Способ измерения теплопритоков охлаждаемых ИК-приемников
METHOD FOR MEASURING HEAT GAINS OF COOLED IR RECEIVERS

Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников инфракрасного излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях.
Известен метод замера теплопритоков ИК-фотоприемников (Руководящий технический материал РТМ 3-1033-77: Приемники излучения криостатные. Метод определения теплопритоков на уровне 77 К, введен 01.01.1978 г.), включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, процесс контроля времени t и расчет теплопритока по формуле
где
q - теплоприток к криостату из окружающей среды, Вт;
m - масса испарившегося азота (m=0,1 г);
t - время испарения 0,1 г азота, с;
r - скрытая теплота испарения азота (198 Дж/г);
с - средняя теплоемкость азота в интервале температур 283-77 К (1,06 Дж/г⋅К);
Т - температура отходящих паров азота на уровне верхнего среза горловины криостата, К.
Этот способ был разработан в середине 70-х годов прошлого века применительно к фотоприемникам с заливными криостатами, т.е. у которых в процессе его работы в колодце всегда находился столбик жидкого азота.
Однако в 80-х годах на смену заливным криостатам пришли криостаты, у которых внутри колодца отсутствует жидкая фаза криоагента, а охлаждение фоточувствительного элемента осуществляется путем криостатирования днища держателя (колодца) криостата при помощи холодного пальца газовой криогенной машины или теплообменника микрохолодильника дроссельного типа.
Основными недостатками известного способа являются:
- низкая достоверность полученного результата, так как проводится три измерения с поддержанием заданной высота столба жидкого азота в колодце, после чего вычисляют среднее арифметическое значение времени и температуры;
- невозможность измерения расхода в момент полного испарения азота.
стаб
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является «Способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников» выполненный по патенту RU №2332647 (МПК G01K 17/00, опубл. 27.08.2008), заключающийся в том, что электронным расходомером измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени, а для расчета теплопритока q берут значение расхода в момент времени t, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, и рассчитывают теплоприток по формуле  где
q - теплоприток из окружающей среды, Вт;
3
ρ - плотность газообразного азота, г/см;
2
i - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата, Дж/г;
1
i - удельная энтальпия жидкого азота, Дж/г;
3
стаб
крит
стаб
крит
крит
G - величина расхода (скорости испарения) азота [см/с], испаряющегося азота в момент времени t, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно t> t≥t-20 [с], где t - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.
∂
При этом одновременно с измерением расхода жидкого азота и контролем зависимости расхода от времени G(t) проводят измерения датчиком температуры, установленным на дне колодца криостата фотоприемника, и контролируют температуру дна колодца Т. Измерения теплопритоков в фотоприемниках осуществляют электронным расходомером, применение которого позволяет проводить измерение расхода испарившегося азота вплоть до момента исчезновения его жидкой фазы. Однако данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что уравнение (2) аналогично по своей сути уравнению (1), так как они оба учитывают изменение теплосодержания испарившегося азота, что искажает достоверность полученных данных по теплопритоку.
1
2
Проведем сравнительный расчет по уравнениям (1) и (2), используя исходные данные из патента РФ №2332647: энтальпия i=126,8 Дж/г при температуре жидкого азота 77 К, энтальпия i=551,8 Дж/г при температуре азота на верхнем срезе колодца криостата Т=15+273=288 К. Будем также иметь в виду, что  и p⋅G - это одна и та же величина  т.е. массовый расход газа [г/с]. Тогда можно определить коэффициент корреляции К между формулами (1) и (2)
где
(1)
q - определяется по уравнению (1);
(2)
q - 0ПРеДеляется по уравнению (2).
Подставив исходные данные, получим
Таким образом, расчет по уравнениям (1) и (2) дает расхождение в результатах расчета всего лишь 0,8%. Это свидетельствует о том, что уравнение (2), по сути, является уравнением (1), только записанным в других переменных.
Таким образом, хотя известный способ и позволяет приблизить замер теплопритока к моменту исчезновения жидкой фазы азота, но не позволяет получить достоверный результат, так как в уравнении (2) присутствует составляющая, учитывающая теплосодержание испарившегося азота.
Следует сказать, что существует нормативный документ «Методика расчета приведенных охлаждаемых масс фотоприемников (ФП) и их тепловых моделей (МРОМ-110-89)», регламентирующий порядок расчета тепловых параметров криостатов ФП, охлаждаемых с помощью газовых криогенных машин или микрохолодильников дроссельного типа. В этом документе расписаны все составляющие, входящие в величину полного теплопритока к криостату фотоприемника из окружающей среды. Составляющая теплопритока, учитывающая теплосодержание испарившегося азота в процессе охлаждения криостата, в этом документе исключена, так как жидкой фазы азота в криостатах современных ФП нет.
крит
стаб
крит
Другим существенным недостатком известного способа является нечеткое обоснование выбора момента времени t>t≥(t-20c), в который необходимо зафиксировать расход азота для расчета теплопритока. Следствием этого, является некоторое завышение полученного результата по сравнению с реальным теплопритоком, так как в течение 20 секунд после прекращения измерений величина теплопритока продолжает падать.
Таким образом, способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников по патенту РФ №2332647 отличается от РТМ 3-1033-77 только применением электронного расходомера вместо «пленочного» расходомера.
Максимально приблизиться к определению реальной величины теплопритока можно, если при измерениях не учитывать теплоту отходящих паров азота, а результат измерений регистрировать в момент окончания испарения жидкой фазы.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, техническим результатом которого является повышение достоверности результатов измерений.
∂
i
i
i
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс контроля температуры донышка колодца T и расчет теплопритока, отличающийся тем, что на участке стабилизированного испарения измеряют величину расхода газообразного азота V для любого момента времени t затем определяют теплоприток q по формуле
i
i
q=V⋅ρ⋅r;
где
i
q - теплоприток к криостату из окружающей среды, Вт;
i
3
V - объемный расход газообразного азота, см/с;
3
ρ - плотность газообразного азота, г/см;
r - скрытая теплота испарения азота, Дж/г;
k
i
i
фиксируют конечный момент времени t, когда расход азота V становится равным нулю, после чего, используя полученные значения q, определяют аппроксимирующую зависимость изменения теплопритока во времени:
i
k
i
q=A⋅exp[b⋅(t-t)];
i
к
i
k
k
к
i
k
где А и b - постоянные коэффициенты, определяемые путем решения полученной системы уравнений q=f(t-t) с помощью, например, метода наименьших квадратов, и определяют из полученной аппроксимирующей зависимости истинное значение теплопритока q для t, подставляя значение (t-t)=0, соответствующее моменту полного испарения азота, т.е. q=А.
i
i
i
i
i
к
i
i
к
i
Измерение теплопритоков ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом. Заливают жидкий азот в колодец криостата. После прекращения бурного кипения жидкого азота по показанию термодатчика, установленного на дне колодца криостата, убеждаются, что температура дна колодца стабилизировалась. Затем начинают измерять объемный расход испарившегося азота V с помощью пленочного расходомера (РТМ 3-1033-77) или электронного расходомера. Измеренное для любого момента времени (t) значение расхода подставляется в уравнение q=V⋅ρ⋅r, из которого определяется текущее значение теплопритока q. До момента полного испарения азота необходимо провести не менее 6-7 измерений. Фиксируют момент времени t, когда расход азота V становится равным нулю, а результаты измерений заносят в таблицу в виде q=f(t-t).
к
к
i
При измерении расхода с помощью пленочного расходомера t фиксируют в момент остановки движения пленок в расходомере, при измерении расхода с помощью электронного расходомера t фиксируют в момент резкого изменения угла наклона расходной характеристики. Пример записи изменения расхода испарившегося азота во времени с помощью электронного расходомера представлен на чертеже фиг. 1 (по оси абсцисс - время, по оси ординат - величина расхода, соответствует перелому кривой). Полученный массив замеренных величин q используется для определения функциональной зависимости теплопритоков от времени при испарении жидкого азота в криостате. После заливки величина теплопритоков к приемнику непрерывно уменьшается со временем вследствие уменьшения объема жидкой фазы, к моменту полного испарения азота теплоприток имеет конечное и минимальное значение.
i
k
k
i
k
Аппроксимирующая кривая, описывающая экспериментальные данные по теплопритокам, представляется в виде экспоненциальной зависимости q=q⋅exp[b⋅(t-t)]. Константы q и b в аппроксимирующей зависимости определяются с использованием данных из таблицы измерений и известных математических методов обработки, например, метода наименьших квадратов [Дьяконов В.П. Справочник по применению системы EUREKA. - М.: Физматлит, 1993].
i
к
i
В качестве примера покажем, как рассчитывается аппроксимирующая кривая. Пусть в результате измерений получена следующая таблица 1 измерений теплопритоков к фотоприемнику, записанных в виде q=f(t-t).
k
После обработки данных таблицы по методу наименьших квадратов получаем следующие значения констант, учитывая, что q=А:
k
q=0,321, b=0,053
С учетом констант аппроксимирующая зависимость будет выглядеть так:
i
k
i
q=0,321⋅ехр[0,053⋅(t-t)]
i
Сравнение результатов измерений q с аппроксимирующей зависимостью представлено на чертеже фиг. 2.
i
k
к
i
k
Для момента полного испарения азота, т.е. когда t=t, a (t-t)=0, теплоприток равен q=0,321 Вт. Эта величина и будет являться истинным теплопритоком криостата фотоприемника.
Предлагаемый способ может быть реализован как с помощью измерения расхода азота «пленочным» расходомером (РТМ 3-1033-77), так и с помощью электронного расходомера (патент РФ №2332647).
В АО «МЗ «САПФИР» были выполнены сравнительные измерения теплопритоков различных фотоприемников по предлагаемому способу и по известному способу, учитывающему теплосодержание испарившегося азота, результаты измерений представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, учет теплоты отходящих паров при измерении теплопритоков, как это делается в прототипе, приводит к недостоверным измерениям, а именно к завышению расчетной величины теплопритока криостата по сравнению с реальной величиной в условиях работы с ГКМ.
Таким образом, измеренная величина теплопритока с помощью предлагаемого способа наиболее близка к реальной величине, так как при измерениях не учитывается теплота отходящих паров азота, а результат измерений соответствует моменту исчезновения жидкой фазы.