УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
DEVICE FOR DETERMINING SPECTRAL EMISSIVITY OF HEAT-SHIELDING MATERIALS AT HIGH TEMPERATURES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оптико-физических исследованиях теплозащитных материалов при высоких температурах.
Известно устройство для измерения спектральных коэффициентов инфракрасного излучения, содержащее вакуумную камеру, исследуемый образец, монохроматор и приемник излучения (патент РФ №2339921, МПК G01J 5/00, 2006). Устройство предназначено для измерения спектральной излучательной способности электропроводящих материалов и материалов с высокой теплопроводностью.
Это устройство не позволяет измерять излучательную способность теплозащитных материалов при высоких температурах.
Известно устройство для измерения излучательной способности теплозащитных материалов при высоких температурах, содержащее вакуумную камеру, радиационный нагреватель с расположенным в нем датчиком тепловых потоков и механизм вращения исследуемого образца (Л.Я. Падерин, Б.В. Прусов, О.Д. Токарев. «Установка для исследования интегральной полусферической излучательной способности теплозащитных материалов и терморегулирующих покрытий». Ученые Записки ЦАГИ, т. XLII, №1, 2011, стр. 53-61). Устройство обеспечивает измерение при высоких температурах интегральной полусферической излучательной способности теплозащитных материалов, но не позволяет измерять спектральную излучательную способность материалов.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего измерять спектральную излучательную способность теплозащитных материалов при температурах выше 1000 К.
Решение задачи и указанный технический результат достигаются тем, что в устройстве для измерения спектральной излучательной способности теплозащитных материалов при высоких температурах, содержащем вакуумную камеру, исследуемый образец, механизм вращения образца, омический нагреватель с расположенным в нем датчиком тепловых потоков, спектрометр, компьютер и модель черного тела, в нагревателе на равном расстоянии от оси вращения расположены датчик теплового потока, термопарные датчики и охлаждаемая трубка, верхний торец которой расположен на расстоянии, равном 0.3-0.5 расстояния от поверхности образца до нагревателя, а за нижним торцом трубки установлено плоское зеркало для вывода излучения к спектрометру через оптическое окно в вакуумной камере.
На фиг.1 представлена оптическая схема устройства.
Фиг. 2 - вид сверху на омический нагреватель (при отсутствии испытываемого образца и механизма вращения).
Устройство (фиг. 1) содержит вакуумную камеру 1, омический нагреватель 2 с расположенным на нем термопарным датчиком 3 и датчиком теплового потока 4, механизм вращения образца 5, образец 6, термопарный датчик 7, расположенный в зазоре между исследуемым образцом и нагревателем, охлаждаемую трубку 8 для вывода собственного излучения образца, плоское зеркало 9, оптическое окно 10, перекидное зеркало 11, оптическое окно 12, плоское зеркало 13, спектрометр 14 с компьютером 16 и модель черного тела 15.
На фиг. 2 видно взаимное расположение на равном расстоянии от оси вращения термопарного датчика 3, датчика теплового потока 4, охлаждаемой трубки 8, установленных на омическом нагревателе, и термопарного датчика 7, расположенного в зазоре между исследуемым образцом и нагревателем.
Исследуемый образец материала устанавливается на узле крепления механизма вращения 5. Механизм вращения 5 служит для устранения возможной неравномерности температурного поля образца 6 из-за наличия в нагревателе 2 зон, занятых датчиком теплового потока 4 и трубкой 8.
Собственное излучение образца 6 выводится из вакуумной камеры 1 через оптическое окно 10. Потери, связанные с поглощением излучения в окне 10, учитываются при сравнении исследуемого излучения и излучения от модели черного тела 15 за счет установки симметрично относительно перекидного зеркала 11 оптического окна 12.
Измеренные сигналы анализируются в компьютере 16. Компьютер 16 обеспечивает автоматизацию процесса измерения излучательной способности материалов.
Трубка 8 обеспечивает вывод потока собственного излучения и его диафрагмирование для согласования с апертурой спектрометра 14 и модели черного тела 15.
Расположение верхнего торца трубки 8 вблизи поверхности образца 6 на расстоянии, равном 0.3-0.5 расстояния от поверхности образца до нагревателя, позволяет выводить через нее поток собственного излучения образца, отсекая потоки переизлучения.
Определение спектральной излучательной способности теплозащитных материалов основано на сравнении монохроматических энергий излучения образца и модели черного тела при равных температурах.
Измерения заключаются в фиксировании интегрального потока собственного излучения образца и спектров излучения образца и модели черного тела.
Процедура измерений состоит в следующем.
о
После выхода устройства на стационарный тепловой режим, фиксируемый температурными датчиками 3 и 7, образец 6 приводится во вращение и с помощью датчика 4 измеряется плотность собственного теплового потока. По результатам этих измерений по следующей зависимости, полученной из рассмотрения лучистого теплообмена между образцом 6 и нагревателем 2, вычисляется температура образца Т
где q - плотность собственного излучения образца;
σ - постоянная Стефана-Больцмана;
3
7
Т, Т - температуры, фиксируемые термопарами 3 и 7;
2
ε - интегральная полусферическая излучательная способность поверхности нагревателя.
По вычисленной температуре образца выставляется температура модели черного тела и затем измеряется спектр излучения образца и с помощью перекидного зеркала 11 - спектр излучения модели черного тела.
λ
Излучательная способность ε вычисляется по следующей зависимости
λo
где N - сигнал от приемника спектрометра при измерении излучения образца;
λmt
N - сигнал от приемника спектрометра при измерении излучения модели черного тела;
λp
N - сигнал от приемника спектрометра при измерении поглощения излучения оптическим стеклом окна вакуумной камеры.
λp
Поглощательная способность N=f(λ) оптического стекла окна вакуумной камеры определяется в предварительных испытаниях.
Предлагаемое устройство позволяет измерять излучательные характеристики материалов в важном для практики диапазоне температур вплоть до 2000 К.