Способ измерения лучистого теплового потока в вакууме

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ВАКУУМЕ Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при термовакуумных испытаниях (ТВИ) космических аппаратов, в орбитальных условиях, в вакуумных технологических процессах. Технический результат: повышение точности и чувствительности измерений в области низких температур, а также расширение функциональных возможностей технологического процесса определения падающих удельных лучистых тепловых потоков. Способ включает размещение в исследуемом объеме 12 термоизмерительного приемника 1 с термодатчиками 3 и 4,разнесенными на требуемую базу, измерение сигналов указанных термодатчиков и регистрацию значений их температур во времени. Падающий удельный лучистый тепловой поток определяют для последовательности моментов времени j (j = 0, 1, 2, ), задаваемой двумя целочисленными Шнип Александр Иванович, Марач Сергей Олегович (BY) Самцов В.П. (BY) а удельный лучистый тепловой поток qj для момента времени(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ИМЕНИ А.В. ЛЫКОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY) Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при термовакуумных испытаниях (ТВИ) космических аппаратов, в орбитальных условиях, в вакуумных технологических процессах и т.д. Известен способ измерения интенсивности лучистых потоков при тепловых вакуумных испытаниях космических аппаратов [1]. Способ включает измерение электрического сопротивления электропроводного термочувствительного элемента. Согласно способу определяют электрическое сопротивление электропроводного приемного термочувствительного элемента, температуру его фронтальной приемной площадки и температуру обратной стороны несущего корпуса специального устройства с термочувствительным элементом, затем вычисляют интенсивность удельного падающего лучистого потока. Интенсивность лучистых потоков падающего излучения на контролируемый участок космического аппарата(qтвк) и эффективного излучения контролируемого участка космического аппарата (qКА) определяют из соотношений- относительный геометрический параметр - отношение площади боковой поверхности (sб) корпуса устройства к площади его основания (so); где- безразмерный коэффициент;- постоянная Стефана-Больцмана; =5,67-10-8 Вт/(м 2 К 4). Недостатками способа являются большая инерционность, неудобство использования из-за необходимости получения данных в установившемся тепловом режиме для двух положений реализующего способ специального устройства, а также наличие паразитных стоков тепла через узлы крепления устройства, чем обусловлена и невысокая точность измерений. Известны также способы измерения, которые используются в калориметрических, термоэлектрических и фотометрических приемниках лучистой энергии [2]. В калориметрических приемниках лучистой энергии используется способ измерения лучистых тепловых потоков, в котором теплоноситель, протекающий по внутреннему каналу калориметра, подогревается поглощенной лучистой энергией, падающей на входную площадь калориметра. Внутренняя поверхность калориметра зачернена, что обусловливает отсутствие избирательности по длинам волн принимаемого излучения. Наружная теплоизоляция приемника обеспечивает отсутствие влияния посторонних тепловых потоков на его показания. По известному расходу теплоносителя и измеренной температуре его на входе и выходе из калориметра определяется поглощаемая мощность. Интенсивность лучистого потока определяется из равенства мощности, поглощенной теплоносителем и падающей на известную входную площадь калориметра. Недостатками этих способов измерения лучистых тепловых потоков являются большая инерционность, неудобства применения, связанная с необходимостью подвода гибких трубок для подачи теплоносителя, а также ограниченный температурный диапазон применения, определяемый точками кипения и замерзания используемого теплоносителя. Известен способ измерения лучистых тепловых потоков с использованием болометров, где используется чувствительный элемент, представляющий собой токопроводящий слой металла, нанесенный на диэлектрик, служащий электроизолирующей подложкой [3]. Приготовленный подобным образом чувствительный элемент заключается в стеклянный баллон, в котором поддерживается определенное давление воздуха или какого-либо инертного газа. Баллон имеет окно из материала, прозрачного для излучения той области спектра, для которого предназначается болометр. Проволочные отводы от концов токопроводящего слоя выводят наружу из баллона. Посредством чувствительной аппаратуры измеряют сопротивление чувствительного элемента болометра и по величине этого сопротивления определяют температуру, приобретенную токопроводящим слоем (металлической лентой) вследствие поглощенного им теплового излучения. Таким образом, судят об интенсивности лучистого потока. Недостатком такого способа является низкая чувствительность и неудобства использования, связанные с необходимостью термостабилизации тыльного элемента. К недостаткам способа также относится большая избирательность к определенной области спектра излучения из-за ограниченности окна прозрачности материала баллона, что обуславливает погрешности в определении лучистого теплового потока. Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ определения теплового потока в градиентных средах, выбранный в качестве прототипа [4]. Способ включает размещение в нужной области физической исследуемой среды термоизмерительного прибора (приемника) с термочувствительными элементами - термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигнала термодатчика, регистрацию значения разности температур во времени с последующим определением теплового потока. Для из-1 022126 мерения температур используют различные термочувствительные элементы. Принцип измерения температур с целью определения теплового потока заключается в следующем. Термочувствительные элементы, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, помещаются в исследуемую область среды. В процессе наблюдения термочувствительные элементы меняют свои физические свойства, принимая температуру окружающей среды. Затем изменения физических свойств термочувствительных элементов преобразуются и регистрируются. Применяемые в настоящее время термоизмерительные приборы, таким образом, содержат в себе два функциональных блока: 1) термочувствительный измерительный зонд (термоизмерительный приемник), внутри которого находятся термочувствительные элементы, разнесенные на определенное расстояние друг от друга; 2) блок преобразования и регистрации. Недостатком известного способа является малая чувствительность в области низких температур,недостаточное быстродействие и надежность процесса измерений. Задачей изобретения является устранение указанных недостатков повышения эффективности процесса определении падающих удельных лучистых тепловых потоков. Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности способа в области низких температур, а также расширение функциональных возможностей технологического процесса определения падающих удельных лучистых тепловых потоков. Технический результат достигается тем, что в способе измерения лучистого теплового потока в вакууме, включающем размещение в исследуемом объеме термоизмерительного приемника с термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигналов термодатчиков и регистрацию значений их температур во времени, согласно изобретению один термодатчик располагают на обратной поверхности приемного элемента термоизмерительного приемника, экранируют эту поверхность от падающего лучистого теплового потока корпусом термоизмерительного приемника, фронтальную плоскую поверхность приемного элемента обращают к падающему лучистому тепловому потоку, а второй термодатчик располагают в корпусе термоизмерительного приемника и регистрируют в последовательные моменты времени ti (i=0, 1, 2, ) значения температур Т 1(i) термодатчика на приемном элементе и температур Т 2(i) термодатчика на корпусе приемника, при этом полусферический падающий удельный лучистый тепловой поток qj для момента времени j из временной последовательности j (j=0, 1, 2, ), задаваемой двумя целочисленными параметрами n и m как С - теплоемкость приемного элемента термоизмерительного приемника;S - площадь плоской поверхности приемного элемента, воспринимающей излучение;Sm - площадь зазора между приемным элементом и несущим корпусом термоизмерительного приемника;- термическая проводимость промежутка между приемным элементом и корпусом термоизмерительного приемника;out - степень черноты фронтальной поверхности приемного элемента;eff - эффективная степень черноты в зазоре между приемным элементом и корпусом термоизмерительного приемника;- постоянная Стефана-Больцмана. Сущность способа поясняется чертежами на фиг. 1-8, где на фиг. 1 представлена принципиальная термоизмерительного приемника, а фиг. 2-8 - циклограммы параметров, иллюстрирующие процесс измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока. Термоизмерительный приемник 1 содержит корпус 2 с термодатчиком 4; приемный элемент 8 в виде пластины с фронтальной плоской поверхностью 9 и термодатчиком 3 на обратной поверхности 7, которая экранирована корпусом 2 от падающего лучистого теплового потока q из окружающего исследуемого объема 12; стойки 10 для разнесения термодатчиков 3 и 4 на требуемую базу; контроллер 5, соединенный подводящими проводами 6 с термодатчиками 3, 4. Принцип измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока 11 в вакууме предлагаемым способом заключается в следующем. Размещают в исследуемом объеме 12 термоизмерительный приемник 1 с термодатчиками 3, 4, которые посредством несущих стоек 10 разносят относительно друг друга на требуемую базу. При этом один термодатчик 3 располагают на обратной поверхности 7 приемного элемента 8 и экранируют поверхности 7 от падающего из исследуемого объема 12 лучистого теплового потока q корпусом 2 термоизмерительного приемника 1. Фронтальную плоскую поверхность 9 приемного элемента 8 обращают к измеряемому падающему из исследуемого объема 12 полусферическому лучистому тепловому потоку 11. Второй термодатчик 4 располагают в корпусе 2 термоизмерительного приемника 1. Подводящими проводами 6 термодатчики 3 и 4 подсоединяют к контроллеру 5, посредством которого затем регистрируют в последовательные моменты времени ti (i=0, 1, 2, ) значения температур T1(i) на приемном элементе 8 с термодатчиком 3 и температур Т 2(i) на корпусе 2 с термодатчиком 4 термоизмерительного приемника 1. Изменяющийся во времени падающий на приемный элемент 8 тепловой поток 11 интенсивностью q(t) приводит к вариациям во времени температуры T1(t) приемного элемента 8, а также температуры T2(t) корпуса 2. Температура последнего изменяется за счет кондуктивного и конвективного теплообмена с приемным элементом 8 и с окружением, которым является испытуемый объект (на чертеже не показано) и частично источники измеряемого лучистого теплового потока 11 (для боковых сторон корпуса 2). Уравнения теплового баланса для приемного элемента 8 и для корпуса 2 в предположении, что они выполнены из высокотеплопроводного материала и неоднородностями температуры в них можно пренебречь, записываются в виде где С 1=c1m1 - полная теплоемкость приемного элемента 8; С 2=c2m2 - полная теплоемкость корпуса 2;m1, m2 - масса приемного элемента 8 и корпуса 2 соответственно; с 1, с 2 - удельная теплоемкость приемного элемента 8 и корпуса 2 соответственно;S1 - площадь внешней поверхности приемного элемента 8; 1out - коэффициент черноты фронтальной поверхности 9 приемного элемента 8; 1,2 - коэффициент тепловой кондуктивной связи (обратная величина к термическому сопротивлению) между приемным элементом 8 и корпусом 2; 1,2=effS1 - коэффициент термической лучистой связи между приемным элементом 8 и корпусом 2;- постоянная Стефана-Больцмана;eff - эффективный коэффициент черноты для лучистого теплообмена приемного элемента 8 и корпусом 2; 2,env=2,effS2 - коэффициент термической лучистой связи между корпусом 2 и окружением; 2,eff - эффективный коэффициент черноты для лучистого теплообмена между корпусом 2 и окружением;S2 - площадь внешней поверхности корпуса 2;Tenv - эффективная лучистая температура окружения; 2,obj - коэффициент тепловой кондуктивной связи между корпусом 2 и испытуемым объектом;Tobj - температура испытуемого объекта (на чертеже не показан). Если температуры T1(t) и T2(t)для некоторой последовательности моментов времени известны, то из[5] можно выразить измеряемый тепловой поток Все коэффициенты, входящие в это выражение, могут быть вычислены либо измерены. Производную от температуры по времени вычисляют, зная ее значение в ряде последующих моментов времени. Простейший способ ее вычисления - это конечно-разностная аппроксимация Однако при таком способе могут возникнуть значительные погрешности из-за того, что температуры в соседние моменты времени отличаются незначительно и их разность может быть сравнима с погрешностью температурных термодатчиков 3 и 4. Поэтому в предлагаемом способе измерения вычисляют производную, как коэффициент линейной регрессии Т 1(i) на ti, где ti это 2m+1 последовательных моментов времени, в которые производится измерения температуры, а Т 1(i) значения измеренной температуры Т 1 в эти моменты. Этот коэффициент, обозначаемый RTt, есть коэффициент линейной функцииT(t)=a+RTtt, наилучшим образом аппроксимирующей зависимость экспериментальных данных Т 1(i) от ti. Для случая, когда значения лучистого теплового потока 11 регистрируют через каждые n моментов регистрации температур, коэффициент RTt при j-й регистрации потока рассчитывают как [5] Поскольку при расчете производной по времени используются 2m+1 значений измеренной температуры, то для повышения точности расчетов в остальных членах формулы (5), куда входят измеренные значения температур, используют среднее от этих 2m+1 значений, т.е. (T1)j (согласно первому из соотношений (8 и ее аналог для температуры корпуса (Т 2)j. Подставляя (6) в (5) и учитывая последнее замечание, получают расчетную формулу для значений измеренного потока qexj в моменты времени j, определяемые первым из соотношений (7) что точно соответствует соотношению (1) согласно в формуле изобретения. Пример реализации способа С этой целью промоделируем работу термоизмерительного приемника 1 на математической модели с использованием уравнений теплового баланса (3) и (4). Пусть термоизмерительный приемник 1 выполнен так, как показано на фиг. 1, а корпус 2 и приемный элемент 8 термоизмерительного приемника 1 выполнены из алюминия и имеют массы соответственно m2=9 г и m1=3 г. Удельная теплоемкость алюминия сА 1=1256 Дж/(кгК), что позволяет рассчитать теплоемкостиC1=cA1m1=3,77 Дж/К и C2=cA1m2=11,3 Дж/К. Рассчитанные коэффициенты термических связей между корпусом и пластиной для данной конструкции составляют 1,2=1,4910-3 Вт/К, 1,2=effS1=210-4 м 2, а площадь и степень черноты наружной поверхности пластины равны S1=1,9610-3 м 2 и 1Out=0,9 соответственно. Будем считать, что термоизмерительный приемник 1 расположен на испытуемом объекте (на чертеже не показано) с кондуктивной термической связью с ним, равной 2,obj=0,01 Вт/К и лучистой термической связью с окружением, равной 2,env=1,210-3 м 2. Зададим температуру испытуемого объекта Tobj(t) и температуру окружения для корпуса 2 датчика 1 Tenv(t), как показано на фиг. 2. Пусть на термоизмерительный приемник 1 падает лучистый поток 11 q(t), заданный так, как показано на фиг. 3. Все приведенные параметры являются типичными для условий проведения термовакуумных испытаний космических аппаратов. Так три уровня теплового потока, заданного на циклограмме фиг. 3, соответствуют эффективной лучистой температуре в полусфере соответственно 20, 80 и -196C соответственно. Временной интервал на заданных циклограммах соответствует продолжительности одного витка спутника дистанционного зондирования Земли. Температурный режим термоизмерительного приемника 1 при заданных выше параметрах и циклограммах внешних нагрузок моделировался в пакете Mathcad-14. Система уравнений теплового баланса(3), (4) решалась численно с помощью процедуры rkfixed при начальных условиях T1(0)=T2(0)=20C. Полученные в результате циклограммы температур приемного элемента 8 и корпуса 2 представлены на фиг. 4. Далее процесс измерения теплового потока моделировался следующим образом. По найденным численно массивам температур Т 1 и Т 2 методом линейной интерполяции были построены функции, позволяющие найти эти температуры в любой момент времени. С помощью этих функций для последовательности равноотстоящих с шагом At моментов времени t1=it рассчитаны соответствующие этим моментам "истинные" температуры и. Процесс измерения температур моделировался "зашумлением" с помощью генератора случайных чисел этих истинных значений случайной добавкой, распределенной по случайному закону с дисперсией, соответствующей погрешности температурных T термодатчиков 3, 4. В результате получаем два массива экспериментальных ("неточных") температур Т 1(i) и Т 2(i), моделирующих результаты натурных измерений. На фиг. 5 показан фрагмент циклограмм "экспериментальных" температур между 10 и 15 минутой для истинных температур, показанных на фиг. 4. Данные соответствуют интервалу времени между измерениями t=4 с, среднеквадратичная ошибка измерения составляет T=0,1C. Затем этим массивы "экспериментальных" температур и массив моментов времени были обработаны в соответствии с расчетным алгоритмом (6)-(9) для значений n=4 и m=8 и найден "измеренный" тепловой поток qexj. Результаты расчетов в сравнении с заданным (или "реальным") тепловым потоком q представлены на фиг. 6. Для сравнения на фиг. 7 представлены результаты обработки данных измерения по алгоритму, не учитывающему теплоемкость приемного элемента 8 термоизмерительного приемника 1, т.е. без первого члена в квадратных скобках соотношения (9) и расчетов производной от температуры по времени. На фиг. 8 представлены результаты моделирования измерения теплового потока для среднеквадратичной ошибки измерения температуры приемного элемента 8 и корпуса 2 термоизмерительного приемника 1 среднеквадратичной ошибки измерения T=0,2 С, которые в сравнении с фиг. 6 иллюстрируют влияние погрешности температуры термодатчиков 3, 4 на точность измерения теплового потока. На точность предлагаемого способа измерений оказывает влияние также то, насколько точно рассчитаны или измерены коэффициенты, входящие в расчетную формулу (9). Точность измерений можно повысить, введя процедуру тарировки термоизмерительного приемника 1 путем настройки этих параметров по наилучшему соответствию измеренных показаний с заданными значениями падающего потока 11 в условиях заданной тепловой нагрузки. Разработанный способ испытан в реальных условиях измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока в вакууме при создании и проектировании космических объектов и обеспечил измерение падающего удельного теплового потока с высокой точностью и чувствительностью в пределах от 10 до 1400 Вт/м 2 в интервале температур от -196 до +120 С. Способ позволяет осуществлять контроль фактических удельных тепловых потоков исследуемых объектов с одновременной индикацией и записью данных в персональный компьютер (ПК), а также осуществлять обмен данными с ПК. Разработанный метод определения падающих удельных лучистых тепловых потоков и модель расчета существенно расширяют функциональные возможности способа,который может быть использован также в различных производственных вакуумных технологических процессах. Источники информации. 1. RU2354960, 10.05.2009. 2. Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982, с. 130. 3. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. - М.: Наука, 1968, с. 50, 56, 254. 4. RU94025742 А 1, 10.05.1996 (прототип). 5. Радченко С.Г. Методология регрессионного анализа: Монография. - К.: "Корнийчук", 2011.- с. 376. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ измерения лучистого теплового потока в вакууме, включающий размещение в исследуемом объеме термоизмерительного приемника с термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигналов термодатчиков и регистрацию значений их температур во времени, отличающийся тем, что один термодатчик располагают на обратной поверхности приемного элемента термоизмерительного приемника, экранируют эту поверхность от падающего лучистого теплового потока корпусом термоизмерительного приемника, фронтальную плоскую поверхность приемного элемента обращают к падающему лучистому тепловому потоку, а второй термодатчик располагают в корпусе термоизмерительного приемника и регистрируют в последовательные моменты времени ti (i=0, 1, 2,) значения температур T1(i) термодатчика на приемном элементе и температур T2(i) термодатчика на корпусе приемника, при этом полусферический падающий удельный лучистый тепловой поток qj для момента времени j из временной последовательности j (j=0, 1, 2,), задаваемой двумя целочисленными параметрами n и m какS - площадь воспринимающей измеряемое излучение площадки;Sin - площадь зазора между приемным элементом и несущим корпусом;- термическая проводимость несущих стоек между приемным элементом и корпусом;out - степень черноты приемной площадки;eff - эффективная степень черноты в зазоре между приемным элементом и корпусом;- постоянная Стефана-Больцмана.