автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и средства контроля и диагностики параметров лучистого теплообмена техногенных объектов в поле солнечной радиации

На правах рукописи

Северо-западный заочный политехнический институт

Диссертационный Совет К 063.06.02 Р Г Б ОД

Селиванов Сергей Николаевич УДК 721.011.004.18

Методы и средства контроля и диагностики параметров лучистого теплообмена техногенных объектов в поле солнечной радиации.

05.02.11 Методы контроля и диагностика в машиностроении.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 1 ДПР 2000

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Северо-западном заочном политехническом

институте

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Потапов А. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стребков Д. С. кандидат технических наук Сарвин А. А.

Ведущее предприятие: Воронежский государственный университет

Защита диссертации состоится 1999 года в час на

заседании специализированного совета К 063.06.02 в Северо-западном заочном политехническом институте по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная д., 5, ученый совет

Автореферат разослан «_» ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент Т.П. Курчавова

2

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Лучистый теплообмен в поле солнечной радиации представляет собой важную часть теплообменных процессов и теплового баланса техногенных объектов, облучаемых солнцем на поверхности Земли, и приобретает исключительное значение в теплообменных процессах объектов в космическом пространстве и на поверхности планет и других космических тел, лишенных атмосферы.

В настоящее время широкое распространение получили два направления изучения лучистых параметров облучаемых материалов и V конструкций элементов - отражения, поглощения, пропускания падающих электромагнитных излучений и собственного теплового излучения облучаемого объекта:

спектральные исследования; V интегральные исследования. V

Спектральные методы исследований предназначены для изучения оптических свойств веществ преимущественно на уровне определения химического состава вещества.

А на уровне диагностирования сложного и неоднозначного влияния факторов внешней среды и режимов эксплуатации на состояние и динамику оптических характеристик наружных конструкций безусловные преимущества имеют интегральнъгеГметоды исследования.

Существенным недостатком известных и получивших широкое распространение приборов и методов контроля интегральных потоков солнечной радиации является заложенная в самой их сути необходимость выполнения измерений с использованием приборов и датчиков с полусферическим полем зрения. Применительно к измерению отраженных потоков это адекватно требованию иметь для исследования большие участки с монотонной репрезентативной по своим характеристикам поверхностью без посторонних включений с иными отражательными свойствами или без врезок и соединений с другими конструкциями. В современном машиностроении, включая транспортные, космические, авиационные и другие аппараты, а также гелиотехнические, строительные, архитектурные и градостроительные объекты, это требование практически невыполнимо.

Таким образом, весьма актуальной представляется разработка методов и средств изучения интегральных параметров лучистого теплообмена конструкций и материалов облучаемых объектов для самых различных областей наземной и космической техники, способных обеспечить оперативный контроль и диагностику состояния и изменения

важнейших параметров лучистого теплообмена сложных по конструктивному решению и сочетанию различных участков поверхности техногенных объектов.

Диссертация посвящена изучению особенностей формирования лучистого теплообмена техногенных объектов со сложно отражающей структурой, выявлению, разработке и оценке новых методов исследования интегральных параметров лучистого теплообмена сложных объектов с исключением искажающего влияния нехарактерных инородных включений на результаты экспериментального изучения лучистых характеристик и/или динамики их изменения.

Цель работы: разработка, исследование и оценка репрезентативности метода и средств контроля и диагностики интегрального альбедо техногенных и иных отражателей со сложными физическими и геометрическими характеристиками отражающей поверхности.

Основные задачи работы

1. Сформулировать и решить задачу инструментальной оценки параметров лучистого теплообмена техногенных объектов со сложно отражающими поверхностями, облучаемыми солнечной радиацией или иными высокотемпературными излучателями.

2. Системно представить развернутую классификацию отражателей по видам и свойствам отражения падающей радиации от полного диффузного до зеркального отражения и по уровню отражения, в диапазоне от «нуля» - для абсолютно черного тела, до «единицы» - для абсолютно белого тела, а также дать развернутую характеристику бесконечно широкой группы серых отражателей с выделением условного класса абсолютно серых тел.

3. Разработать и довести до практического применения вариантные решения монофокального метода инструментального контроля и диагностики интегральных отраженных потоков электромагнитных излучений.

В пределах разработанных вариантов метода решить задачи, позволяющие устранить искажающее влияние нехарактерных инородных включений в эпицентральной и/или периферийной зонах исследуемого отражателя, неустранимо расположенных в пределах поля зрения альбедометра.

4. Разработать экспериментальные средства измерения отрешенных потоков солнечной радиации со стабилизацией отражения.

5. Получить расчетные выражения для дифференцированной оценки интегрального альбедо репрезентативных участков исследуемого отражателя и альбедо стабилизирующих экранов.

6. Представить количественную оценку требуемых радиальных размеров экранов со стабилизированным отражением, оценить возможные погрешности, привносимые геометрическими и оптическими параметрами экранов.

7. Выполнить контрольные сопоставимые инструментальные измерения и дать количественную оценку интегрального альбедо, производимых традиционным для сетевых актинометр ических наблюдений, удовлетворяющим действующим нормативным документам методом на участках с достаточными размерами отражателя и одновременно на ограниченных фрагментах со стабилизированным фоном. Отразить целесообразность применения разработанных методов контроля и диагностики интегрального альбедо в авиационном, космическом машиностроении, архитектуре, строительстве, гелиотехнике и других областях, для которых актуальны контроль и диагностика сложных отражателей в поле солнечной радиации или другого высокотемпературного источника.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке и системном изложении развернутой классификации отражателей не только по видам и свойствам отражения падающей радиации от полного диффузного до зеркального и по уровню отражения в диапазоне от «нуля» - для абсолютно черного тела до «единицы» -для абсолютно белого тела, но и с подробной характеристикой всех видов серых отражателей с выделением и исследованием условного класса абсолютно серых тел, критерий лучистого теплообмена N

которых равен Н,.с.т. = р / £ = 1 = Н,ч.т. ( где р - коэффициент

поглощения солнечной радиации. Е - коэффициент излучения или тепловой черноты) и которые в пределах сохранения величины критерия 1Ч,СТ. = 1 могут выполнять функцию рабочего эталона а.ч.т. при создании новых систем приборов для измерения лучистого теплообмена тел в поле высокотемпературных излучений; а в более широком аспекте

предложено распространить критерий лучистого теплообмена N = р / £ в теплотехнических расчетах лучистого теплообмена облучаемых объектов в приземном слое планеты для повышения корректности оценок тепловой роли облучения солнечной радиацией различных отражателей, в первую очередь с малым коэффициентом тепловой

черноты (металлические обшивки аппаратов, ограждения и экраны с поверхностной металлизацией внешнего слоя);

- в разработке принципа канонического упрощения формы исследуемых отражателей и стабилизации оптических свойств зон с инородными включениями с нехарактерным для объекта отражением, путем введения кругового и/или кольцевого экранирования с монотонно однородным известным альбедо заданной величины;

• в вариантной разработке и исследовании на основе этого принципа монофокального метода инструментального контроля и диагностики интегральных отраженных потоков электромагнитных излучений с обеспечением нового функционального качества существующих приборов - альбедометров с полусферическим полем зрения, которое заключается в возможности выделять и оценивать в общем, отражаемом

в полусферу, потоке искомый, ограниченный в телесном угле СО < 2 ТЕ радиан, отраженный поток, поступающий от ограниченного монотонного репрезентативного участка исследуемого объекта, что позволило устранить искажающее влияние нехарактерных инородных включений в различных зонах отражающей поверхности, неустранимо расположенных в пределах поля зрения альбедометра.

Практическая значимость.

1. Разработаны и переданы для практического применения в решении задач прикладной актинометрии, облучаемых солнечной радиацией техногенных объектов, методы контроля и диагностики интегрального альбедо отражающих поверхностей со сложными геометрическими и оптическими характеристиками, в том числе:

- разработаны варианты монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородным отражающим участком в эпицентральной зоне исследуемой поверхности, а также с инородным неопределенно отражающим фоном в периферийной зоне в пределах поля зрения альбедометра, а также с неопределенно отражающими включениями в радиально-промежуточной зоне, сводимой к кольцевой, или для сочетания злицентральных и периферийных неопределенно отражающих включений в пределах поля зрения альбедометра;

- сформулированы практические приемы уменьшения числа чередующихся исследуемых и экранированных полей сложных отражателей в разработанных вариантах метода контроля и диагностики интегрального альбедо.

2. Теоретически исследованы, разработаны и экспериментально апробированы средства для инструментального определения истинных значений интегрального альбедо ограниченных отражающих поверхностей техногенных объектов со сложно отражающим фоном и/или инородно отражающими включениями.

3. Результаты исследований и разработки методов и средств контроля и диагностики интегральных параметров лучистого теплообмена техногенных объектов в поле солнечной радиации внедрены в следующем виде:

- разработаны и защищены патентами Российской Федерации три изобретения, содержащие варианты монофокального метода инструментального контроля и диагностики интегрального альбедо техногенных отражателей со сложной геометрической и оптической структурой, предназначенные для практического решения задач прикладной актинометрии в наземной и космической гелиотехнике и теплотехнике облучаемых объектов, в строительстве, архитектуре, градостроительстве, машиностроении;

- переданы права на использование разработанных и защищенных патентами монофокальных способов определения альбедо техногенных отражателей со сложной геометрической и оптической структурой ряду ведущих организаций и предприятий, в том числе Метеорологической обсерватории МГУ им. М.В. Ломоносова. Воронежскому государственному университету;

- разработанные в диссертации способы определения интегрального альбедо переданы для включения в Методические указания по определению интегрального альбедо отражающих поверхностей со сложной геометрической и оптической структурой, предназначенные для выполнения актинометрических наблюдений с измерением отраженных потоков радиации и определением интегрального альбедо облучаемых объектов в условиях обсерватории и для включения в учебный процесс при подготовке специалистов: климатологов и физиков-оптиков;

- научные результаты по разработке вариантов монофокального метода определения интегрального альбедо объектов со сложно отражающей структурой использованы в практических измерениях отраженных потоков солнечной радиации на различных фрагментах техногенных отражателей о гранте иных размеров в метеообсерватории МГУ. что позволило практически отработать разработанные варианты метода и подтвердило правильность теоретических результатов и высокую корреляцию расчетных и экспериментальных данных, а также результатов параллельно проводимых измерений на ограниченных фрагментах с ограниченными различными по направлениям линейными

7

и радиальными размерами и на фрагментах с размерами, необходимыми по условиям репрезентативности.

Апробация работы.

Материалы основных разделов работы докладывались:

■ на 7 Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы неразрушающего контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» в г. Череповце, 1997 г.;

■ на научном семинаре кафедры оптики и спектроскопии Воронежского государственного университета, 1998г.;

■ на научном семинаре метеорологической обсерватории Московского Госудасгвенного университета 1999г.;

■ на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-99) 12-15 июля 1999г., г. Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна брошюра, две статьи, а также три патента РФ на изобретения, относящиеся к вариантам монофокального метода определения альбедо.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов. Объем текста диссертации 129 стр. (в том числе 25 стр. аналитических табл. 3.1—3.5). Количество рисунков - 62, общее количество таблиц - 24. Список литературы включает 108 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассмотрен анализ современного состояния существующих методов и средств контроля и диагностики параметров лучистого теплообмена в короковолновом диапазоне электромагнитных излучений

Для тепло- и гелиотехнических задач применительно к объектам, расположенным на поверхности Земли (материков, океана), представляет практический интерес относительно небольшая часть солнечного спектра, а именно, селективные участки УФ-спектра, видимый и ближний ИК-диапазон, в которых переносится до 99 % солнечной энергии, проникающей сквозь толщу атмосферы. Диапазон 8

электромагнитных излучений Солнца, реально воздействующих на орбитальные и инопланетные объекты, лишенные благотворной защиты газовой атмосферы, более широк и охватывает, в частности, весь УФ-спектр, рентгеновские и УФ-излучения.

Выделены некоторые наиболее важные для техногенных объектов свойства энергетического поля солнечной радиации, создаваемого в окрестностях объектов, как на поверхности планеты, так и в окружающем пространстве:

- это спектральный состав электромагнитных волн, соответствующий излучению высокотемпературного источника, основная энергия излучения которого переносится в диапазоне от 0,3 до 3,0 мк;

- анизотропность поля излучения:

- взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности облучения и в пределах глубины лучепрозрачного слоя.

Даны основные актинометрические определения, использованные в диссертации.

С учетом вышеизложенного предметом исследования настоящей диссертации является изучение особенностей формирования лучистого теплообмена техногенных объектов со сложно отражающей структурой, выявление, разработка и оценка новых методов исследования интегральных параметров лучистого теплообмена сложных объектов с исключением искажающего влияния нехарактерных инородных включений на результаты экспериментального изучения лучистых характеристик и/или динамики их изменения.

В диссертации приведена характеристика методов и средств диагностики и контроля параметров лучистого теплообмена отражателен различных типов.

Исследование закономерностей радиационного теплообмена гелиотехнических и других конструктивных элементов техногенных объектов и лучистых характеристик об.тпасмых материалов и покрытий необходимо для правильного понимания, анализа и оценки работы облучаемых объектов в поле солнечной радиации, выработки критериев эффективности, совершенствования теплотехнических расчетов и конструирования гелиоограждений, а также определения отдельных параметров радиационного баланса и теплового режима объектов в эксплуатационных условиях.

Известные интегральные методы исследования отражательной способности различных поверхностей, разработанные и применяемые в актинометрии для регулярных сетевых и выборочных наблюдений, а также спектральные методы исследования коротковолновых и длинноволновых характеристик различных материалов не обеспечивают

9

решения ряда гелиотехнических задач в машиностроении и других областях техники. Например, некритическое распространение биполусферического метода измерения отражательной способности пиранометром-альбедометром на здания и их элементы приводит к грубым ошибкам, если такие наблюдения выполнять, в частности, на локальных участках стен со сложной системой светопроемов, балконов и других неоднородных участков, т.к. трудно, а подчас и просто невозможно определить долевое участие сложного фона в измеряемых показаниях альбедометра.

На неприменимость альбедометра для оценки локальных величин альбедо неоднородных (неорганизованных) участков поверхности указано в ряде работ . Одна из первых попыток определять альбедо круглых локальньк участков (проталин) при бесконечном монотонном фоне принадлежит В.А. Березкину. На неточности в подходе и решении задачи и связанные с этим значительные ошибки измерений указано С.И. Сивковым и А.А. Дмитриевым . В диссертации, показано, что все упомянутые авторы рассматривали теоретические и методические аспекты определения альбедо, строго говоря, только плоских круговых объектов. И использовать их в прикладной актинометрии для ограниченных элементов объектов без риска получения дополнительных неконтролируемых погрешностей нельзя, поскольку плоские круговые конструкции в современном массовом жилищном и промышленном строительстве и машиностроении встречаются крайне редко, а фон, влияющий на показания альбедометра, например, у простенка здания, как правило, неоднороден по интенсивности отраженных потоков, спектральным и интегральным характеристикам, геометрии прилегающих участков. Эти обстоятельства объясняют объективную актуальность поиска и разработки специальных методов измерения альбедо локальных образцов материалов и фрагментов техногенных объектов с точностью, соответствующей точности прибора либо характеру решаемой задачи.

Еще большие трудности возникают при попытках определить истинные значения коэффициентов отражения и излучения различных покрытий и композиционных гелиотехнических элементов зданий в естественных условиях при конкретной сложившейся запыленности поверхности излучающего слоя или при частичной неравномерной увлажненности (обледенелости) конструкций; общего коэффициента излучения квазимонотонных конструкций, например, волнистого гелиоприемника со стекающими по желобкам струями жидкости-теплоносителя, рельефных конструкций частично покрытых снегом, либо несплошным солнцезащитным слоем растительности и т.д.

10

Для решения указанных задач прикладной актинометрии и гелиотехники автором разработан излагаемый в следующей главе метод исследования интегральных коротковолновых характеристик материалов и конструктивных элементов облучаемых объектов.

В диссертации сформулированы и поставлены задачи исследований.

Вторая глааа диссертации посвящена разработке и исследованию методов контроля интегрального альбедо отражателей со сложными физическими и геометрическими характеристиками

Неразрушающие методы контроля параметров лучистого теплообмена энергетических, транспортных, стационарных и других объектов машиностроения, с одной стороны, совершенно необходимы, а, с другой стороны, содержат некоторые методологические аспекты и противоречия, требующие специального рассмотрения и корректного решения.

Суть главного противоречия заключается в следующем. Лучистый теплообмен элементарного участка поверхности техногенного объекта происходит через полупространство. Поэтому наиболее корректным представляется измерение падающих и отраженных или излучаемых поверхностью потоков приборами с полусферическим полем зрения, типа пиранометров, альбедометров или балансомеров, применяемых, например, в актинометрии. Такие приборы требуют теоретически неограниченных по площади однородных поглощающих (отражающих) или излучающих поверхностей, либо настолько больших участков, чтобы ошибка от влияния периферийных зон или отражающего ([юна не превышала точности измерений. обусловленных собственной погрешностью прибора или измерительного комплекса. А однородная плошадь исследуемых участков поверхности мобильных или стационарных техногенных объектов, как правило, существенно меньше и имеет дифференцированные гак в пределах участка, так и для различных зон размеры. Это приводит к неопределенным, в том числе к существенно большим, ошибкам измерения с трудноотделимым или неотделимым влиянием неорганизованного фона и делает результаты исследований нерепрезентативнымн даже на качественном уровне.

В настоящей главе излагаются разработанные автором вариантные решения неразрушающего метода определения интегрального альбедо как важнейшей характеристики внешнего лучистого теплообмена в поле солнечной радиации разл1гчных объектов машиностроения, исследуемых преимущественно в натурных или эксплуатационных условиях.

Рис. 1 Номограмма зависимостей долевого учета прибором отраженной радиации,

Л.=/(Л//«) /?',(/?//l) ; альбедо J = /(/{//>) = —^и ошибок измерений ! Л,,(«//<) ->=° Л,;[(Л/Л)-»<«>]

Р = /{Rlh) прибором с полусферическим полем зрения в функции относительного радиуса (R/h) отражателя в диапазоне значений 0sR/hs8

Разработанный метод решает конкретную задачу, связанную с оценкой энергетического обмена облучаемых объектов, и в то же время представляет собою методологическую базу для решения аналогичных задач в области неразрушающего контроля других характеристик лучистого теплообмена.

Суть всех разработанных вариантов метода построена на введении искусственной стабилизации отражательного фона с целью исключения или максимальной нейтрализации искажающего влияния отражения, привносимого от неорганизованного фона.

Под термином «неорганизованный фон» следует понимать как смежные, примыкающие к исследуемому, участки конструкций с собственными локальными характеристиками поглощения, отражения, пропускания или излучения, так и любые другие посторонние объекты, находящиеся в поле зрения приемника измерительного прибора.

В диссертации приводится общая характеристика и исследование свойств поля диффузно-отраженной радиации.

В соответствии с законом Ламберта яркость диффузно рассеянной радиации одинакова во всех направлениях. Поэтому, общая величина отраженной радиации, поступающей к приемнику альбедометра-пиранометра с полусферическим полем зрения от неограниченного отражателя, теоретически с бесконечным радиусом, определяется выражением (1) и его общая величина зависит от яркости отражения.

R*,® = 2;r J<X>isinacosQrdor = ;z<i>i . (1)

о

увеличения радиуса отражающего фрагмента.

Такие зависимости исследованы автором в полном диапазоне интенсивностей отражения от А.Б.Т. до А.Ч.Т. и представлены на рис. 1. На этом рисунке дана рассчитанная и построенная автором номограмма,

позволяющая количественно и качественно оценить влияние радиальных размеров, альбедо диффузно отражающих фрагментов и высоты h расположения приемника альбедометра над центром фрагмента на точность учета отраженной радиации, т.е. оценить роль геометрических и оптических параметров отражателя.

По оси абсцисс на рис. 1 отложены в безразмерной форме значения радиуса R/h диффузно отражающего фрагмента, где h -высота стоянки альбедометра над центром отражателя. По оси ординат отложены значения альбедо в диапазоне от О (А.Ч.Т.) до 1 (А.Б.Т.). Семейство кривых 1-11, выходящих из точки 0 начала координат, характеризует количество отраженной радиации, поступающей к прибору при соответствующем радиусе образца. Нижняя из этих линий совпадает с осью абсцисс и соответствует нулевому отражению А.Ч.Т. при любых значениях R/h. Остальные кривые построены для отражателей с 10%-ным нарастанием альбедо: 2 - для А=0.1: 3 - для А=0,2;.. .; 11 - для А.Б.Т.

Рис. 2 Схема измерений отраженной радиации на фрагменте радиусом г с кольцевой накладкой внешним радиусом И £

Нтр

Из рис. 1 видно, что наибольшее нарастание репрезентативности измерений от 0 до 90 % происходит в интервале значений R/h от 0 до 3. 5%-ной ошибке измерений Р соответствуют R/h = 4,96. Геометрическая ошибка измерений Р = 2% имеет место при R/h = 7,0.

В диссертации значительное внимание уделено вариантным решениям монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородно отражающим фоном в периферийной зоне (с образованием двух различно отражающих полей).

Варианты метода, разработанные автором, предназначены для исследования альбедо образцов материалов, фрагментов конструкций, агрегатов, мобильных и стационарных аппаратов и машиностроительных комплексов на полигонах или в процессе эксплуатации объектов. Условие применимости - наличие достаточного пространства, размеры которого определены ниже, вокруг исследуемого образца или участка исследуемой поверхности. По данному методу измерения падающих и отраженных потоков солнечной радиации выполняют с одной стоянки (h=const) альбедометра, устанавливаемого над центром исследуемого участка поверхности (рис.2). Перед измерениями кольцевым экраном стабилизируют фон вокруг исследуемого участка радиусом г на величину внешнего радиуса не менее R. Размеры г и R кольцевого экрана определены ниже. Кроме того используют внутреннюю съемную экранирующую накладку радиусом г с альбедо, идентичным альбедо обрамляющей ее кольцевой фоновой накладки.

Теоретически при бесконечно большой плоской отражающей поверхности ограждения и, принимая отражатель диффузным, подчиняющимся закону Ламберта, единичная площадь приемника альбедометра получает количество лучистой энергии, равное отражаемой от единицы площади ограждения яркостью Ф^ Тогда измеренное альбедометром значение отраженной радиации R*.« вычисляется по формуле (1).

Количество суммарной падающей радиации Q. состоящей из рассеянной D и прямой радиации S, равно

0 = D + S . (2)

Альбедо отражателя как результат деления (1) на (2) равно:

2 Л *'2 7С

А\~-JOisinorcosada =—Oi (3)

о о Q

Для кругового фрагмента радиусом г и экранированного фона

радиусом R (R>r. R—>со) и яркостью отражения Фф измеренное 14

альбедометром значение отраженной радиации Rk имеет адекватное интегральное выражение

я/2

fy = 2л J ф^т a eos ada+ 2я jcp^smacosada . (4)

Разделив (4) на Q и проинтегрировав, получим

I

О

С Л ,2 Л

г* h

.2 . -2 + Ф»ТГ

tf + r- h' + r-)

(5,а)

^ АО

или с учетом того, что Ф = ——, разделив на Q, после

п

преобразований с учетом (3) получаем альбедо Ашм комплексного отражателя:

Апи = Л, sin2 а + Аф eos2 а, (5,6)

и истинное альбедо исследуемого фрагмента:

А^-Аф^а tí-t. \

sin а г

r h

где sin а = —====== и cosa = ■ , . (7)

yh2+r2 \h2+r2

В решаемой задаче существенно важно выяснить оптимальные (требуемые) геометрические параметры исследуемого фрагмента и

экранирующей фоновой накладки, коэффициенты поглощения рф и отражения Аф последней, относительную и абсолютную величину h превышения приемника радиации над центром фрагмента, а также оценить в процентах погрешность измерения р в зависимости от сочетания указанных величин.

Из условия минимизации влияния фона необходимо предельно допустимое уменьшение h. С другой стороны, из условия уменьшения негативного влияния затенения фрагмента приемником в актинометрии

принимают Я > 4d, где d - диаметр головки приемника измерительного прибора.

Выбор внешнего радиуса R непосредственно связан с величиной ошибки измерения, обусловленной влиянием фона за пределами стабилизирующей отражение накладки и в общем случае зависит от

15

А\я -, (8)

геометрических параметров последней, в том числе относительных, выраженных через высоту h превышения приемника над фрагментом, а

также существенно зависит от разности Да альбедо фрагмента и фона.

В диссертации проанализировано влияние геометрических параметров и совместное влияние геометрии и альбедо отражающих поверхностей на величину ошибки измерений.

Установлено, что полное альбедо неограниченного отражателя, т.е.

поверхности с теоретическим радиусом lim R—>со равно , а собственное альбедо фрагмента конечного радиуса, г = R, условно выделенного в бесконечном монотонном отражателе, на основании (5) и (6) составляет —

Тогда величина ошибки измерений, зависящая только от величины R, с учетом (3) и (8) составляет:

р _ Л.«, ~ A\.R _ j R2 ^ 9 ^

А. h2 + R2

откуда требуемая величина R, при которой ошибка измерений не превысит р %, составит

V Р . (10)

Из выражения (10) установлено, что:

при р = 5% и h = 0,5 м дает RTp« 2,2 м ;

при р = 1% и h = 0,5 м дает Rrp« 5,0 м.

В общем случае величина ошибки зависит от совместного влияния геометрии и разницы альбедо фрагмента и фона. Для этих ситуаций с учетом (5) и (10)

~ cos2 а , (11)

(12)

рА

Очевидно, что выражение (12) имеет смысл при

\М1>Р. <13,

ЛI

Последнее определяет множество ситуаций, для которых разработаны варианты метода.

Количественная оценка зависимости отношения геометрических

параметров R/h от приращения альбедо | ДА | в диапазоне значений О

<Aj<1 представлена в табл. 2 и 3 и на рис. 3 и 4.

Анализ результатов позволяет констатировать, что требуемый радиус фоновой накладки (кругового образца) возрастает с увеличением |Да| и . уменьшаясь с увеличением альбедо Аь имеет минимальный диапазон при Ai=0,5. Другими словами в разработанном методе для всего

диапазона исследуемых отражателей (0 <Aj<1) оптимальной является серая, диффузно отражающая поверхность экранирующей фоновой накладки с аф=0,5 (рис. 3). При этом влияние фона на погрешность измерений, соответствующую, например, точности актинометрических

приборов, применяемых на сетевых актинометрических станциях, Р < 5%, обеспечивается при внешнем радиусе накладки R»,^ =4,36 h (табл. 2, 3). Увеличение точности измерения до Р = 3, 2, 1 и 0,5% приводит к возрастанию требуемого радиуса R^. при At = 0,5, т.е. в худшем случае (табл. 3) к значениям соответственно 5,68; 7,00; 9.95 и 14,11 h (где h -расстояние до приемника).

На практике минимальная высота установки альбедометра М-80, применяемым на сетевых станциях гидрометеослужбы, составляет 0,25 м, для альбедометра Козырева LI-COR и аналогичных приборов соответственно 0,16 м и может быть снижена по мере дальнейшей миниатюризации приборов до 10 и менее сантиметров.

При выборе геометрических параметров накладки оценивают размеры доступной для измерений площадки объекта с однородными характеристиками отражения. подлежащей инструментальному обследованию, и сопоставляют их с требуемыми для данного типа альбедометра и данными табл. 2 и 3.

Если минимальный линейный размер монотонного подлежащего обследованию участка поверхности меньше требуемого по табл. 3. т.е.

Кфакт.т1п<Ктр.та*, то необходимо применять фоновую накладку с Аф = 0,5 и внутренним кольцевым вырезом/вкладышем радиусом г, который

в данном случае определен из условия : г < r +.jlcr. min

Т.к. Ягр. П1111 может быть константой для данного типа альбедометра и высоты Ь размещения его над центром фрагмента, то в рамках принимаемой единой конструктивной системы фоновой накладки для обеспечения максимального кругового экспонирования отражающего участка поверхности исследуемых объектов для возможного многообразия ситуаций целесообразно использовать дополнительно к основному круговому вкладышу последовательно возрастающие по радиусу внутренние кольцевые вкладыши, что позволяет обеспечить максимально возможное экспонирование и наибольший долевой вклад потока отраженной радиации от исследуемого объекта в измеряемом суммарном потоке.

Таблица 2

Относительные значения требуемого внешнего радиуса (ШИ) круговой экранирующей фоновой накладки (кругового образца) при различных величинах альбедо Ах и приращения альбедо /ДА/^А^Атр/ для которых относительная погрешность от влияния фона (1Ц>И) на результат измерении не превышает Р=5%

А1 /ДА/

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0,1 1,36 6,24 7,68 8,89 9,95 10,9 11,8 12,6 13,4

0,2 3,00 4,36 5,38 6,24 7,00 7,68 8,31 8,89

0,3 2,38 3,49 4,36 5,07 5,68 6,24 6,75

0,4 2,00 3,00 3,74 4,36 4,90 5,38

0,5 1,73 2,65 3,32 3,87 4,36

0,6 1,53 2,38 3,00 3,51 3,96 4,36

0,7 1,36 2,17 2,75 3,22 3,65 4,01 4,36

0,8 1,22 2,00 2,55 3,00 3,39 3,74 4,06 4,36

0,9 1,10 1,86 2,38 2,81 3,18 3,51 3,81 4,08 4,36

W 16

—1—A1=Q

—«—Ai=q

0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 1

Рис. 3 Относительны« значения требуемого внешнего радиуса (R/h) кругово экранирующей фоновой накладки (кругового обрата) при различны« величина альбедо А, и приращения альбедо /4A/-/A,.AJ для которых относительна погрешность от влияния фона (R*>R) на результат измерений не превышает Р»5%.

Таблица 3

Зависимость относительного радиуса (R/h) круглого образца (радиуса экранирующей отражательной накладки) от разности альбедо «образец-фон» | А а| = I Aj - А+| при Ai =

р 0,1 0,2 /ДА/ 0,3 0,4 0,5

0,005 6,24 8,89 10,91 12,61 14,11

0,01 4,36 6,24 7,68 8,89 9,95

0,02 3,00 4,36 5,38 6,24 7,00

0,03 2,38 3,49 4,36 5,07 5,68

0,05 1,73 2,65 3,32 3,87 4,36

0,10 1,00 1,73 2,24 2,65 3,00

0,15 0,57 1,29 1,73 2,08 2,38

0,20 0,00 1,00 1,41 1,73 2,00

£

2Е

2:

(■■0Ш5 P-Q01

р-ют р-аш

р-чев р-ц«

р-не

|(Ц0

I А|

О DI « t! «I Д! W

/

Рис. 4. Зависимость относительного радиуса ((«11) круглого образца (радиус экранирующей отражательной накладки) от разности альбедо «обри.м-фон» Ы - 1а - Лф{ при А1 - 0,5 и величин« ошибки от влияния фона, равной Р.

В общем случае относительное влияние внутреннего радиуса г кольцевой накладки на долевое поступление к приемнику альбедометра радиации, отраженной от исследуемого фрагмента в суммарном потоке с учетом влияния фона можно проследить по изменению вклада составляющих Ai и А+ в суммарной величине альбедо Агом.

Так из (5) и (6) следует, что долевое участие отражения от образца (фрагмента ограждения) пропорционально произведению его альбедо на

sin а, т.е. на / (r,h) и при условном равенстве At и А+

пропорционально синусоиде (sin а) в диапазоне значений (0 < а < 1Z 12). В остальных случаях искомую радиальную величину дополнительно корректируют по отношению

Ai / Аф . в т.ч. руководствуясь данными табл. 2 и 3.

При применении метода фиксируют центр исследуемого участка и концентрично относительно него располагают кольцевую фоновую накладку с внешним радиусом R с внутренним вкладышем радиусом г.

Над центром участка на высоте h нормально к нему устанавливают пиранометр-альбедометр и производят измерения падающих Q и отраженных RK потоков радиации.

Обрабатывают результат измерений Q и Rw и вычисляют альбедо экранирующего фона по формуле А+ = RK / Q.

Затем, сняв с образца центральный вкладыш радиусом г (по минимальному линейному размеру исследуемого фрагмента образца, партии образцов) производят повторные измерения R*. и вычисляют истинное альбедо исследуемого отражателя по формуле (9).

Дальнейший резерв увеличения точности измерения альбедо в полевых (натурных) условиях заключается в постановке параллельных наблюдений на круглом образце с характеристиками фонового

отражателя Аф и R > RBias / (| р () с целью исключить влияние дневного (углового) хода альбедо экранирующей фоновой накладки или образца на точность определения альбедо исследуемого отражателя.

В диссертации выполнена методическая разработка и исследование задачи контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородным включением в эпицентральной зоне исследуемой отражающей поверхности.

Разработаны концепция, принципы построения, теоретические выкладки и исследование важных для практических целей свойств и особенностей вариантных решений .монофокального метода биполусферического измерения падающих и отраженных потоков

радиации и определения альбедо отражателей со сложной оптической структурой помех в виде инородных включений и неорганизованного фона в пределах поля зрения альбедометра с образованием трех различно отражающих полей в виде кольцевой промежуточной, эпицентральной и кольцевой периферийной зон.

Принципиальная особенность и характерное свойство этих разработанных автором вариантов монофокального метода заключается в том, что периферийные потоки радиации, отраженной внешним из трех полей, образованные неорганизованным фоном, исключают из общего потока отраженной радиации путем постановки двух

последовательных (или параллельных на двух постах) измерений при различном экранировании и соответственно экспонировании двух других отражающих полей и вычитании результатов одного измерения из другого.

В диссертации рассмотрено вариантное решение монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями в приведенной кольцевой промежуточной зоне.

По данному варианту измерения падающих и отраженных потоков солнечной радиации выполняют с одной стоянки (Ь=сопз1) пиранометра-альбедометра, устанавливаемого над выбранным центром исследуемого участка с приемной поверхностью прибора параллельной исследуемому фрагменту.

В диссертации приведена методическая разработка и исследование задачи контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями в эпицентральной и периферийной зонах в пределах поля зрения альбедометра.

Значительное внимание в диссертации уделено вариантному решению монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями в эпицентральной и не полностью перекрываемой экраном периферийной зонах.

Этот метод эффективен тем. что для его реализации применяют экранирующие накладки с внешним радиусом К<Ягр, т.е. более компактные. В этом варианте метода внешняя накладка не полностью перекрывает потоки радиации, отраженные неорганизованным фоном в

кольцевом диапазоне от Я до со.

Однако, принципиальная особенность данного варианта метода заключается в том, что путем выполнения двух последовательных на одном или параллельных на двух постах измерений отраженной

радиации, которые производят при полностью экранированном фрагменте в радиальном диапазоне R и повторяют со снятым промежуточным кольцевым экраном, в итоге исключают влияние на результат измерений радиации, отраженной неорганизованным фоном.

Во второй главе приведена сводная таблица результатов исследования всех рассмотренных вариантных ситуаций применения разработанного метода определения альбедо монополей сложных отражателей (табл. 4).

В третьей главе диссертации рассмотрены результаты экспериментальных исследований интегрального альбедо техногенных объектов со сложными отражателями

Для практической отработки и верификации вариантных решений метода определения интегрального альбедо, изложенных в главе 2, автором быта выполнены экспериментальные исследования альбедо сложных отражателей с последующей оценкой репрезентативности полученных результатов. Исследования выполнялись на базе метеорологической обсерватории МГУ. Измерения параметров лучистого теплообмена отражающих поверхностей проводились в июле - сентябре 1998 года при различном состоянии облачности от пасмурного до безоблачного неба по методике автора с использованием разработанного им оборудования и приспособлений.

Для исследования альбедо сложных отражателей, включающих от одного до четырех полей с различным альбедо и неорганизованный фон, были изготовлены:

- актинометрическая стойка с поворотным кронштейном дайной L = 1,5 м, снабженным телескопическим устройством для крепления приемной головки альбедометра с возможностью изменения высоты расположения приемника над исследуемым отражателем в диапазоне от 0,2 м до 1,0 м;

- пять комплектов концентрических экранов в виде кругов и плоских колец радиусом от 0,3 м до 0.7 м с отражающими поверхностями белого, бежевого, коричневого, красного и черного цветов;

- базовая платформа зеленого цвета с альбедо А = 0,16, размером Зх 3 м.

Комплект № 1 и №2 содержат каждый четыре концентрических экрана соответственно белого и бежевого цветов с альбедо А соответственно 0,90 и 0,56, в число которых входит:

- круг радиусом г = 0,3 м;

- кольцо № 1 с внутренним радиусом г]=0,3м и внешним радиусом г2=0,4м и Дг = 0,1м; выполненное го двух (или четырех) секторных плоских дуговых фрагментов;

- кольцо № 2 с внутренним радиусом г3=0,4м и внешним радиусом г4=0,5м и Дг = 0,1м; конструктивно выполненное аналогично кольцу № 1;

- кольцо № 3 с внутренним радиусом Г5=0,5м и внешним радиусом Гб=0,7м и Дг = 0,2м; конструктивно выполненное из четырех секторных плоских дуговых фрагментов.

Комплект №3 и №4 содержат каждый три концентрических экрана соответственно черного и красного цветов с альбедо А соответственно

0.13 и 0,53, в число которых входят:

- круг радиусом г = 0,3м;

- кольцо № 1 с внутренним радиусом.Г|=0,3м и внешним радиусом Гг=0,4м и Дг = 0,1м; выполненное из двух или четырех секторных плоских дуговых фрагментов;

- кольцо № 2 с внутренним радиусом г3=0,4м и внешним радиусом Г4=0,5м и Дг = 0,1м; конструктивно выполненное аналогично кольцу №

1.

Комплект № 5 содержит плоский круговой отражающий элемент коричневого цвета с альбедо А = 0,48, состоящий из двух полукругов радиусом г=0,6м.

Для проведения актинометр ических исследований по теме диссертации использовались следующие приборы и аппаратура.

Суммарная радиация определялась по данным регистрации с использованием аппаратно-программного комплекса SUN, который представляет собой систему сбора и первичного анализа радиационных измерений на 16™ каналах, подключенную к компьютеру IBM PC. Регулярность опроса датчиков с интервалом в 1 мин.

При наличии Солнца суммарная радиация находилась как сумма прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, и рассеянной радиации: Q = S • sin h® + D, где h® - высота Солнца в градусах. Прямая радиация S регистрировалась актинометром М-3, установленным на гелиостате, а рассеянная радиация D - пиранометром М-80.

При пасмурном небе Q = D.

Отраженная радиация измерялась двумя типами приборов: термоэлектрическим пиранометром Ю.Д. Янишевского М-80 № 1315 и пиранометром LI-200SA американской фирмы LI-COR№ 19603.

В качестве измерительного прибора при регистрации отраженной радиации использовался цифровой вольтметр типа Щ 4316-М1.

По принятой в диссертации методике измерения отраженной радиации выполнялись пиранометром М-80 на высотах с Ь = 40; 60; 80 см.

Измерения падающей и отраженной радиации на фрагментах различной конфигурации и с различным числом полей производились при ясном небе, при переменной облачности, при пасмурном небе и облачности 10/10 баллов.

Альбедо неорганизованного фона - травы в период проведения измерений было соответственно равно 16, 18. 17 и 20 %.

В связи с большим количеством сочетаний отражающих полей, подвергавшихся исследованию, и в целях уменьшения объемов вспомогательных работ по подготовке и смене экспонируемых комбинаций элементов отражателей были выработаны изложенные ниже системы последовательно сменяемых экспозиций сложных отражателей.

Проведение экспериментальных измерений по ним логически целесообразно разделить на 2 части.

К первой части тематически отнесены уточняющие измерения радиации, отражаемой базовой платформой с учетом влияния радиации, отраженной периферийным неорганизованным фоном.

Сюда же относятся базовые измерения отраженной радиации с одновременной полной выкладкой элементов последовательно каждого исследуемого комплекта на базовой платформе с образованием двух отражающих полей, одно из которых эпиценгральное, имеет конфигурацию и размеры комплексного круга, образованного из всех элементов соответствующего комплекта:

4

№1 и №2 с общим радиусом Л, = = = 0,7м ,

1 з

№3 и №4 с общим радиусом =Я4 = УУ = 0,5.1/ .

1

№5 с общим радиусом /?5 = 0,6л/ ,

а второе - периферийное, образовано обрамляющей частью базовой платформы и расположенным за базовой платформой неорганизованным фоном (травяной покров метеоплощадки).

Ко второй части экспериментальных исследований тематически относятся комбинаторные исследования последовательно

экспонируемых в поле солнечной радиации сложных отражателей. Это обеспечивалось путем составления последовательно сменяемых экспозиций, включающих различные сочетания отражающих элементов из исследуемого комплекта №1 или №2, или №3, или №4 + зеленая платформа + внешний фон, включающий неперекрываемую элементами исследуемого комплекта периферийную часть базовой платформы и примыкающий к платформе с внешней стороны травяной покров метеоплощадки.

При этом каждый раз повторно измерялась радиация, отраженная собственно базовой платформой, и зеленым фоном (травяной покров метеоплощадки).

Структурно каждая серия экспериментов для комплектов отражателей №1 и №2 включает десять последовательно сменяемых экспозиций, а для комплектов отражателей №3 и №4 - шесть последовательно сменяемых экспозиций.

По результатам измерений были определены альбедо комплексных отражателен комплектов №№1-5 и по формулам, полученным в главе 2 диссертации, определены значения истинного альбедо подвергавшихся исследованию отражателей, представленные в главе 3 диссертации. Одна из этих таблиц приведена ниже (табл. 5).

Анализ статистической обработки результатов экспериментального исследования альбедо сложных отражателей и определения по формулам, полученным диссертантом, истинного альбедо моноотражателей белого, бежевого, черного, красного и зеленого цветов, использованных в экспериментах, показал высокую сходимость конечных значений альбедо, как по всем экспозициям, так и с собственным альбедо каждого из перечисленных моноотражателей.

Так. среднее квадратичное отклонение для белого отражателя от

среднего арифметического альбедо А = 0,90 по результатам тридцати измерений для десяти экспозиций (табл. 3.7) составляет <х = 0,024. что существенно ниже допустимых в актинометрии отклонений в оценке альбедо, которые нормативно определены в интервале ±5%.

Аналогично высокая сходимость и надежность результатов получена

в экспериментах с другими отражателями. Так. альбедо А , среднее квадратичное отклонение и доверительный интервал (ДИ) значений альбедо, соответствующий надежности 0,95. составляют для исследованных отражателей:

а СУ ди

Белое покрытие 0,90 0,024 0,891 + 0,909

Бежевое покрытие 0,565 0,0161 0,559 + 0,571

Черное покрытие 0,127 0,0172 0,117 + 0,137

Красное покрытие 0,531 0,0237 0,518 * 0,544

Коричневое покрытие 0,477 0,0260 0,457 0,497

Зеленое покрытие 0,159 0,006 -

Таблица .4 АЛЬБЕДО

белого и зеленого покрытий по результатам актимометрических исследований сложных отражателей

Серия N8 1

Отражатель

и

с г

ё О о с

Альбедо сложного отражателя Аизм-Ц||)

I"». м

0.8

0,6

0,4

ПОКРЫТИЕ_______

Белое I Зеленое

Альбедо, вычисленное по результатам измерений Як=»{(11)

||, м 0,8 ! О,(Г) 0,4

И, м

0,8

0,6

0,4

круг ■<• 3 кольца_

3 кольца без круч а 2 смежных кольца №2, №3

внешнее кольцо №3 круг + внешнее кольцо №3_

круг без колец круг + внутреннее кольцо №1 _

49.6 4<уГ 34,5"

28.7

60,2

44,7 36,1

69,7 44,1 34,4

28,5

круг + 2 внутренних кольца №1 и №2_

10

круг + кольцо №2

2 смежных

круг +

кольца Ыа2 и №3 Среднее арифметическое

37.1

25Л

31,3 36,6

32,0

42.2

42,5

31,5 39,2

44,8

39,4 50,2

25/6 51,5

41,8

51.8

59,2

£0,2

59.9

0,93 0,94 0,В7

0,86 0,91

0,93 0,90

0,88

0,92 0,88

0,167

0,157

0,167 0,167

0,157 0,157

0,152 0,152

0,132

0,91 0,89

0,89 0^87

0,94

0,93

(Газ

0,89

оТэо

0,87

0/167 0,167

0,167 0,167

0,167

0,157 0,157

0,152 0,152

0,157

0,152

0,157 0,157

0,152

0,94 О^ЗД 0,89 ¡ 0,88

0,167

0,167

0/157 0,157

0,152

0,152 0,152

Среднее квадратичное отклонение

Л - 0.000 о -а024

/1 = 0,15 У о - 0,006

7

Доверительный интервал, соответствующий надежности 0,95 при количестве измерений п = 30 - (0,091; 0,909).

В третьей главе определены области применения методов диагностики и контроля интегрального альбедо сложных отражателей, разработанных в диссертации. Это архитектура и строительство, авиация и космонавтика, включая орбитальные и стационарные техногенные объекты, гелиотехника, геофизика, мобильные и стационарные объекты машиностроения и транспорта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Сформулирована и решена задача инструментальной оценки параметров лучистого теплообмена техногенных объектов со сложно отражающими поверхностями, облучаемыми солнечной радиацией, и приведена характеристика источника (поля) облучения.

2. Охарактеризованы факторы изменчивости и перераспределения энергетической интенсивности облучения по различным участкам УФ-, видимого и ИК- спектра электромагнитных излучений высокотемпературного источника, влияющие на репрезентативность результатов инструментального контроля интегральных параметров лучистого теплообмена конструкций наземных мобильных аппаратов и стационарных сооружений, а также космических объектов в различных условиях эксплуатации и облучения. Проведен анализ энергетических характеристик источника облучения - солнечной радиации.

3. Представлена полная развернутая классификация отражателей по видам и свойствам отражений падающей радиации от полного диффузного до зеркального отражения и уровню отражения в диапазоне от «нуля» - для абсолютно черного тела до «единицы» - для абсолютно белого тела, дана развернутая характеристика бесконечно широкой группы серых отражателей с выделением условного класса абсолютно серых тел.

4. Показана относительность самостоятельной роли интегрального альбедо и исключительное значение для последующих

теплотехнических оценок фактора энергетического влияния облучения объектов - критерий лучистого теплообмена N = р!г, где р -коэффициент поглощения солнечной радиации, е - коэффициент излучения или тепловой черноты.

5. Разработаны, защищены тремя патентами Российской Федерации и доведены до практического применения варианты решения монофокального метод:! инструментального контроля и диагностики интегральных отраженных потоков электромагнитных излучений и обеспечена реализация нового функционального качества существующих приборов - альбедометров с полусферическим полем зрения - возможность выделять и оценивать в общем, отраженном в полусферу, потоке, искомый ограниченный в телесном угле ш<2п радиан, отраженный поток. поступающий от ограниченного монотонного репрезентативного участка техногенного отражателя.

6. В пределах разработанных методов решены задачи, позволяющие устранить искажающее влияние нехарактерных инородных включений в эпицентральной и/ити периферийной зонах исследуемого отражателя, неустранимо расположенных в пределах поля зрения альбедометра.

7. Разработаны средства измерения отраженных потоков со стабилизацией отражения, путем перекрытия кольцевыми и/или круговыми экранами нехарактерных включений в системе исследуемого отражателя с образованием от двух до пяти чередующихся исследуемых и экранированных полей.

8. Получены расчетные выражения для дифференцированной оценки интегрального альбедо репрезентативных участков исследуемого отражателя и альбедо стабилизирующих экранов:

9. Дана количественная оценка требуемых радиальных размеров экранов со стабилизированным отражением, оценка возможной погрешности. привносимой геометрическими и оптическими параметрами экранов, выявлена область гарантированной репрезентативности результатов контроля с применением разработанных методов и средств измерения.

10. По газа на высокая корреляция между результатами традиционных измерений и результатов приведенных в диссертационной работе, а также практически подтверждена целесообразность применения разработанных вариантов решения метода контроля и диагностики интегрального альбедо в авиационном,

космическом машиностроении, архитектуре, строительстве и других областях, для которых актуальны контроль и диагностика сложных отражателей в поле солнечной радиации или другого высокотемпературного источника.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Селиванов С.Н., «Анализ современного состояния методов и средств диагностики и контроля параметров лучистого теплообмена в коротковолновом диапазоне электромагнитных излучений», обзор, Санкт-Петербург, Издательство «МФИН», 1996г.

2. Селиванов С.Н., Неразрушающие методы контроля интегральных параметров лучистого теплообмена в машиностроении, Санкт-Петербург, Издательство РХГИ, 1998г, апрель

3. Селиванов С.Н., Монофокальные методы исследований интегрального альбедо отражателей со сложной оптической и

геометрической структуры, Москва, Издательство ' «Гуманистика», 1998г, июль.

4. Селиванов С.Н., Экспериментальные исследования интегрального альбедо объектов со сложной структурой отражающих поверхностей, Москва, Издательство «Гуманистика», 1999г, январь.

5. Селиванов С.Н.. патент РФ по заявке № 98114241/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.

6. Селиванов С.Н., патент РФ по заявке № 98114242/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (его варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.

7. Селиванов С.Н., патент РФ по заявке № 98114240/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.

Селиванов Сергей Николаевич

Методы и средства контроля и диагностики параметров лучистого теплообмена техногенных объектов в поле солнечной радиации

Автореферат

ЛР № 020308 от 14.02.1997

Подписано в печать . 11.99 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. П. л. 1,0. РТП РИО СЗПИ. Тир. 70. Зак. 24.

Редакционно-издательский отдел Северо-Западного заочного политехнического института. 191 186, Санкт-Петербург, Миллионная, 5.

Введение.

Гл. 1 Обзор существующих методов и средств диагностики и контроля параметров лучистого теплообмена в коротковолновом диапазоне электромагнитных излучений.

1.1. Предмет исследования.

1.2. Поле излучения солнечной радиации. Спектральный состав, избирательное ослабление и рассеяние в атмосфере Земли, роль в формировании теплового режима техногенных объектов.

1.3. Виды отражения, характеристики отражателей, абсолютно черное тело, абсолютно белое тело, вариации серых отражателей, интегральное альбедо.

1.4. Краткая характеристика методов и средств диагностики и контроля интегральных параметров лучистого теплообмена отражателей различных типов.

1.5. Постановка задачи исследования.

Гл. 2 Разработка и исследование методов контроля интегрального альбедо отражателей со сложными физическими и геометрическими характеристиками.

2.1. Исследование восприятия диффузно отраженной радиации точечным датчиком альбедометра.

2.2. Разработка и исследование вариантов монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо для объектов со сложным отражателем, содержащим исследуемый и инородно отражающий участки в эпицентральной или периферийной зонах.

2.2.1. Монофокальный метод контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородно отражающим фоном в периферийной зоне.

2.2.2. Разработка и исследование задачи контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородным включением в эпицентральной зоне отражающей поверхности.

2.3. Разработка вариантов монофокального метода контроля и диагностики интегрального альбедо для объектов со сложным отражателем, с инородными включениями в кольцевой промежуточной или эпицентральной и кольцевой периферийной зонах.

2.3.1. Монофокальный метод контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями в приведенной кольцевой промежуточной зоне.

2.3.2. Задача контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями, в эпицентральной и периферийной зонах.

2.3.3. Монофокальный метод контроля и диагностики интегрального альбедо объектов с инородными включениями в эпицентральной и периферийной зонах.

2.3.4. Сводная таблица расчетных формул для определения альбедо поверхностей со сложными геометрическими и оптическими характеристиками.

Гл. 3. Экспериментальные исследования интегрального альбедо техногенных объектов со сложными отражателями.

3.1. Подготовка и обоснование экспериментальных исследований. Оборудование и приспособления.

3.2. Актинометрические приборы и аппаратура.

3.3. Постановка экспериментов и производство измерений.

3.4. Результаты экспериментальных исследований. Статистическая оценка сходимости и надежности результатов.

3.5. Области применения разработанных методов и средств диагностики и контроля альбедо.

Основные результаты работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению, разработке и исследованию актуальных вопросов прикладной актинометрии техногенных объектов, связанных с необходимостью совершенствования методов и средств диагностики и контроля коротковолновых лучистых характеристик в первую очередь техногенных объектов со сложной структурой отражающих солнечную радиацию поверхностей.

Выполненные автором теоретические и экспериментальные исследования сконцентрированы на проблеме повышения корректности и репрезентативности инструментальных оценок одной из важнейших характеристик лучистого теплообмена материалов и конструкций в поле солнечной радиации -интегрального альбедо с использованием для этого измерительных приборов с полусферическим полем зрения - альбедометров.

Полученные результаты существенно расширяют область применения такой измерительной техники применительно к насущным проблемам тепло-и гелиотехники различных классов техногенных объектов наземного и космического назначения. Приоритетность разработок подкреплена получением трех патентов Российской Федерации на «Способы определения альбедо».

Автор выражает глубокую благодарность за большую помощь в организации, постановке и выполнении исследований научному руководителю профессору д.т.н. Потапову А.И., к.г.н. Абакумовой Г.М., Незваль Е.И., Шиловце-вой O.A., Чубаровой Н.Е., Баланюк A.A., Мелуа А.И., Ермилову М.М., Федосееву A.B., Селивановой М.В., Сейфулову Р.В., Гоник B.C., Суворкину К.Д., а также всем лицам, принимавшим участие в обсуждении данной работы и высказавшим полезные замечания, позволившие улучшить и отшлифовать отдельные положения данной работы, либо будут учтены в последующих разработках, развивающих это глубоко интересующее автора актуальное направление прикладной актинометрии.

1. Кондратьев К .Я. Актинометрия. Гидрометеоиздат, 1965.

2. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. «Наука», 1964.

3. Роби Д.Х. Радиационная защита исследователей Луны. «The Journal of the Astronautical Sciences», 1961, v. 8, pp. 62-63. Пер. 62103.

4. Кузин P.A., Юргов B.B. Радиационный барьер на пути в космос. Атом-издат, М., 1971.

5. Янишевский Ю.Д. Актинометрические приборы и методы наблюдений. Гидрометеоиздат, 1957.

6. Барашкова Е.П., Гаевский В.Л., Дьяченко Л.Н., Лугина K.M., Пивоварова З.И. Радиационный режим территории СССР. Гидрометеоиздат, 1961.

7. Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

8. Шорин С.Н. Теплопередача. Изд. «Высшая школа», 1964.

9. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехни-ческих установках. Энергия, 1970.

10. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. Энергия, 1972.

11. Аверкиев М.С. Суммарная радиация и ее компоненты при безоблачном небе в зависимости от прозрачности атмосферы для широт 40-70°. Вестник МГУ, №4, 1958.

12. Аверкиев М.С. Уточненный метод расчета суммарной радиации. Вестник МГУ, сер. V., № 1, 1961.

13. Актинометрический справочник по территории СССР (период МГГ и МГС 1957 59 г.г.) под ред. З.И. Пивоваровой и Т.Т. Плешковой. Гидрометеоиздат, 1964.

14. Анапольская Л.Е., Гандин Л.С. Тепловой режим зданий в различных климатических условиях. «Труды ГГО», 1969, Вып.250, с. 3-22.

15. Андерсон Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования) М., Стройиздат, 1982.

16. Андерсон Л., Хоттель X., Вилье А. Задачи, связанные с проектированием солнечного отопления. «Исследования по использованию солнечной энергии», ИИЛ, М., 1957, с. 52-54.

17. Махоткин Л.Г. Вопросы систематизации данных в актинометрии. Актинометрия и атмосферная оптика. Труды 2-го межведомственного совещания по актинометрии и атмосферной оптике, 1961.

18. Кондратьев К .Я. Лучистая энергия солнца. Гидрометеоиздат, 1954.

19. Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Гидрометеоиздат, 1956.

20. Барашкова Е.П. Мутность атмосферы в Карадаге. Труды ГГО, вып. 80, 1959.

21. Барашкова Е.П. Связь составляющих радиационного баланса с метеорологическими условиями. Дисс. 1960.

22. Кондратьев Я.К. О расчете эффективного излучения земной поверхности. Сообщение № 1. Научный бюллетень ЛГУ № 24, 1959.

23. Калитин H.H. Актинометрия, Гидрометеоиздат, 1938.

24. Кринов Е.Л., Шаронов В.В. Спектрофотометрическое исследование суммарной и рассеянной дневной освещенности. «Геофизика», т. 6, вып. 2-3, 1936.

25. Тихов Г.А. Спектральная освещенность горизонтальной поверхности. В сб. по аэрофотометрии. № 1, 1934.

26. Швец Я.Д. Метод расчета отраженного света, поступающего в помещение через окна с солнцезащитными устройствами типа жалюзи. Автореферат дисс. НИИСФ, М., 1973.

27. Гулькаров Е.С., Умаров Г.Я., Угрюмов Е.И. Лучистый теплообмен в окне при наличии наружной стационарной солнцезащиты ячеистого типа. «Гелиотехника», 1973, № 6, стр. 43-48.

28. Суханов И.С. Солнцезащита жилых зданий в условиях Узбекистана. «Строительство и архитектура Узбекистана», № 2, 1961.

29. Уманский Н.Г. Солнцезащитные устройства в зданиях. Госстройиздат, М„ 1962.

30. Методы защиты зданий от солнечной радиации в жарких, в том числе тропических странах. НТО НИИСФ Госстроя СССР, М., 1965.

31. Ершов A.B., Корбут Г.О. Особенности применения солнцезащиты вмногоэтажных жилых зданиях. ТашЗНИИЭП, сб. НТИ № 7, 1965

32. Гулабянц Л.А. Использование теплоизоляционного остекления как средства солнцезащиты зданий, Дисс. НИИСФ, М., 1967.

33. Гусев Н.М., Оболенский Н.В. и др. Руководство по проектированию солнцезащитных средств. Научные труды НИИСФ Госстроя СССР, вып. 5 (XIX), М„ 1972, стр. 121-130.

34. Методы защиты зданий от солнечной радиации в жарких, в том числе тропических странах, НТО ЦНИИСФ Госстроя СССР, М., 1966.

35. Карпенко Б.Я. Светопрозрачная панель ограждения культивационных и других гелиотехнических сооружений, а.с. № 298300.

36. Исследования и разработка рекомендаций по устройству покрытий и кровель промышленных зданий в странах с тропическим климатом. Технические решения. НТО ЦНИИпромзданий, М., 1964.

37. Разработка обоснованных конструктивных решений современных крыш для многоэтажных зданий на Черноморском побережье Кавказа и Кав-минводах. НТО ЦНИИЭПжилища, М., 1965.

38. Маракаев Р.Ю., Межевников Б.С., Пермяков С.И. Эффективные типы покрытий производственных зданий для условий жаркого климата и оценка их влияния на тепловой режим здания, «Гелиотехника», №№ 34, 1975, стр. 98-105.

39. Селиванов Н.П. Некоторые результаты исследования остаточной радиации алюминиевых конструкций. Алюминий в строительстве. «Технология легких сплавов», 1967, № 1, стр. 97-101.

40. Угрюмов Е.И. Вертикальные экранированные ограждения с вентилируемой прослойкой в районах с жарким климатом. ЦИНИС, Информационный листок № 214, (316), Серия 18А-14, М., 1972.

41. Рекомендации по проектированию наружных ограждений зданий в условиях Средней Азии. ТашЗНИИЭП, Ташкент, 1971.

42. Селиванов Н.П. Оптимизация солнечной энергоактивности зданий. Д.д. М„ 1985.

43. Большой энциклопедический словарь. Физика. Научное издательство «БРЭ», 1998.

44. Максимов В.П. Теория и области применения солнечных элементов. М., 1965.

45. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. М. «Высшая школа», 1972.

46. Торопец А.С. Методы и аппаратура для измерения диффузного отражения. Сб. «Спектроскопия светорассеивающих сред». Минск, изд. АН БССР, 1963, стр. 159.

47. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск, «Наука и техника», 1969, стр.84.

48. Ильясов С.Г. и др. Методы и техника экспериментальных исследований атмосферы. Труды ЦАО. вып. 114, М., Гидрометеоиздат, 1973.

49. Торопец А.С., Мазуренко М.Н. О диффузном отражении света от шероховатой поверхности. ЖПС, 1967, т.7, № 6, 905.

50. Clark С., Vinegar R., Hardy I. Goniometric Spectrometer for the Measurement of Diffuse Réflectance and Transmitance of Skin in the Infrared Spectral Région, I.O.S.A, 1953, 43, No11, 1993.

51. Долин Л.С. О распространении узкого пучка света в среде с сильноанизотропным рассеянием. Изд. ВУЗ, Радиофизика, 1966, т.9, № 1, 61.

52. Цирлин Ю.А. и др. Диффузия света в светорассеивающих средах. Оптика и спектроскопия, 1962, т.12, № 2, 304.

53. Judd D.Terms, Definitians and Symbols in Reflectometry. I.O.S.A., 1967, 57.

54. Красильщиков Л.Б. Современные методы изучения спектральной отражательной способности диффузно-рассеивающих поверхностей. Труды ВНМС, 1963, т.6, 221.

55. Helmholtz H. Theorie der Warme, Verlag, I.A.Barth, Leipzig, 1903, p. 158162.

56. Me Niccholas H. Absolute Methods in Reflectrometry. NBS Journ. Res. 1928, 1.29.

57. Бирибек, Эккерт. Влияние шероховатости металлических поверхностей на угловое распределение отраженного монохроматического излучения. Теплопередача, 1965, № 1, 102.

58. Орлова Н.С. Ученые записки ЛГУ, сер. матем. наук, 1958, вып. 34.

59. Торопец A.C., Мазуренко М.М. Гониоспектрофотометрическая установка с высоким угловым разрешением. ОПМ, 1964, № 1, 37.

60. Harrison W., Richmond Т., Pluler Е., Stair R., Skromstad H. Standardization of Termal Emittance Measurements. W.A.D.C. Technical Report, 1960, Pt. 11, 59, 510.

61. Wenland W.W., Hecht H.G. Reflectance Spectroscopy, Intersiens pbl. 1966.

62. Торопец A.C. Приспособления к СФ-4 и СДФ-2 для измерения коэффициента диффузного отражения ОМП, 1958, № 2, 20.

63. Швец В.А., Казанский В.В. Переделка СФ-4 для снятия спектров отражения порошков. ПТЭ, 1966, № 4, 213.

64. Shibata К. Simple Absolute Method for Measuring Diffuse Reflectance Spectr J.O.S.A., 1957, 47, №2, 172.

65. Shibata K. New concept in the Measurement of Translucent and Opaque Materials. Optical Instrument Shumadzu seis, Ltd, Kyoto, Japan, 1966, № 1.

66. Unican SP 735, SP 890, Diffuse Reflectance Accessoryb Cambridge, Uni-can, Instruments, Ltd, 1967.

67. Кропоткин Б.Ф., Козырев Б.П. Определение спектральных коэффициентов отражения сыпучих материалов в области длин волн 0,7-И5 мкм. Изд. ВУЗ, физика, 1965, № 3, 27.

68. Вафиади В.Г. Определение коэффициента диффузного отражения в инфракрасной области спектра. ЖЭТф, 1934, т. 4, № 8, 809.

69. Броун Ж.Л. О применении светомерного шара в дифференциальном спектрофотометрическом методе. Оптика и спектроскопия. 1959, т.7, № 3, 421.

70. Торопец A.C. Приспособление к СФ-4 с интегрирующим шаром для измерений коэффициента диффузного отражения и пропускания. 1961, т.10, вып.4, 528. Оптика и спектроскопия.

71. Иванов А.П., Шербаф Н.Д. Приставка для изучения светохарактеристи-ки светорассеиващих объектов. Изд. АН БССР, ор. физ-тех. 1962, № 2, 39.

72. Козырев Г.П., Вершинин O.E. Определение спектральных коэффициентов диффузного отражения инфракрасной радиации от зачерненныхповерхностей. Оптика и спектроскопия. 1959, т.6, № 4, 542.

73. Кропоткин М.А., Козырев Б.П. Установка для определения коэффициента диффузного отражения в длинноволновой инфракрасной части спектра. Изв. ЛЭТИ, 1960, вып.44, 87.

74. Кропоткин М.А., Козырев Б.П. Определение излучательной способности материалов по их инфракрасным спектрам отражения. ИФЖ, 1964, т.7, № 9, 108.

75. Кропоткин М.Л., Козырев Б.II. Установка для исследования спектрального отражения рассеивающих материалов в длинноволновой ИК области. Изв. ВУЗ. Приборостроение, 1963, т.6, №4, 123.

76. Гинзбург А.А. и др. Спектральные характеристики генераторов излучения и облучаемых материалов. Электротермия. 1965, № 48, 24.

77. Рвачев В.П., Сахновский М.Ю. К теории и применению интегрирующего фотометра для исследования объектов с произвольной индикатрисой рассеяния. Оптика и спектроскопия. 1965, т.18, № 3, 486.

78. Рвачев В.П., Сахновский М.Ю. Определение оптических свойств объектов с произвольными индикатрисами рассеяния на интегральном фотометре. ФИС, 1966, т.4, № 2, 172.

79. Решина И.И. и др. Микроприставка к инфракрасному спектрометру ИКС-12, ОМП, 1961, № 11, 18.

80. Эллиот А. Инфракрасные спектры полимеров. УФН, 1961, т. 74, вып. 4, 627.

81. Хекфорд Г.Л. Инфракрасное излучение. М-л. Энергия, 1964.

82. Bradbury Е., Ford М. Improved Double-Beam Infrared Microspectrometer. Applied Optics, 5, 1966, № 2, 235.

83. Middlentin W., Sander S. The Absolute Spectral Diffuse Reflectance of Magnesium Oxide. J.O.S.A., 1951, 41, 449, J.O.S.A., 1951, 41, 410-425.

84. Торопец A.C. Исследование диффузного отражения порошков при диффузном освещении. Оптика и спектроскопия. 1959, т. 7, 803.

85. Janssen I., Torborg R., Measurement of Spectral Reflectance Using an integrating Hemisphere, Measur. therm. Radiant. Properties Solids, Washington, Dc. Nat. Aeron and Space Adm. 1963, p. 169.

86. Ильясов С.Г. и др. Усовершенствование методики измерения радиационных характеристик светорассеивающих сред. Метеорология и гидрология. 1970, № 9.

87. Ильясов С.Г. Методы измерения спектральных терморадиационных характеристик светорассеивающих сред. Тез. докл. Всесоюзной конференции молодых ученых по тепло- и массообмену. Минск, 1969, 177.

88. Ильясов С.Г. Исследование процесса переноса излучения в материалах и методы определения их оптических характеристик. Дисс. М. МТИИП, 1969.

89. Рабинович Г.Д. Метод определения оптических характеристик селективно-поглощающих полупрозрачных материалов. ИФЖ, 1962, т. 5, № 9, 16.

90. Липский Ю.Н. Поляризационно-спектрофотометричесикй метод исследования света, рассеянного матовыми поверхностями. Вестник МГУ, сер. астр. 1954, т. 9, 41.

91. Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного излучения. Оптика и спектроскопия, 1963, т. 15, № 4, 522, 1965, т. 18, №2, 275.

92. Хассенштейн Г. Исследование диффузно-отражающих объектов методом голографии. УФН, 1966, т. 90, № 12, 392.

93. Strok G. Optics of coherent and noncoherent electromagnetic radiation. Univ. of Michigan, 1964.

94. Harrick N.,Riederman N. Infrared spectral of powders by means of internal reflection spectroscopy. Spectrocimica. Acta, 1965.

95. Золотарев B.M., Кисловский Л.Д. Приставка к ИКС-14 для получения спектров жидких и твердых объектов методом НПВО, ПТЭ, 1964, № 5, 175.

96. Золотарев В.М. Определение оптических постоянных в спектрофото-метрии НПВО, ЭПС, 1966, т. 5, № 1, 62.

97. Кедроливанский В.Н., Стернзат М.С. Метеорологические приборы. Гид-рометеоиздат, 1953, с. 231.

98. Березкин В.А. Руководство по актинометрии для полярных станцийГлавсерморпути. Вып. 1. Л., 1937.

99. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 5. Ак-тинометрические наблюдения на станциях. Гидрометеоиздат, 1947.

100. Сивков С.И. К методике изучения отражательных свойств земной поверхности. «Метеорология и гидрология», № 8, 1951.

101. Дмитриев A.A. К вопросу о методике изучения отражательных свойств земной поверхности. Метеорология и гидрология, 1952, № 12.

102. Селиванов С.Н., Анализ современного состояния методов и средств диагностики и контроля параметров лучистого теплообмена в коротковолновом диапазоне электромагнитных излучений, обзор, Санкт-Петербург, Издательство «МФИН», 1996г.

103. Селиванов С.Н., Неразрушающие методы контроля интегральных параметров лучистого теплообмена в машиностроении, Санкт-Петербург, Издательство «Гуманистика», 1998г, апрель

104. Селиванов С.Н., Монофокальные методы исследований интегрального альбедо отражателей со сложной оптической и геометрической структуры, Санкт-Петербург, Издательство «Гуманистика», 1998г, июль.

105. Селиванов С.Н., патент РФ, по заявке № 98114241/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.

106. Селиванов С.Н., патент РФ, по заявке № 98114242/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (его варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.

107. Селиванов С.Н., патент РФ, по заявке № 98114240/25 с приоритетом от 04.08.98 на «Способ определения альбедо (варианты)», решение о выдаче патента от 11.05.99.