Абсолютний приймач випромінювання

Абсолютний приймач випромінювання, який розміщений в термостатичному корпусі і виконаний у вигляді сферичного порожнинного приймального елемента з вмонтованим в ньому електронагрівачем, а на зовнішній поверхні сферичної оболонки приймального елемента розташовано N блоків термоіндикації, кожний з яких складається з mk послідовно з'єднаних термодатчиків, розташованих вздовж азимутального кола з полярною координатою qk, який відрізняється тим, що всі блоки термоіндикації електрично з'єднані в одну послідовну термобатарею з загальною кількістю термодатчиків М і з рівномірним розташуванням термодатчиків в азимутальному напрямку на по C2 2 (19) 1 3 Таке розташування термодатчиків (наприклад, термопар) дозволяє при їх автономному підключенні до вхідних каналів комп'ютерновимірювальної системи (ПЕОМ з мікропроцесорами) здійснювати абсолютні вимірювання за методом електричного заміщення на основі оптимальних алгоритмів чисельного інтегрування температурного поля приймального елемента радіометра, зокрема на основі квадратурної формули Гауса, яка має найвищий алгебраїчний порядок точності, тобто найвищу точність чисельного інтегрування при заданій кількості термодатчиків N, що в свою чергу забезпечує високу точність реалізації процедури електричного заміщення, а значить і високу точність абсолютних вимірювань. Питання оптимізації процедури електричного заміщення достатньо докладно розглянуто в роботах [2, 3]. Недоліком наведеної моделі радіометра є те, що означений радіометр розраховано на вимірювання лише інтенсивних потоків теплового та лазерного випромінювання, оскільки кожен з N датчиків повинен автономно підключатися до вхідного каналу КВС, а для вимірювання потоків випромінювання малої інтенсивності кількість термодатчиків N і відповідна кількість вхідних каналів КВС повинна бути підвищена у десятки і сотні разів, що визиває суттєві технологічні труднощі та великі матеріальні затрати. За прототип використано порожнинний радіометр [4], який розміщено в термостатованому корпусі і виконано в вигляді сферичного порожнинного приймального елемента з вмонтованим внього електронагрівачем, а на зовнішній поверхні сферичної оболонки розташовано N блоків термоіндикації, кожний з яких складається з mk послідовно з'єднаних термодатчиків, розташованих вздовж азимутальних кіл з полярними координатами Q k. ù é 2R - 4R 2 - d2 2R + 4R 2 + d2 qk = arccosê + xk ú(k = 1,2...N) ú ê 4R 4R ú ê ë û причому азимутальні координати термодатчиків jik та їх кількість mk у блоках термоіндикації знаходяться відповідно за формулами B (i - 1)Dlmin æ i = 1,2...mk ö ÷ ç jik = 1 , BkR sin q1 ç k = 12...N ÷ ø è B 2pR sin q1 (k = 1,2...N) mk = k B1D lmin де Almin - мінімальна відстань між датчиками в азимутальному напрямку по поверхні оболонки порожнини, яка відповідає блоку термоіндикації з полярною координатою qk = q1, який має найменшу довжину азимутального кола, на якому розташовані термодатчики; R - зовнішній радіус оболонки порожнини; Вk - вагові коефіцієнти Гауса, які при наявності в сфері вхідного отвору діаметром d, знаходяться за формулою -2 2R + 4R2 - d2 ' (1 - xk )-1éPN( xk )ù Bk = ê ú ë 2R û ' де PN ( xk ) - значення похідної від РN(хk) при х = хk. 86161 4 Недоліком означеної моделі абсолютного радіометра, як і попередньої, при абсолютних вимірюваннях за методом електричного заміщення є необхідність одночасного вимірювання N показів блоків термоіндикації або термодатчиків шляхом підключення їх до вхідних каналів КВС з подальшою обробкою цих показів за спеціальною програмою, яка повинна вводитися до КВС, тобто застосування ПЕОМ з мікропроцесорами є необхідною умовою використання означених радіометрів. Крім того, розташування термодатчиків на кожному азимутальному колі в точках з азимутальною координатою заданою кутом jik викликає суттєві технологічні труднощі при його виготовленні. Все це обмежує можливості використання розглянутих моделей радіометрів в якості серійних високоточних приладів вимірювання інтенсивності некогерентного або когерентного випромінювання, які потрібні для оснащення, наприклад, територіальних органів Держспоживстандарту або, гідрометеорологічних служб та підприємств пожежної безпеки з метою їх використання в якості прицезійних засобів вимірювання щільності або потужності теплового, лазерного та сонячного випромінювання. В основу заявленого пристрою поставлена задача підвищення ступеня технологічності моделі радіометра, прийнятого за прототип, і продуктивності абсолютних вимірювань за методом електричного заміщення при одночасному збереженні усіх тих метрологічних характеристик, які присутні прицезійному, високочутливому порожнинному радіометру, який прийнято за прототип. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у абсолютному приймачі випромінювання, що складається з термостатованого корпуса, в якому знаходяться сферичний порожнинний приймальний елемент з вмонтованим в нього електронагрівачем і на зовнішній оболонці якого розташовано N блоків термоіндикації, кожний з яких включає mk послідовно з'єднаних термодатчиків, розміщених на азимутальному колі з полярною координатою ù é 2R - 4R2 - d2 2R + 4R2 + d2 xk ú(k = 1,2 ...N) qk = arccos ê + ú ê 4R 4R ú ê û ë (1) блоки термоіндикації, згідно з пропозицією, електричне з'єднані в одну послідовну термобатарею з загальною кількістю термодатчиків М і з рівномірним та симетричним відносно оптичної осі потоку опромінення розташуванням кожної групи mk датчиків з однаковою для усіх блоків термоіндикації відстанню проміж датчикам D1 в азимутальному напрямку по поверхні оболонці приймального елемента, причому кількість термодатчиків М пов'язана з відстанню проміж ними D1 на азимутальному колі співвідношенням M= N å mk k =1 = 2p R N å sin qk Dl k =1 (2) 2 pR sin qk - кількість термодатчиків в Dl кожному блоці термоіндикації; R - зовнішній радіус оболонки приймальної порожнини абсолютного приймача; D1 - відстань між термодатчиками по де mk = 5 поверхні оболонки порожнини в азимутальному напрямку, однакова для усіх блоків термоіндикації; qk - полярна координата розташування термодатчиків в k-тому блоці термоіндикації; d - діаметр вхідного отвору сферичного приймального елемента; М - загальна кільекість термодатчиків в послідовній термобатареї, яку при абсолютних вимірюванях за методом електричного заміщення підключають до вторинного прибору індикації (наприклад, цифрового вольтметру або мультиметра). На Фіг.1 наведено блок-схему запропонованого абсолютного приймача випромінювання, що складається з приймального елемента 1, який виконано в вигляді металевої порожнинної сфери з зовнішнім радіусом R та внутрішнім отвором діаметром d. В приймальний елемент 1 вмонтовано електронагрівач 2, а на його поверхні розташовано блоки термоіндикації 3, електрично з'єднані в одну послідовну термобатарею з загальною кількістю термодатчиків М і з рівномірним розташуванням термодатчиків в азимутальному напрямку на відстані один від одного D1, однаковій для усіх блоків термоіндикації. Абсолютний приймач випромінювання працює таким чином. Вимірюваний потік випромінювання спрямовується через вхідний отвір діаметром d в середину приймальної порожнини 1 і після досягнення стаціонарного режиму, про що свідчить стабілізація показів термобатареї 3, за допомогою вторинного прибору індикації здійснюється вимірювання її вихідного сигналу, яке становить N I1 = å mk Vk (3) k =1 де Vk - показ одного термодатчика з D - того блоку термоіндикації в режимі опромінення (за наявністю вісьової симетрії опромінення порожнинного елемента приймача). Потім потік випромінювання перекривають і вмикають електронагрівач 2, вмонтований в середину приймального елемента 1. Шляхом змінення потужності електронагрівача досягають того, щоб у стаціонарному режимі значення вихідного сигнаN лу термобатареї I2 = å mk Uk , де Uk - показ одk=1 ного термодатчика з k-того блоку термоіндукції в режимі електричного заміщення, стало рівним значенню вихідного сигналу термобатареї її в режимі опромінення світловим потоком, тобто щоб І 2 = І1 Означена вимога може бути записана у вигляді N N (4) å mk Vk = å mkUk k =1 k =1 Після підстановки значень mk формула (4) приймає вигляд N N (5) å mk sin qk = å Uk sin qk k =1 k =1 Далі використовуючи те, що при чисельному інтегруванні температурного поля приймального 86161 6 елемента радіометра за квадратурною формулою Гауса [5], вагові коефіцієнти Вk пропорційні синусам полярних кутів, в яких розташовані блоки термоіндикації (вузли інтегрування), тобто що Вk = KNsinqk, можливо(5) переписати у вигляді N N (6) å VkBk = å UkBk k =1 k =1 Слід відмітити, коефіцієнт пропорційності KN між Вk і sinqk залежить тільки від загальної кількості вузлів інтегрування N і при обраному N однаков для всіх значень k (k = l,2...N). У випадку, коли у режимі електричного заміщення нагрів оболонки порожнини приймача близький до однорідного, тобто коли Uk » U = const, рівняння (6) може бути записано у вигляді N N (7) å VkBk =U å Bk = 2U k =1 k =1 У (7) враховано, що вагові коефіцієнти Гауса [5] нормовані таким чином, що при будь-якій кількості вузлів інтегрування N сума цих коефіцієнтів дорівнює 2. Аналізуючи рівняння (6), та його окремий випадок (7), приходимо до висновку що ці рівняння фактично співпадають з рівняннями наведеними у [4], які використовуються в якості критеріїв еквівалентності оптичної та електричної потужностей при визначенні середньої інтегральної температури зовнішньої поверхні оболонки порожнини на основі квадратурної формули Гауса, хоча в даному випадку на відзнаку від розглянутих моделей не виникає необхідності автономно і одночасно виміряти N показів за допомогою КВС з подальшою їх обробкою з використанням програми, яка б автоматично реалізувала процедуру електричного заміщення на основі критеріїв (6) або (7). При використанні запропонованої моделі приймача випромінювання, таким критерієм стає просто рівність показів термобатареї в режимах опромінення і заміщення, тобто вимога щоб I2 = I 1 а ця вимога переходить в критерії (6) або (7) завдяки тому, що кількість термодатчиків mk в кожному блоці термоіндикації пропорційна ваговим коефіцієнтам Гауса. Дійсно, враховуючи, що Bk = KN sinq , значення mk можна записати у вигляді 2pR 2 pRBk , mk = = LBk , де L = (8) DlKN D lKN Причому якщо відстань D1 між термодатчиками однакова для усіх блоків термоіндикації, то величина L при заданому N е стала величина, а значить mk ~ Bk, що і робить можливим реалізовувати високоточний критерій еквівалентності (6) (в умовах лінійного характеру тепловіддачі радіометра в термостатоване навколишнє середовище). При цьому значення L показує, у скільки разів зростає чутливість запропонованої моделі приймача відносно моделі [1] при однаковій кількості вузлів інтегрування N, оскільки в [1] в кожному вузлі інтегрування qk за формулою Гауса розташовані лише один термодатчик і загальний вихідний 7 сигнал становить Ir = 86161 N å BkVk , причому І r обчис k= 1 люється за допомогою КВС, а в даній моделі при той же потужності випромінювання цей сигнал N становить Ir = å Bk Vk тобто перевищує І r в L раk= 1 зів, крім того вимірювання І може здійснювання простим підключенням термобатареї до вторинного прибору термоіндикації, що і є головною технологічною перевагою розглядаємої моделі відносно моделей [1] і [4]. Відстань А1 проміж термодатчиками в азимутальному напрямку повинна бути однаковою для усіх блоків термоіндукції і вибиратися з одного блоку з умов забезпечення необхідної чутливості приймача випромінювання, а з іншого з умов технологічних можливостей їх взаємного розташування на зовнішній оболонці приймальної пружини. При цьому , ще раз підкреслимо, що для даного приймача випромінювання зростання N не приведе до необхідності підвищення кількості виміряємих величин N з їх подальшою обробкою на КВС за заданим алгоритмом, як це має місто для моделей радіометрів [1] та [4]. Розглянемо конкретний приклад реалізації запропонованої конструкції абсолютного приймача випромінювання для реальних в технологічному відношенні значень геометричних параметрів. Для приймача з зовнішнім радіусом оболонки приймальної порожнини R = 20мм і вхідним отвором порожнини діаметра d = 5мм виберемо кількість блоків термоіндикації N = 5, а відстань проміж термодатчиками(термопарами) по поверхні оболонки в азимутальному напрямку D1 = 0.5мм. При цьому полярні координати, розташування блоків термоіндикації знайдуться за формулою (1), де Xk корені полінома Лежандра Р5(х). Підставляючи R, d та хk в (1), отримаємо q1 = 24.95°, q2 = 57.61°, q3 = 89.77°, q4 = 121.89°, q5 = 154.02° відповідно sinq1 = 0.4218, sinq2 = 0.8444, sinq3 = 0.9999, sinq4 = 0.8489, sinq5 = 0.4380 Тоді кількість термопар в кожному з блоків термоіндикації при D1 = 0.5мм згідно з (2) становить m1 = 106; m2 = 212; m3 = 251; m4 = 213; m5 = 110. Після з'єднання блоків термоіндикації в одну послідовну термобатарею загальна кількість термопар в термобатареї буде становити М = 892. При цьому коефіцієнт підвищення чутливості відносно моделі [1] може бути знайдено за формулою 8 (8). Для знаходження L необхідно спочатку знайти значення вагових коефіцієнтів квадратури Гауса, які в свою чергу знаходяться за формулою -2 2R + 4R2 - d2 ' (9) (1 - x 2 )-1éP5( xk ) ù R ê ú ë û 2R ' де P5 ( x k ) - значення похідної від Р5(хk) в точках х = хk (k = 1,2...5) За формулою (9) для N = 5 значення вагових коефіцієнтів Гауса становить В1 = 0.2376; В2 = 0.4753; В3 = 0.5628; В4 = 0.4776; В5 = 0.2467; Bk Знаходячи KN = , неважко удосконалиsin qk тись, що KN = 0.563 для усіх значень k = 1,2...5. Тоді коефіцієнт підвищення чутливості для наведених значень параметрів приймача випромінювання буде становити L = 446. Цю ж цифру для L можливо отримати приставляючи в (2) значення mk у вигляді (8) тобто mk = LBk Тоді будемо мати N N M = å mk = L å Bk k =1 k =1 Враховуючи, що при будь-якому N, сума вагових коефіцієнтів Bk, дорівнює 2, із (10) для L будемо мати L = M/2 = 446, тобто чутливість запропонованої моделі абсолютного приймача випроимінювання перевищує чутливість радіометра (1) майже на два з половиною порядки, що особливо важливо при вимірюванні потоків випромінювання малої інтенсивності. Таким чином, з'єднання блоків термоіндикації в одну послідовну термобатарею, з розташуванням термодатчиків в кожному з означених блоків на однаковій відстані друг від друга на азимутальних колах з полярними координатами 6ь значно спрощує і прискорює процедуру вимірювань за методом електричного заміщення і суттєво підвищує ступінь технологічності запропонованого приймача випромінювання відносно прототипу [4], а також забезпечує і значне підвищення його чутливості відносно моделі радіометра наведеного в [1]. Література: 1. Авт. свідоцтво СРСР №1630463 2. ТВТ, 1988, т.26 №5 стр. 978-984 3. ИФЖ, 1991, т.60 №2 стр. 310-317 4. Заявка на винахід №94086751 „Порожнинний радіометр" (прототип) (автори B.I. Полевой, А.Л. Назаренко, Л.І. Бондаренко) 5. К.Ч. Бабенко Основы численного анализа М., Наука, 1986г.,744с. Bk = 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86161 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601