Разработка эталонного излучателя для калибровки тепловизоров в виде модели абсолютно черного тела с поворотной сферической излучающей поверхностью, страница 6

Постоянство температуры сферы можно достичь двумя способами:

- использование сферы большой массы и теплоемкости;

- использование высокоточной термостабилизирующей системы управления при малой массе и тепловой инертности сферы.

Первый способ реализован в излучателе в виде протяженного черного тела ПЧТ-540/40/100, разработки ОАО НПП «Эталон», Россия. Прибор имеет массу 60 кг и массу излучателя 17 кг.

В данной работе реализован второй способ термостабилизации. Применена система, состоящая из нагревателя, корпуса и излучателя. Система защищена от потерь энергии теплоизолятором и имеет только одно отверстие для выхода теплового потока – диафрагму. Излучаемый тепловой поток известен и достаточно мал. Такую систему можно считать псевдозамкнутой и применить для ее расчета закон сохранения энергии. Таким образом, тепловая энергия, выделенная на спирали нагревателя при протекании электрического тока, пойдет на нагрев спирали, корпуса и всех элементов конструкции излучателя. Зная массу, теплоемкость и текущую температуру всех элементов можно вычислить тепловую работу, необходимую для нагрева до заданной температуры, и по закону Джоуля – Ленца перевести ее в электрическую работу, а, следовательно, определить время нагрева при заданной мощности нагревателя. Так как система псевдозамкнута, через некоторое время все элементы конструкции будут иметь одинаковую температуру. Это время будет определяться тепловой инерцией системы. Однако система через диафрагму теряет энергию и нуждается в постоянной подкачке. Время, на которое нужно включать спираль и интервал между включениями также рассчитывается  по закону Джоуля – Ленца.

Рассмотрим подробнее нагреватель. Обычно он выполняется в виде спирали из высокоомного провода, намотанной на керамический керн. В данном случае не требуется нагрева спирали до высокой температуры, поэтому можно применить высокоомный изолированный провод (допускающий нагрев до 110°С), намотанный непосредственно на корпус. Такое решение позволит обеспечить хорошую теплопередачу от нагревателя корпусу и  более равномерное распределение температуры.

Эскиз источника излучения представлен на рисунке  4.1.

Источник представляет собой сферу (1), имеющую две поверхности с разными коэффициентами теплового излучения. Датчики температуры (7), установленные для контроля температуры внутри сферы и корпуса. Сфера нагревается спиралью (5), размещенной на внутреннем цилиндрическом корпусе. Теплоизолятор (6) минимизирует потери тепла и способствует, таким образом, поддержанию постоянной температуры излучателя. Передняя стенка корпуса (3) имеет отверстие (диафрагму) для выхода теплового излучения. Ручка (11)  позволяет повернуть в сторону  диафрагмы одну из излучающих поверхностей сферы.

Элементом накопления тепловой энергии в данной конструкции является внутренний цилиндрический корпус (2) и боковые стенки (3, 4) корпуса. Эти элементы конструкции должны обладать максимально возможной теплоемкостью, теплопроводностью и большим коэффициентом излучения внутренней поверхности. Сферический излучатель должен обладать максимальной теплопроводностью, небольшой теплоемкостью и массой. При выполнении этих условий энергия от корпуса будет путем излучения передаваться сфере, которая поглощая либо излучая тепловую энергию будет достаточно быстро достигать температуры корпуса.

Отношение максимального и минимального коэффициента излучения материала сферы (зависящего от способа обработки) должно быть максимальным.

Таким образом, количество теплоты, накапливаемое корпусом должно быть больше, чем накапливаемое сферой. Для выполнения поставленной задачи должны выполняться следующие условия:

- корпус должен накапливать больше теплоты, чем сфера;

- масса корпуса и сферы не должна быть большой.  

5 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИСТОЧНИКА

ИЗЛУЧЕНИЯ И УПРОЩЕННЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Для выбора материалов источника излучения рассчитаем количество теплоты, которое может запасти металл в одном кубическом сантиметре объема. Составим таблицу сравнительных характеристик наиболее используемых в технике металлов.

Таблица 5.1

Сравнительная характеристика металлов

Материал	Теплопровод ность, кал см с град	Теплоемкость, кал/(г град)	Плотность г/см3	К-во теплоты на см3	εmax	εmin	εmax/ εmin
Медь	9444	0,093	8,92	0,829	0,88	0,018	48,9
Алюминий	4915	0,21	2,7	0,567	0,25	0,04	6,25
Латунь	2527	0,09	8,6	0,774	0,61	0,28	2,17
Сталь	1874	0,11	7,89	0,858	0,88	0,13	6,77

ε – коэффициент теплового излучения

Из таблицы следует, что, несмотря на различия в значениях теплоемкости и плотности металлов,  количество  теплоты, запасаемое ими на единицу объема примерно одинаково. Поэтому основным критерием при выборе материала является теплопроводность, т.к. только материал с наибольшей теплопроводностью быстрее передаст энергию от спирали к корпусу и позволит быстрее и равномернее распределить тепло по сфере излучателя. Из таблицы следует, что таким материалом является медь. Медь обладает и другим неоспоримым достоинством: она, в зависимости от способа обработки поверхности, позволяет получить максимальное различие между максимальным и минимальным коэффициентом излучения – 48,8. Максимальный коэффициент теплового излучения меди  0,88, получается при окислении ее поверхности до черноты, минимальный – 0,018 – при тщательной полировке. Коэффициент излучения меди  в диапазоне температур 250 – 400 К постоянен и зависит только от способа обработки поверхности.           Однако существенным недостатком меди является ее склонность к окислению.

Поэтому в качестве материала корпуса и сферы  выбираем сталь.

Сталь обладает и другим неоспоримым достоинством: в зависимости от способа обработки поверхности, позволяет получить максимальное различие между максимальным и минимальным коэффициентом излучения – 6,77. Максимальный коэффициент теплового излучения стали  0,88, получается после пескоструйки, минимальный – 0,13 – при тщательной полировке [5]. Коэффициент излучения стали также как и у меди  в диапазоне температур 250 – 400 К постоянен и зависит только от способа обработки поверхности.