Способ измерения интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных материалов при заданной температуре

(5 Ц 5 6 01,3 5/50 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Государственный институт прикладнойоптики(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОПУСКАНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ ПОЛУП РОЗ РАЧ Н ЫХ МАТЕРИАЛОВ П РИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ Изобретение относится к фотометрии сред и может быть использовано при оценке оптических и радиационных свойств материалов.Известны способы и устройства для измерений коэффициентов пропускания 7, отражения р и излучения е (или поглощения а) полупрозрачных светорассеивающих материалов при нормальных или близких к нормальным температурам, Так, при измерениях по известному способу в изотермическую камеру с непрозрачными стенками, имитирующую черное тело при температуре камеры Т 1, помещают плоский образец исследуемого материала, термостабилизированный при его заданной тек дературе Т 2 ФТ 1, измеряют с помощью фотоприемгтя,.,Ы 1742636 А 1(57) Использование; в области фотометрии сред. Сущность способа: заключается в проведении серии измерений энергетических яркостей (ЗЯ) измеряемого плоского образца при одновременном полусферическом облучении обеих его сторон черными телами при одной температуре, а затем черными телами при двух неодинаковых температурах с последующей заменой положений этих черных тел, а также измерений ЗЯ используемых черных тел при трех температурах, По результатам измерений ЗЯ, проведенных в пяти комбинациях положений черных тел относительно образца, и измерений ЭЯ и трех температур черных тел вычисляют интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отра. жения образца и температурные градиенты этих коэффициентов. 2 ил,ной системы (ФПС) энергетическую яркость(ЗЯ) стенок камеры1, и установленного в ней образца Ь 1, вводят между стенкой камеры и образцом черное тело с темпе- ,Оти ратурай, равной температуре образца Т 2 и мм измеряют ЭЯ образца12 на фоне этого чеоного тела, затем выводят образец из псля зрения трПС и измеряют Эя черноготела 12, ); а коэффициент излучения и сумму коэффициентов пропускания и излучения определяюг по формуламЕ=- (111 -1)/(12 - Ь); (1)7+ Е =(1 12 - 1-1)/(1-2 1-1) (2)Недостатком этого способа является техническая сложность достижения равномерного прогрева (или охлаждения) образцов и установления их температуры, равнойтемпературе черного тела, что, как правило, приводит к заметным погрешностям измерений и (или) требует существенного усложнения измерительного устройства. Другим недостатком является применимость способа только для выполнения спектральных измерений и невозможность или большие методические погрешности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения, спектрально селективных материалов, связанные с тем, что величины названных интегральных коэффициентов для спектров излучения 1(Л Т) черных тел при разных температурах Т 1 и Т 2 в общем случае различны. Например, для интегральных коэффициентов излучения имеТ:е(ЛТ 1) (Л; Т 1) с 1ат 1СО Я(Тг) = ) Г(ЛТ 2)(1 ) ОТ 1 где е(Л Т 1) и е (ЛТ 2) - спектральные коэффициенты излучения образца при температурах Т 1 и Т 2;1 (ЛТ 1) и(ЛТ 2) - спектральные плотности ЭЯ черных тел при температурах Т 1 и Тг, определяемые функциями Планка при этих температурах;Л - длина волны;о - постоянная Стефана-Больцмана.Неравенство е (Т 1) Ф я (Тг) остается . в силе даже в случаях малых разностей температур (Т 1 - Т 2 Т 1), когда в их узких диапазонах практически имеют место равенстват 1) =е(Лтг) =е(Л)Это следует из различного спектрального хода функций ЦЛ, Т)/т" при неодинаковых температурах Т 1 и Т 2 (с ростом температур их максимумы смещаются в сторону коротких длин волн). И только в случае я (Л) = сопзс (для неселективных материалов) справедливо равенство е (Т 1) = е(Т 2). Аналогично (3) имеем также г (Т 1) Ф Г (Т 2) и р (Т 1)р (Т 2)Неучет этого результата при выполнении интегральных измерений известным способом приводит к методическим погрешностям, Например, для определяемой по (1) интегральной величины е, учитывая, что согласно закону сохранения энергии и в соответствии с законом Кирхгофа, устанавливающим численное равенство а(Т 1) = е (Т 1), справедливо соотношение, В -зг Ыз2 -1 2 -3 ет со- спечижание ровне, исклюилизд азца. огрешсоб измерений не требу иальных устройств, обе термичность и поддеробразца на заданном у емя измерений за счет ии установления и втаб ой температуры обр одит к методическим и ений интегральных коэф Этот спо здания спец вающих изо температуры сокращает в чения опера ции задан Однако прив ностям изме 12 - О(5Из (5) при е (Тг) е (Т 1) получаем, что е Ф е (Т 1) и е Ф 8(Т 2). Более того, анализ (5) показывает, что определяемые таким образом величины е не попадают в интервал значений между е(Т 1) и я(Т 2), если величины е(Т) имеют монотонную зависимость от температуры, Аналогичный неопределенный результат имеет место и для двух других интегральных коэффициентов,Известен способ измерений в котором коэффициенты излучения, пропускания и отражения полупрозрачных плоских образцов материалов определяют по результатам фотометрирования ЗЯ при последовательной смсне условий полусферического облучения обеих их сторон, производимого черными телами при трех температурах с обеспечением условия постоянства температуры образца; помещают образец в замкнутую изометрическую камеру и обе его стороны облучают образованным полостью камеры черным телом при температуре стенок камеры Т 1; измеряют ЗЯ образца Ь 1; помещают образец между встречно установленными апертурами двух других черных тел, облучая визируемую сторону черным телом с температурой Тз, а обратную сторону - черным телом с температурой Тг.; измеряют ЭЯ образца 1 зг; меняют положение черных тел относительно сторон образца и визируемую сторону облучают черным телом при температуре Тг, а обратную сторону - черным телом при температуре Тз: измеряют ЭЯ образцагз; измеряют ЭЯ черных тел при всех трех температурах1,2 и 1 з; искомые коэффициенты определяют по формулам5 10 15 20 25 30 В данном способе нет необходимости в равенстве температуры образца температуре того или иногочерного тела, а требуется лищь ее стабильность за время проведения измерений величин ЭЯ ) 11, ) 12, ).21 и ) з 1, входящих в расчетные формулы (8)(12) и (4"), Однако требуется дополнительная операция измерения (а не только стабилизации) температур черных тел, необходимость в которой очевидна из-за температурной зависимости измеряемых интегральных коэффициентов. Другими особенностями являются операции облучения обеих сторон образца, а также признак, определяющий, что известная операция изотропного с обеих сторон освещения образца должна выполняться черными телами при заданной (первой) температуре.Ка фиг. 1 и 2 показаны принципиальные схемы устройства для осуществления способа.В изотермической камере 1, полость которой имитирует черное тело с заданной температурой Т 1, установлены два черных тела 2 и 3 с температурами Т 2 и Тз, не равными Т 1. Они закреплены на поворотном устройстве 4, которое благодаря поочередному развороту по двум осям обеспечивает смену положений черных тел 2 и 3 одного на место другого, а также их совместный разворот на 180. Черные тела излучающими апертурами установлены в одну сторону, Перед апертурой одного из них на минимальном от ее плоскости расстоянии установлен измеряемый образец 5, который, будучи закрепленным на подвижном устройстве 6, может уводиться в сгорону (поз.5) от черных тел и облучаться только стенками камеры 1. Черные тела 2 и 3 имеют по одному сквозному отверстию на их излучающей поверхности, которые необходимы для визирования образца со стороны его подсветки данным черным телом, Эти отверстия в рабочем положении каждого из черных тел располагаются на оптической оси фотоприемной системы, состоящей из объектива 7, спектрально неселективного приемника 8 излучения, преобразующего воспринимаемое в электрический сигнал, неподвижного плоского зеркала 9 и пере 40 ца (21 и ) з 1), интегральные коэффициенты 45излучения (я), пропускания (т) и отражения (р)образца при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов вузком диапазоне температур черных телвблизи заданной (е= бе/с)Т, с= бт/с)Т, г= 50с) р /бТ) рассчитывают по фаомулам ентов г,т ир спектрально селективных мате-, риалов из-за зависимости величин этих коэффициентов от спектров воздействующих на измеряемый образец излучений.Цель изобретения - повышение точности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения полупрозрачных спектрально селективных материалов при заданной температуре и определение температурных градиентов измеряемых коэффициентов в узком диапазоне температур вблизи заданной.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициентов излучения, пропускания и отражения полуп розрачных материалов, заключающемуся в полусферическом облучении плоского образца материала черными телами при трех различных температурах, одна из которых соответствует заданной, измерении с помощью ФПС ЭЯ образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении ЭЯ черных тел и определении коэффициентов излучения,пропускания и отражения образца расчетным путем по результатам измерений, измеряют первую заданную (Т 1), вторую (Т 2) и третью (Тз) температуры чер-, ных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной ФПС ЭЯ образца11) при облучении визируемой и обратной его сторон черными телами при первой температуре, одновременно с облучением виэируемой стороны образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соотвегствующие ЭЯ образца12 и ) 1 з), одновременно с облучением обратной стороны образца черным телом при первой температуре облучают визируемую сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответствующие ЭЯ обраэ а-) )т(т,-т)- я мц)т 2(я г 1) (8)кидного плоского зеркала 10, которое может также направлять поле зрения фотоприемной системы через второе неподвижное плоское зеркало 11 на образец в позиции 5 (или при отсутствии образца - на стенку камеры 1). Для исключения помеховых воздействий черных тел 2 и 3 на ЭЯ образца 5 и стенок камеры 1 внутри камеры установлены экраны с температурой, равной Т 1, (не показаны). Модулятор 12 излучения и регистрирующее устройство 13 также входят в состав фотоприемной системы,Способ осуществляют следующим образом.Устанавливают, стабилизируют и измеряют температуры Т 1, Т 2 и Тз всех черных тел. Желательно, чтобы эти температуры отличались не менее чем на несколько десятков градусов, что необходимо для создания и регистрации надежно воспроизводимых уровней сигналов, Образец 5 закрепляют в держателе 6 и устанавливают в положение 5 (при этом температура образца Т приобретает значение, близкое (практически равное) к температуре камеры Т 1. Зеркало 10 устанавливают в положение, обозначенное штрихами, и измеряют ЭЯ Ь, образца 5 в условиях его изотропного облучения с обеих сторон стенками камеры 1, т,е. черными телами при первой (заданной) температуре Т 1. Затем образец 5 убирают из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ О черного тела при первой температуре Т.Черные тела 2 и 3 устанавливают в положение (справа от образца, с его визируемой стороны), зеркало.10 переводят в положение, обозначенное сплошными линиями, устанавливают образец 5 перед апертурой черного тела 2 и, визируя образец через отверстие в этом черном теле, измеряют его ЭЯ .21, Затем с помощью поворотного устройства 4 меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ образца 1 з 1, После этого с помощью того же устройства 4 устанавливают черные тела в положение 1 (на схеме слева от образца, с его обратной стороны), помещая черное тело 3 непосредственно за образцом, Измеряют ЭЯ образца Ьз, меняют черные тела 2 и 3 местами и измеряют ЭЯ.образца Ьг. Образец 5 удаляют из поля зрения фотоприемной системы и измеряют ЭЯ .г черного тела 2, вновь меняют местами черные тела 2 и 3 и измеряют ЭЯ 1 з черного тела 3,С учетом линейных преобразований излучения при пропускании и отражении и отсутствия многократных отражений между черными телами и образцом запишем зависимости между измеренными интег ральными ЭЯ и искомыми интегральнымикоэффициентами1.ц =е (То) 1.о+ т(Т 1) О +Р (Т 1) Ь; (13)(18)(Т) + Т(Т 2) + р р) = 1,е (Тз)+т(Тз) +р (Тз) =1,(19) 25 Система восьми уравнений (4), (13) - (19)содержит 11 неизвестных величин (две неопределенных я(То) и .о и девять искомых г., г и р при трех температуоах каждая) и в общем виде не может быть решена, Для определения по этим данным интегральных коэффициентов я(Т 1), т(Т 1) и р(Т 1) воспользуемся свойством, подтвержденным экспериментальными и расчетными исследованиями и устанавливающим практически линейную зависимость искомых величин от температуры, Такая зависимость, тем более, имеет место в относительно узком диапазоне используемых температур черных тел (максимально отличающихся 40 друг от друга на величины порядка или неболее 100 К), В этом случае запишем Я (Т 2) = Е (Т 1)+ - (Т 1 - Т 2) =о ебТ 45 =,г (Т 1) + е(Т 2 - Т 1). (20) я (Тз) =г (Т) + е (Тз - Т);(21) т(Т 2) =- х(Т 1) + т (Т;э - Т 1), (22)10 т(Тз) = ъ (Т)+ т(Тз - Т); (23) Р (Т 2) = Р (Т 1) + г (Т 2 - Т 1)(24); 55 рОз) = р(Т 1)+ г(тз- Т 1);(25)Вычисляя при Ь = сапам попарно разности Ь 2 О 1 и 1 з Ь 1 л Ь и 1 з 1 Ь с использованием соотношений (22) - (25), получим две системы уравнений где .о - ЭЯ черного тела при температуре Т, образца (в общем случае ТоТ 1),15 Помимо соотношений(13) - (17) и тождества(4) искомые величины связывают аналогичные (4) выражения при двух других температурах, также следующие из закона сохранения энергии и закона Кирхгофа20,.О 1- О г = р П г) г - р )Тг) Й = р (Т 1) ) г - .1 )г гг Гг-Т 1),(26) каждая из которых содержит по две неизвестные величины; т(Т 1) и т (26) и р(Т 1) и г (27). Путем несложных преобразований из (26) и (27) с учетом равенства (12), получаемого из тождества (4), и соотношений, определяющих интегральные ЭЯ черных тел г = (а/ж) Тг и ).з= (ст/л) Т 3, получаем приведенные выражения (8) - (11),При линейности и постоянстве параметров чувствительности ФПС, включая функционально относящийся к ней модулятор 12, каждый сигнал Оь соответствующий измеренной ЗЯ ) ), может быть представлен в виде О) = к.4-) м), где ) м - ЭЯ лопастей модулятора 1 - коэффициент преобразования, Определяя Ь = ) )+О)/М и подставляя прим = сопзт и к = сопзт соответствующие значения Ь в (8) - (11), выразим измеренные интегральные коэффициенты и их температурные градленты через соответствующие величины электрических сигналов на выходе регистрирующего устройства 13 фотоприемной системы(О-О)(т",-тф)-(ОО,) (т, т",)(а;ц,) т,"(-,-т,)-(и,-ц,) тф(т,-т,) Таким образом, расчет по выражениям (8) - (11) совместно с (4) и (12) позволяет по результатам измерений выходных сигналов ФПС, соответствующих ЗЯ образца в определенных условиях его двухсторонней подсветки черными телами при трех различных температурах и ЭЯ этих черных тел, определить как интегральные коэффициенты излучения, пропускания и отражения этого образца при одной из температур используемых чеоных тел (заданной), так и температурные градиенты этих коэффициентов. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Последнее обстоятельство позволяет по соотношениям (20) - (25) определять величины этих коэффициентов при других температурах в диапазоне температур используемых черных тел.Учет температурной зависимости интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения спектрально селективных материалов, которая принята линейной в диапазоне температур используемых черных тел, способствует исключению методических погрешностей, измерений, имеющих место в известных способах, и тем самым, способствует повышению точности измерений, Дополнительная обработка тех же самых результатов изМерений позволяет непосредственно определять температурные градиенты этих коэффициентов.Формула изобретения Способ измерения интегральных коэф- фициентов излучения, пропускания и отражения, полупрозрачных материалов при заданной температуре, заключающийся в полусферическом облучении измеряемого образца черными телами при трех различных температурах, одн- из которых соответствует заданной, измерении с помощью фотоприемной системы энергетических яркостей образца в различных условиях одновременного облучения обеих его сторон двумя черными телами, измерении энергетических яркостей черных тел и определении коэффициентов излучения, пропускания и отражения образца расчетным путем по результатам измерений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений интегральных коэффициентов излучения, пропускания и отражения спектрально селективных материалов и определения температурных градиентов этих коэффициентов в узком диапазоне температур черных тел вблизи заданной, измеряют первую заданную, вторую и третью температуры черных тел, измеряют с помощью спектрально неселективной фотоприемной системы энергетическую яркость образца при облучении визируемой и обратной его сторон черными телами при первой температуре, одновременно с облучением визируемой стороны1742636 12 30 5 вРедактор С. Патрушева Т Корре кто оши Заказ 2277 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул.Гагарина, 1 образца черным телом при первой температуре облучают обратную сторону образца последовательно черными телами при второй и третьей температурах и измеряют соответствующие энергетические яркости образца, интегральные коэффициенты излучения (е), пропускания (г) и отражения )р) при первой температуре и температурные градиенты этих коэффициентов (е = б е/бТ; т = б гl бТ и г = б р/бТ) в диапазоне температур (Т) черных тел рассчитывают по формулам( -),)тт -т,) . т 4 (т где Т 1, Т 2 и Тз - первая (заданная), вторая и третья температуры черных тел, соответст вен но.) 1, ) 2 и )- интегральные энергетические яркости черных тел при первой, второй и третьей температурах соответственно,) 1 - . интегральная энергетическая яр кость образца при облучении обеих егосторон черными телами при первой температуре;) 12 и ) 1 з - интегральные энергетическиеяркости образца при облучении его визиру емой стороны черным телом при первойтемпературе и его обратной стороны черными телами при второй и третьей температурах, соответственно;) 21 и ) з 1 - интегральные энергетиче ские яркости образца при облучении егообратной стороны черным телом при первой температуре и его визируемой стороны черными телами при второй и третьей температурах соответственно.