Способ измерения интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных материалов при заданной температуре
Использование: в области фотометрии сред. Сущность способа: заключается в проведении серии измерений энергетических яркостей (ЭЯ) измеряемого плоского образца при одновременном полусферическом облучении обеих его сторон черными телами при одной температуре, а затем черными телами при двух неодинаковых температурах с последующей заменой положений этих черных тел, а также измерений ЭЯ используемых черных тел при трех температурах. По результатам измерений ЭЯ, проведенных в пяти комбинациях положений черных тел относительно образца , и измерений ЭЯ и трех температур черных тел вычисляют интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отражения образца и температурные градиенты этих коэффициентов. 2 ил. (Л с
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (st)s G 01 J 5/50
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21,) 4832943/25 (22) 31.05,90 (46) 23.06,92. Бюл, М 23 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) Г.К. Холопов (53) 536.35(088.8) (56) StierwaIt ОЛ . Infrared spectral emittance
measurements of орбса! materials. — Applied
0ptics; 1966. v, 5, М 12, рр, .911 — 1915.
Авторское свидетельство СССР
N 1408246, кл, G 01 J 5/50, 1986. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ П РИ 3АДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Изобретение относится к фотометрии сред и может быть использовано при оценке оптических и радиационных свойств материалов.
Известны способы и устройства для измерений коэффициентов пропускания t, отражения р и излучения е (или поглощения
a) полупрозрачных светорассеивающих материалов при нормальных или близких к нормальным температурам. Так, при измерениях по известному способу в изотермическую камеру с непрозрачными стенками, имитирующую черное тело при температуре камеры Т1, помещают плоский образец исследуемого материала, термостабилизироВаННЫй ПРИ ЕГО ЗаДаННОй тЕ1»:1ЕРатУРЕ
Т2 Т1, измеряют с помощью фотоприем«;!Ы 1742636 А1 (57) Использование; в области фотометрии сред. Сущность способа: заключается в проведении серии измерений энергетических яркостей (ЗЯ) измеряемого плоского образца при одновременном полусферическом облучении обеих его сторон черными телами при одной температуре, а затем черными телами при двух неодинаковых температурах с последующей заменой положений этих черных тел, а также измерений ЗЯ используемых черных тел при трех температурах, По результатам измерений ЗЯ, проведенных в пяти комбинациях положений черных тел относительно образца, и измерений ЭЯ и трех температур черных тел вычисляют интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отра. жения образца и температурные градиенты этих коэффициентов. 2 ил, ной системы (ФПС) энергетическую яркость (ЗЯ) стенок камеры L1, и установленного в ней образца L11, вводят между стенкой камеры и образцом черное тело с темпе- ; О р ратурай, равной температуре образца Т2 и м измеряют ЭЯ образца L12 на фоне этого чео- . (, ! ного тела, затем выводят образец из псля зрения трПС и измеряют Эя черноготела 1г, );» а коэффициент излучения и сумму коэффициентов пропускания и излучения определяюг по формулам
Š=- (111 — L1)/(L2 — L1); (1)
t. + Я = (L12-L1)/(L2 — 1 1) (2)
Недостатком этого способа является техническая сложность достижения равномерного прогрева (или охлаждения) образцов и установления их температуры, равной
1742636 г — L1
3L1 е (Л 71) = е (Л 72) = е (Л).
55 температуре черного тела, что, как правило, приводит к заметным погрешностям измерений и (или) требует существенного усложнения измерительного устройства. Другим недостатком является применимость способа только для выполнения спектральных измерений и невозможность или большие методические погрешности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения, спектрально селективных материалов, связанные с тем, что величины названных интегральных коэффициентов для спектров излучения L(A Т) черных тел при разнь1х температурах 71 и Т2 в общем случае различны. Например, для интегральных коэффициентов излучения имеем я (Т;) =- „Г е (ЛТ1) 1 (Л; Т1) d Л аrf
ОО
=e(T2)= ) е(Л72) 3 () g) оЛ, (3)
О 71 о где е(Л 71) и e ().т2) — спектральные коэффициенты излучения образца при температурах Т1и Т2; (Л71) и (Л72) — спектральные плотности ЭЯ черных тел при температурах Т1 и Т2, определяемые функциями Планка при этих температурах;
Л вЂ” длина волны; о — постоянная Стефана-Больцмана.
Неравенство е (Т1) e (T2) остается в силе даже в случаях малых разностей температур (IT1 — T2 «71), когда в их узких диапазонах практически имеют место равенства
Это следует из различного спектрального хода функций L(A, Т)/ т" при неодинаKoBblx температурах Т1 и 72 (с ростом температур их максимумы смещаются в сторону коротких длин волн). И только в случае e (il) = const (для неселективных материалов) справедливо равенство е (T1) = e (T2). Аналогично (3) имеем также
< (Т 1) < Г (Т2) и р (Т1) < p (Т2).
Неучет этого результата при выполнении интегральных измерений известным способом приводит к методическим погрешностям, Например, для определяемой по (1) интегральной величины е, учитывая, что согласно закону сохранения энергии и всоответствии с законом Кирхгофа,,устанавливающим численное равенство
a(T1) = e (Т1), справедливо соотношение
40 е(Т1) + г(Т1) + р(Т1) = 1, (4) имеем
Е Т2 -2 + (r Т1 + P Т1 ) -1 1-1
L2 — L1 (5)
Из (5) при е (T2) Ае (Т1) получаем, что е Ф е (Т1) и e е (72). Более того, анализ (5) показывает, что определяемые таким образом величины а не попадают в интервал значений между e(T1) и е (T2), если величины e(T) имеют монотонную зависимость от температуры, Аналогичный неопределенный результат имеет место и для двух других интегральных коэффициентов.
Известен способ измерений в котором коэффициенты излучения, пропускания и отражения полупрозрачных плоских образцов материалов определяют по результатам фотометрирования ЗЯ при последовательной смсне условий полусферического облучения обеих их сторон, производимого черными телами при трех температурах с обеспечением условия постоянства температуры образца; помещают образец в замкнутую изометрическую камеру и обе его стороны облучают образованным полостью камеры черным телом при температуре стенок камеры Т1; измеряют ЗЯ образца L»; помещают образец между встречно установленными апертурами двух других черных тел, облучая визируемую сторону черным телом с температурой Т3, а обратную сторону — черным телом с температурой
Т2; измеряют ЭЯ образца 32; меняют положение черных тел относительно сторон образца и визируемую сторону облучают черным телом при температуре 72, а обратную сторону — черным телом при температуре Тз, измеряют ЭЯ образца L23; измеряют
ЭЯ черных тел при всех трех температурах
L1, L2 и L3; искомые коэффициенты определяют по формулам
Е= 1 — А; Т=(А+ В)/2;р=(А — В)/2, (б) где
L32+ L23 2 L11
А —— —; В— -2 + Ь 2 -1 -2 L3
Этот способ измерений не требует создания специальных устройств, обеспечивающих изотермичность и поддержание температуры образца на заданном уровне, сокращает время измерений за счет исключения операции установления и стабилизации заданной температуры образца.
Однако приводит к методическим погрешностям измерений интегральных коэффици1742636
40 ца (Lz1 и L81), интегральные коэффициенты 45 излучения (ь), пропускания (т) и отражения (p) образца при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов в узком диапазоне температур черных тел вблизи заданной (е = d e/dT, с= dr/dT, r= 50
d р /dT) рассчитывают по фаомулам ентов г,т ир спектрально селективных мате-; риалов из-за зависимости величин этих коэффициентов от спектров воздействующих на измеряемый образец излучений.
Цель изобретения — повышение точности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных спектрально селективных материалов при заданной температуре и определение температурных градиентов измеряемых коэффициентов в узком диапазоне температур вблизи заданной.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициентов излучения, пропускания и отражения полуп розрачных материалов, заключающемуся в полусферическом облучении плоского образца материала черными телами при трех различных температурах, одна из которых соответствует заданной, измерении с помощью ФПС ЭЯ образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении ЭЯ черных тел и определении коэффициентов излучения, пропускания и отражения образца расчетным путем по результатам измерений, измеряют первую заданную (Т1), вторую (Tz) и третью (Тз) температуры чер-, ных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной ФПС ЭЯ образца (L>1) при облучении визируемой и обратной его сторон черными телами при первой температуре, одновременно с облучением виэируемой стороны образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соотве.ствующие ЭЯ образца (L>z и
L 5(Т,) = ("(Ti) -P(Ti) (4 ) 5 30 (-L„)(T,-T, }-(L«-L«}(Т+-т, } (4-(,} тз (тъ-т ) -((,-ь,}т+ (т,-т,) ((-L«}(l > -Т4}-((,,-L«}(T 4 + ((" )т (т -т,)-(L L,)т4 (т -т,) е=-(« ). (12) В данном способе нет необходимости в равенстве температуры образца температуре того или иного черного тела, а требуется лишь ее стабильность за время проведения измерений величин ЭЯ L<1, L Ка фиг. 1 и 2 показаны принципиальные схемы устройства для осуществления способа. В изотермической камере 1, полость которой имитирует черное тело с заданной температурой Т1, установлены два черных тела 2 и 3 с температурами Tz и Тз, не равными Т>. Они закреплены на поворотном устройстве 4, которое благодаря поочередному развороту по двум осям обеспечивает смену положений черных тел 2 и 3 одного на место другого, а также их совместный разворот на 180О. Черные тела излучающими апертурами установлены в одну сторону, Перед апертурой одного из них на минимальном от ее плоскости расстоянии установлен измеряемый образец 5. который, будуч:. закрепленным на подвижном устройстве 6, может уводиться в с горону (поз. 5 ) от черных тел и облучаться только стенками камеры 1. Черные тела 2 и 3 имеют по одному сквозному отверстию на их излучающей поверхности, которые необходимы для визирования образца со стороны его подсветки данным черным телом, Эти отверстия в рабочем положении каждого из черных тел располагаются на оптической оси фотоприемной системы, состоящей из объектива 7, спектрально неселективного приемника 8 излучения, преобразующего воспринимаемое в электрический сигнал, неподвижного плоского зеркала 9 и пере1742636 кидного плоского зеркала 10, которое может также направлять поле зрения фотоприемной системы через второе неподвижное плоское зеркало 11 на образец в позиции 5 (или при отсутствии образца — на стенку камеры 1). Для исключения помеховых воздействий черных тел 2 и 3 на ЭЯ образца 5 и стенок камеры 1 внутри камеры установлены экраны с температурой, равной Т1, (не показаны). Модулятор 12 излучения и регистрирующее устройство 13 также входят в состав фотоприемной системы. Способ осуществляют следующим образом. Устанавливают, стабилизируют и измеряют температуры Т1, Т2 и Тз всех черных тел. Желательно, чтобы эти температуры отличались не менее чем на несколько десятков градусов, что необходимо для создания и регистрации надежно воспроизводимых уровней сигналов, Образец 5 закрепляют в держателе 6 и устанавливают в положение 5 (при этом температура образца То приобретает значение, близкое (практически равное) к температуре камеры Т1. Зеркало 10 устанавливают в положение, обозначенное штрихами, и измеряют ЭЯ L11 образца 5 в условиях его изотропного облучения с обеих сторон стенками камеры 1, т,е. черными телами при первой (заданной} температуре Т1. Затем образец 5 убирают из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ L1 черного тела при первой температуре Т1. Черные тела 2 и 3 устанавливают в положение! (справа от образца, с его визируемой стороны), зеркало.10 переводят в положение, обозначенное сплошными линиями, устанавливают образец 5 перед апертурой черного тела 2 и, визируя образец через отверстие в этом черном теле, измеряют его ЭЯ L21, Затем с помощью поворотного устройства 4 меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ образца 1з1, После этого с помощью того же устройства 4 устанавливают черные тела в положение Il (на схеме слева от образца, с его обратной стороны), помещая черное тело 3 непосредственно за образцом. Измеряют ЭЯ образца Ь1з, меняют черные тела 2 и 3 местами и измеряют ЭЯ.образца L12. Образец 5 удаляют из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ L2 черного тела 2, вновь меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ 1 з черного тела 3, С учетом линейных преобразований излучения при пропускании и отражении и отсутствия многократных отражений между черными телами и образцом запишем зависимости между измеренными интегральными ЭЯ и искомыми интегральными коэффициентами L11 =E (To) Lo+ T (T1) L1 +P (T1) L1, (13) 1-12 = (To) Lo+ t(T2) L2+p (Т1) L1; (14) -1з-E (То) +r(Ta) з+р (T1)11; (15) -21 =о (To) Lo + т (Т1) L1 +p (Т2) L2; (16) 10 -з1=E (To) -о+х(Т1) L1+p (Тз) L3; (17) где -о — ЭЯ черного тела при температуре Т обРазЦа (в обЩем слУчае То Е Т1), Помимо соотношений (13) — (17) и тождества (4) искомые величины связывают аналогичные (4) выражения при двух других температурах, также следующие из закона сохранения энергии и закона Кирхгофа 20 (18) (Т)+ (Т2) +p (Т2) =1 с (Тз)+т (Тз) +p (Тз) =1, (19) 45 =E (T1) + е(Т2 — Т1). (20) я (Тз) =г (Т1) + е (Тз — T1); (21) т(Т2) =- r(T1)+ т(Т2 — Т1}; (22) Q0 т(Тз) = ъ(Т1)+т(Тз — Т1); (23) p(T2) = p(T1) + г (Т2 Т1)(24): 55 р(Тз) = р(Т1)+ г(Тз — T1);(25) Вычисляя при Lо = соnst попарно разности L12 — 11 и 1з — L11, 121 — L11 и 1.з1 — L l; " испол ьзованием соотношений (22} — (25), получим две системы уравнений 25 Система восьми уравнений (4), (13) — (19) содержит 11 неизвестных величин (две неОПрвдЕЛЕННЫХ E (To} И Lo И дЕВятЬ ИСКОмых E., г и р при трех температурах каждая) и в общем виде не может быть решена, Для определения flo этим данным интегральных коэффициентов (Т1), г(Т1) и р(Т1) воспользуемся свойством, подтвержденным экспериментальными и расчетными исследованиями и устанавливающим практически линейную зависимость искомых величин от температуры, Такая зависимость, тем более, имеет место в относительно узком диапазоне используемых температур черных тел (максимально отличающихся 40 друг от друга на величины порядка или не более 100 К), В этом случае запишем E (T2) = E (Т1) + — (T1 — T2) = С1 E 1742636 Ь1г — L11 = Т (Т2) L2 — Т (Т1) L1 = t (Т1) (1 г - L1) + t L2 (Т2-Т1), ) 4Ьз- L11=т {Тз) бз — т(Т1) L1 =т(Т1)(L3- L1)+ t 1з(TÇ-Т1), (L21- L11=P(T2) L2 Р (Тl) Ll -P (Tl) (L2 — Ll)+ 1 L2 (Тг Т1), (27) l L2i - L» =р(т2) L2-p(T1) Ll =p(T1) (L2 — <»)+ r L2(т2 т1), (26) каждая из которых содержит по две неизвестные величины; т(Т1) и t (26) и р(Т1) и r (27). Путем несложных преобразований из (26) и (27) с учетом равенства (12), получаемого из тождества (4), и соотношений, определяющих интегральные ЭЯ черных тел (o/è) Т2. и Ls= (стбл) Т3, получаем приведенные выражения (8) — (11). При линейности и постоянстве параметров чувствительности ФПС, включая функционально относящийся к ней модулятор 12, каждый сигнал U<, соответствующий измеренной ЗЯ 4, может быть представлен в виде U) = k(L< LM), где LM — ЭЯ лопастей модулятора k — коэффициент преобразования, Определяя L< = LM+U)/k и подставляя при LM = coAst u k = const соответствующие значения Li в (8) — (11), выразим измеренные интегральные коэффициенты и их температурные градиенты через соответствующие величины электрических сигналов на выходе регистрирующего устройства 13 фотоприемной системы (u«lT (т, т,) ((),, ))„<т,(T,T,) 1 " Oils (T,-T,)-(u1-u,lT, (ò,-т<) (и,- u,) т 4(т,-т, -(и,-<<,)т", (т, -т,):(" ) (-(1«l(T -), )-(u«-u«l(>< T+l (((-U,)T4(T -T,)-(0: U,)-т «(т т- ) ) (10 ) (и„-О„ (т",-т+ -(,)„ц„)(т+ т,) (О;(Ч т" ò,l-(uq-u,l т, (т,-т,) Таким образом, расчет по выражениям (8 ) — (11 ) совместно с (4 ) и (12) позволяет по результатам измерений выходных сигналов ФПС, соответствующих ЗЯ образца в определенных условиях его двухсторонней подсветки черными телами при трех различных температурах и ЭЯ этих черных тел, определить как интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отражения этого образца при одной из температур используемых чеоных тел (заданной), так и температурные градиенты этих коэффициентов. 3G Последнее обстоятельство позволяет по соотношениям (20) — (25) определять величины этих коэффициентов при других температурах в диапазоне температур используемых черных тел. Учет температурной зависимости интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения спектрально селективных материалов, которая принята линейной в диапазоне температур используемых черных тел, способствует исключению методических погрешностей, измерений, имеющих место в известных способах, и тем самым, способствует повышению точности измерений. Дополнительная обработка тех же самых результатов изМерений позволяет непосредственно определять температурные градиенты этих коэффициентов. Формула изобретения Способ измерения интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения, полупрозрачных материалов при заданной температуре, заключающийся в полусферическом облучении измеряемого образца черными телами при трех различных температурах, одн - из которых соответствует заданной, измерении с помощью фотоприемной системы энергетических яркостей образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении энергетических яркостей черных тел и определении коэффициентов излучения, пропускания и отражения образца расчетным путем по результатам измерений; отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения спектрально селективных материалов и определения температурных градиентов этих коэффициентов в узком диапазоне температур черных тел вблизи заданной, измеряют первую заданную, вторую и третью температуры черных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной фотоприемной системы энергетическую яркость образца при облучении визируемой и обратной его сторон черными телами при первой температуре, одновременно с облучением визируемой стороны 1742636 30 +IO Q «<>иг. 1 Ю«г. 2 Составитель Г. Холопов Редактор С. Патрушева Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Шароши Заказ 2277 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул.Гагарина, 101 образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответствующие энергетические яркости образца, интегральные коэффициенты излучения (е), пропускания (т) и отражения (р) при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов (е = d я/dT; t = d t/dT и r = d p/dT) в диапазоне температур (T) черных тел рассчитывают по формулам Ф (L„- „)Т,(T,-T,)-(L„-L„)T,(т, т,) Ф (,-Ь,) т, (т,-т,)-(L„- ЦТ, (Г, -т,) (4< 4<)Т,(Т,-Т,1-(L><-(„,)T,(Tg-т<) (4- <) т., (т -T,)-(Ь -L<) T4, (т, -т,) Е(т,) = (-Ф(т,) — р(т,), (L<,-L(<) (T+-T, )-(Lie -L, ) (т -T4) (L,-ЦТ (T,-1,)- (,-,)т. (т,-т,) (4 - «)(т -т, }- (Lz<-L«)(T4-т, ) (,- 4<)т, (т T<) (, <р<(т, т<) где Т1, Т2 и Тз — первая (заданная), вторая и третья температуры черных тел, соответст5 вен но. L1, ) 2 и 1 — интегральные энергетические яркости черных тел при первой, второй и третьей температурах соответственно, — интегральная энергетическая яр10 кость образца при облучении обеих его сторон черными телами при первой температуре; L12 и ) 1з — интегральные энергетические яркости образца при облучении его визиру15 емой стороны черным телом при первой температуре и его обратной стороны черными телами при второй и третьей температурах, соответственно; L21 и L31 — интегральные энергетиче20 ские яркости образца при облучении его обратной стороны черным телом при первой температуре и его визируемой стороны черными телами при второй и третьей температурах соответственно.
