RU2809939C1 - Method for determining reduced cooled mass of ir receivers and their thermal models - Google Patents
Method for determining reduced cooled mass of ir receivers and their thermal models Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809939C1 RU2809939C1 RU2023117289A RU2023117289A RU2809939C1 RU 2809939 C1 RU2809939 C1 RU 2809939C1 RU 2023117289 A RU2023117289 A RU 2023117289A RU 2023117289 A RU2023117289 A RU 2023117289A RU 2809939 C1 RU2809939 C1 RU 2809939C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- well
- cooled mass
- photodetectors
- measuring
- reduced
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 19
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 238000004969 ion scattering spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике измерения приведенной охлаждаемой массы приемников инфракрасного излучения и их тепловых моделей.The invention relates to a method of thermophysical measurements, namely to a method for measuring the reduced cooled mass of infrared radiation receivers and their thermal models.
При работе с охлаждаемыми ИК-фотоприемниками (ФП) необходимо знать его основные параметры, а именно, теплоприток из окружающей среды к криостату ФП и приведенную охлаждаемую массу ФП. Эти параметры используют для подбора соответствующей микрокриогенной системы (МКС), которая должна охлаждать фоточувствительный элемент (ФЧЭ) приемника до заданных температур. Теплоприток к криостату ФП является тепловой нагрузкой для МКС, поэтому определяет ее требуемую холодопроизводительность, а приведенная охлаждаемая масса ФП определяет время выхода ФП на рабочий режим.When working with cooled IR photodetectors (PDs), it is necessary to know its main parameters, namely, the heat flow from the environment to the PD cryostat and the reduced cooled mass of the PD. These parameters are used to select the appropriate microcryogenic system (MCS), which should cool the photosensitive element (PSE) of the receiver to specified temperatures. The heat flow to the FP cryostat is the thermal load for the ISS, and therefore determines its required cooling capacity, and the reduced cooled mass of the FP determines the time for the FP to reach operating mode.
Приведенная охлаждаемая масса ФП характеризует количество теплоты, которое необходимо отвести от ФП при его переводе из состояния равновесия с окружающей средой (например, при нормальных климатических условиях) в состояние, соответствующее рабочему режиму ФЧЭ приемника при криогенных температурах.The reduced cooled mass of the FP characterizes the amount of heat that must be removed from the FP when it is transferred from a state of equilibrium with the environment (for example, under normal climatic conditions) to a state corresponding to the operating mode of the PSE receiver at cryogenic temperatures.
Поскольку конструктивно ФП состоит из деталей и узлов, выполненных из различных материалов, то принято приведенную массу ФП выражать в эквиваленте. Этот эквивалент численно равен такой массе меди, для охлаждения которой от температуры окружающей среды до рабочей температуры ФП (температуры криостатирования) требуется отвести столько же теплоты Q0TB, сколько от ФП при его захолаживании до той же температуры (МРОМ-110-89).Since the FP structurally consists of parts and assemblies made of various materials, it is customary to express the reduced mass of the FP in equivalent. This equivalent is numerically equal to such a mass of copper, for cooling which from the ambient temperature to the operating temperature of the FP (cryostatic temperature), it is necessary to remove the same amount of heat Q 0TB as from the FP when it is cooled to the same temperature (MROM-110-89).
Приведенная охлаждаемая масса ФП определяется расчетным путем в соответствии с указаниями документа МРОМ-110-89. Точность расчетов при этом невысока, причиной этого является приближенность основных допущений, заложенных в методике. Помимо этого, при изготовлении конструкции элементов и узлов ФП часто используются материалы-заменители, теплофизические свойства которых либо не изучены, либо отличаются от свойств материалов, указанных в проектной документации. Таким образом, основной проблемой данной методики является приближенное определение количества теплоты, отводимого от элементов ФП при его охлаждении, основанное на использовании справочных данных по материалам.The reduced cooled mass of the FP is determined by calculation in accordance with the instructions of document MPOM-110-89. The accuracy of the calculations is low, the reason for this is the approximation of the main assumptions embedded in the methodology. In addition, in the manufacture of the structure of FP elements and assemblies, substitute materials are often used, the thermophysical properties of which are either not studied or differ from the properties of the materials specified in the design documentation. Thus, the main problem of this technique is the approximate determination of the amount of heat removed from the FP elements during its cooling, based on the use of reference data on materials.
Вопрос определения количества теплоты, отводимого от элементов ФП, решается путем измерения теплопритоков к ФП от окружающей среды. Известен способ измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата ФП, процесс контроля температуры донышка колодца и расчет теплопритока к криостату ФП по расходу испарившегося азота (патент на изобретение RU №2791432, МПК G01K 17/00, G01F 5/00). Недостатком известного способа является невозможность непосредственного измерения приведенной охлаждаемой массы ФП.The issue of determining the amount of heat removed from the FP elements is solved by measuring the heat flow to the FP from the environment. There is a known method for measuring the heat flow of IR photodetectors, which includes the process of measuring the flow rate of liquid nitrogen evaporating from the well of the FP cryostat, the process of monitoring the temperature of the bottom of the well and calculating the heat flow to the FP cryostat based on the flow rate of evaporated nitrogen (invention patent RU No. 2791432, IPC G01K 17/ 00, G01F 5/00). The disadvantage of this known method is the impossibility of directly measuring the reduced cooled mass of the FP.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка способа определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых модулей, техническим результатом которого является повышение точности определения охлаждаемой массы путем непосредственного ее измерения.The problem solved by the proposed invention is the development of a method for determining the reduced cooled mass of IR receivers and their thermal modules, the technical result of which is to increase the accuracy of determining the cooled mass by directly measuring it.
Предлагаемый способ включает в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры донышка колодца, расчет теплопритока по расходу испарившегося азота, отличающийся тем, что определяют изменение теплопритока к ФП из окружающей среды и изменение температуры донышка колодца держателя ФП для двух последующих измерений, а также время между измерениями, после чего рассчитывают величину приведенной охлаждаемой массы ФП.The proposed method includes the process of measuring the flow rate of liquid nitrogen evaporating from the well of the cryostat of the receiver, the process of measuring the temperature of the bottom of the well, calculating the heat flow from the flow rate of evaporated nitrogen, characterized in that they determine the change in heat flow to the FP from the environment and the change in the temperature of the bottom of the well of the FP holder for two subsequent measurements, as well as the time between measurements, after which the value of the reduced cooled mass of the FP is calculated.
Суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. Как известно, количество тепла ΔQ, полученное (отданное) телом массы М при увеличении (уменьшении) его температуры на ΔT, равно (см., например, Справочник по элементарной физике. М., «Наука», 1976, с. 60, уравнение 2.1):The essence of the proposed invention is as follows. As is known, the amount of heat ΔQ received (given) by a body of mass M with an increase (decrease) in its temperature by ΔT is equal to (see, for example, Handbook of Elementary Physics. M., “Nauka”, 1976, p. 60, equation 2.1):
гдеWhere
ΔQ - количество тепла, Дж;ΔQ - amount of heat, J;
С - удельная теплоемкость материала тела, Дж/кг⋅К;C is the specific heat capacity of the body material, J/kg⋅K;
М - масса тела, кг;M - body weight, kg;
ΔT - изменение температуры тела, К.ΔT - change in body temperature, K.
Преобразуя уравнение (1), получим зависимость для определения массы тела М:Transforming equation (1), we obtain the dependence for determining body mass M:
Используя уравнение (2), можно определить приведенную охлаждаемую массу приемника Мпр, если измерить количество тепла ΔQпр, отведенное от ФП при его захолаживании, и соответствующее изменение его температуры ΔТпр:Using equation (2), it is possible to determine the reduced cooled mass of the receiver M pr by measuring the amount of heat ΔQ pr removed from the FP during its cooling and the corresponding change in its temperature ΔT pr :
Количество тепла ΔQпр можно определить, используя результаты измерений теплопритоков к ФП:The amount of heat ΔQ pr can be determined using the results of measurements of heat inflows to the FP:
гдеWhere
- изменение величины теплопритока к ФП из окружающей среды за время охлаждения его от τi до τi+1, Вт; - change in the amount of heat flow to the FP from the environment during its cooling from τ i to τ i+1 , W;
- измеренные теплопритоки в моменты времени τi и τi+1, Вт; - measured heat inflows at times τ i and τ i+1 , W;
- время между двумя измерениями, с; - time between two measurements, s;
- изменение температуры донышка колодца за время измерения от τi до τi+1, К; - change in the temperature of the bottom of the well during the measurement time from τ i to τ i+1 , K;
Спр - средняя удельная теплоемкость, приведенная к эквиваленту меди (Таблица 2 МРОМ-110-89 регламентирует величину Спр=360 Дж/кг⋅К).C pr - average specific heat capacity reduced to the equivalent of copper (Table 2 MPOM-110-89 regulates the value of C pr = 360 J/kg⋅K).
Отсюда уравнение (3) можно привести к видуFrom here equation (3) can be reduced to the form
Измерение приведенной охлаждаемой массы ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом. Заливают жидкий азот в колодец криостата ФП, после чего на участке стабилизированного испарения для любого момента времени τi определяют теплоприток qi. по измеренному объемному расходу испарившегося азота в соответствии, например, с методикой патента на изобретение RU №2791432. Одновременно для каждого τi измеряют показания термодатчика, установленного на дне колодца криостата. Затем определяют изменение величины теплопритока Δq к ФП из окружающей среды за время охлаждения его от τi до τi+1, определяют время Δτ и изменение температуры донышка колодца ΔТпр за время между двумя измерениями. Полученные в результате измерений значения Δq, ΔТпр и Δτ подставляют в уравнение (4) и определяют приведенную охлаждаемую массу приемника Мпр.The measurement of the reduced cooled mass of the IR photodetector is carried out as follows. Liquid nitrogen is poured into the well of the FP cryostat, after which the heat influx q i is determined in the stabilized evaporation section for any moment of time τ i . according to the measured volumetric flow rate of evaporated nitrogen in accordance, for example, with the methodology of the invention patent RU No. 2791432. At the same time, for each τ i, the readings of a temperature sensor installed at the bottom of the cryostat well are measured. Then the change in the amount of heat inflow Δq to the FP from the environment is determined during its cooling from τ i to τ i+1 , the time Δτ and the change in the temperature of the bottom of the well ΔT pr during the time between two measurements are determined. The values Δq, ΔT pr and Δτ obtained as a result of measurements are substituted into equation (4) and the reduced cooled mass of the receiver M pr is determined.
В качестве примера покажем, как экспериментально определяется и в дальнейшем используется величина приведенной охлаждаемой массы приемника. Пусть для двух последних измерений перед полным выкипанием жидкого азота в колодце ФП получены следующие значения: Δτ=10 с, ΔТпр=0,4 К, Δq=0,326 - 0,254=0,072 Вт. Тогда из уравнения (4) получим:As an example, we will show how the value of the reduced cooled mass of the receiver is experimentally determined and subsequently used. Let the following values be obtained for the last two measurements before the complete boiling away of liquid nitrogen in the FP well: Δτ = 10 s, ΔT pr = 0.4 K, Δq = 0.326 - 0.254 = 0.072 W. Then from equation (4) we get:
Полученное значение приведенной охлаждаемой массы приемника в медном эквиваленте Мпр=5,4 г используем для выбора соответствующей по параметрам МКС, например, производства АО «НТК «Криогенная техника» (МСМГ) или фирмы «RICOR» (К508 и К548) (таблица 1).The obtained value of the reduced cooled mass of the receiver in copper equivalent M pr = 5.4 g is used to select the appropriate ISS parameters, for example, produced by JSC NTK Cryogenic Technology (MSMG) or the company RICOR (K508 and K548) (Table 1 ).
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что для ФП с приведенной охлаждаемой массой, равной 5,4 г, подходят следующие МКС:Analysis of the data presented in the table shows that the following ISSs are suitable for the FP with a reduced cooled mass of 5.4 g:
- МСМГ-5А-1,3/80 и МСМГ-3В-1/80 разработки АО «НТК «Криогенная техника»;- MSMG-5A-1.3/80 and MSMG-3V-1/80 developed by JSC NTK Cryogenic Technology;
- К548 разработки фирмы «RICOR».- K548 developed by RICOR.
Таким образом, измеренная величина приведенной охлаждаемой массы ФП с помощью предлагаемого способа является реальной величиной, которая может использоваться для уточнения расчетов, выполненных по МРОМ-110-89, и позволяет подобрать для ФП (даже при отсутствии у пользователя конструкторской документации на него) соответствующую по параметрам МКС.Thus, the measured value of the reduced cooled mass of the FP using the proposed method is a real value that can be used to clarify the calculations performed according to MPOM-110-89, and allows you to select for the FP (even if the user does not have design documentation for it) the appropriate ISS parameters.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2809939C1 true RU2809939C1 (en) | 2023-12-19 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1076777A1 (en) * | 1982-04-21 | 1984-02-29 | Предприятие П/Я Г-4371 | Heat flux measuring method |
| RU2332647C1 (en) * | 2007-01-19 | 2008-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Method of heat leakage measurement in cooled ir-photodetectors |
| RU2791432C1 (en) * | 2022-07-18 | 2023-03-07 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Method for measuring heat gains of cooled ir receivers |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1076777A1 (en) * | 1982-04-21 | 1984-02-29 | Предприятие П/Я Г-4371 | Heat flux measuring method |
| RU2332647C1 (en) * | 2007-01-19 | 2008-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Method of heat leakage measurement in cooled ir-photodetectors |
| RU2791432C1 (en) * | 2022-07-18 | 2023-03-07 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Method for measuring heat gains of cooled ir receivers |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КАРПОВ В.В., КОЗЫРЕВ М.Е и др. "СИСТЕМЫ КРИОСТАТИРОВАНИЯ ДЛЯ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ", XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ И ШКОЛА ПО ФОТОЭЛЕКТРОНИКЕ И ПРИБОРАМ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ. Труды конференции. В 2-х томах. Том 1. 2018, с.63-66. Руководящий технический материал РТМ 3-1033-77: Приемники излучения криостатные. Метод определения теплопритоков на уровне 77 К, введен 01.01.1978. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Castellón et al. | Determination of the enthalpy of PCM as a function of temperature using a heat‐flux DSC—A study of different measurement procedures and their accuracy | |
| Hocken et al. | Ising critical exponents in real fluids: an experiment | |
| Scanlon et al. | 3.2. 4 Miscellaneous methods for measuring matric or water potential | |
| Horst et al. | Attenuation of scalar fluxes measured with spatially-displaced sensors | |
| Peterson et al. | Diffusion layer theory for turbulent vapor condensation with noncondensable gases | |
| Bäuerle | Temperature scale and heat capacity of superfluid 3 He− B in the 100 μ K range | |
| Christensen et al. | An isothermal titration calorimeter | |
| RU2334961C1 (en) | Bomb calorimeter for determination of fuel heating power (versions) | |
| Delcroix et al. | Influence of experimental conditions on measured thermal properties used to model phase change materials | |
| CN109580033A (en) | A kind of concrete dam distributed optical fiber temperature measurement data error compensation method | |
| Kim et al. | Hadley cell dynamics in a primitive equation model. Part I: Axisymmetric flow | |
| RU2809939C1 (en) | Method for determining reduced cooled mass of ir receivers and their thermal models | |
| Hämeri et al. | Homogeneous nucleation in a laminar flow diffusion chamber: The operation principles and possibilities for quantitative rate measurements | |
| US20150226617A1 (en) | Using in-process heat flow and developing transferable protocols for the monitoring, control and characerization of a freeze drying process | |
| Hao et al. | Experimental research on the temperature characterization of a miniature phase change cells in the blackbody for the on-orbit radiometric calibration of thermal infrared sensors | |
| Min et al. | Retrieving latent heating vertical structure from cloud and precipitation profiles—Part I: Warm rain processes | |
| RU2551386C2 (en) | Method of determination of actual volume steam content and velocities of wet steam flow in steam line downstream assembly for overheated steam and water mixing | |
| Kayukawa et al. | Absolute density measurements for standard sea-water by hydrostatic weighing of silicon sinker | |
| RU2791432C1 (en) | Method for measuring heat gains of cooled ir receivers | |
| Taylor et al. | Heat capacity and specific heat | |
| Sebedash et al. | Osmotic pressure of 3He-4He solutions at 25.3 bar and low temperatures | |
| RU2332647C1 (en) | Method of heat leakage measurement in cooled ir-photodetectors | |
| Waseda et al. | Density comparison measurement of silicon by pressure of flotation method | |
| RU2330250C1 (en) | Temperature detection method | |
| Newsome Jr et al. | Relaxation calorimetry technique for measuring low temperature specific heat |