Излучатель "серое тело"

Излучатель «Серое тело», предназначенный для воспроизведения инфракрасного излучения, однозначно связанного с температурой излучающей поверхности и ее лакокрасочным покрытием, имеет две плоских излучающих поверхности и помещен в нетеплопроводную нишу с боковыми стенками на петлях и незакрывающимися жалюзи для исключения влияния ветра и брызг. По международной классификации может быть отнесен к рубрике Инфракрасное излучение 0 Измерения МКИ 7. G 01 j, а также к разделу Использование в активных мишенях МКИ 7. F 41 j 2/42. Полезная модель может быть использована при проведении экспресс-анализов в лабораторных и полевых условиях при измерениях в инфракрасном диапазоне спектрального коэффициента излучения краски, коэффициента пропускания трассы или поглощающего покрытия. Одна излучающая поверхность «Серого тела» окрашена, например, черной матовом краской с известным коэффициентом излучения. Эта поверхность используется в качестве эталонного излучателя для работы на больших дистанциях, т.к. ее размеры обеспечивают возможность полного вписывания всего поля зрения измерительного прибора на больших удалениях. Другая поверхность разделена на равные квадраты, окрашенные красками с различными оптическими характеристиками, причем не менее одного квадрата должно быть окрашено краской с известным коэффициентом излучения, например, той же черной матовой краской. Обязательным условием при измерениях должно быть вписывание поля зрения измерительного прибора в каждый из квадратов, в связи с чем измерения характеристик исследуемых красок могут производиться на меньших дистанциях, например, в лабораторных условиях. К отличительным особенностям излучателя «Серое тело» могут быть отнесены:

- достаточно большие размеры излучающих поверхностей по сравнению с известными излучателями, причем толщина излучателя определяется габаритами нагревательного элемента, например, теплоэлектронагревателя (ТЭНа);

- наличием двух излучающих поверхностей, одна из которых (в данном измерении рабочая) обращена в сторону измерительного прибора, а другая (в данном случае нерабочая) - в сторону нетеплопроводной ниши;

- обеспечение равномерней температуры поверхности излучателя за счет нагрева содержащейся в его внутренней полости жидкости, например воды, ТЭНами и ее самопроизвольного конвекционного перемешивания вследствие нагрева.

Использование излучателя «Серое тело», в отличие от известных излучателей, позволяет имитировать не только температуру реальных объектов, но и их лакокрасочных покрытий, а также позволяет производить измерения в лабораторных и полевых условиях с применением широкого класса измерительных приборов, имеющих большие поля зрения.

Полезная модель излучатель «Серое тело» относится к обеспечивающим приборам при производстве экспресс-измерений радиационными термометрами и тепловизорами в лабораторных и полевых условиях. Излучатель относится по международной классификации к рубрике Инфракрасное излучение Измерения МКИ 7. G01j. Также излучатель может быть отнесен к разделу Использование в активных мишенях МКИ 7. F41j 2/02.

Излучатель «Серое тело» может быть использован в лабораторных и полевых условиях для определения в инфракрасном диапазоне спектра коэффициента пропускания трассы, искусственной преграды в виде аэрозольного облака, теплоизоляционного материала для снижения воздействия высоких температур, а также в лабораторных условиях для определения коэффициента излучения исследуемой краски или другого покрытия.

Область применения излучателя «Серое тело» может включать исследования спектральных характеристик инфракрасного излучения различных красок, используемых в кораблестроении, самолетостроении, бронетанковой технике и др., а также измерения характеристик ослабления излучения при использовании средств тепловой маскировки в виде аэрозольных облаков, специальных покрытий и материалов. В практике разработки средств маскировки объектов от инфракрасных систем обнаружения и управления оружием наиболее актуальными являются задачи измерения характеристик пропускания излучения аэрозольными образованиями (АО), а также измерений коэффициента излучения маскировочных лакокрасочных покрытий. При этом корректность измерений маскирующих свойств АО может быть обеспечена только в условиях формирования АО близких к естественным, т.е. в полигонных условиях на достаточно протяженных трассах. Протяженность трассы и значительное отстояние АО от измерительного комплекса способствуют также обеспечению защиты измерительного персонала от вредного воздействия компонентов АО.

Измерения коэффициента излучения лако-красочных и теплоизоляционных покрытий не требуют протяженных трасс и могут проводиться в лабораторных условиях.

Указанные виды измерений в подавляющем большинстве случаев являются относительными и их проведение требует обязательного наличия эталонного излучателя, обладающего известными характеристиками излучения. В инфракрасной технике такие излучатели носят названия «Черное тело» и «Серое тело». В качестве измерительных средств, как правило, используются неконтактные радиационные термометры, обладающие полями зрения от десятков угловых минут до единиц градусов. При проведении измерений должно обязательно выполняться условие

полного вписывания поля зрения измерительного прибора в размеры излучающей поверхности эталонного излучателя.

Известно несколько конструкций эталонных излучателей различных производителей.

Известна конструкция излучателя «Черное тело сферическое» мод. 878 (Великобритания) с диапазоном температур 100...1300°С, коэффициентом излучения 0,999 и диаметром плоскости излучателя 50 мм. [1].

Известна конструкция излучателя «Черное тело цилиндрическое» мод. 982, мод. 976, мод. 970, мод. 426 (Великобритания) с диапазоном температур -10...+1100°С, временем выхода на режим от 45 до 240 мин., точностью удержания температур до 0,1°С и диаметром излучающей поверхности от 20 до 65 мм. [1].

Известна конструкция излучателя «Серое тело» мод. 975 (Великобритания) с диапазоном температур 50...350°С, временем выхода на режим 35 мин., коэффициентом излучения не менее 0,95, диаметром излучающей поверхности 70 мм, массой 3,9 кг, потребляемой мощностью 180 Вт [1].

Известна «Тепловая мишень для практической стрельбы» МКИ 7. F41j 1/100, 5/08 с большими геометрическими размерами, но с коротким временем поддержания стабильной температуры [2].

В качестве ближайшего аналога (прототипа) полезной модели принята конструкция излучателя «Черное тело» мод. 1010 (Швеция) с диапазоном температур 16...100°С, точностью установки температуры ±0,2°С, коэффициентом излучения 0,97, временем выхода на режим 100°С - 4 мин. Потребляемая мощность 90 Вт, масса 5,6 кг, диаметр излучающей поверхности 100 мм [3].

Как прототипу, так и всем перечисленным известным типам излучателей присущ один наиболее важный недостаток - малые размеры излучающей поверхности.

Для использования в качестве эталонного излучателя «Черное тело» мод. 1010 необходимо устанавливать на таком расстоянии от измерительного устройства, чтобы поле зрения радиационного термометра, например типа «Raynger» мод. ST20, ST60, ST80 или др., вписывалось в излучающую поверхность ( 100 мм). Учитывая, что поля зрения указанных радиационных термометров составляют 1/30 дистанции, измерения с применением «Черного тела» мод. 1010 могут производиться на удалениях не более 3 м. При таких расстояниях между эталоном и измерительным прибором в пространстве между ними не может быть сформирована реальная искусственная поглощающая преграда, например, аэрозольное облако. В то же время, если размер излучающей поверхности заявляемого «Серого тела» составляет, например, 1000×1000 мм ², то допустимая дистанция измерений составляет 30 м, что достаточно для постановки на измерительной трассе штатной аэрозольной завесы с таким поперечным размером.

Помимо указанного отличия, прототип может использоваться только в качестве эталонного излучателя, тогда как заявляемое «Серое тело» может

использоваться как в качестве эталонного излучателя, так и в качестве объекта исследования.

Целью создания полезной модели излучателя «Серое тело» является разработка устройства, позволяющего производить измерения температур излучающих поверхностей с больших дистанций для определения коэффициента пропускания трассы, а также коэффициентов излучения красок при производстве экспресс-анализа исследуемых красок или других покрытий путем сравнения с другими красками (покрытиями), излучательные характеристики которых известны, нанесенными на одну общую подложку с одинаковой температурой. При этом заявляемая модель служит одновременно и эталонным излучателем (участок излучающей поверхности, покрытый краской или другим покрытием с известными излучательными характеристиками), и объектом исследования (участок излучающей поверхности, покрытый исследуемой краской или другим покрытием). Вследствие указанного обстоятельства обеспечивается одинаковый уровень нагрева как эталонного, так и исследуемого участков излучающей поверхности.

Указанные свойства полезной модели позволяют расширить диапазон условий проведения экспериментов и повысить достоверность получаемых результатов. При этом расширение диапазона условий проведения экспериментов достигается за счет того, что размеры излучателя обеспечивают вписывание поля зрения измерительного прибора в излучающую поверхность при проведении измерений как в полевых, так и в лабораторных условиях. Повышение достоверности измерений коэффициента излучения и истинной температуры излучающей поверхности обеспечивается за счет нагрева всех участков излучателя, в том числе окрашенных различными красками, до одинаковой температуры. Кроме того, в заявляемом устройстве предусмотрено использование контактного термометра, позволяющего контролировать погрешность измерений температуры неконтактным радиационным термометром.

Заявляемая полезная модель обеспечивает требуемый результат за счет совокупности следующих существенных признаков:

1. Конструктивно излучатель выполнен в виде плоского прямоугольного параллелепипеда с двумя излучающими поверхностями (большими гранями), размеры которых обеспечивают вписывание поля зрения измерительного устройства на требуемых дистанциях измерений. При этом одна поверхность целиком окрашена краской с известным коэффициентом излучения (например черной краской) и используется в качестве излучающей в условиях полевых экспериментов. Другая поверхность разделена на прямоугольники, окрашенные красками с известными и исследуемыми излучательными характеристиками, и используется в качестве излучающей в лабораторных экспериментах.

2. Корпус излучателя изготавливается из материала с высокой теплопроводностью, например из металлической жести, для обеспечения равномерного нагрева.

3. Излучатель помещается в нетеплопроводную нишу, имеющую форму параллелепипеда с одной открытой большой гранью и размеры, позволяющие поместить в нее излучатель одной из излучающих поверхностей в сторону открытой грани, а другой излучающей поверхностью внутрь ниши. Задняя стенка, боковые грани (боковые стенки) ниши и прикрепленные к ним неподвижные жалюзи служат для термостабилизации излучателя и изготавливаются из материала с низким коэффициентом теплопроводности (например из дерева).

4. Внутренний объем излучателя заполняется жидкостью с известной температурой кипения, например водой.

5. Внутри излучателя размещаются один или более электронагреватели, предназначенные для нагрева заполняющей жидкости до требуемой температуры, вплоть до температуры кипения. При этом толщина излучателя (ширина граней между излучающими поверхностями) ограничена размерами электронагревателя.

6. Корпус излучателя сверху накрывается съемной крышкой для заливки заполняющей жидкости. В корпусе крышки имеется 2 патрубка, один из которых служит для выхода пара при закипании жидкости, а второй - для установки контактного термометра, измеряющего температуру заполняющей жидкости.

Эффективность средств тепловой маскировки характеризуется показателем пропускания излучения защищаемого объекта _м. Решение задачи определения этого показателя [4] достигается путем установления значения отношения лучистого потока в определенном спектральном диапазоне на входе измерительного прибора, поступающего от защищаемого объекта в случае применения средств маскировки, к лучистому потоку, поступающему от незамаскированного объекта. Учитывая, что большинство современных инфракрасных средств обнаружения и управления оружием работают в спектральном диапазоне 8...14 мкм, рассмотрим случай определения значения _м с применением заявляемой полезной модели именно в этом диапазоне (для других диапазонов приведенные ниже соотношения выглядят аналогично).

где R_8-14м и R _8-14 - плотность излучения объекта в спектральном диапазоне 8-14 мкм соответственно в случае применения средств маскировки и в случае их отсутствия (Вт/см²);

- коэффициент излучения поверхности объекта в спектральном диапазоне 8...14 мкм;

- постоянная Больцмана (5,67*10^-12 Вт/см²К⁴);

Т_м и Т - радиационная (измеренная) температура объекта соответственно в случае применения средств маскировки и в случае их отсутствия, К.

В качестве излучающего объекта при подобных измерениях может использоваться заявляемое «Серое тело», повернутое в сторону измерительной трассы излучающей поверхностью, целиком окрашенной краской с известным коэффициентом излучения (например, черной матовой краской, имеющей значение =0,96...0,98 [4]). В этом случае противоположная излучающая поверхность, разбитая на прямоугольники, окрашенные разными красками, обращена в нетеплопроводную нишу.

Из выражения (1) следует, что эффективность средств тепловой маскировки может быть оценена на основании измерений радиационной температуры объекта в случаях применения средств тепловой маскировки и без них.

Решение задачи определения коэффициента излучения (степени черноты исследуемой краски или другого покрытия) экспресс-методом с применением заявляемой полезной модели осуществляется также на основании закона Стефана-Больцмана:

где R - плотность излучения;

- постоянная Больцмана;

Т - температура;

- коэффициент излучения.

Следует отметить, что вычисление температуры объекта в радиационных термометрах производится по формуле (2) на основании измеренного значения плотности излучения и введенного оператором в вычислитель прибора значения коэффициента излучения поверхности объекта [5]. Таким образом, знание значения коэффициента излучения поверхности объекта является обязательным условием определения истинной температуры поверхности объекта с помощью радиационного термометра. В случае, если оператором введено произвольное значение коэффициента излучения, измерительный прибор выдаст некое фиктивное значение температуры.

При измерениях величин коэффициентов излучения различных красок, нанесенных на общую подложку и имеющих одинаковую температуру, как это имеет место в заявляемой модели, поток будет больше от того участка поверхности, степень черноты (коэффициент излучения) которого больше.

Измерения значений коэффициентов излучения различных красок и покрытий могут быть произведены в случае использования заявляемого излучателя «Серое тело», развернутого в сторону измерительного прибора излучающей поверхностью, разбитой на несколько прямоугольников, а противоположной излучающей поверхностью развернутого в нетеплопроводную нишу.

Измерение истинной температуры излучающей поверхности Т_и может быть произведено с помощью радиационного термометра, поле зрения которого ориентировано в направлении участка, окрашенного краской с известным коэффициентом излучения (эталонного прямоугольника), и вписывается в размерения этого участка поверхности излучателя. При этом в

вычислитель измерительного прибора должно быть введено известное значение коэффициента излучения поверхности эталонного участка.

Где R_э - плотность излучения поверхности эталонного участка на входе измерительного устройства;

_э - коэффициент излучения поверхности эталонного участка, значение которого введено в вычислитель радиационного термометра.

После измерения истинной температуры поверхности излучателя Т_и, поле зрения радиационного термометра должно быть переориентировано с эталонного участка в направлении на один из прямоугольных участков, окрашенный краской с неизвестным коэффициентом излучения. При этом, в силу различия коэффициентов излучения эталонной и исследуемой красок, значение плотности излучения на входе измерительного устройства изменится и будет соответствовать значению R_и - плотности излучения участка, окрашенного исследуемой краской. Однако, ввиду того, что в вычислитель измерительного прибора введено значение коэффициента излучения эталонной краски, прибор покажет некое фиктивное значение температуры Т_ф, равное:

Из выражения (5) следует, что:

В то же время, согласно закону Стефана-Больцмана:

Приравнивая выражения (6) и (7), решая их относительно _и, получаем:

Учитывая, что значение _э для черной матовой краски близко к 1,0, для оценочного экспресс-анализа предпочтительности применения той или иной краски или покрытия можно принимать . Таким образом, задача определения значения коэффициента излучения исследуемой краски или покрытия также сводится к измерению температур излучающих поверхностей и может быть решена с применением радиационного термометра и заявляемого «Серого тела».

Изложенная выше методика измерений подтверждает достижимость обеспечиваемого полезной моделью технического результата и обоснованность заявляемых признаков.

На фиг.1 представлен вид излучателя, состоящего из металлической плоской емкости с размещенными внутри нее теплонагревателями, закрытой сверху крышкой с патрубками для отвода пара и установки термометра. На

фиг.2 приведена конструкция нетеплопроводной ниши, изготовленной из нетеплопроводного материала (дерева, пенопласта или др.) с откидными стенками и съемными незакрывающимися жалюзями, что позволяет беспрепятственно изымать и устанавливать излучатель в теплоизолированное пространство между задней стенкой ниши и боковыми стенками, одной или другой излучающей поверхностью в сторону жалюзей (измерительных средств).

Литература:

1. Журнал «Мир измерений», №1, 2001.

2. «Изобретения. Полезные модели», Бюллетень №18, 2004, заявка №2002133778/02 от 15.12.2002 г.

3. AGA Thermovision 780 Operating Manual, 1980.

4. Криксунов Л.З., Справочник по основам инфракрасной техники. Сов. радио, Москва, 1978.

5. Raynger ST60, неконтактный термометр, руководство по эксплуатации, 2000.

1. Инфракрасный излучатель с плоской излучающей поверхностью, обладающей известным коэффициентом излучения и имеющей регулируемый электроподогрев, отличающийся тем, что выполнен в виде плоского параллелепипеда из теплопроводного материала, две большие противоположные грани которого являются излучающими (рабочими) поверхностями и имеют размеры, превосходящие размеры поля зрения измерительного устройства на дистанции измерения, а сам параллелепипед заполнен нагреваемой жидкостью с известной температурой кипения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна излучающая поверхность окрашена краской с известным коэффициентом излучения, а другая поверхность разделена на прямоугольные участки, окрашенные различными красками, причем, по меньшей мере, один из участков окрашен краской с известным коэффициентом излучения, а остальные участки окрашены исследуемыми красками с неизвестными коэффициентами излучения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучатель помещен в нишу из нетеплопроводного материала одной из излучающих поверхностей наружу, а сама ниша имеет боковые стенки, крепящиеся на петлях к задней стенке, и не закрывающиеся жалюзи с наружной стороны.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между излучающими поверхностями излучателя не менее размеров электронагревательных элементов, обеспечивающих нагрев заполняющей жидкости, а сверху излучатель закрыт крышкой с патрубками для выхода пара и установки термометра.