Устройство для определения альбедо деятельной поверхности материала

Авторы патента:

Игонин Владимир Иванович (RU)

Павлов Михаил Васильевич (RU)

Карпов Денис Федорович (RU)

G01J5/12 - с использованием термоэлектрических элементов, например термопар (термоэлектрические элементы как таковые H01L 35/00,H01L 37/00)

Владельцы патента RU 2456558:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)

Изобретение является универсальным устройством для определения альбедо деятельной поверхности материалов любого типа. Устройство включает в себя два идентичных тепловоспринимающих элемента. Последние состоят из гладких металлических пластин, приемная поверхность и боковые грани которых покрыты черной влагонепроницаемой краской. Задняя поверхность каждой пластины закрыта слоем теплогидроизоляции со светоотражательной пленкой. В центральной части металлических пластин закреплены спаи термопар, которые регистрируют температурное состояние каждой пластины при нагреве под воздействием источника инфракрасного излучения и отражающего лучистые потоки материала. По соотношению интенсивности нагрева пластин во времени рассчитывают альбедо деятельной поверхности исследуемого материала. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерений альбедо деятельной поверхности материала. 5 ил.

Устройство может быть использовано в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии, строительной промышленности, а также в любой отрасли, где необходима информация об отражательных и поглощательных способностях поверхностей материалов.

Известен альбедометр Калитина в комплекте с гальванометром или потенциометром для определения альбедо деятельной поверхности материала [А.Г.Гиндоян. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий. - М.: АО «ЦНИИпромзданий», 1997. - С.100-101]. Основным конструктивным элементом устройства является пиранометр под полусферическим стеклянным колпаком, закрепленный на трубке с рукояткой для вращения прибора. При радиационных наблюдениях альбедометр устанавливают таким образом, чтобы приемная поверхность пиранометра была параллельна поверхности материала. Методика измерения сводится к последовательному определению падающей и отраженной радиации. После замеров падающей радиации альбедометр переворачивают на 180° и производят замер отраженной радиации. По полученным данным, расчетным способом определяют альбедо поверхности исследуемого материала.

Использование одного пиранометра для определения альбедо поверхности материала нарушает синхронность измерений входных и выходных потоков лучистой энергии. Применение одной приемной поверхности для последовательного определения падающего и отраженного лучистого потока также требует дополнительного времени для снятия эффекта памяти прибора между первым и вторым измерениями.

Наиболее близким изобретением, которое лежит в основе заявленного устройства, является измерительная система, состоящая из двух идентичных тепловоспринимающих элементов - пиранометров [Е.В.Шеин. Курс физики почв. - М.: МГУ, 2005. - С.334-335]. Каждый пиранометр содержит участки черных и белых тел, которые соответственно поглощают и отражают потоки инфракрасного излучения. К черным и белам телам пиранометра подведены концы дифференциальных термопар, соединяющих элементы устройства с микроамперметром. За счет разности нагрева черных и белых участков в цепи возникает ток, который измеряют микроамперметром. Ток будет тем больше, чем больше разность температур между черной и белой поверхностью, которая в свою очередь будет определять интенсивность лучистого потока. Приемная поверхность одного пиранометра обращена к источнику инфракрасного излучения и регистрирует величину поступающей лучистой энергии, а приемная поверхность другого - к поверхности исследуемого материала и воспринимает идущий от материала отраженный лучистый поток. Через соотношение полученных потоков определяют альбедо деятельной поверхности материала.

Недостатком прототипа является применение черных и белых тел в составе пиранометра для нахождения альбедо деятельной поверхности материала. Абсолютно черных и белых тел в природе не существует, и поэтому как черное, так и белое тело пиранометра вносят погрешности при измерении поступающей и отраженной радиации.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерений альбедо деятельной поверхности материала.

Поставленная цель достигается применением устройства для определения альбедо деятельной поверхности материала, состоящего из двух идентичных тепловоспринимающих элементов и термопар. Приемная поверхность одного тепловоспринимающего элемента направлена в сторону источника инфракрасного излучения, приемная поверхность другого - к поверхности исследуемого материала для поглощения лучистых потоков. Приемные поверхности и боковые грани металлических пластин тепловоспринимающих элементов покрыты черной влагонепроницаемой краской. Поверхности пластин, противоположные приемным поверхностям (задние поверхности), закрыты слоем теплогидроизоляции со светоотражательной пленкой. В центральной части металлических пластин закреплены спаи термопар, регистрирующие нагрев пластин во времени, по которому рассчитывают альбедо деятельной поверхности материала согласно формуле:

где q_inf и q_ref - потоки теплоты соответственно от источника инфракрасного излучения и исследуемого материала; t₀ и t₁ - температуры пластин, обращенных приемными поверхностями соответственно к источнику инфракрасного излучения и исследуемому материалу; τ - время.

На фиг.1 показана принципиальная схема тепловоспринимающего элемента заявленного устройства.

На фиг.2 показана схема распределения лучистых потоков.

На фиг.3 показан режим нагрева металлических пластин под воздействием лучистых потоков.

На фиг.4 показан режим нагрева металлических пластин под воздействием лучистых потоков (аппроксимация).

На фиг.5 показано заявленное устройство в оригинале.

Устройство для определения альбедо деятельной поверхности материала включает в себя два идентичных тепловоспринимающих элемента (фиг.1). Тепловоспринимающий элемент состоит из гладкой металлической пластины 1, приемная поверхность и боковые грани которой покрыты черной влагонепроницаемой краской 2. Задняя поверхность пластины 1 закрыта слоем теплогидроизоляции 3 со светоотражательной пленкой 4. В центральной части пластины 1 закреплен спай термопары 5, который регистрирует нагрев пластины во времени. Приемные поверхности пластин тепловоспринимающих элементов установлены на одном уровне, параллельно поверхности исследуемого материала. Тепловоспринимающие элементы расположены на расстоянии между источником излучения и материалом.

Устройство работает следующим образом.

Приемные поверхности тепловоспринимающих элементов соответственно воспринимают падающий q_inf от источника инфракрасного излучения и отраженный q_ref от исследуемого материала лучистый тепловой поток (фиг.2). Благодаря черной влагонепроницаемой краске 2 приемная поверхность поглощает поток лучистой энергии без отражений. Слой теплогидроизоляции 3 со светоотражательной пленкой 4 на задней поверхности металлической пластины 1 предотвращает нагрев последней через заднюю поверхность. Под воздействием источника инфракрасного излучения пластины нагреваются: первая пластина - за счет падающего на приемную поверхность прямого лучистого потока плотностью q_inf, а вторая - за счет отраженного от поверхности материала инфракрасного излучения плотностью q_ref. Нагрев металлической пластины 1 тепловоспринимающего элемента регистрирует термопара 5, которая передает информацию на компьютер (условно не показан) через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и конвертер (условно не показаны). По соотношению скоростей изменения температур пластин в режиме нагрева рассчитывают альбедо деятельной поверхности материала согласно формуле (1).

Достоинством заявленного изобретения является простота и компактность конструкции, так как согласно формуле (1) для определения альбедо деятельной поверхности материала требуется только регистрация нагрева пластин через приемные поверхности, покрытые черной влагонепроницаемой краской. Использование заявленного устройства повышает точность измерений благодаря покрытию задних поверхностей пластин слоем теплогидроизоляции со светоотражательной пленкой.

Пример конкретного применения устройства

Определим альбедо деятельной поверхности материала на примере фрезерного торфа в лабораторных условиях. В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии 2,5 м от поверхности торфяной почвы. Период нагрева алюминиевых пластин заявленного устройства составил τ_ht=1800 с. Регистрация температурных данных с устройства произведена с дискретностью измерений χ=30 с.

Температурные поля алюминиевых пластин по данным хромель-алюмелевых термопар представлены на фиг.3.

Нагрев пластин устройства, обращенных приемной поверхностью соответственно к источнику инфракрасного излучения t₀ и торфу t₁, описывают графики линейных функций на фиг.4, °С:

Тогда альбедо деятельной поверхности фрезерного торфа А с учетом формулы (1) составит:

Устройство для определения альбедо деятельной поверхности материала, состоящее из двух идентичных тепловоспринимающих элементов, приемные поверхности которых разнонаправлено обращены в сторону источника инфракрасного излучения и к поверхности исследуемого материала для поглощения лучистых потоков, и термопар, отличающееся тем, что приемные поверхности и боковые грани металлических пластин тепловоспринимающих элементов покрыты черной влагонепроницаемой краской, поверхности пластин, противоположные приемным поверхностям, закрыты слоем теплогидроизоляции со светоотражательной пленкой, термопары регистрируют нагрев пластин во времени, по которому рассчитывают альбедо деятельной поверхности материала, согласно формуле

где t₀ и t₁ - температуры пластин, обращенных приемными поверхностями соответственно к источнику инфракрасного излучения и исследуемому материалу; τ - время.

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Способ бесконтактного измерения температуры // 2324153

Изобретение относится к измерительной технике. .

Тепловой приемник // 2293953

Изобретение относится к области оптоэлектроники. .

Термоэлектрический приемник оптического излучения проходного типа // 2283481

Изобретение относится к измерительной технике. .

Термоэлектрический приёмник излучения // 2217712

Изобретение относится к измерительной технике и используется для измерения потоков инфракрасного излучения. .

Счетчик солнечной энергии // 2213913

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области учета энергии, получаемой от источника энергии. .

Устройство определения интенсивности инфракрасного облучения // 2180098

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Способ измерения максимальной температуры объекта при нагревании его облучением электронным пучком // 2168156

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры радиационно-разогреваемых объектов контактным способом.

Устройство для измерения плотности мощности солнечного потока // 2165599

Изобретение относится к измерительной технике. .

Способ измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов // 2094787

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в порошковой металлургии для измерения температуры дисперсных частиц в быстропротекающих процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) смеси дисперсных материалов.

Способ измерения степени черноты // 2510491

Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением и касается способа измерения степени черноты покрытий и поверхностей твердых тел. Способ включает последовательное измерение температуры эталонного и исследуемого образцов, изготовленных из одного и того же материала. Эталонный и исследуемый образцы изготавливают в виде двух пластин с одинаковым покрытием, размещенных одна напротив другой покрытием наружу. При этом на пластины эталонного образца наносят покрытие с известной степенью черноты. В полость между пластинами устанавливают электронагреватель и нагревают пластины при постоянной мощности нагревателя до полного установления стационарного теплового режима. Степень черноты исследуемого образца определяют по формуле: , где Pm, P0 - мощности источника тепловыделений, затрачиваемые на нагрев эталонного и исследуемого образцов до стационарного значения температуры Ts, К; Tс - температура среды, К; σ - постоянная Стефана-Больцмана; S - теплоотдающая площадь поверхности образца, м2; εэ - степень черноты поверхности эталонного образца. Технический результат заключается в упрощении способа и повышении точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ и устройство для измерения степени черноты // 2521131

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения радиационных характеристик поверхностей и покрытий твердых тел. Согласно заявленному способу определения степени черноты измеряют скорость изменения температуры и температуру образцов с покрытиями. Образцы изготовлены в виде двух одинаковых пластин с одинаковыми покрытиями, а в полости между данными параллельно установленными покрытиями наружу пластинами располагают нагреватель. Образцы устанавливают в воздушную среду, нагревают при постоянной мощности нагревателя. На линейном участке нагрева от температуры Tc до температуры T измеряют скорость нагрева образцов b0. Степень черноты исследуемых образцов ε, перегрев в конце линейного участка нагрева ϑ1 и продолжительность участка τ1 определяют из соответствующих аналитических выражений. Кроме того, для другого варианта осуществления заявляемого способа вычисления по приведенным зависимостям для τ1, ϑ1, ε производят последовательно итерационным методом до получения сходимости по ε при заданном значении k для значений параметров, определяемых в пределах соответствующих линейных участков изменения температуры образцов. Также заявлено устройство для осуществления указанного способа. Технический результат - повышение точности определения степени черноты. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл.

Устройство для измерений коэффициента черноты покрытий // 2578730

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента черноты покрытий. Заявлено устройство, содержащее идентичные по конструкции тепловой излучатель и теплосток, снабженные подключенными к выходу регуляторов температуры термоэлектрическими батареями Пельтье, на поверхности которых последовательно размещены подключенные к измерителю сигналов датчики теплового потока и покрытые с внешней стороны исследуемым материалом теплопроводящие пластины с подключенными к входам регуляторов температуры термодатчиками. Полостью теплообменника является фиксированный зазор между параллельно расположенными пластинами теплового излучателя и теплостока. Технический результат - повышение точности и расширение температурного диапазона измерений коэффициента черноты. 1 ил.

Способ определения температурной зависимости степени черноты (варианты) // 2598699

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения температурной зависимости интегральной степени черноты покрытий и поверхностей твердых тел. Способ включает измерение температуры на внешних и внутренних поверхностях двух размещенных параллельно с небольшим зазором пластин из одного и того же материала при их одностороннем нестационарном нагреве. Исследуемые поверхности пластин обращены друг к другу. Одну из внешних поверхностей образца нагревают контактным нагревателем по заданному, например, линейному закону до максимально возможной температуры и выдерживают при ней некоторое время. На второй наружной поверхности устанавливают калориметр, например, в виде медного листа, который затем теплоизолируют с внешней стороны. По измеренным в процессе нагрева температурам на внешних поверхностях образца и тепловому потоку (а для образцов с неизвестными теплофизическими характеристиками и на внутренних поверхностях пластин) из решения обратной задачи теплопроводности получают искомую зависимость степени черноты во всем диапазоне температур. Таким образом могут быть исследованы образцы материалов как с известными, так и с неизвестными теплофизическими характеристиками. Технический результат - уменьшение объема экспериментальных исследований, повышение достоверности и точности получения интегральной степени черноты покрытий и поверхностей твердых тел. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Установка по определению критического значения лучистого теплового потока для различных материалов и веществ // 2611080

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения пожароопасных свойств материалов и веществ. Предлагается установка по определению критического значения лучистого теплового потока. Установка включает плоскую радиационную панель, выполненную в виде рядов из металлических спиралей, намотанных на керамические трубки; рамку для образца и измерительную аппаратуру. При этом установка дополнительно содержит блок управления для регулирования теплового потока от радиационной панели, который регулирует тепловой поток в предложенной установке, с помощью термопары, установленной в керамических трубках. Кроме того, измерительная аппаратура представляет собой термопары, закрепленные на испытуемом образце. Технический результат - повышение точности измерений и уменьшение теплопотерь при проведении испытаний. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.