на расстоянии не более 1 мм от наружной излучающей поверхности. На каждой из пластин смонтированы по 3 термопары, которые через переключатель соединены с потенциометром. Разъемная пластина-излучатель укреплена в основании и может быть повернута в стойке по отношению к термостолбику поочередно зачерненной и серой поверхностями. В качестве приемника излучения используется термостолбик, представляющий собой цепь пятидесяти термопар из нихрома и константана, соединенных последовательно путем сварки. Корпус, в котором помещается термобатарея, имеет с лицевой стороны окно для доступа теплового потока. Просвет окна может регулироваться при помощи задвижек. Для увеличения поверхности нагрева и уменьшения тепловой инерции термопары составлены из тонких ленточек нихрома и константана. Термопары в батарее расположены в одной плоскости так, что рабочие места спаев находятся на одной линии посредине окна, а холодные спаи помещаются за пределами окна; для защиты от действия теплового потока они залиты парафином. Металлическая конусная насадка предназначена для концентрации направленного на термостолбик потока лучистой энергии. Для лучшего поглощения теплового потока, падающего на рабочую поверхность термостолбика, термопары покрыты тонким слоем копоти. Возникающая ЭДС термопар пропорциональна интенсивности излучения. ЭДС измеряется микроамперметром, подключенным к термостолбику. После определения температуры поверхности исследуемого твердого тела и температуры эталона при равных потоках лучистой энергии с обеих поверхностей, определяют искомую степень черноты расчетным путем. Недостатком устройства является сложность самого устройства, обусловленная наличием термостолбика для измерения теплового потока, его большие габариты и низкая надежность, сложность проведения замеров параметров.
Наиболее близким по технической сущности к устройству для измерения степени черноты поверхности твердых тел, являющемуся предметом настоящего изобретения следует считать способ и устройство для определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов (RU 2132549, 1999). Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют предварительный нагрев до заданной температуры модели абсолютно черного тела, образованного двумя идентичными параллельно расположенными плоскими образцами совместно с боковыми и внутренними секционированными экранами, путем пропускания через образцы одинаковых электрических токов, измеряют силу токов и падения напряжения в центральной зоне каждого из образцов, температуры внешней поверхности одного образца и внутренней поверхности второго образца, производят импульсное тепловое воздействие на внешнюю поверхность одного из образцов, одновременно регистрируя температуру противоположной поверхности этого же образца и, используя эти данные, рассчитывают набор искомых теплофизических характеристик - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, удельную теплоемкость, спектральную и интегральную степень черноты, удельное электросопротивление. Предложено также устройство для определения теплофизических характеристик по заявленному способу.
К недостаткам данного устройства следует отнести сложность, ограничения на геометрию образцов, исследуемых с применением данного устройства, а также трудности обеспечения малой погрешности измерений при регистрации нестационарных температур и последующим вычислении совокупности исследуемых параметров.
Задачами группы изобретений является повышение точности измерений степени черноты и упрощение способа выполнения измерений.
Поставленные задачи решаются, согласно настоящему изобретению, тем, что устройство для измерения степени черноты покрытий и свободных поверхностей твердых тел, включающее образцы и средства для установки, нагрева и измерения температуры образцов, причем, один из образцов имеет покрытие с известной степенью черноты, а покрытие другого образца подлежит исследованию, образцы в виде двух одинаковых пластин размещены один напротив и параллельно другому покрытиями наружу, в полости между ними установлен электронагреватель, отличающееся тем, что с целью упрощения устройства и повышения точности измерений степень черноты исследуемых поверхностей определяется по формуле:
,
m
O
S
где Р, P - мощности источника тепловыделений, затрачиваемые на нагрев эталонного и исследуемого образцов до стационарного значения температуры T, К;
C
Т - температура среды, К;
-8
2
4
σ=5,67*10 Вт/м К - постоянная Стефана-Больцмана;
2
S - теплоотдающая площадь поверхности образца, м;
э
ε - степень черноты поверхности эталонного образца.
Образцы материалов с покрытиями, нагреваемыми источниками тепловыделений и установленные в держателях на воздухе, отдают в окружающую среду тепловую энергию конвекцией и излучением.
В стационарном тепловом режиме уравнение теплового баланса имеет вид:
где α - коэффициент конвективного теплообмена;
q - удельная тепловая мощность, отдаваемая в окружающую среду излучением;
Р - мощность источника тепловыделений, затрачиваемая на нагрев образца.
Величина q определяется из соотношения
m
q=εq;
где ε - степень черноты поверхности образца;
m
q - удельная мощность излучения для абсолютно черной поверхности.
S
Вводится следующее ограничение на условие проведения эксперимента: при разных степенях черноты поверхности образца поддерживается постоянное значение его температуры Т, что достигается соответствующей регулировкой мощности Р.
m
S
C
S
C
m
Значение удельной мощности q легко определяется по значениям T и Т, при этих же значениях температур измеряется мощность тепловыделений Р. Таким образом, величины T, Т, q и Р в рассматриваемой задаче являются заданными, так же как и площадь поверхности S.
Искомыми величинами являются коэффициент лучистого теплообмена α и степень черноты ε.
Эксперимент проводится в следующей последовательности: сначала исследуется образец с абсолютно черной поверхностью (контрольный образец - КО), затем измерения проводятся для образца с неизвестной степенью черноты, которую требуется определить (исследуемый образец - ИО).
Конвективный коэффициент теплообмена α может быть определен из расчета по известным методикам. В этом случае α может быть определена из соотношения:
; ;
m
где Q - удельная мощность тепловыделений в КО или мощность тепловыделений при ε=1, отнесенная к площади теплоотдающей поверхности образца;
S
ϑ - перегрев поверхности образца над окружающей средой.
На следующем этапе из опыта с ИО определяется степень черноты из
;
O
где Q - удельная мощность тепловыделений в ИО;
O
S
P - полная мощность тепловыделений в ИО, при которой достигается та же величина перегрева ϑ, что и в КО. Подставив в (4) выражение для α из (3),получим
где ΔQ и δQ соответственно абсолютное и относительное приращение мощности тепловыделений в образце при изменении степени черноты его поверхности относительно значения ε=1, откуда получаем
m
O
S
Таким образом, измеряя мощности тепловыделений в ИО и КО (Р и P), затрачиваемые на поддержание температуры поверхностей образцов на уровне T, определяют степень черноты исследуемой поверхности.
Электронагреватель изготовлен из нихромовой проволоки с электроизоляционным слоем из керамических трубок.
Образцы помещены в вакуумную камеру. В этом случае конвективная составляющая теплообмена образцов с окружающей средой равна нулю и весь теплообмен происходит излучением. Выражение для степени черноты остается прежним, однако подводимая мощность отводится от образцов только лучистым потоком.
Устройство для измерения степени черноты покрытий и свободных поверхностей твердых тел, включающее образцы и средства для установки, нагрева и измерения температуры образцов, причем, один из образцов имеет покрытие с известной степенью черноты, а покрытие другого образца подлежит исследованию, образцы в виде двух одинаковых пластин размещены один напротив и параллельно другому покрытиями наружу, в полости между ними установлен электронагреватель, причем, степень черноты исследуемых поверхностей определяют по данной формуле, что обеспечивает повышение точности измерений степени черноты поверхности твердых тел и упрощение измерений, реализующих данное устройство. Это утверждение подтверждается следующими соображениями.
Во-первых, это позволяет обеспечивать нагрев обоих образцов одним нагревателем, размещенным между ними, что дает равенство подводимой тепловой мощности к обоим образцам, исключая возможную погрешность на этом этапе измерений. Во-вторых, указанные отличительные признаки предлагаемого устройства при его осуществлении обеспечивают при соответствующем выборе формы и размеров образцов, например, в виде круглой тонкой пластины необходимой толщины, симметрию температурного поля каждого образца и высокую равномерность распределения температуры по ее поверхности и толщине при минимальном возмущающем тепловом потоке, отводимом от торцов образцов. В-третьих, устройство позволяет проводить измерения при любой температуре поверхности тел, достижимой нагревателем, мощность которого не ограничивается предлагаемым способом. Это обстоятельство имеет особое значение, поскольку предлагаемое устройство позволяет выполнять прямые замеры температуры для определения степени черноты поверхности твердых тел во всем возможном диапазоне температур образцов в воздушной среде, что существенно упрощает, ускоряет и удешевляет проведение технологических операций измерения параметров, поскольку не требует, например, обязательного выполнения работ в вакуумной камере, что также возможно.
По мнению авторов настоящего изобретения, наилучший технический результат применения данного устройства достигается в том случае, когда производится непрерывный контроль температуры образцов, например, с помощью термопар и скорости изменения температур образцов, а также мощностью тепловыделений, величина которой должна быть стабилизирована до достижения стационарного значения температур обоих образцов. При этом для снижения погрешности результата важно обеспечить одинаковые условия теплоотвода конвективным и лучистым потоком от наружных поверхностей обоих образцов.
m
O
Экспериментальные исследования авторов настоящего изобретения, проведенные в лабораторных условиях, показали, что в случае реализации данного устройства при нормальных условиях на воздухе при измерении степени черноты поверхности покрытия на круглых пластинах из АМГ - 6 диаметром 20 мм, толщиной 1 мм при температуре TS=450 К величина мощности тепловыделений составляет Р=2,26 Вт для контрольного образца при ε=1 (АЧТ), и для исследуемого образца при P=1,79 Вт, что дает искомое значение ε=0,6.
Отмеченное выше свидетельствует о решении декларированных задач настоящего изобретения, благодаря наличию у заявляемого устройства определения степени черноты свободных поверхностей твердых тел и покрытий перечисленных ранее отличительных признаков.
На рисунке показана схема установки, реализующая предлагаемое устройство, где 1 - образцы, 2 - покрытие, 3 - держатель, 4 - нагреватель, 5 - стабилизатор мощности, 6 - термопары, 7 - блок преобразования сигналов термопар, 8 - измерительно-регистрирующее устройство.
В соответствии с алгоритмом применения устройства для проведения измерений степени черноты поверхностей образцы из требуемого материала имеют контрольное и исследуемое покрытия. Форма образца - круглая пластинка толщиной, например, около 1 мм. Первыми в устройство устанавливаются образцы с покрытием, имеющим известную степень черноты, желательно, чтобы контрольный образец имел степень черноты, близкую к единице, это позволит получить наибольшую величину разности мощностей тепловыделений в обоих измерениях. Образцы 1 устанавливаются в держатели 3 параллельно друг другу покрытиями 2 наружу. На внутреннюю поверхность образцов устанавливают измерительные спаи термопар 6, соединенные с блоком преобразования сигналов термопар 7, которые в свою очередь соединены с измерительно-регистрирующим устройством 8. Между образцами 1 устанавливается спираль нагревателя 4, соединенного со стабилизатором мощности нагревателя 5, который соединен с измерительно-регистрирующим устройством 8. Расстояние между образцами 1 выставляется минимально возможное, фиксируется и не изменяется до полного выполнения измерений.
m
S
S
0
Устройство работает следующим образом. Стабилизатором мощности 5 задают необходимую температуру образцов, величину которой контролируют с помощью измерительно-регистрирующего устройства 8. Значение температуры каждого образца используется для нахождения среднего значения температуры образцов как среднего арифметического значения. Достижение установившегося значения температуры образцов по показаниям измерительно-регистрирующего устройства 8 свидетельствует об окончании измерения с контрольными образцами. Фиксируется величина мощности тепловыделения Р и среднее значение температуры образцов T. Оба контрольных образца 1 снимают и вместо них устанавливают образцы с исследуемым покрытием, к каждому из которых подключены термопары 3, аналогичные тем, что применялись в первом измерении и соединенные с блоком преобразования сигналов термопар 7. Регулированием мощности стабилизатора 5 обеспечивают величину установившейся температуры образцов 1 равную величине T, при этом фиксируют мощность стабилизатора нагрева, равную P. Необходимые измерения согласно алгоритму предлагаемого устройства завершены. Подставляя полученные значения в формулу (6) получают степень черноты покрытия исследуемого образца.
Измерения могут быть выполнены в вакуумной камере. Последовательность проведения и существо выполняемых операций при этом не изменяются.
Таким образом, устройство для определения степени черноты свободных поверхностей и покрытий твердых тел обеспечивает повышение точности определения степени черноты и упрощение применения устройства.