Другие предметы \ Основы метрологии и теории измерений

Разработка эталонного излучателя для калибровки тепловизоров в виде модели абсолютно черного тела с поворотной сферической излучающей поверхностью, страница 7

В качестве материала корпуса и сферы  выбираем сталь. Внутренние поверхности  корпуса и одну полусферу полируем, вторую берем после пескоструйки.

В качестве материала нагревателя можно использовать  провод с высоким удельным сопротивлением  из манганина, константана и нихрома. Выбираем нихромовый провод с двойной эмалевой изоляцией ПЭ ВВНХ-2, как материал с наиболее высоким удельным сопротивлением.

Проведем упрощенный тепловой расчет источника излучения. Для чего рассчитаем массу сферы и корпуса, количество теплоты, необходимое для нагрева излучателя до заданной температуры, необходимую для этого мощность спирали.

5.1 Расчет массы сферы.

Для вычисления массы тела по его плотности и объему воспользуемся формулой:

,          (11)

где  ρ – плотность вещества;

V – объем тела.

В нашем случае масса полой сферы:

,

где  ρ – плотность стали  7,89 г/см3;

Vвнеш ,Vвнутр – внешний и внутренний объем сферы соответственно;

Объем сферы вычислим по формуле:

Vc =,          (12)

где     r - радиус сферы

Поскольку диаметр сферы 20 мм и толщина стенок 2 мм, то

Rвнеш = 1 см, rвнутр = 0,8 см.

Тогда

Vc = Vвнеш – Vвнутр =           (13)

Vc =2,04 см3

Тогда

 г

5.2 Расчет массы корпуса

Для вычисления массы тела по его плотности и объему воспользуемся формулой:

,

где  ρ – плотность стали  7,89 г/см3;

Vк – объем корпуса;

Объем корпуса вычислим по формуле:

,           (14)

где  Vцил – объем цилиндра;

Vбок – объем боковых поверхностей;

Vотв. диафр – объем отверстия диафрагмы.

Для расчетов воспользуемся исходными данными:

- длина цилиндра                             l = 8см;

- внутренний диаметр цилиндра    dвн=2,2см;

- наружный диаметр цилиндра      dнар=2,4см;

- диаметр отверстия диафрагмы    dотв.диафр=12мм;

- толщина стенок цилиндра            h =2мм – толщина стенок.

Рассчитаем объем цилиндра по формуле:

Vцил.= ,          (15)

где  dвн - внутренний диаметр цилиндра;

dнар - наружный диаметр цилиндра;

l - длина цилиндра.

Тогда

Vцил = 3,32 см3

Объема боковых стенок рассчитаем по формуле:

,          (16)

где  dвн - внутренний диаметр цилиндра;

h - толщина стенок цилиндра.

Тогда

Vбок = 0,76 см3

Объем отверстия диафрагмы рассчитаем по формуле:

,          (17)

где  dвн - внутренний диаметр цилиндра;

dотв.диафр - диаметр отверстия диафрагмы.

Тогда

Vотв. диафр = 0,15 см3

Тогда объем корпуса будет равен:

Масса корпуса:

5.3 Расчет количества теплоты, необходимого для нагрева источника излучения от минимальной рабочей температуры  до 27 0С

Количество теплоты, полученное телом при нагревании или охлаждении, определяется уравнением:

,          (18)

где  с – удельная теплоемкость тела;

mс – масса сферы;

Тmax  , Тmin – начальная и конечная температура сферы по шкале Кельвина соответственно.

Тогда

Q = 116,74 кал

В системе СИ количество теплоты как любой вид энергии измеряется в джоулях. Соотношение между кал и джоулем имеет вид:

1 кал = 4,2 Дж

Тогда

Q= 490,30 Дж

5.4 Расчет мощности спирали

Работа тока на участке цепи равна:

,                                (19)

где  I – сила тока;

U – напряжение;

t – время, в течении которого совершалась работа.

В формуле (19) выразим либо напряжение через силу тока, либо силу тока через напряжения с помощью закона Ома для участка цепи, то получим три эквивалентные формулы:

Количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, выразим с помощью закона Джоуля – Ленца:

                                 (20)

Эта формула позволяет вычислить количества теплоты, выделяемой на любом участке цепи, содержащем какие угодно проводники.

Любой электрический прибор рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Мощность тока вычислим по формуле:

,                 (21)

где Q – количество теплоты, необходимое для нагрева сферы;

t – время нагрева, равное 100 с.

Тогда

Таким образом, мощности 5 Вт достаточно для быстрого прогрева системы.

5.5 Расчет спирали

Сопротивление спирали R определяется по формуле:

                    (22)

При использовании провода ПЭ ВВНХ-2 максимального сечения 0,4 мм2

длина провода определяется по формуле:

          (23)

Определим количество витков спирали:

          (24)

Тогда   

Спираль равномерно наматываем на внутренний цилиндрический корпус.

Спираль разместится, т.к. при намотке виток к витку без межвиткового интервала длина спирали составит:

а длина корпуса – 80 мм.


6 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ВИДЕ

МОДЕЛИ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА

Структурная схема измерителя представлена в Приложении Б

          Предлагаемое Вашему вниманию устройство является симбиозом оптики, теплотехники и электроники. Устройство состоит из следующих составных частей:

- излучатель;

- объектив;

- нагреватель;

- датчики температуры излучателя;

- датчик температуры окружающей среды;

- система измерения температуры;

- система управления;

- устройство ввода информации;

- индикатор;

- устройство поворота излучателя.

Основной частью устройства является источник инфракрасного излучения (излучатель), выполненный в виде шара с двумя поверхностями, имеющими разные коэффициенты излучения. Интенсивность потока излучения падает пропорционально увеличению расстояния до источника. Задача устройства – создать поток, интенсивность которого не изменяется с увеличением расстояния. Эту функцию выполняет объектив. Существует два способа  изменения направления распространения электромагнитных волн. Первый основан на использовании эффекта преломления, второй – отражения. Эффект преломления используется в объективах, построенных на основе систем линз. Это очень сложные и не широкополосные устройства, так как коэффициент преломления зависит от длины волны. Объективы, построенные на эффекте отражения (система зеркал) свободны от вышеуказанного недостатка, они значительно проще в реализации. Спектр излучения низкотемпературного АЧТ широкополосен и не имеет выраженных максимумов, поэтому в данном случае приемлемо использование только объектива рефлектора, т.е. изготовленного на базе систем зеркал. Рефлектор имеет еще одно преимущество, объективы с большим диаметром и коэффициентом усиления реализуются  проще. Объектив большего диаметра позволит в конечном итоге распределить интенсивность излучения АЧТ по большей площади, а, следовательно, получить поток меньшей величины.

Скачать файл