способ определения коэффициентов излучения тел

Формула изобретения

Способ определения коэффициентов излучения тел, включающий измерение интенсивностей излучения, отличающийся тем, что измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК диапазоне, регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента масштабного макета тела и эталона, по соотношению которых вычисляют коэффициенты яркости отражения, коэффициенты излучения каждого элемента тела определяют по формуле

(T,xy) = 1 - (2,xy),

где b(2,xy) - коэффициент яркости отражения элемента наблюдаемой проекции тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2 стерадиан;

e(T,xy) - коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения фотометрических характеристик в теплофизике и теплотехнике.

Известны способы определения коэффициентов излучения. Например, известен способ определения коэффициентов излучения (ГОСТ 7601-78) по соотношению измеренного теплового излучения исследуемого образца и измеренного теплового излучения "абсолютно черного тела", нагретого до той же температуры, что и измеряемый образец. По этому способу измеряют тепловое излучение нагретого до определенной температуры образца. Доводят "абсолютно черное тело" до этой же температуры и измеряют его тепловое излучение. Коэффициент излучения образца получают, разделив первый результат на второй.

Главным недостатком этого способа является необходимость точного измерения температуры образца и поддержание с необходимой точностью такой же температуры у "черного тела".

Существуют способы, при которых в одном эксперименте одновременно с измерением излучения определяют температуру образца. Например, известен принятый нами в качестве прототипа способ определения коэффициента излучения (патент Японии JP-4-62009, бюллетень "Изобретения стран мира", вып. 83, N 7, 1994), при котором с помощью спектрометра измеряют спектральную интенсивность теплового излучения образца не менее чем на четырех длинах волн и сравнивают значения на трех из них со спектральной интенсивностью идеального теплового излучателя.

Температуру, при которой минимально расхождение между этой спектральной интенсивностью и соответствующей ей измеренной спектральной интенсивностью теплового излучения, принимают за температуру образца. По найденной температуре определяют спектральный коэффициент теплового излучения для трех вышеуказанных длин волн. Исходя из этих значений и измеренной спектральной интенсивности теплового излучения для четвертой длины волны, близкой к вышеуказанным трем длинам волн, определяют еще (раз) значение температуры. Исходя из полученного значения температуры, измеренной длины волны и спектральной интенсивности теплового излучения, определяют коэффициент теплового излучения образца.

Недостатком указанного способа является необходимость проведения спектральных измерений ИК-излучения образца, использование для этой цели громоздких ИК-спектрометров, обычно обладающих низкой чувствительностью. Последнее значительно усложняет точные измерения теплового излучения образца, особенно при умеренных температурах, когда к собственному излучению образца прибавляется отраженное тепловое излучение окружающих нагретых предметов, неизбежно присутствующее вокруг образца.

Целью заявляемого способа и его техническим результатом является повышение точности путем исключения из процесса определения коэффициентов излучения измерений температуры и устранение влияния теплового излучения окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициентов излучения тел, включающем измерение интенсивности излучения, измерения проводят в отраженном видимом свете на масштабном макете тела, помещенном в фотометрический шар и окрашенном модельным покрытием, в качестве последнего подбирают материал, индикатриса отражения которого в видимом диапазоне совпадает с предварительно измеренной индикатрисой отражения действительного покрытия тела в ИК- диапазоне; регистрируют интенсивности отраженного излучения каждого элемента (xy) тела и эталона, по соотношениям которых вычисляют коэффициенты яркости отражения (2,xy); коэффициенты теплового излучения e(T,xy) каждого элемента тела (xy) определяют по формуле

(T,xy) = 1 - (2,xy) (1)

Здесь b(2,xy) коэффициент яркости отражения элемента поверхности тела с координатами xy при равномерной полусферической подсветке из 2 стерадиан, e (T, xy) коэффициент теплового излучения этого же элемента тела.

В обоснование выражения (1) нами теоретически показано, что процесс теплового излучения тел является частным случаем фундаментального физического двуединого явления пропускания-отражения оптической радиации при падении ее на границу раздела двух сред, обладающих разными скоростями света c/n₁ и c/n₂ (здесь c скорость света в вакууме, n₁ и n₂ - показатели преломления сред). Проходя из первой во вторую среду с преломлением по закону синусов (q₁ угол падения, равный углу отражения, ₂ угол преломления)

n₁Sin₁ = n₂Sin₂ (2)

с коэффициентом пропускания (₁,₂), часть радиации отражается в первую среду с коэффициентом (₁,₂),, которые выражаются формулами Френеля (Бори М. Вольф Э. Основы оптики, изд. "Наука", 1970, с. 62-77).

(в целях сокращения здесь приведены выражения только для параллельной составляющей поляризации, но выводы справедливы и для другой - перпендикулярной). При этом по закону сохранения энергии имеем:

(₁,₂) + (₁,₁) = 1 (4)

Нами показано, что при обратном прохождении оптической радиации из второй среды в первую коэффициенты пропускания "(₂,₁) и отражения "(₂,₂) сохраняют свои значения. Тогда формулы (3) при перемене местами индексов 1 и 2 не изменяются, так что имеет место закон обратимости

(₂,₁) = (₁,₂) (₂,₂) = (₁,₁). (5)

Из (1), (4) и (5) вытекает соотношение:

(₂,₁) + (₁,₁) = 1 (6)

Из этого соотношения (6) следует важный практический вывод: коэффициент пропускания оптической радиации из второй среды в первую (₂,₁) можно вычислить, измерив коэффициент отражения в первой среде (₁,₁). Если первая среда воздух, а вторая нагретое тело, то, измерив в воздухе коэффициент отражения (₁,₁) от поверхности тела в направлении ₁, коэффициент теплового излучения (₂,₁),, выходящего изнутри нагретого тела в этом же направлении, который из наших выводов физически является коэффициентом пропускания (₂,₁) из второй среды в первую, вычисляют по формуле:

(₂,₁) = 1 - (₁,₁) (7)

Генерированное тепловыми колебаниями атомов или молекул тела тепловое излучение падает изнутри на границу тела равномерно под всеми углами ₂ из всей внутренней полусферы и выходит под всеми углами ₁ во внешнюю полусферу (углы ₁ и ₂ связаны взаимно законом синусов (2)). Обозначая внутреннюю полусферу знаком T, а внешнюю знаком 2, выражение (7) представляем в виде:

e(T,) = 1-(,2) (8)

Таким образом, с помощью выражения (8) коэффициент излучения (T,) в направлении определяем, измеряя коэффициент отражения r(,2) при падении радиации под этим же углом и не прибегая к использованию температуры тела. Поскольку согласно правилу обратимости Гельмгольца (Гуревич М.М. Фотометрия. Л. Энергоатомиздат, 1983) коэффициент отражения r(,2) в полусферу 2 стерадиан при падении радиации на поверхность под углом q равен коэффициенту яркости отражения b(2,) при равномерном диффузном освещении из 2 а углы q для объемных тел связаны с координатами (xy) каждого наблюдаемого элемента поверхности тела, то из (8) следует формула (1).

Принципиальным отличием выражения (1) от встречающегося в ряде случаев неконкретного выражения вида e = 1 - является то, что здесь нами теоретически установлена некорректность последнего: по коэффициенту отражения r(,2) при освещении из направления согласно (8) определяют коэффициент направленного излучения e(T,) а коэффициент излучения (T,2) в полусферу, как нами показано, выражается через коэффициент отражения (2,2) при полусферической подсветке

(T,2) = 1 - (2,2) (9)

Предлагаемое нами определение коэффициентов излучения через коэффициенты отражения без измерения температур позволяет устранить воздействие теплового излучения окружающих предметов, для чего характеристики отражения измеряются в видимом диапазоне на специально окрашенном фотометрически подобном масштабном макете тела. Моделирующее покрытие, наносимое на макет, имеет индикатрису отражения в видимом свете, совпадающую с индикатрисой отражения в ИК-диапазоне материала действительного тела. Фотометрическое подобие тела в ИК- диапазоне и масштабного макета в видимом диапазоне обеспечивается указанным совпадением индикатрис отражения моделирующего и действительного покрытий и геометрическим подобием тела и его макета.

Полусферическая подсветка для определения коэффициента яркости отражения (2,xy) в выражении (1) обеспечивается помещением макета внутрь фотометрического шара.

Определение коэффициентов излучения тел по предлагаемому способу производят в следующей последовательности:

1. Измеряют на гониометрической установке в тепловом диапазоне (например на длинах волн около 10 мкм) индикатрису отражения материала покрытия тела (или нескольких покрытий, если тело разнородно окрашено).

2. Подбирают по совпадению индикатрис отражения в видимом свете покрытие, моделирующее индикатрису отражения действительного покрытия тела в ИК-диапазоне.

3. Наносят модельное покрытие на масштабный макет тела и освещают его диффузно рассеянным видимым светом в фотометрическом шаре.

4. При помощи фотоприемного устройства регистрируют отраженное видимое излучение наблюдаемых элементов проекции тела. Сравнивая его с излучением эталонного отражателя, определяют коэффициент яркости отражения каждого элемента проекции тела.

5. По выражению (1) определяют коэффициенты излучения элементов проекций тела.

Экспериментальное подтверждение способа было проведено на предприятии с телами типа плоскость, двугранный угол, круговой цилиндр, круговой конус, на тех участках тел, где имеют место переотражения. Материалом, моделирующим покрытия в ИК-спектре, оказалось покрытие НЦ-25. Для конуса и двугранного угла в местах переотражения согласно теории эффективное значение коэффициента излучения должно быть равным 1, так как это значение является комплексным и равно

e(T,) = (2,)(T,) = (T,) = [1 - (T,)](T,).

Тогда для моделируемых красок МЛ-1279, ПФ-115, МЧ-241 со значением (T,) = 1 - (2,) = 0,94 и коэффициентом отражения, равным 0,06, эффективный коэффициент излучения участков тела с переотражением должен быть равен 0,94(1+0,06)= 0,999, что подтверждено фотометрированием этих участков на изображениях тел, окрашенных подобранным модельным покрытием.

Для измерений использовалась спектрогониометрическая установка на длинах волн 0,63 и 10,6 мкм, а изображения (фиг. 1) регистрировались фотокамерой "Киев М" и фотометрировались микроденситометром АМД.

Пример существенно сложного распределения коэффициентов излучения тел, полученного предлагаемым способом, представлен на фотографии макета транспортного корабля многократного использования ШАТТЛ (фиг. 2).

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоят в следующем:

1. Нет необходимости производить измерение температуры образца и "абсолютно черного тела", так как нами показано, что коэффициенты излучения определяются через другие параметры коэффициенты отражения.

2. Исключаются неконтролируемые добавки излучения от окружающих тел, так как измерения проводятся в видимом свете, позволяющем легко исключить паразитную подсветку.

3. Высокая точность измерений отражения в видимом диапазоне по сравнению с ИК-диапазоном обеспечивается высоко развитыми методами и средствами фотометрических измерений в видимом свете.

4. Измерения отражения производятся на масштабных макетах тел, а не на самих объектах, что упрощает и удешевляет измерения.

5. Способ позволяет определить локальные коэффициенты излучения вогнутых элементов тела, где присутствуют многократные переотражения.