Устройство для измерения теплового потока

 

273476

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соеетекик

Социалистических

Ресоублик

Зависимое от авт. свидетельства №

Кл. 42т, 7/50

Заявлено 26.XI.1968 (№ 1285535/18-10) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 15.Ч1.1970. Б1оллетень ¹ 20

МПК б ОЦ 5/08

УДК 536.629.7(088.8) Комитет но делам изобретений и открытий ари Секете Министроо

СССР

Дата опубликования описания 15.IX.1970

Автор изобретения

Л. Ф. Рыбалко

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области инфракрасной техники, а именно к устройствам для измерения теплового потока.

Известное устройство аналогичного назначения, используюшее способ компенсации измеряемого теплового потока с помощью эталонного источника, содержит модулятор и эталонный излучатель в виде модели абсолютно черного тела. Для получения полной компенсации в известных устройствах помимо предварительной радиационной компенсации используется дополнительная электрическая компенсация после преобразования в теплоприемнике лучистого потока в электрический сигнал.

Недостатками этого устройства являются малая точность компенсации, большие технические трудности обеспечения и стабилизации необходимых параметров электрического компенсирующего сигнала, а также практическая невозможность получения полной компенсации вследствие этих трудностей и ограниченной точности согласования параметров измеряемого и компенсирующего сигналов. Отсутствие полной компенсации приводит к сужению полезного динамического диапазона последующего усилителя, а малая точность компенсации снижает точность измерения.

Целью изобретения является осуществление полной радиационной компенсации лучистого потока на входе теплоприемника, устранение дополнительной электрической компенсации сигнала на выходе теплоприемника для повышения точности измерения и чувствительности аппаратуры.

Эта цель достигается благодаря тому, что компенсирующип исто-ниик выполнен в виде двух черных тел, находящихся прп различных стабилизированных температурах. перекрывающих диапазон контролируемых темпера10 тур, расположенных под углом друг к другу, причем на пересечении компенсирующих потоков установлено подвижное плоское зеркало.

На чертеже представлена принципиальная схема оптической части предложенного уст15 ройства, где: 1 — фокуспрующее зеркало; 2— теплоприемник; 3 — зеркальный секторный диск-модулятор; 4 — плоское зеркало; 5 и 6 —— эталонное черное тело.

На теплоприемник как обычно при вращении

20 диска 8 поступает лучистый поток от объекта (фона) и от эталонных излучателей 5 и б.

С помощью плоского зеркала 4, которое может перемещаться параллельно самому себе в направлении стрелок А, соотношение лучистых потоков от тел 5 и 6 может изменяться.

Излучающие полости черных тел 5 и 6 находятся при разных температурах, величина каждой из которых стабилизирована с высокой степенью точности одним пз известных

30 способов. В соответствии с описываемым ниже

273476 прийципом компенсации абсолютная величина температуры одного тела (например 5) превышает наибольшее возможное значение абсолютной температуры объекта наблюдения, а абсолютная величина температуры другого тела (в данном случае б) меньше наименьшей возможной абсолютной температуры объекта наблюдения.

Сущность нового устройства заключается в применении двух неодинаково нагретых эталонных излучателей, абсолютные температуры которых перекрывают диапазон изменения абсолютной температуры возможных объектов, Принимаемый лучистый поток от объекта наблюдения сравнивается в данном случае с аддитивной суммой лучистых потоков эталонных черных тел 5 и б, соотношение потоков от которых может изменяться посредством перемещения плоского зеркала 4. При перемещении плоского зеркала изменяется мощность суммарного потока компенсации вследствие изменения соотношения площадей сечений лучистых потоков от обоих эталонных излучателей. Если принять тела 5 и 6 достаточно черными, что в инфракрасном диапазоне реально достижимо, то мощность лучистого потока каждого из них в соответствии с законом Стефана — Больцмана определяется уравнением:

Р =АаТ4 (1) где А — площадь поверхности излучения, проектируемая зеркалом 1 с помощью

-диска-модулятора 8 и плоского зеркала 4 на рабочую поверхность теплоприемника;

o — постоянная Стефана — Больцмана, Т вЂ” абсолютная температура поверхности излучения.

Доля потока от тела 5:

P — — А аТ,4, (2)

Доля потока от тела б:

P,==А,оТ,4.

Суммарный поток от обоих тел:

Р =Р +Р— — о(A Òã4+ А Т.4), (4) где

Аi+А =Ap=const. (5)

Если теплоприемник 2 находится в фокусе зеркала 1, то Ао примерно равно площади его входного зрачка. Приближенность этого равенства связана с конечными размерами рабочей площади теплоприемника. Из выражения (4) следует, что изменение соотношения А, и

А при неизменности их суммы приводит к изменению величины потока компенсации на теплоприемник.

Крайние значения потока компенсации имеют место при:

1. А,=О; Рт =оАоТ,, 2. А — — О; P — — -оАОТ 4.

Если принять, что абсолютная температура объекта наблюдения удовлетворяет условию:

Т,

А Т +А Т.4+ аАОТ, (10) где е — коэффициент излучения, учитывающий отличие реального тела от абсолютно черного.

Полная радиационная компенсация сигнала на входе теплоприемника дает возможность увеличить коэффициент усиления последующего усилителя, расширить его динамический диапазон и в конечном итоге повысить чувствительность прибора в целом.

4О Техническое осуществление охлаждения одного из эталонных черных тел не вызывает трудностей и может быть получено на основе использования эффекта Пельтье, так как практическая величина необходимой согласно ус45 ловию (8) абсолютной температуры в большинстве случаев не ниже 240 — 250 К.

Предмет изобретения

Устройство для измерения теплового потока, содержащее теплоприемник, модулятор и компенсирующий источник излучения, отличиюи1ееся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерения, компенсирующий источник выполнен в виде двух черных тел, находящихся при различных стабилизированных температурах, перекрывающих диапазон контролируемых температур, расположенных под углом один к другому, причем на пересе чении компенсирующих потоков установлено подвижное плоское зеркало.

Автоматизация перемещения зеркала 4 может легко обеспечить автоматизацию процесса компенсации во время наблюдения с заданной постоянной времени. В процессе вращения зеркального модулятора 8 теплоприемник попеременно наводится то на объект, то одновременно на оба эталонных излучателя. Амплитуда переменного напряжения на выходе теплоприемника при этом пропорциональна разности тепловых потоков от объекта и от обоих эталонных излучателей, т. е,:

30 = (а — Р ) а при выполнении равенства (9)

У=О.

273476

Составитель T. 6. Краснова

Редактор С. И. Хейфиц Техред А. А. Камышникова Корректор Л. В. Юшина

Заказ ?542, 3 Тираж 480 Подписное

LIIrÈÈ11È Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, )К-35, Раушская 0., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2