автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и создание высокоточных радиометрических систем на базе абсолютного сферичного пустого приемника интенсивных потоков теплового излучения

ДЕРЖАНИЙ НАУКОбО- ДОСЛ1ДНИЯ 1НСТИТУТ МЕТРОЛОГИ ДНВО "МЕТРОЛОГ1Я" 2 1 МДР На ПР333* рукопису

ПОЛЕВОЙ В1КТОР IВАНОВИЧ

УДК 535.214.04

РОЗРОБКА I СТВОРЕННЯ ВИСОКОТОЧНИХ РАД1ОМЕТРИЧНИХ СИСТЕМ НА БА31 АБСОЛЮТНОГО СФЕРИЧНОГО ПОРОЖНИННОГО ПРИЙМАЧА IНТЕНСИВНИХ ПОТОК1В ТЕПЛОВОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ

СпегНалыисть: 05.11.15 - Метролог 1 я 1 метрологЧчне

эабеэпечення

АВТОРЕФЕРАТ

дисертац11 на здобуття наукового ступени кандидата техн1чних наук

Харк1в -1993

Працю виконано в Харк1вському державному науково- виробничому об'еднанн1 "МетрологЧя"

Науковий керхвник: к.ф.-м.н., старший науковий сгпвробл.тник Назаренко Л.А.

Оф1цхйн1 опоненти: д.т.н., професор СоловйовВ.С.

д.ф.-м.н., старший науковий сп!вроб1тник Koкoдiй М.Г-

Провхдна установа: 1ПЕ АН Украгни

Захист в1дбудеться 19&ур. 0 годин1

на зас1данн! спец1ал1зовано1 вчено! ради К 041.08.01 при Харкхвсь-кому дерхавному науково- виробничому об'еднанн1 "Метрология" за адресою: 310078, Харк1в, вул. Мироносицька, 40.

3 дисертац!ею мохна ознайомитися в б1бл1отещ об'еднання.

Автореферат роэ1слано "_

Вчений секретар

спец1ал1зовано1 вчено! ради, к.т.н. Купко В.С.

- 3 -

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРАЩ

Актуалыйсть токи досл1джот>. Високоточн1 вим1рювання енергетич-них характеристик 1нтенсивиого теплового вжгром!нювапня здобувають все б!лыпе практично значения у зв'язку з широким никористанням дано! облаот1 вии1рювань в найперспектиш!ших напрямках науково-техн1чно! д!яльност!, таких як: энергетика, металург!я, ракетно-косм!чна теш1ка, ав!а- 1 судобудування, а також при розробц! енер-гозбер!гаючих 1 еколог1чно чистих технологи* 1 систем.

Анал1з сучасних структурно-функц1ональних систем рад1ометрН 1 фотометр!! дозволяв йробити висновок, що найточн1шим засобом вим1-рювання густини теплового випром1тпвянвя е порсяшинн! рад!ометри, як! реал!зують метод електричного зам!щення.

Розробка.1 нпровадження нових ыетод1в реал1зац11 процедури зам1-щенпя на баз! сферичного порожнинного приймача шпрои!тзвання, як1 дозволяють ы1н1м1зувати методичну похибку вим1рпваннь 1 н1дв1щити точн1сть рад1ометричних систем, е головним об'ектом досл!дження дано! диоертац1йно1 прад1.

Актуальн!сть вказано! теми пов'язана з тим, що як в Укра!н1, так 1 в мехах СЗД не 1снуе державного еталону для вим!рюваяня 1нтенсив-ного теплового випром1нювання (понад 103 Вт/м3), в той час як в1д-пов1дний парк вим1рювальних засоб!в пост1йно зб1льшуеться з одно-часним зростанням вимог до !х точност!.

У зв'язку з цим, а такох з тим, що !снуюч! в!домч! локальн1 пе-рев!рочн! схеми не здатн! забезпечити едност! вим!рювань поток1в велико! !нтенсивност!, ниникла потреба у створенн! установки вищо! точност! для в!дтворення одиниц! густини теплового рад!ац1йного потоку в д1апазон! 103-10Б Вт/м2.

Розробка ц!е! установки базувалася на попередн1х теоретичних та експериментальних досл!дхеннях р!зних тип!в сферичних порожнинних

- А -

рад1ометр1в (типу ШРК 1 СПР), що використовувались в рад1ометричних системах в1домчого призначення. Набутий досв1д, а такох неявна та^-н1чна база дозволили розробити нову модель сферичного порохнинвого рад!оыетра (СПР-8) 1 в1дпов1дний спос1б вим1рюваннь, як1 стали основою створення вказано! вище установки (УВТ 72А91) 1 забезпечили II висок! точн!сн1 характеристики.

Мета дисертац1йно! прац!. Метою прад! Б'розробка 1 вцровадаення в практику метролог1чного забезпечення нових засоб!в прециз1йнш ви-м1рювань енергетично! осв1тленост1 (густини) теплового випром1ню-вання велико! 1нтенсивност1 на баз1 сферичного порожнинного рад1о-метра 1 створення на ц1й основ1 виоокоточних рад1оиетричних систем.

Задач! 1 методи досл!дження. Реал!зац1я мети досл!даення викликала потребу розглянути так1 взаеыопов|язан1науково-техн1чн1 задач1 як теоретичного, так 1 експериментального характеру :

1. Розв'язання краЯових задач теплопровЛдност! з визначенням температурного поля абсолютного сферичного порохшшного рад1ометра ориг1нально1 конструкц11, який мае кусково-однор!дни2 характер по-глинання вищхяйнювання внутр1шньою ст1нкою порожнини 1 працюе в умовах конвективно-рад1ад1Аного або рад1ац1Иного теплообм!ну.

2. Визначення коеф1ц1енту поглинання вказано! модел! рад!ометра 1 в!дносного розпод!лу густини випром1нювання,що поглинаеться.

3. Розробка иетод1в визначення основных складових систематично! похибки сферичних порожнинних рад1ометр!в за чоднотерыопарного 1 гатотерыопарного способу реестрац11 ступеня 1х нагр1вання.

4. Доол1д*ення впливу рад1ац1йно1 1 конвективно! складових ефек-тивного коеф1д1енту теплов1ддач! СПР-8 на ступ1ыь л1н±йност! його градуювально! характеристики 1 методичну похибку вим!рювань.

5. Розробка ориг1налышх експериментальних засоб1в визначення функцИ в!дносно! опром1неност1 внутр!хчьо! ст!нки порожнини рад!о-

метра, а такок в1дносного рознил? значень теры1чвого опору окремих термопар, що рееструють його нагр1в.

6. Досл1дкейня оггтико-ф1зичних характеристик материал1в, викори-станих в конструкцИ СПР-8, з метою реал1зац!1 тако! конструкцИ рад1ометра, яка б забезпечувала куоково-однор!дний характер погли-вання з задании ол1вв1дношенням значень зовальних коеф!ц1ент1в.

7. Введения поняття "критер1й екв1валентност1" рад1ац1йно! 1 електрично! потужност! 1 розробка способ!в оптим1зац11 вказавого критер!ю за допомогою епец1ального математичного алгоритму 1 прогреми автоматичного керування процееом вии1рювань на основ! викори*-станвя комп'ютерно-вим1рювально1 системи.

Наумова новизна прац1 полягае у тему, що в н1й вперше:

1. На основ! анал1тичного розв'язання л1н1йно! 1 чисельно- анал1-тичного розв'язання нел!н10но1 крайових задач теплопров1дност1 розроблено 1 впровадаено у практику метролог1чно! атестацИ ориг!наль-н1 метода теоретичного анал1зу основних складових методично! похиб-ки вим!рюваннь р!зних моделей оферичних порохнинних рад1омегр1в, як1 реал1зують метод електричного зам1щення.

2. Розроблено 1 впроваджено у вз1рцевих установках в1домчого при-значення, а тако* в УВТ 72А91 новий спос1б вим1рювання густини од-нор1дних стац1онарних поток1в теплового 1 лазерного Еипром1нжзв8ння, який дозволяв м1н1м1зувати основну методичну похибку рад!оиетр1в типу ШРК 1 СПР, пов'язану з неоднор1дн1стю 1хньо1 зонно! характеристики, шляхом оптим1зац11 координат розташування чутливого элементу в зеле*ност1 в1д величини попередньо вим1ряного кута розб1гу потоку вяпроы1нювання всередин1 приймально! порожнини рад!ометра.

3. Розроблено, створено 1. впрбваджено в УВТ 72А91 нову конструкцИ абсолютного порохнинного приймача високо1нтенсивних поток1в'ви-проы1нювання (СПР-8), яка дозволяв 1стотно (б!льше н1* у 3 рази)

зиеншити систематичну похибку виы1рювань теплових поток!в випроы!-нювання в диапазон! 10э—10Б Вт/иа пор!вняно з ран!ше використовува-ними моделями.

Головною особлив1стю СПР- 8 е конструкц!я прийыального елеиента, яка ыае кусково-одаорЛдний характер поглинання випром1нювання вну-тр!шньою ст!нкою порохнини 1 оптимально сп!вв1дношення значень зо-нальних коеф!ц1ент1в поглинання, що ы1я1м1зуе методачну похибку, пов'язану з неекв1валентн1стю теипературних пол1в рад1ометра в режимах опром!нювання 1 зам!щення.

Вахливою особлив1стю СПР-8 е такох контрукц1я блоку терыо1ндика-цП, яка дозволяв шляхом п!д1мкнення термопар до вх1дних канал1в КВС зд1йснювати реал1зац1ю процедура зам!щеннфа допомогою квадра-тури Гаусса, яка мае найвищий алгебра!чний порядок точности

4. Розроблено 1 впровадасено в УВТ 72А91 новий спосаб вим!рюваш теплового 1 лазерного випронанювання, який дозволяе шляхом одночас-но! обробки показ!в термопар за задании алгоритмом зд!йснювати про-цес вимхрювань на основ! такого критер1ю екв1валентност1 рад1ац!й-но! 1 електрично! потужност1, який е адекватним реальному характер; теплов1Дцач1 рад:1ометра в навколишне середовище.

Ш.двищення точност! втаарювань при використанн! даного способ досягаеться як за рахунок вибору оптимального для в1дпов!дного те шюобм1ну критер!ю екв1валенгност1, так 1 за рахунок застосуванн високоточних формул чисельно--го 1нтегрування.

Ъ. Запропоновано новий спос!б вим!рювання потухност1 теплового лазерного випром!нювання 1 пристр!й для його реал!зац11, як! дозвс ляють зд!йснювати безконтактний контроль за потужнХст» тешгав1дда1 прийыального елемента рад1ометра 1 тим самим вилучати похибю пов'язан1 з використанням контактних способ!в термо1ндикад11. 6. Розроблено 1 практично реал!зовано оригХнальний математичш

алгоритм , який дозволяе автоматизуваги процес вим!рюваннь на осно-в1 нових високоточних способ!в реал!зац!1 процедури зам!щення.

7.Шляхом досл!дженя оптико-ф!зичних характеристик матер!ал!в, ви-користовуваних в констукц!! СПР-8, визначено функц1ю в1дносного ро-зпод3.лу густини поглинуто1 потужност! по внутр1шн1й ст1нц! прийма-льного елемента СПР-8 1 коеф!ц!ент поглинання радгометра.

8. Проведено анал!з залежност! ступеня л!н!йност! градуювально! характеристики рад1ометра в!д виду тешгов1дцач1 1 для випадку рад1-вц1йного тештообм:шу зд!йснено л!неаризац!ю вказано! характеристики.

3 використанням реПонально-стуктурного методу розв'язання нелишних крайових задач тешюпров1даост1 одержано залемпсть лска-лъних коеф!ц!ент!в рад!ац1йного теплообм1ну 1 осцовно! методично! похибки сферичного порожнинного рад1ометра в1д потужност! ! апер-турнага кута випромгнювання. Проведено пор!вняння з л!н1йним набли-женням 1 визначено меж1 його застосування.

10. На основ! зд1йснених теоретичних ! експереметальних досл!д-жень розроблено, створено, атестовано ! впроваджено в експлуатац!ю установку вито! точност! для в1дтворення одиниц! густини теплових рад!ац!йних поток!в в д!апазон! 103-105 Вт/и2, яка дозволяе в!дтво-рювати одиницю густини потоку теплового випром!нювання з невилученою систематичною похибкою не б1льшою н!ж О.А% за над!йно1 ймов1р-ност! 0.95.

0сновн1 положения, як! виносяться на захист :

1. Найб!льшу точн1сть вхдтворення одиниц! густини !нтенсивного теплового випром!нювання забезпечують рад1ометричн1 системи, то грунтуються на використанн! абсолютних порожнинних приймач1в вштро-м!нювання, в яких реал!зуеться метод електричного зам!щення (зокре-ма, оптим!зован! модел1 сферичних порожнинних рад1ометр!в).

2. Висок1 точносн! характеристики нових моделей сферичних поро-

■ниции» рад1ометр1в забезпечуються шляхом такоХ оптим!зац!1 конот-рукцИ приймального елемента та способу вим1рювань, яка, з одного боку, максимально враховуе. конкретн! особливост1 систея "компаратор-приймач вжгром!нювання", а з !ншого- зд!йснюе автомати-чне керування процесом вим!рювань за допомогою КВС на основ! найто-чн!ших критерИв екв!валентност! рад!ац!йно! та електрично! поту*-ност1,(стосовно реальних умов опром1нення 1 теплообм!ну).

3. Застосування указание засоб!в та способ1в вим1рювань при роз-робц! УВТ 72 А 91 дало можлив!сть зменшити головну складову методично! похибки вим!рювань, цов'язану з неекв!валентн!стю температур-них пол!в, до 0,1 на ц!й основ! забезпечити закальну невилучену систематичну похибку на р!вн! 0,4)8 в усьому енергегйтщому д!апазон! . використання УВТ.

4. Використання на баз! КВС нового способу вим!рюванъ, який забе-зпечуе алгоритм!чну обробку показ!в термо!ндикатор!в нагр!ву приймального елемента за найточн!шими формулами чисельного !нтегрування (зокрема, квадратурно! формули Гаусса) в!дкривае додатков1, дос! не використан! можливост! значного п!двищення точност! реал!зац!1 про-цедури електричного зам!щення для будь-яких тип!в рад!ометричних систем, як! заснован! на метод! електричного зам!щення.

Практична значения одержаних результет!в полягае у тфу.що на 1* основ! стало можливим створення високоточних рад1ометричних систем, як1 мають метролог!чн! характеристики, близьк! до !снуючого св!то-вого р!вня ! здатн! забезпечувати едн!сть ! високу точн!сть в!<Тво-рення ! передач! одиниц! густини 1нтенсивних поток!? теплового ви-пром1нювання п!длеглим засобам метролог!чного забезпечення.

На й!аз! результат!в, як! одержано в прац!, зараз- в ГНПО "Метро-лог!я" створюеться державний спец!альний еталон одиниц! енергетич-но1 осв1тленост! некогерентного випром!щовання.

Апробац!я прац!.

Основн1 результата прац! допов!далися на :

- О м!жнародному форум! по теплоыасообм1ну (М!нськ,1992).

- трьох Всесоюзних иауково-техн!чних сем1нарах " теплов! приймач! • випром!нювання " (Москва,1986,1988,1990).

- трьох Всесоюзных науково-техн!чних конХюренц!ях Фотометр!я ! II метролог!чне забезпечення " (Москва,1984,1986,1988).

- двох Всесоюзних науково-техн!чних конференц!ях. " Метролог1чне забезпечення температурних ! теплоф!зичних вим!рювань в облает! високих температур н (Харк!в,1986,1990).

- Воесоизн1а науково-техн!чн1й конференцИ н Метролог!я ! стандар-тизац1я в НТР " (Новосиб1рськ,1989).

-Всессюзн!й науково-техн!чн!й конференцИ " Метролог!чне забезпечення вим!рювань високих температур ! параыетр!в плазми " (Хар-к1в,1979).

-Всесоюзн!й науков!й конференц!! п Метода ! засоби машинно! д!агностики газотурб1нних двягун1в ! 1хн!х елеыент1вн (Харк1в,1980).

- Республ1кансък!й науково-техн!чн1й конференцИ " Сучасний стан теплоф!зичного приладобудування " (Севастополь,1989).

Повнота опубл!кування. Основн! науков! результата, висновки та рекомендацИ дасертац1йно1 прац! наведено в 32 наукових публ!ка-ц1ях, в тому числ! в 11 статтях у вбесоюзних та республ1канських науково-техн1чних куриалах ! зб!рках ! в 6 авторських св!доцтвах на винаходи (список головних праць подаеться в к!нц! реферату).

Структура 1 обсяг дисертац11. Праця складаетьоя з! вступу, чоти-рьох глав, висновку, списку л!тератури з 120 найыенувань. Дисерта-ц!я м!стить 183 отор!нок основного тексту, малюнк!в, 9 таблиць. Впровадження результат!в.

Результата дисертац!! впроваджено в ДШО "Метролог!я" (м.Хар-

к!в),1нститут1 техн!чно1 теплоф!зики АН Укра1ни (м.Ки!в), Науково -досл!дному !нститут! вим!рювально! техн!ки (м.Кал!н!нград,Москов-сько! облает!). Впровадвення п!дтверджено в!дпов1дними Актами.

ЗМ1СТ ПРАЦ1.

У вотуп! обгрунтовано актуальн!оть теми досл!джень, назначено мету 1 задач! дисертац1йно! прац!, сформульовано основн! науков! твердження, подан1 до захиоту.

Першу главу присвячено анал!зу метод1в ! засоб1в прециз1йних вим1рювань енергетично! осв!тленост! 1 вибору напрямку доол1джень. Розглянуто р1зн! типи порожнинних приЯмач1в теплового 1 сонячного випром!нювання, зд!йснено пор!вняння !х тошпсних характеристик.

Зроблено оц1нку переваг 1 недол!к1в застосування методу еталон-ного приймача пор!вняно з методом еталонного дкерела. Показано, що при вим!рюванн! 1нтенсивних поток1в теплового випром!нювання вико-ристання еталонних приймач1в мае б1льшу перевагу, бо вони забезпе-чують випд точн!сн1 характеристики 1, кр1м того, е значно прост!ши-ми в техн1чному виконанн! 1 експлуатацд.!.

Другу главу дисертацИ присвячено досл!дкенню температурных по-л1в 1 основных складових методично! похибки сферичного порожнинного рад1ометра.

Розглядаеться постановка 1 розв'язання тривим!рно! крайово! задач! теплопров1даост!, яка враховуе кусково-однор!дний характер поглинання випром1нювання р!зними д1лянками внутр!шньо! ст1нки приймального елементу рад!ометра, а також те, що реальний розпод!л опром!неност! порожнини рад!ометра в загальному випадку являе собою функц!ю двох зм1нних Е(х„у), де х-оовв, а значения в обмежен! мак-симальним полярним кутом £>о.

Задача розв'язуетьоя у припущенн! дифузного характеру розс!юван-ня, причому нел1н!йний характер теплообм!ну, викликаний зм1ною ефе-

ктивного коеф!ц1ента теплов1ддач1 ä в мару зм!ни густини випром1ню-вання, враховуеться за допомогою 1терац1йного методу Ньютона.

Розрахунки температурного поля та функцИ розпод!лу густини випром1нювання, що поглинаеться порожниною, дали можлив!сть визна-чити не лише тепловий режим рад!ометра i коеф1ц1ент поглинання по-рожнини, але й систематичну похибку. викликану втратами вицром1ню-вання через вх!дний отв!р приймального елементу (для модел1 СПР-8 вона дор1внюе 0.08Я5 при поправковому коеф!ц1ент1 1.0062).

KpiM того, було визначено основну складову методично! похибки, пов'язану з неекв1валентн1стю температурних пол1в рад!ометра в режимах опром!нювання i зам1щення.Величина д1е! похибки визначалася за формулою

„ _ Р1-Р2 _ - ATi а ._d2 Mv

де Pi i Ра - значения потужност! опром1нення i зам!щення,як1 забез-печують реал!зац1ю вибраного критер!ю екв1валентноот1 рад1ац1й-Hoi i електрично! потужност!, ДТ12- зм!на температури в Micui знаходження чутливого елементу при переход1 в!д опром1нення до зам1щення, R- зовн1шн!й рад1уо оболонки порокнини. У випадку, коли реестрац1я нагр!ву приймального елементу рад1ом-етра_зд!йснюеться за допомогою одн1е! термопари,залежн!сть похибки $о в1д параметр1в порожнини 1 потоку мае вигляд

СО п п = 1 и=-п

це зональний коеф1ц!ент поглинання в зон! прямого опром!нення, Bi=ä R/XH- число Bio,Л - теплопров1дн!сть зовн1шнього шару приймального елемента, °П1П(Х1»Р,) - функц1я, яка залежить в!д те-плоф1зичних параметр!в порожнини, значень зональних коеф!ц1ент1в поглинаштя е( (, в1днооного розпод1лу опром1неноот! Е(х,р) в межах апёртурного кута опром!нення 0Q, координат Q {розташу^ан-

ня чутливого елеиенту.

Функц!я С (х.,в.) е знакозм!нною в1дносно координат в,,що

ОП XI 11

в!дкривае можливост! для м!н!м!зац!1 $0 стосовно до конкретно! сис-теш " компаратор-приймач випром!нювавня " на основ! .полередн1х еко-периментальних досл1дхень по визначенню в0,Е(х,|>) ! характеру роз-с1швання випром!нювання веередин1 приймального елеиенту.

В раз!, коли така !вфорыац!я в1доыа з малою точн1стю, найдоц!ль-н1шим е використання набору терыо1ндикатор1в, щозд!йснюють набли-кене 1нтегрування температурного поля.При цьому 50 приймае вигляд

I. В со п

« = -С..В1У Ув У У О (I ), (3)

рв1 П = 1 ИВ-П

де В - коеф!д1енти, що залегать в!д розташування термопар 1 ви-

р,ч

браного способу 1нтегрування ( кубатурних або квадратурних формул чисельного анал1зу); Ь, Б-к!льк!сть термопар в1дпов!дно пс

координат! в 1 6; х , в - координата, що визначають м!сЦезнахо-р ч

дження тегыопар на поверхн! прийиального елементу.

3 (3) виходить.що зменшення похибки б0 без . зб!льшення загальноХ к1лькост1 термопар К=1£ можливо зд1йсн1ти на основ! використання аптимальних формул чисельного Лнтегрування 1 в1дпов!двого розташування чутливих елемент1в. Однак, це вимагае 1стотних зм1н в самому способ! реал!зац!! цроцедури електричного зам!щення 1 використання комп1ютерно-вим!рювально1

системи для його'практичного вт!лення.

Трети главу дисертацИ присвячено питаниям оптим!зац!1 кпнотрук-ц11 рад1ометра ! способу вим!рювань, що грунтуеться на метод! електричного зам1л(ення.

Для однотермопарно! модел1 рад!ометра розглядаеться спос!б вим!-рювання лотужност! однор!дних поток!в теплового 1 лазерного випро-м!нювання, що використовуе екепериментальне вии!рювання (за допомо-гою кал!бровано! д!афрагми, яка !м!туе вх!дний отв!р рад!ометра, !

метричного екрану) величини апертурвого кута випром1нювання 0о для визначення оптимально! координата розташування термопари 9) з умови

СО 1

У (2п+1 )2к"р (х.) Гр (х)(1х/Гн^п+1п(п+1-В1)-(п+1 ) (п+В1)1=0, (4)

/ . О п 1 .1 п / [_ О J

п=1 х0

де х^оовв^ х0=оов90; 1^=1^/11; - внутр1шн!й рад1ус сферично! оболонки; Р (х) - пол!ломи Лехандра першого роду п - порядку.

П

даний опос1б оптим1зацИ було ефективно реал1зовано в рад1о-метричних системах в!домчого призначення для вим!рювання над1нтен-еивних поток1в випром1ншвання, що дозволило забезпечити похибку вим!рювань не б1льше 1.5 % для поток!в густиною до 2*106 Вт/м2.

0ск1льки (4) було одеркано у - припущенн1 сталост! ефективного коеф1ц1ента теплов1ддач1 а, а в реальних умовах рад!ад1йного тепло-овм1ну теплов1ддача мае нел!н1йний та локальний характер, виникла необх!дн1сть чисельно-анал1тичного розв'язування нел1н!йно5 крайо-во! задач1 теплопров1дност1.

Розв'язання в1дпов!дно1 крайово! задач1 на основ1 регионально-структурного методу дозволило визначити температурив поле рад1омет-ра, значения локальних коеф!ц1ент1в теплов1ддач1 1 величину методично! похибки До, пов'язану з неоднор1дн1стю зонно! характеристики ред1ометра.Залежн1сть похибки М0в1д координата розташування термо-1ндикатора 9[ визначалася за формулою

ц0= 1-41т2еаа0!г;[ 04(1,в1) - 1]/р4, (5)

де е2 - ступ1нь чорноти зовн1шньо1 поверхн! сферичноI оболонки, и( 1,9|)=Ш(И,в1)/ Ш0 - в1дносна температура у м1сц1 розташування термо1ндикатора,Т0- температура вакуумно! камери;Р1~ потухн1сть вшгром1нювання, ао~ стала Стефана-Больццана.

Розрахунки показали, що за малих апертурних кут!в опром1нення г 10-30*) л!нише наблихення мохе бути використане т!льки для

оптим!зацИ координата в , але не для оц!нювання похибки Д0. що виникае при неточност! вказано! оптим!зац!1. Це пов'язано з тим, що похибка цо значно" критичн1ша " до вибору м!сцезнаходження термо1н-дикатора, н!ж це виходить з л!н!йного наближення. Однак, за великих апертурних кут!в опром1нення (6Qa 100°) врахування локального характеру теплов1ддач! практично не дае додаткового виграшу в точност! визначення Ц0, хоча i у цьому випадку в1дбуваеться значне зростання Ц0 У м!ру зб!лыпення потужност! випром!нювання.

Таким чином,потр!бна така ыодиф!кац!я конструкцИ приймального елементу, яка дозволяе р!зко зменшити тангенцШн! град!енти температурного поля i тим самим м!н!м1зувати похибку fiQ. практично за будь-якими координатами м!сцезнаходаення термо!ндикатора.

Вказана М1нш1зац1я зд!йснювалась шляхом використання тако! конструкцИ рад!ометра, яка мае р!зн! коеф1ц1енти поглинання ст!нки порожнини в зон1 прямого опром1нення i в зон1, гцо опром1нюеться лише за рахунок розс!ювання теплового потоку.

Сп!вв!дношення оптимальних значень зональних коеф1ц!ент!в поглинання залежить в!д апертурного кута 6Q i в!дносного розпод1лу опро-м!неност1. Зокрема.коли Е(х,р) = oonst, зв'язок значень коеф!ц!-ент!в поглинання в зон! прямого опром1нення £lt ! " т!нъов!й " зон1 ст!нки порожнини eJ2 визначаеться за формулою

епве1Я<1-хо>/ i 1"V 2е,2+ d+^xi-fi^)]. (6)

де Xj= cosej = - */l-(d/2Rl )a , d -д!аметр вх!дного отвору рад!ометра,

Граф!ки залежност! е^ в!д е для р!зних кут!в розходження ви-пром1нювання (мал.1) св!дчать про зростання перепаду значень £п в м!ру зменшення апертурного кута 0Q.

При Ictotho неоднор1дному розпод!л! опром!ненност! 1(х,р) найк-ращою умовою оптим1зацН сп!вв!дношення м!ж e^i ej2 мохе служити

'¿ал.

Мал.2 Залежн1сть похибки, координати розташування термоГнди-катора 6с для трьох способ1в опти-и!эац11 эональних коеф1ц1ент1в

поглинання Р-^' •

I Залежн1сть оптимальних значень в1д при

для р!зних апертурних кутХв опрои!нення &о .

Г кис „Аксамит" I

Мал. 3 Блок-схема автйиатичного способу вии1рювань на баз1 КВС.

I) - приймальна порожнина, (2) - електронагр1вач, 3) - набор 7ерио1ндикаторХв, (4) - КВС "Аксаиит", (5) - стаб!л!затор напруги.

м!н!мум функц1оналу Ке,,) за параметре« £м при ф!ксованому

£1а,тобто потр1бна м1н!м1зац1я функц!оналу аЯ 1

На мал.2 наведено залежн1сть И0 в1д б1 для осесиметричного випа-дку опром!нення Е(в) = сов [я/2-(&/в0)1 при трьох способах оптим!-зац11 сп!вв!дношення м!ж е14 1 е1а: зч формулою (6) - 1, за вилуче-нням первого члена розкладу «Р,) - 2, за м1н!мумом функцЛсиа-лу (7) - 3. 3 граф!к!в виходить, що оптим1зац1я за критер!ем (7) забезпечуе цо* О практично за будь-яких значень 6(.

В той хе час однотериопарна модель рад!ометра мае той 1стотиий недол!к, що II ефективне використання можливе т1льки за наявност! попередаьоХ 1вфорыацИ щодо характеру опром1нивання 1 розс!ювання потоку веередин! приймально! порохнини.

Ыенш пов'язаною з оптико-геометричними характеристиками опром!-нивання ! розс1ювання е багатотерыопарна модель рад1ометра, яка дозволяв за допоыогою ск!нчено1 к!лькост! термо1ндикатор!в зд!йсню-вати 1втегрування температурного доля приймального елементу.

Однак при застосуванн! велико!.к1лькост1 тегыо!ндикатор!в зрос-тае стала часу рад!ометра, а головне - з'являеться ряд додаткових складових систематично! похибки.як! практично не п1дцаються теоретичному анал!зу. Тому одн1ею з важливих метролог1чних задач щр конструюванн! еталонних дриймач!в е забезпечення задано! точност! реал!зац!1 процедури зам1щення за м!н1мально мохливо! .к!лькост! термо1ндикатор!в.

Використання КВС дозволило розв'язати дану задачу шляхом реа-л!зацИ нового способу вим!рювання потухност! теплового ! лазерного випром!ншання,який полягае в тому,що в якост! критерШного параметру, за р!вн!стю якого в режимах опром!нення ! зам!щення визначаеть-

(7)

ся екв1валентн1сть рад!ац!йно1 1 електрично! потужност!,використо-вуеться величина,пропорц!йна потужност! потоку теплов!ддач! рад1о-метра в навксийппне середонище.яка з одного боку враховуе реальний характер теплов!ддач1 (л!н!йний,нел!н!йний),а з 1ншого - реал!зуе найточн!т! способи чисельного 1нтегрування.

3 чисельного анал1зу в1доио, що для доеить гладких функц!й найви-щкй алгебра!чний порядок точност! мае квадратурна формула Гаусса, яка за N вузл!в точна для пол!доы1в (217-1) ступеня.

Використання ц!е! квадратура вииагае реал1зац!1 процедури зам!-щення на основ! таких критерНв екв!валентност!:

для конвективно-рад1ад!йного (л!н1йного) теплообм!ну

" т (в.) " илем

(а)

к-1 к-1

для рад!ац1Йного (нел1н1йного) тешюобм1ну

1« й

г— Г\(9к) г-

к-1 к-1

Г 0 (9 )

(9)

де ик(вк) - покази териопар в точках з координатами

в1дпов1дно в режимах опром!нення 1 зам!щення, Ак~ вагов! коеф!-ц1енти Гаусса, 0к~ коеф!ц!енти термоЕРС.

Виграш у точност! при реал1зац11 (8),(9) за дапомогою КВС за-м1сть звичного способу вим!рювань, що грунтуеться на використанн1 терыобатаре!, е тим б!льшии, чш меньшим е апертурний кут вшгром1ню-вавня Э0 ! чим вищим е р1вень потужност! Р^Зокрема за N=8 ! ер=10°+ 30* основна методична похибка,що пов'язана з неекв!валентн1стг тем-, пературних пол1в, при реал!зац11 заы!щення за критер!ем (8) зменшу-еться мавхе на порядок, а цри никористанн! (9) в 30-40 раз1в 1 не перевищуе 0,1 % навиь для поток!в гуетиною до 2 10е Вт/ма. Схему реал!зад11 огшсаного способу, наведено на ыал.З.

Четверту главу присвячено опису установки вищо! точност! УВТ 72А91 та И метролог1чно! атестацИ на основ! експериментально - теоретичного досл1дження осыовшх фактор!в, як1 впливають на система-тичну i випадкову похибку вим!рювань.

Описуються основн! вузли установки, принципи 1х Д11 1 функ-ц!ональний зв'язок Mix ними. Наводиться блок-схема програми, яка вводиться до КВС "Аксамит" для автоматичного керування процесом ви-м!рювань i дозволяе реал!зувати будь-який 1з опособ!в вим!рювання описаних у глав! 3. а такох розрахувати середне квадратичне в1дхи-лення ! перев!рити йормалыйсть розпод!лу результат!в спостерехень.

Ыетролог!чна атестацхя установки, яка проводилась з урахуванням вс!х основних складових систематично! похибки вим!рювань (не!денти-чност! температурних пол!в (0.1Я>), неекв!валентност! втрат випром!-нювання через вх!дний отв!р (0.08%), неточност! вим!рювання площ! кал!бровочно! д!афрагми (0.2456), яохибок визначення потужност! за-м!щення (0.16%) ! втрат у п1дв!дних проводах (0.0156), похибки пр реал!зац11 на КВС критер!» екв1валентност! (0.15%) та 1н.), показ! ла, що УВТ 72А91 мохе в!дтворювати одиницю густини теплового рад!а-ц!Яного потоку в д1апазон1 103+ 10s Вт/м2 з невилученою систематичною похибкою, меншою н!х 0.4 % при над!йн1й ймов!рност1 0.95.

Значения СКВ результат!в вим!рювання за m=10 становлять 0.1+0.3 залехно в1д р!вня потужност! i характеру теплов!дцач1.

Стала часу СПР-8 на р!внi 0,9 становить Тк=70-90с при вим!рюван

нях у термостатованому пов!тряному середовиц! i г =200-260е при вн

р

м1рюваннях у вакуумн1й камер!.Одержан! експерименальн! залехнос! lk ! Гр в!д Pt добре узгодауються з теоретичними.

Експерименти п!дтвердшш такох, що використання в режим! рад!г ц1йного теплооби!ну критер1йного параметра, пропорц1йного потужнос т! потоку теплов1ддач!, приводить до л!неаризац!1 градуювалык

криво!. Це забезпечуе стал!еть чутливост! приймача за енергетичнвм д!апазонон ! одночасно п!дтверджуб, по нав!ть за N=8 квадратура Гаусса иае досить високу точн!сть 1нтегрування гуотиш потоку тенло-в!ддач! (експериментальне значения чутливост! практично зб!гветься з теоретичним).

Експериментально досл!дхувалися такое спектральн! характеристики 1 1ндикатриси розс!ювання матер!вл!в, що застосовувались в констру-кц!1 СПР-8, а пот1м одержан! результата використовувалися для уточнения значения ефективного коеф!ц!ента поглинання на основ! методу Монте-Карло. Для модел! СПР-8 цей коеф!ц!ент дор!внюе 0.9938.

Кр!м того, для модел! з одиор!дним характером поглинання прово-дилося на установи! ВНД10ФВ визначення спектрального коеф!ц!ента поглинання, яке дало майжэ повний зб1г теоретичних ! експеримента-льних результат!в у видим!й облает! спектру (Х=0.63мкм)! дещо зави-щен1 (по поглинанню на 0.9$) теоретичн! значения в 14 област1 спектру (1=10.бмкм).

Вказана р!зниця для ГЧ-д!апазону пояснюеться зростанням дзерка-льно! компоненти в!дбивання з! зб1льшенням X, що не мохе бути вра-ховано в рамках дифузно! модел! розс!ювання ! вимагае застосування розрахункових метод!в, як! здатн! врахувати ланий ефект (наприклад, методу Монте-Карло, як це було зроблено при розробц1 СПР-8).

Висок! точност! якост! сферичного порохиинного рад1ометра подтвердили такох т! зв!рення, як! проводилися для однотермопарно! модел! рад1ометра з 1шпши приймачами теплового випром!нювання, що самокал!бруються (1КАР,РМ1,Ф0А). Вони показали добрий зб!г результате (1.8 + ЗЯС) в меха! тих похибок вим!рювань, як! властив! прий-мачам вкаэаних клас!в.

В свою чергу вим1рк»ання, як! проводилися на УВТ 72А91 в режим! "квадратура Гаусса" ! в рехим! "однотерыопарно! модел!", п!дтверди-

ли, що найб!льша близк!сть результат1в у вказаних режимах забезпы-чуеться при використанн! тид термопар, координата яких найближч! до оптимальных значень, що визначаютьея на основ! теоретичных розраху-нк1в. Розб!жн!ть результат1в при цьому становила 0.3+0.6 %, що, приблизно, втрич! менше основно! похибки останньо! модел1 рад1омет-ра типу ШРК 1 майже на порядок меше похибок робочих засоб!в вим!-рювання 1нтенсивних поток!в теплового випром!нювання.

В зак!нченн1 еформульовано основн! результата дисертац!йно! пра-ц1, проанайзовано 1х в!рог!дн!сть, наведено в1домост1 про апроба— ц!ю прац!, опубл1кування 1 впровадження II результат1в, а також розглянуто перспективи подальших доол1джень.

Васновки.

В диоертац1йн!й прац1 на основ1 анал1тачного тюзв'язання л!н1й-но! ! чисельного-анал1тичного розв'язання нел!н1йно1 крайових задач теплопровЛдност! розроблено теор!ю анал!зу основних складових систематично! похибки вим1рювань сферичного порожнинного рад!ометра 1 здЛйснено оптам1зад1ю його конструкц!! для конкретных систем "коыпаратор-приймач випром1шшання''.

Задропоновано, розроблено 1 вдроваджено нов! високоточн1 способи вим1рчвпння теплового .1 лазерного випром!шшання, засноран! на використанн! комп'ютерно-вим1рювальних систем, як! дозволяютъ зд!йсню-вати автоматичне керування процесои диШржтойтл. ва основ! оптималь-них критерИв екв1валентност! рад1яц1йно! ! електрично! потужност;!.

Розроблено, створено, арестовано 1 впроваджено в практику метро-лог1чного забезпечення установку вищо! точност!, на баз! яко! стае можливим створения державного еталону 1 державно! перев!рочно! схе-ми вим!рювання густини теплового випром!нгвання.

Важливе практичне значения прац! полягае також в ун1вероальноот! б!льшост! з розроблених ! теоретично обгрунтованих способ!в ! засо-

б1в вим1рювання, що в!дкривае широк1 можливост! для Ix подальйого використання при створенн1 нових тип1в високоточних рад1ометричних систем.

Список головних праць, опубл!кованих за темою дисертацП

1. Полевой В.И. Расчет температурного поля многоэлементной модели полостного радиометра // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. "Метрологическое обеспечение измерения высоких температур и параме тров плазмы"-Харьков: ХГНИИМ, 1979.-С.103-105-

2. Полевой В.И. Анализ погрешности образцового преобразователя излучения типа ШРК // Промышленная теплотехника..- 1982.- Т.4. N 1, С. 24-31.

3. Полевой В.И. К вопросу оптимизации теплофизических параметров образцового приемника высокоинтенсивных потоков излучения //Исследования в области высокотемпературных измерений.-Л.:ЕНИИМ,1986.-С. 47-53.

4.А.С. N 1376720. Способ измерения мощности однородных потоков теплового излучения высокой интенсивности. / Назаренко Л.А., Орлов В.А., ПолевоА В.И./ -заявлено 16.01.85, выдано 22.10.87.

. 5. Белых В.В., Назаренко Л.А., Орлов В.А., Полевой В.И. Метрологическое обеспечение измерений потоков теплового излучения // Промышленная теплотехника.- 1987.-Т.9, N 4.-С.80-83.

6. Полевой В.И., Назаренко Л.А., Орлов В.А., Ваксман В.М. Исследование погрешности абсолютного приемника интенсивных потоков теплового излучения // Метрология.- 1987, N10.-С.51-59.

7. Полевой В.И. Основные составляющие систематической погрешности трехслойного полосного радиометра и влияние на них "краевого эффекта" // Вопросы метрологического обеспечения высокотемпературных измерений. -Л. :ВНИИМ, 1987.-С.35-44.

8. A.C. N 1462964. Абсолютный приемник высокоинтенсивных

потоков излучения / Назаренко Л.А., Полевой В.И., Орлов В.А./ -заявлено 29.01,87, выдано - 01.11.88.

9. A.C. N 1533462. Абсолютный приемник высокоинтенсивны! потоков излучения / Назаренко Л.А., Полевой В.И., Орлов В.А., Телегин A.A./ - заявлено 13.01.88, выдано - 01.09.89.

10. A.C. N 1507009. Способ измерения мощности потоков теплового излучения и устройство для его- осуществления / Телегин A.A., , Назаренко Л.А., Астопиева A.M., Полевой В.И., Белых В.В., Калашник A.A./ - заявлено 12.01.87, выдано - 08.05.89.

11. Назаренко Л.А., Полевой В.И. Расчет температурного поля и погрешности абсолютного полостного приемника излучения с учетом локального характера теплоотдачи // Теплофизика высоких температур.-1988. -Т.26, N5.-С.978-984.

12. Назаренко Л.А., Полевой В.И. Теория трехслойного полостного приемника излучения с неоднородной степенью черноты внутренней стенки полости // Инж.-физ. журнал.- 1988.-Т.54, N 4.-С.671-672.

13. A.C. N 1630463. Полостной радиометр / Полевой В.И., Назаренко Л.А., Ваксман В.К.,Телегин А.А'Г/ -заявлено 08.12.88, выдано 22.10.90.

14. A.C. N 1674617. Способ измерения мощйости теплового излучения / Полевой В.И., Назаренко Л.А., Гарбузов A.B., Бубель Г.Я./ - заявлено 24.07.89, выдано 01.05.91.

15. Полевой В.И., Назаренко Л.А., Вершинина Л.П. Тепловой режим и методическая погрешность полостного радиометра для кусочно-однородной аппроксимации поглощения излучения внутренней стенкой полости // Теплофизика высоких температур, - 1991.- Т. 29, N 4.-С.788-797.

16. Полевой В.И., Назаренко Л.А., Гузей В.М. Оптимизация процедуры электрического замещения для полостных радиометров с радиационной и конвективно-радиационной теплоотдачей.//Инж.-

- 23 -

физ.журнал.- 1991.-Т. 60, N 2.-С.310-317.

17. Полевой В.И., Назаренко Л.А., Герасюта Н.И. Сферический полостной приемник интенсивных потоков излучения// Измерительная техника.-1991, N 7.- С.16-19-

18. Назаренко Л.А., Полевой В.И. Теория сферического полостного радиометра и создание на ее основе установки высшей точности для измерения интенсивных потоков теплового излученгя.//Тез.докл.И Международ. Форума по тепломассобмену.-Т2Минск:ИТМО. 1992.-С.143-146.

ПОЛЕВОЙ ВХКТОР ХВАНОВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ

дмаргацП ла здобуття яаукового вгутгвяя кандидата **хаХчккх **7*

Шдписано до друку 17.12. 19ЙЗр. Формат 60 х 90 1/16. 1 друк. л. Тираж 100 екз. Заказ Но

Надруковано,на ротапринт! ДНВО "Метролог1я" м. Харк1В-78, вул. Мироносицька, 40.