RU2597937C1 - Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) - Google Patents
Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2597937C1 RU2597937C1 RU2015106950/28A RU2015106950A RU2597937C1 RU 2597937 C1 RU2597937 C1 RU 2597937C1 RU 2015106950/28 A RU2015106950/28 A RU 2015106950/28A RU 2015106950 A RU2015106950 A RU 2015106950A RU 2597937 C1 RU2597937 C1 RU 2597937C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- temperature
- radiation
- emissivity
- heating
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 title claims description 11
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 114
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 91
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 39
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 11
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910016036 BaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000008207 working material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике. Изобретение относится к области высокотемпературной техники исследований излучательных свойств материалов и может использоваться для определения интегральной излучательной способности материалов и покрытий, а при известной излучательной способности одного материала позволяет определить абсолютное значение интегральной излучательной способности другого материала. Изобретение относится к новому методу измерения интегральной излучательной способности твердых материалов при высоких температурах с помощью прямого лазерного нагрева.The invention relates to measuring equipment. The invention relates to the field of high-temperature technology for studying the emissive properties of materials and can be used to determine the integral emissivity of materials and coatings, and with the known emissivity of one material, it allows to determine the absolute value of the integral emissivity of another material. The invention relates to a new method for measuring the integral emissivity of solid materials at high temperatures using direct laser heating.
Интегральная излучательная способность определяется как ε(T)=Q(T)/QАЧТ(T), где Q(T) и QАЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при той же температуре.The integrated emissivity is defined as ε (T) = Q (T) / Q AHT (T), where Q (T) and Q AHT (T), respectively, specific heat fluxes of a real surface and a black body (AHT) at the same temperature .
Все методы измерения интегральной излучательной способности можно условно разделить на радиационные и калориметрические. В первом случае с помощью детектора полного излучения измеряется лучистый поток от измеряемой поверхности и сравнивается с потоком излучения АЧТ. Во втором случае поток излучения определяется из теплового баланса, учитывающего потери тепла за счет излучения: Q(T)=ε(Т)σТ4, где σ - постоянная Стефана-Больцмана.All methods for measuring the integral emissivity can be conditionally divided into radiation and calorimetric. In the first case, using a full radiation detector, the radiant flux from the measured surface is measured and compared with the radiation flux of the blackbody. In the second case, the radiation flux is determined from the heat balance, taking into account heat loss due to radiation: Q (T) = ε (Т) σТ 4 , where σ is the Stefan-Boltzmann constant.
Большинство экспериментальных методов определения интегральной излучательной способности материалов сводится к созданию в экспериментальной установке стационарного состояния исследуемого образца с хорошо контролируемыми или надежно измеряемыми величинами полного энерговклада и всевозможных механизмов тепловых потерь с поверхности за исключением собственного излучения. Обычно используются образцы небольшого размера (термически тонкие), что обеспечивает практически однородное поле температуры по всему объему, включая излучающую поверхность. Тепловые потери за счет собственного излучения рассчитываются затем на основании уравнения суммарного энергетического баланса.Most experimental methods for determining the integral emissivity of materials boil down to creating a stationary state of the test sample in the experimental setup with well-controlled or reliably measured values of the total energy input and all kinds of mechanisms of heat loss from the surface, with the exception of intrinsic radiation. Typically, small samples (thermally thin) are used, which provides an almost uniform temperature field throughout the volume, including the radiating surface. Heat losses due to intrinsic radiation are then calculated based on the equation of total energy balance.
В работах (Allen R.D., Glasier L.F., JR., Jordan P.L.. Spectral Emissivity, Total Emissivity, and Thermal Conductivity of Molybdenum, Tantalum, and Tungsten above 2300 К // Journal of Applied Physics. 1960. Vol. 31. No. P. 1382 - 1387; Matsumoto Т., Cezairliyan A., Basak D. Hemispherical Total Emissivity of Niobium, Molybdenum, and Tungsten at High Temperatures Using a Combined Transient and Brief Steady-State Technique // International Journal of Thermophysics. 1999. Vol. 20. No. 3. P. 943-952; Cagran C., Pottlacher G., Rink M., Bauer W. Spectral Emissivities and Emissivity X-Points of Pure Molybdenum and Tungsten // International Journal of Thermophysics. 2005. Vol. 26. No. 4. P. 1001-1015), например, использовался нагрев тонких проволочек исследуемого материала электрическим током, что позволяло надежно фиксировать суммарный энерговклад. Измерение истиной температуры образца, знание которой необходимо для расчета интегральной излучательной способности, проводится при относительно небольших температурах с помощью термопар или, что более предпочтительно, с помощью бесконтактного пирометрического метода, исключающего дополнительные трудно контролируемые возмущения в суммарную теплоотдачу и позволяющего измерять более высокие температуры. Отметим, что в каждом отдельном эксперименте определяется интегральная излучательная способность при одной температуре.In (Allen RD, Glasier LF, JR., Jordan PL. Spectral Emissivity, Total Emissivity, and Thermal Conductivity of Molybdenum, Tantalum, and Tungsten above 2300 K // Journal of Applied Physics. 1960. Vol. 31. No. P 1382 - 1387; Matsumoto T., Cezairliyan A., Basak D. Hemispherical Total Emissivity of Niobium, Molybdenum, and Tungsten at High Temperatures Using a Combined Transient and Brief Steady-State Technique // International Journal of Thermophysics. 1999. Vol. 20. No. 3. P. 943-952; Cagran C., Pottlacher G., Rink M., Bauer W. Spectral Emissivities and Emissivity X-Points of Pure Molybdenum and Tungsten // International Journal of Thermophysics. 2005. Vol. 26. No. 4. P. 1001-1015), for example, heating of thin wires of the material under study by electric current was used, which made it possible to reliably fix the total energy input. True temperature measurement of a sample, the knowledge of which is necessary for calculating the integral emissivity, is carried out at relatively low temperatures using thermocouples or, more preferably, using a non-contact pyrometric method that eliminates additional difficult to control disturbances in the total heat transfer and allows higher temperatures to be measured. Note that in each individual experiment, the integrated emissivity at one temperature is determined.
Так в широко используемом «радиационном методе» необходимо измерение трех параметров - температуры и плотности потока излучения, а также конвективных теплопотерь (при исключении конвективных теплопотерь, как видно, необходимо измерение двух величин). Для исключения конвективных теплопотерь и необходимости измерения потока излучения в работах (Спэрроу Э. М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. - М.: Энергия, 1977. - 294 с; Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, книга 1. Справочник под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. М.: Энергоиздат, 1987. - 455 с.) была предложена упрощенная нестационарная методика определения интегральной излучательной способности (еT) и предлагалось исключение конвективных теплопотерь за счет проведения эксперимента одновременного с двумя образцами: один с известной еT, второй - рабочий. Обе методики были основаны на том, что при одинаковых температурах и для одинаковых перепадов температур оба образца имеют одинаковые конвективные теплопотери. Однако, как известно, для нестационарных методов необходимы образцы с одинаковыми размерами и с известными теплофизическими характеристиками (теплоемкость, масса), при этом также необходимо измерять время. Оба эти метода были предложены, но не были реализованы, не была проведена и оценка погрешности этих методов.So in the widely used “radiation method” it is necessary to measure three parameters - temperature and radiation flux density, as well as convective heat loss (with the exception of convective heat loss, as you can see, two values need to be measured). To exclude convective heat loss and the need to measure the radiation flux in the works (Sparrow E.M., Sess R.D. Heat radiation by radiation. - M .: Energy, 1977. - 294 s; Heat Power Engineering and Heat Engineering, General Issues,
В статье «Определение излучательной способности стационарным методом» авторов У.Ф. Тураева, Ш.Ф. Тураева, С.С. Ибрагимова, напечатанной в журнале «Молодой ученый», 2013, №7, стр. 83-86 и размещенной на сайте «Молодой УЧЕНЫЙ» в сети Интернет по адресу: http://www.moluch.ru/archive/54/6786/, утверждается, что возможно развитие предложенных выше методов и разработка на этой основе стационарного метода - измерение излучательной способности по равновесным температурам.In the article "Determination of emissivity by the stationary method" by the authors Turaeva, Sh.F. Turaeva, S.S. Ibragimov, published in the journal "Young Scientist", 2013, No. 7, pp. 83-86 and posted on the website "Young Scientist" on the Internet at: http://www.moluch.ru/archive/54/6786/ , it is argued that it is possible to develop the methods proposed above and develop on this basis a stationary method - measuring emissivity from equilibrium temperatures.
Способ заключается в следующем. Берутся две тонкие плоские пластины из одного рабочего материала толщиной порядка 1-5 мм, и одна из них покрывается сажей. Эти образцы, рабочий и «черный», нагреваются с помощью источника излучения. Измеряются равновесные температуры образцов. Далее, учитывая, что перепады температур в образцах малы, меньше 0,1°, а также пренебрегая теплопотерями через боковые стороны пластин и теплопотери через опорные ножки, можем записать следующие уравнения баланса.The method is as follows. Two thin flat plates from one working material with a thickness of the order of 1-5 mm are taken, and one of them is covered with soot. These samples, working and “black”, are heated using a radiation source. The equilibrium temperatures of the samples are measured. Further, considering that the temperature differences in the samples are small, less than 0.1 °, and also neglecting heat loss through the sides of the plates and heat loss through the support legs, we can write the following balance equations.
При температурах источника, близких к температурам нагрева, можно также считать, что
В этих уравнениях известны температуры образца и «АЧТ», температуры стен (измеряются), температура окружающего воздуха, измеряется и плотность падающего излучения Е, а неизвестными являются коэффициенты конвективной теплоотдачи αK1, αK2.In these equations, the temperature of the sample and the “blackbody”, wall temperatures (measured), ambient temperature are known, the density of the incident radiation E is measured, and the coefficients of convective heat transfer α K1 , α K2 are unknown.
Т. е. из уравнения (2) мы определяем коэффициент конвективной теплоотдачи αK1. Найдем связь между αK2 и αK1. В общем характер конвективной теплоотдачи на обоих образцах одинаков (одинаковые условия), поэтому различия между ними обусловлены различием в температурах рабочего образца и «АЧТ».That is, from equation (2) we determine the convective heat transfer coefficient α K1 . Find the relationship between α K2 and α K1 . In general, the nature of convective heat transfer on both samples is the same (the same conditions), therefore, the differences between them are due to the difference in temperatures of the working sample and the “blackbody”.
Как показали предварительные эксперименты, различие между температурами рабочего образца и «АЧТ» находится на уровне 10-15°, при этом различие между αK2 и αK1 не превышает 5%. Т.е. можно принять, что αK1=αK2. Тогда, определяя αK3 из (2) и подставляя вместо αK1 из (1), определяем излучательную способность образца. Отмечается, что в случае вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи не зависит от температуры образцов, а зависит только от температуры окружающего воздуха.As shown by preliminary experiments, the difference between the temperatures of the working sample and the "blackbody" is at the level of 10-15 °, while the difference between α K2 and α K1 does not exceed 5%. Those. we can assume that α K1 = α K2 . Then, determining α K3 from (2) and substituting α K1 from (1) instead of α, we determine the emissivity of the sample. It is noted that in the case of forced convection, the heat transfer coefficient does not depend on the temperature of the samples, but depends only on the ambient temperature.
В статье также приводятся основные составляющие относительной погрешности d для этого способа. Они складываются из следующих случайных погрешностей:The article also presents the main components of the relative error d for this method. They consist of the following random errors:
Погрешность допущения о малости теплопотерь с боковой поверхности - dS=100%*(SБ/(2*S))=100%, которая при rS=30 мм и h=2 мм равна dS=100% (h/rS)=100*0.033=3.3%;Error assumption of small heat loss from the side surface - d S = 100% * (S B / (2 * S)) = 100%, that when r S = 30 mm and h = 2 mm is d S = 100% (h / r S ) = 100 * 0.033 = 3.3%;
Погрешность определения температур образца и «АЧТ» термопарами - dТО=100%*(0.5/90)=0.6%;The error in determining the temperature of the sample and "blackbody" thermocouples - d m = 100% * (0.5 / 90) = 0.6%;
Погрешность определения плотности падающего потока - dПАД 5% (по паспорту);The error in determining the density of the incident flow is
Погрешность определения температуры окружающего воздуха - dВ=100%*(0.2/25)=0.8%;The error in determining the ambient temperature is d B = 100% * (0.2 / 25) = 0.8%;
Погрешность допущения, что αK1=αK2, составляет в случае естественной конвекции - dαK=5%, в случае вынужденной конвекции dαK=0%;The assumption error that α K1 = α K2 is in the case of natural convection - d αK = 5%, in the case of forced convection d αK = 0%;
Погрешность определения температуры «стен» - dCT=100%*(0.5/30)-1.7%;The error in determining the temperature of the "walls" - d CT = 100% * (0.5 / 30) -1.7%;
Суммарную относительную погрешность d будем определять по формуле [5].The total relative error d will be determined by the formula [5].
Этот способ позволяет практически для всех тел определить интегральную излучательную способность и параметр селективности к солнечному излучению по ее равновесной температуре, причем так как равновесные температуры серого и черного тела одинаковы, то в качестве серого тела можно использовать зачерненный рабочий образец.This method allows for almost all bodies to determine the integral emissivity and the parameter of selectivity for solar radiation by its equilibrium temperature, and since the equilibrium temperatures of the gray and black bodies are the same, a blackened working sample can be used as a gray body.
Как видно из статьи, разработан способ определения излучательной способности стационарным методом путем обеспечения нагрева двух образцов, один из которых АЧТ дает неточное измерение, в результате которого получают информацию, достоверность которой определена в рамках погрешностей в 5%. При этом, как видно из рассмотренного описания способа, некоторые параметры выбраны по данным паспорта, или по принятому утверждению, или по средним установленным значениям. Естественно, что использование уточняющих величин условного порядка не может позволить провести точное определение интегральной излучательной способности поверхности твердого образца.As can be seen from the article, a method has been developed for determining the emissivity by the stationary method by heating two samples, one of which the blackbody gives an inaccurate measurement, as a result of which information is obtained, the reliability of which is determined within the error of 5%. Moreover, as can be seen from the described method description, some parameters are selected according to the data of the passport, or according to the accepted statement, or according to the average set values. Naturally, the use of refinement quantities of a conditional order cannot allow an accurate determination of the integral emissivity of the surface of a solid sample.
Так, из уровня техники известен способ измерения интегральной излучательной способности твердых материалов при высоких температурах, описанный в кн. А.Г. Коротких «Теплопроводность материалов», Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2011, рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета, стр. 35-38 (это решение принято в качестве прототипа).So, from the prior art there is a known method for measuring the integral emissivity of solid materials at high temperatures, described in the book. A.G. Short “Thermal Conductivity of Materials”, Tomsk, Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2011, recommended as a study guide by the Editorial and Publishing Council of Tomsk Polytechnic University, pp. 35-38 (this decision was made as a prototype).
Определение интегрального коэффициента излучения радиационным методом состоит в сравнительном измерении специальным термоприемником лучистой энергии, испускаемой исследуемым и абсолютно черным телом или телом, коэффициент излучения которого известен. Экспериментальные установки для определения ε радиационным методом имеют устройство для нагревания образца до заданной температуры, приемник излучения и диафрагму.The determination of the integral emissivity by the radiation method consists in comparative measurement of the radiant energy emitted by the studied and completely black body or body, the emissivity of which is known by a special thermal detector. The experimental setups for determining ε by the radiation method have a device for heating the sample to a given temperature, a radiation detector, and a diaphragm.
Для приемников с линейной характеристикой наиболее простым методом определения коэффициента излучения является визирование приемника на исследуемый объект и на черное тело или эталонный излучатель с известным коэффициентом излучения ε. При этом температура эталонного и исследуемого образцов должна быть одинаковой. Линейность приемника излучения может быть обеспечена только в определенном интервале потоков излучения и с ограниченной точностью. Поэтому в общем случае приемник излучения следует считать нелинейным. Тогда наиболее распространенной схемой осуществления радиационного метода является схема, основанная на равенстве сигналов от исследуемого образца и АЧТ (эталона) с разными температурами.For receivers with a linear characteristic, the simplest method for determining the emissivity is to sight the receiver on the object under study and on a black body or reference emitter with a known emissivity ε. In this case, the temperature of the reference and studied samples should be the same. The linearity of the radiation receiver can be ensured only in a certain range of radiation fluxes and with limited accuracy. Therefore, in the general case, the radiation receiver should be considered non-linear. Then the most common scheme for the implementation of the radiation method is a scheme based on the equality of the signals from the test sample and the blackbody (reference) with different temperatures.
Для определения коэффициента излучения широко используют выпускаемые промышленностью радиационные пирометры. Зеркала и линзы вносят искажения в тепловой поток, приходящий к приемнику излучения. Коэффициенты отражения и пропускания зеркал и линз существенно зависят от длины волны. Поэтому погрешности определения существенно зависят от материала линз, зеркал и смотровых окон. С учетом этого радиационный линзовый пирометр или термоприемник, воспринимающий излучение через стекло, измеряют интегральный коэффициент излучения лишь в пределах пропускания оптической системы:To determine the emissivity, radiation pyrometers produced by industry are widely used. Mirrors and lenses introduce distortions into the heat flux coming to the radiation receiver. The reflection and transmission coefficients of mirrors and lenses substantially depend on the wavelength. Therefore, the errors of determination substantially depend on the material of lenses, mirrors, and viewing windows. With this in mind, a radiation lens pyrometer or a thermal detector that receives radiation through glass measures the integral emissivity only within the transmission range of the optical system:
Как правило, радиационный метод осуществляется при условии, когда температура исследуемого объекта выше температуры приемника и поток излучения поступает от объекта к приемнику. Для надежного измерения этого потока различие температур между объектом и приемником не должно быть очень малым. Радиационный метод получил наибольшее распространение при исследовании неэлектропроводных материалов.As a rule, the radiation method is carried out under the condition that the temperature of the investigated object is higher than the temperature of the receiver and the radiation flux arrives from the object to the receiver. To reliably measure this flow, the temperature difference between the object and the receiver should not be very small. The radiation method is most widely used in the study of non-conductive materials.
Сама задача учета радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов, паразитных засветок и многих других параметров окружающей испытываемый образец среды относится к категории чрезвычайно сложной. Эта сложность определена тем, что сам процесс проведения действий по нагреву образца твердого тела не представляет сложности, но последующие математические расчеты, которые должны учитывать влияние окружающей образец среды, на которую воздействует не только сам нагретый образец, но и печь, относятся к тем действиям, от которых зависит достоверность поучаемых данных об истинной интегральной излучательной способности поверхности твердого тела.The very task of accounting for radiation heat fluxes from the furnace heater and from its elements, spurious illumination, and many other parameters of the medium surrounding the test sample is extremely difficult. This complexity is determined by the fact that the process of carrying out actions to heat a solid sample is not difficult, but the subsequent mathematical calculations, which should take into account the influence of the environment surrounding the sample, which is affected not only by the heated sample, but also by the furnace, belong to those actions on which the reliability of the data obtained on the true integral emissivity of a solid surface depends.
В настоящее время работы по совершенствованию способов измерения интегральной излучательной способности поверхности твердого тела в общем плане сводятся именно к попыткам исключения из расчетной части эксперимента условно установленных составляющих или составляющих с усредненными величинами. Исключение из расчетов этих неоднозначно точных составляющих позволяет снизить искажение значения излучательной способности. Но решение такой задачи невозможно без внесения изменений в материальную часть эксперимента, то есть непосредственно в саму установку, в которой производится нагружение образца тепловым воздействием.At present, work on improving methods for measuring the integral emissivity of a solid surface in the general sense is reduced to precisely attempts to exclude conditionally established components or components with averaged values from the calculated part of the experiment. The exclusion from the calculations of these ambiguously accurate components can reduce the distortion of the emissivity value. But the solution of such a problem is impossible without making changes to the material part of the experiment, that is, directly to the installation itself, in which the sample is loaded by thermal exposure.
Известен способ измерения интегрального коэффициента излучения поверхности различных материалов в широком диапазоне температур 1200-3000°К (Винникова А.Н., Петров А.Н., Шейндлин А.Е. «Методика измерений и экспериментальная установка для определения интегральной нормальной излучательной способности конструкционных материалов в интервале температур от 1200 до 3000 К» // ТВТ. - 1969. - Т. 7, №1, стр. 121-126). Определение интегрального коэффициента излучения указанным способом основано на использовании радиационного метода. Суть радиационного метода состоит в сравнительном измерении специальным термоприемником лучистой энергии, испускаемой исследуемым и абсолютно черным телом или телом, коэффициент излучения которого известен (эталонный образец), при одинаковой температуре поверхности Т. Интегральный коэффициент излучения рассчитывается по формуле ε(Т)=εeQ(T)/Qe(T), где Q(T), Qe(T) - измеренные значения мощности излучения при нагреве до температуры Т исследуемого и эталонного образцов соответственно. Это решение принято в качестве прототипа для всех заявленных объектов.A known method of measuring the integral emissivity of the surface of various materials in a wide temperature range of 1200-3000 ° K (Vinnikova A.N., Petrov A.N., Sheindlin A.E. “Measurement technique and experimental setup for determining the integral normal emissivity of structural materials in the temperature range from 1200 to 3000 K "// TVT. - 1969. - T. 7, No. 1, p. 121-126). The determination of the integral emissivity in this way is based on the use of the radiation method. The essence of the radiation method consists in comparative measurement of the radiant energy emitted by the studied and absolutely black body or body, the emissivity of which is known (reference sample), using a special thermal detector, at the same surface temperature T. The integral emissivity is calculated by the formula ε (Т) = ε e Q (T) / Q e (T), where Q (T), Q e (T) are the measured values of the radiation power when heated to the temperature T of the studied and reference samples, respectively. This decision was made as a prototype for all declared facilities.
Недостаток данного способа заключается в том, что для получения численного результата высокой достоверности необходимо учитывать величины радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов. Точное определение этих величин применительно к конкретному нагревательному устройству затруднительно, а применение условных усредненных значений заведомо искажает значение излучательной способности, показывая уровень интегральной излучательной способности конкретного тела по отношению к АЧП, но не ее точное численное значение.The disadvantage of this method is that to obtain a numerical result of high reliability, it is necessary to take into account the magnitude of the radiation heat fluxes from the heater of the furnace and from its elements. The exact determination of these values in relation to a specific heating device is difficult, and the use of conditional averaged values obviously distorts the value of the emissivity, showing the level of the integral emissivity of a particular body with respect to the AFR, but not its exact numerical value.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении способа измерения интегральной излучательной способности твердого тела в широком диапазоне температур и повышении достоверности полученных результатов измерений за счет исключения влияния радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in simplifying the method of measuring the integral emissivity of a solid in a wide temperature range and increasing the reliability of the measurement results by eliminating the influence of radiation heat fluxes from the furnace heater and its elements.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры Т на его поверхности и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца, нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т, контролируемой пирометром, на поверхности исследуемого образца осуществляют прямым лазерным нагревом с отключением этого нагрева при достижении на поверхности исследуемого образца указанной температуры Т, а затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности по формуле:The specified technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the integral emissivity, which consists in fixing in a separate vacuum chamber of the investigated solid sample, heating the specified sample to a set temperature T on its surface and registering the radiant energy emitted from the surface of the test sample with a thermal detector, heating the investigated a solid sample to a set temperature T, controlled by a pyrometer, on the surface of the test sample carried out direct laser heating to turn off this heating when the specified temperature T reaches the surface of the test sample, and then cool the sample in a natural way by radiation heat loss while recording the cooling rate of the sample due to total radiation loss from its full surface to measure the cooling thermogram and calculating the integral emissivity according to the formula:
где: М, R, I - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(T) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.where: M, R, I is the mass of the cylindrical sample, its radius and thickness (for the case when the test sample is a cylinder); T, h (T) - temperature and specific enthalpy; σ, ε (T) is the Stefan Boltzmann constant and the integral degree of blackness.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т, нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т на его поверхности осуществляют прямым лазерным излучением, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/QАЧТ(T), где Q(T) и QАЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the integral emissivity, which consists in fixing the reference sample in the form of a completely black body and in a separate vacuum chamber of the investigated solid sample, heating the specified sample to the set temperature T of the surface of the solid sample and registering the radiant energy detector emitted from the surface of the test sample for comparison with a completely black body, the emissivity of which is known, when Nakova surface temperature T, heating of the test Solid sample to set temperature T at the surface is carried out by direct laser radiation, and the integral emissivity of the solid body of the test sample is defined as: ε (T) = Q ( T) / Q blackbody (T), wherein Q (T) and Q blackbody (T), respectively, specific fluxes of thermal radiation of the real surface and the black body (blackbody) at the same temperature T.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения интегральной излучательной способности, заключающемся в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании эталонного образца указанного образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т, нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т на его поверхности осуществляют прямым лазерным излучением, в качестве термоприемника лучистой энергии использован яркостный пирометр при известности на длине волны пирометра спектральной излучательной способности или спектропирометр, при этом используют зеркальный пирометр полного излучения, привязанный к абсолютной энергетической шкале через калиброванную модель эталонного образца, зеркальную систему зеркального пирометра полного излучения направляют на исследуемый образец и осуществляют регистрацию температуры Т на поверхности исследуемого образца, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как ε(T)=Q(T)/QAЧТ(T), где Q(T) и QАЧТ(Т) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the integral emissivity, which consists in fixing the reference sample in the form of a completely black body and in a separate vacuum chamber of the investigated solid sample, heating the reference sample of the specified sample to the set temperature T of the surface of the solid sample and registering with a thermal detector radiant energy emitted from the surface of the sample for comparison with a completely black body, emissivity which It is known, at the same surface temperature T, that the test sample of a solid body is heated to a set temperature T on its surface by direct laser radiation, a brightness pyrometer is used as a radiant energy detector when the spectral emissivity pyrometer is known or a spectropyrometer is used, using a mirror total radiation pyrometer attached to the absolute energy scale through a calibrated model of a reference sample, a mirror system Thread mirror pyrometer total radiation directed at the sample and carry out the registration of the temperature T at the sample surface, and the integral emissivity of the solid body of the test sample is defined as ε (T) = Q (T ) / Q ACHT (T), where Q (T) and Q AFT (T), respectively, specific fluxes of thermal radiation of a real surface and a completely black body (AFT) at the same temperature T.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The present invention is illustrated by the following drawings:
фиг. 1 - динамика изменения температуры в центре облучаемой поверхности;FIG. 1 - dynamics of temperature changes in the center of the irradiated surface;
фиг. 2 - истинная (1) и рассчитанная (2) зависимости интегральной излучательной способности от температуры;FIG. 2 - true (1) and calculated (2) dependences of the integrated emissivity on temperature;
фиг. 3 - схема измерений радиационным методом.FIG. 3 is a diagram of measurements by the radiation method.
Согласно настоящему изобретению рассматриваются новые способы измерения интегральной излучательной способности твердых тел с помощью прямого лазерного нагрева. В предлагаемом изобретении речь идет о применении радиационного и калориметрического методов как по отдельности, так и совместно. В основе лежит идея о применении лазерного нагрева исследуемого образца 1 (образец представляет собой тонкий цилиндр (D>>l)), что в отличие от нагрева в традиционной печи сопротивления исключает радиационные потоки тепла от нагревателя печи и от ее элементов, что создает паразитные засветки и искажает значение излучательной способности.According to the present invention, new methods for measuring the integral emissivity of solids using direct laser heating are contemplated. In the present invention we are talking about the use of radiation and calorimetric methods both individually and together. It is based on the idea of using laser heating of the test sample 1 (the sample is a thin cylinder (D >> l)), which, unlike heating in a traditional resistance furnace, eliminates radiation heat fluxes from the furnace heater and from its elements, which creates stray light and distorts the value of emissivity.
Большинство экспериментальных методов определения интегральной излучательной способности материалов сводится к созданию в экспериментальной установке стационарного состояния исследуемого образца с хорошо контролируемыми или надежно измеряемыми величинами полного энерговклада и всевозможных механизмов тепловых потерь с поверхности за исключением собственного излучения. Обычно используются образцы небольшого размера (термически тонкие), что обеспечивает практически однородное поле температуры по всему объему, включая излучающую поверхность. Тепловые потери за счет собственного излучения рассчитываются затем на основании уравнения суммарного энергетического баланса.Most experimental methods for determining the integral emissivity of materials boil down to creating a stationary state of the test sample in the experimental setup with well-controlled or reliably measured values of the total energy input and all kinds of mechanisms of heat loss from the surface, with the exception of intrinsic radiation. Typically, small samples (thermally thin) are used, which provides an almost uniform temperature field throughout the volume, including the radiating surface. Heat losses due to intrinsic radiation are then calculated based on the equation of total energy balance.
Согласно изобретению способ измерения интегральной излучательной способности по одному из вариантов измерений заключается в закреплении в отдельной вакуумной камере 2 исследуемого образца 1 твердого тела и нагревании указанного образца до установленной температуры Т на его поверхности. Затем проводят регистрацию термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца.According to the invention, a method for measuring the integral emissivity according to one of the measurement options consists in fixing a solid body in a
При этом нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т, контролируемой пирометром, на поверхности исследуемого образца осуществляют прямым лазерным нагревом 3 с отключением этого нагрева при достижении на поверхности исследуемого образца указанной температуры Т. Затем осуществляют охлаждение образца естественным образом за счет потерь тепла излучением с одновременной регистрацией темпа остывания образца, обусловленного суммарными радиационными потерями с его полной поверхности, для измерения термограммы охлаждения и вычисления интегральной излучательной способности по формуле:In this case, the test sample of a solid body is heated to a set temperature T, controlled by a pyrometer, on the surface of the test sample is carried out by
где М, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(Т) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.where M, R, l is the mass of the cylindrical sample, its radius and thickness (for the case when the test sample is a cylinder); T, h (T) - temperature and specific enthalpy; σ, ε (Т) is the Stefan Boltzmann constant and the integral degree of blackness.
Образец, закрепленный в трехточечном держателе, нагревается лазерным излучением до определенной температуры, температура контролируется пирометром 4. Далее происходит отключение лазера, и образец охлаждается только за счет потерь тепла излучением. Измерение происходит с использованием измеренной термограммы охлаждения. Такая процедура является вариантом калориметрического метода.The sample, mounted in a three-point holder, is heated by laser radiation to a certain temperature, the temperature is controlled by a
Сущность предлагаемого способа заключается в использовании для нагрева термически тонкого образца, помещенного в вакуумную камеру, лазерного излучения, позволяющего реализовать стационарное состояние с практически любой температурой, вплоть до температуры плавления. Затем лазерное излучение отключается и с помощью пирометра регистрируется темп остывания образца, обусловленного только суммарными радиационными потерями с его полной поверхности.The essence of the proposed method consists in the use of laser radiation for heating a thermally thin sample placed in a vacuum chamber, which makes it possible to realize a stationary state with almost any temperature, up to the melting temperature. Then, the laser radiation is turned off and the cooling rate of the sample is determined using a pyrometer, which is caused only by the total radiation loss from its full surface.
Уравнение полного энергетического баланса в этом случае имеет вид:The equation of the total energy balance in this case has the form:
где М, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина; Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(Т) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.where M, R, l is the mass of the cylindrical sample, its radius and thickness; T, h (T) - temperature and specific enthalpy; σ, ε (Т) is the Stefan Boltzmann constant and the integral degree of blackness.
Определив в эксперименте T(t) и dT/dt, можно для материалов с известной температурной зависимостью теплоемкости с(Т) рассчитать dh/dt=с(Т)·dT/dt как функцию Т и вычислитьHaving determined T (t) and dT / dt in the experiment, it is possible to calculate dh / dt = c (T) · dT / dt as a function of T for materials with a known temperature dependence of the specific heat c (T)
Несомненным достоинством данного способа является возможность определения зависимости ε(Т) в одном эксперименте в широком температурном диапазоне.The undoubted advantage of this method is the ability to determine the dependence ε (T) in one experiment in a wide temperature range.
Для иллюстрации возможностей предлагаемого метода было проведено его численное моделирование. Рассматривался молибденовый образец с геометрическими размерами R=0,25 см, l=0,1 см. Интегральная излучательная способность аппроксимировалась функцией ε(Т)=0,048+T/(0,012+T(0.19-T(0,12-0,023T))). На всей поверхности образца задавались условия радиационного охлаждения. Рассчитывалось нестационарное температурное поле в интервале времени от 0 до 5 мин. Получено, что неоднородность температурного поля на стадии остывания не превышает 2 К. На фиг. 1 показана динамика изменения температуры в центре облучаемой поверхности, а на фиг. 2 - заложенная в расчет зависимость интегральной излучательной способности от температуры и определенная по формуле (2) на основании численного дифференцирования рассчитанной зависимости T(t) (именно это является причиной небольших осцилляций в расчетной кривой).To illustrate the possibilities of the proposed method, its numerical simulation was carried out. A molybdenum sample with geometric dimensions R = 0.25 cm, l = 0.1 cm was considered. The integrated emissivity was approximated by the function ε (T) = 0.048 + T / (0.012 + T (0.19-T (0.12-0.023T) )). On the entire surface of the sample, radiation cooling conditions were specified. An unsteady temperature field was calculated in the time interval from 0 to 5 min. It was found that the inhomogeneity of the temperature field at the cooling stage does not exceed 2 K. In FIG. 1 shows the dynamics of temperature changes in the center of the irradiated surface, and in FIG. 2 - temperature dependence of the integrated emissivity incorporated in the calculation and determined by formula (2) based on the numerical differentiation of the calculated dependence T (t) (this is the reason for small oscillations in the calculation curve).
Приведенные результаты показывают, что погрешность определения интегральной излучательной способности по результатам «идеального» численного эксперимента не превышает 1%. Как показали расчеты, использование более массивных образцов не приводит к заметному увеличению погрешности. Так, например, при R=0,5 см, l=05 см максимальная погрешность также не превышает 1%, однако в последнем случае существенно возрастает время остывания образца (10 мин до температуры 600 К).The above results show that the error in determining the integral emissivity from the results of an “ideal” numerical experiment does not exceed 1%. As calculations showed, the use of more massive samples does not lead to a noticeable increase in the error. So, for example, at R = 0.5 cm, l = 05 cm, the maximum error also does not exceed 1%, however, in the latter case, the cooling time of the sample increases significantly (10 min to a temperature of 600 K).
Способ измерения интегральной излучательной способности по второму примеру измерения заключается в закреплении эталонного образца в виде абсолютно черного тела и в отдельной вакуумной камере исследуемого образца твердого тела и нагревании указанного образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с абсолютно черным телом, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т. Так же как и для первого примера, нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т на его поверхности осуществляют прямым лазерным излучением, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как ε(T)=Q(T)/QАЧТ(T), где Q(T) и QАЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.The method of measuring the integral emissivity according to the second measurement example consists in fixing the reference sample in the form of a completely black body and in a separate vacuum chamber of the solid sample under study and heating the specified sample to the set temperature T of the surface of the solid sample and detecting the radiant energy emitted from the surface of the sample by the thermal detector sample for comparison with a completely black body, the emissivity of which is known, at the same surface temperature T. as well as for the first example, heating the test sample of a solid to a set temperature T on its surface is carried out by direct laser radiation, and the integral emissivity of the test sample of a solid is defined as ε (T) = Q (T) / Q ABT (T), where Q (T) and Q blackbody (T), respectively, specific fluxes of thermal radiation of a real surface and a black body (blackbody) at the same temperature T.
Способ измерения интегральной излучательной способности по третьему примеру измерения заключается в закреплении эталонного образца в виде АЧТ и в отдельной вакуумной камере 2 исследуемого образца твердого тела и нагревании эталонного образца указанного образца до установленной температуры Т поверхности образца твердого тела. Затем проводят регистрацию термоприемником 4 лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца для сравнения с АЧТ, коэффициент излучения которого известен, при одинаковой температуре поверхности Т.The method for measuring the integral emissivity according to the third measurement example consists in fixing the reference sample in the form of blackbody and in a
Нагревание исследуемого образца твердого тела до установленной температуры Т на его поверхности осуществляют прямым лазерным излучением. В качестве термоприемника лучистой энергии используется яркостный пирометр при известности на длине волны пирометра спектральной излучательной способности или спектропирометр.The test sample of a solid body is heated to a set temperature T on its surface by direct laser radiation. As a radiant energy detector, a luminance pyrometer is used when the spectral emissivity pyrometer or spectropyrometer is known at the wavelength of the pyrometer.
А отдельный приемник излучения, исполненный в виде зеркального пирометра полного излучения, привязан к абсолютной энергетической шкале через калиброванную модель АЧТ. При этом зеркальную систему зеркального пирометра полного излучения направляют на исследуемый образец и осуществляют регистрацию температуры Т на поверхности исследуемого образца, а интегральная излучательная способность исследуемого образца твердого тела определяется как: ε(T)=Q(T)/QAЧТ(T), где Q(T) и QAЧТ(T) соответственно удельные потоки теплового излучения реальной поверхности и абсолютно черного тела (АЧТ) при одинаковой температуре Т.A separate radiation receiver, made in the form of a mirror pyrometer of total radiation, is tied to the absolute energy scale through a calibrated blackbody model. When this mirror system mirror pyrometer total radiation directed at the sample and carry out the registration of the temperature T at the sample surface, and the integral emissivity of the solid body of the test sample is defined as: ε (T) = Q ( T) / Q ACHT (T), wherein Q (T) and Q AHT (T), respectively, specific fluxes of thermal radiation of a real surface and a black body (AHT) at the same temperature T.
Схема нагрева та же самая, что и в ранее рассмотренных примерах, но после лазерного нагрева до определенной температуры Т поток теплового излучения с измеряемой поверхности измеряется с помощью детектора полного излучения (например, болометра). Излучение с определенного участка поверхности направляется на приемник излучения с помощью зеркальной оптики. Пример такой схемы измерения показан на фиг. 3. Приемник излучения с оптической системой сделан в виде отдельного блока и калибруется по радиационной энергии с помощью модели АЧТ. Такое устройство иногда называется пирометром полного излучения. Абсолютная температура образца (как и для первого примера) определяется с помощью или монохроматического пирометра с использованием известной спектральной излучательной способности или с помощью спектропирометра.The heating circuit is the same as in the previously considered examples, but after laser heating to a certain temperature T, the flux of thermal radiation from the measured surface is measured using a full radiation detector (for example, a bolometer). Radiation from a specific surface area is directed to the radiation receiver using mirror optics. An example of such a measurement circuit is shown in FIG. 3. The radiation receiver with the optical system is made in the form of a separate unit and calibrated by radiation energy using the blackbody model. Such a device is sometimes called a total radiation pyrometer. The absolute temperature of the sample (as for the first example) is determined using either a monochromatic pyrometer using a known spectral emissivity or using a spectropyrometer.
Разъяснения по фиг. 3 - схеме осуществления радиационного методаThe explanation of FIG. 3 - diagram of the implementation of the radiation method
Здесь образец 1 нагревается лазерным излучением 3 до определенной температуры. Температура образца определяется зеркальным пирометром (поз. 4). Полный поток излучения, необходимый для измерения интегральной излучательной способности, определяется радиометром полного излучения, представляющего из себя зеркальный объектив с неселективным приемником излучения 5, который наводится на выбранную площадку образца с помощью визирного устройства 6 так, чтобы точка измерения температуры на образце и визирования радиометра совпадали. Радиометр при этом калибруется в абсолютных энергетических единицах с использованием отдельной калиброванной, модели черного тела.Here,
Для привязки пирометра полного излучения к абсолютной энергетической шкале используется калиброванная модель черного тела. При этом калибровка проводится через оптическое окно, установленное в камере. Это окно изготавливается из материала, имеющего достаточно «плоскую», в широком спектральном диапазоне, кривую прозрачности (это, например, ZnSe, BaF2). Выбор материала окна зависит от температурного диапазона измерений: чем ниже температура тем дальше, в сторону ИК области, должен простираться диапазон прозрачности стекла. В случае если калибровка радиационного пирометра будет проводится в единицах Кельвина, то интегральная излучательная способность определяется как ε(T)=(Трад/Тист)4, где Трад - температура, измеренная зеркальным радиационнам пирометром, а Тист - истинная температура образца.A calibrated blackbody model is used to link the total radiation pyrometer to the absolute energy scale. In this case, calibration is carried out through an optical window installed in the camera. This window is made of a material that has a fairly “flat”, in a wide spectral range, transparency curve (for example, ZnSe, BaF 2 ). The choice of window material depends on the temperature range of measurements: the lower the temperature, the farther, towards the IR region, the transparency range of the glass should extend. If the calibration of the radiation pyrometer will be carried out in Kelvin units, then the integral emissivity is determined as ε (T) = (T rad / T East ) 4 , where T rad is the temperature measured by the mirror radiation pyrometer, and T East is the true temperature of the sample .
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, по сути, реализует известные алгоритмические схемы проведения испытаний. Но внесение изменений в эти схемы, заключающиеся в применении прямого лазерного нагрева исследуемого образца, позволяет получить расширенные возможности, которые не могли быть доступны в ранее апробированных способах. Первое преимущество заключается в том, что при прямом лазерном нагреве исследуемого образца исследователи уходят от необходимости учета в расчетах величин радиационных потоков тепла от нагревателя печи и от ее элементов. В связи с этим резко повышается достоверность конечных результатов измерений до величин 1% погрешности. Второе преимущество заключается в том, что применение прямого лазерного нагрева при контроле температуры нагрева пирометром позволяет не только проводить испытания при любой выбранной температуре, но и определять зависимости ε(T) в одном эксперименте в широком температурном диапазоне. Это позволяет в отношении конкретного твердого материала проводить испытания по динамике его поведения при разных температурах и прогнозировать поведение материала по его отражательной способности.The present invention is industrially applicable, since, in fact, it implements known algorithmic test schemes. But making changes to these schemes, which include the use of direct laser heating of the test sample, allows you to get advanced features that could not be available in previously tested methods. The first advantage is that with direct laser heating of the test sample, researchers evade the need to take into account the values of radiation heat fluxes from the furnace heater and its elements in the calculations. In this regard, the reliability of the final measurement results sharply increases to 1% error. The second advantage is that the use of direct laser heating to control the heating temperature with a pyrometer allows not only testing at any selected temperature, but also determining the ε (T) dependences in one experiment over a wide temperature range. This allows for a specific solid material to test the dynamics of its behavior at different temperatures and to predict the behavior of the material by its reflectivity.
Claims (3)
где М, R, l - масса цилиндрического образца, его радиус и толщина (для случая, когда исследуемый образец представляет собой цилиндр); Т, h(T) - температура и удельная энтальпия; σ, ε(T) - постоянная Стефана Больцмана и интегральная степень черноты.1. The method of measuring the integral emissivity, which consists in fixing in a separate vacuum chamber of the investigated solid sample, heating the specified sample to a temperature T on its surface and registering the radiant energy emitted from the surface of the test sample with a thermal detector, characterized in that the heating of the solid to a temperature T on the surface of the test sample is carried out by direct laser heating with the shutdown of this heating when the surface reaches an investigated sample of the indicated temperature T, and then the sample is naturally cooled by radiation loss with simultaneous recording of the cooling rate of the sample due to the total radiation loss from its full surface to measure the cooling thermogram and calculate the integral emissivity according to the formula:
where M, R, l is the mass of the cylindrical sample, its radius and thickness (for the case when the test sample is a cylinder); T, h (T) - temperature and specific enthalpy; σ, ε (T) is the Stefan Boltzmann constant and the integral degree of blackness.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015106950/28A RU2597937C1 (en) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015106950/28A RU2597937C1 (en) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2597937C1 true RU2597937C1 (en) | 2016-09-20 |
Family
ID=56937927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015106950/28A RU2597937C1 (en) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2597937C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115452883A (en) * | 2022-08-15 | 2022-12-09 | 东南大学 | Universal characterization method for radiation refrigeration material |
| RU2807433C1 (en) * | 2023-04-14 | 2023-11-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using thermal imagers |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61175534A (en) * | 1985-01-31 | 1986-08-07 | Yokogawa Electric Corp | Emissivity measuring apparatus |
| JP2008145344A (en) * | 2006-12-12 | 2008-06-26 | Shinko:Kk | Method of evaluating fine metal bonding portion |
| RU2468360C1 (en) * | 2011-07-27 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Method to measure integral coefficient of heat-shielding materials surface radiation |
| RU2521131C2 (en) * | 2012-01-11 | 2014-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Method and device for emissivity factor measurement |
-
2015
- 2015-02-27 RU RU2015106950/28A patent/RU2597937C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61175534A (en) * | 1985-01-31 | 1986-08-07 | Yokogawa Electric Corp | Emissivity measuring apparatus |
| JP2008145344A (en) * | 2006-12-12 | 2008-06-26 | Shinko:Kk | Method of evaluating fine metal bonding portion |
| RU2468360C1 (en) * | 2011-07-27 | 2012-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Method to measure integral coefficient of heat-shielding materials surface radiation |
| RU2521131C2 (en) * | 2012-01-11 | 2014-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского | Method and device for emissivity factor measurement |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ВИННИКОВА А.Н. и др. Методика измерений и экспериментальная установка для определения интегральной нормальной излучательной способности конструкционных материалов в интервале температур от 1200 до 3000К, ТВТ, 1969, т7, вып.1, с.121-126. * |
| ТУРАЕВА У.Ф. и др. Определение излучательной способности стационарным методом. Молодой ученый, N7(54), 2013, С.83-86. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115452883A (en) * | 2022-08-15 | 2022-12-09 | 东南大学 | Universal characterization method for radiation refrigeration material |
| RU2807433C1 (en) * | 2023-04-14 | 2023-11-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using thermal imagers |
| RU2807398C1 (en) * | 2023-04-14 | 2023-11-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using pyrometers |
| RU2811326C1 (en) * | 2023-10-15 | 2024-01-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using heat flow sensors |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | An improved algorithm for spectral emissivity measurements at low temperatures based on the multi-temperature calibration method | |
| RU2523775C2 (en) | Method and system for correction on basis of quantum theory to increase accuracy of radiation thermometer | |
| Hay et al. | New facilities for the measurements of high-temperature thermophysical properties at LNE | |
| Vuelban et al. | Radiometric techniques for emissivity and temperature measurements for industrial applications | |
| RU2617725C1 (en) | Method for determining emissivity of hard materials and device for its implementation | |
| Grgić et al. | Analysis of thermal imagers | |
| US20160349113A1 (en) | Characterization of absolute spectral radiance of an unknown ir source | |
| Che et al. | Development of ReFaST pyrometer for measuring surface temperature with unknown emissivity: methodology, implementation, and validation | |
| He et al. | Analysis of multi-factor on measurement improvement of an infrared imager in low-temperature environments | |
| Barry et al. | Self-calibrating infrared thermometer for low-temperature measurement | |
| RU2597937C1 (en) | Method of measuring integral radiating ability by direct laser heating (options) | |
| RU2607671C1 (en) | Method of integral radiating ability measuring using micro furnace (versions) | |
| Hartmann et al. | Absolute radiometry for the MeP-K: the irradiance measurement method | |
| Woolliams et al. | Primary radiometry for the mise-en-pratique for the definition of the kelvin: the hybrid method | |
| Yoon et al. | Thermodynamic radiation thermometry using radiometers calibrated for radiance responsivity | |
| Pušnik et al. | Calculated uncertainty of temperature due to the size-of-source effect in commercial radiation thermometers | |
| WO2003087885A2 (en) | Apparatus and method for true temperature estimation | |
| RU2737606C1 (en) | Method of measuring brightness temperature and pyrometric converter for implementation thereof | |
| Ishii et al. | Low‐Temperature Infrared Radiation Thermometry at NMIJ | |
| Hao et al. | Study on the infrared lens-free irradiation thermometer based on InGaAs detector at NIM | |
| Keawprasert et al. | Pilot comparison of radiance temperature scale realization between NIMT and NMIJ | |
| Hanssen et al. | Comparison of direct and indirect methods of spectral infrared emittance measurement | |
| CN114034398B (en) | Component infrared radiation intensity system and measuring method | |
| Zhou et al. | Traceable dynamic calibration for high temperature sensors using CO2 laser | |
| Chen et al. | An in situ online methodology for emissivity measurement between 100° C and 500° C utilizing infrared sensor |