3.Практическое применение теории излучения
3.1.Величина ошибки
Логарифмическое дифференцирование равенства (16) дает
. (19) Точность определения 
выражается ошибкой измерений 
и 
. Так как в обычных условиях испытаний (исключая имитацию условий космического пространства) находится в пределах от 200 до 400 К, ошибка в измерении температуры, например, при измерении температуры 200 К, равная 0,25 К, приведет к общей ошибке в 0,5%. При теплообмене излучением ошибки измерений двух температур имеют большое значение, т.е. необходимо точное измерение разности обеих температур 
и одной из двух температур 
или 
.
выражается ошибкой измерений и . Так как в обычных условиях испытаний (исключая имитацию условий космического пространства) находится в пределах от 200 до 400 К, ошибка в измерении температуры, например, при измерении температуры 200 К, равная 0,25 К, приведет к общей ошибке в 0,5%. При теплообмене излучением ошибки измерений двух температур имеют большое значение, т.е. необходимо точное измерение разности обеих температур и одной из двух температур или . В величины и 
входит электрическая мощность, которая рассеивается в образце и отводится через его поверхность. Эта мощность становится равной мощности излучения только в том случае, когда теплопередача конвекцией становится равной нулю (т.е. только при барометрических давлениях ниже величины, лежащей около 0,01 Н·м
в случае отсутствия отвода тепла через монтажные приспособления).
и входит электрическая мощность, которая рассеивается в образце и отводится через его поверхность. Эта мощность становится равной мощности излучения только в том случае, когда теплопередача конвекцией становится равной нулю (т.е. только при барометрических давлениях ниже величины, лежащей около 0,01 Н·м в случае отсутствия отвода тепла через монтажные приспособления). 3.2.Диапазон волн и энергетический спектр теплового излучения
На рис.12 приведены длины волн 
для различных температур, выраженных в Кельвинах, при которых согласно закону смещения (Вина) (уравнение (15) интенсивность теплового излучения достигает максимума. В пределах температурного диапазона, представляющего особый интерес для климатических испытаний, в большинстве случаев находится в дальней инфракрасной области спектра.
для различных температур, выраженных в Кельвинах, при которых согласно закону смещения (Вина) (уравнение (15) интенсивность теплового излучения достигает максимума. В пределах температурного диапазона, представляющего особый интерес для климатических испытаний, в большинстве случаев находится в дальней инфракрасной области спектра. Закон смещения (Вина)
 | |
| 350 × 242 пикс. Открыть в новом окне | |
Рис.12
Если формулу Планка в приведенном виде проинтегрировать в пределах от 0 до 
и взять отношение величины 
к суммарной мощности излучения 
при той же температуре , то получим приведенную на рис.13 зависимость этого отношения от величин 
и 
соответственно.
и взять отношение величины к суммарной мощности излучения при той же температуре , то получим приведенную на рис.13 зависимость этого отношения от величин и соответственно. Соотношение между величинами - 
и
и  | |
| 280 × 340 пикс. Открыть в новом окне | |
Рис.13
Отсюда следует, что доля мощности излучения в диапазоне от 0 до составляет только 25% суммарной мощности излучения, поскольку 72% мощности излучается в диапазоне от 0 до 
, а 88% суммарной мощности излучения - в диапазоне от 0 до 
. Таким образом, для измерения излучения в пределах вышеупомянутого диапазона температур требуются детекторы излучения, которые сохраняют чувствительность в дальней инфракрасной области спектра. Для оптической системы таких устройств можно использовать, например, материал KPS 5 (44% ТlВг и 56% TlJ) с предельной длиной волны около 45 мкм.
составляет только 25% суммарной мощности излучения, поскольку 72% мощности излучается в диапазоне от 0 до , а 88% суммарной мощности излучения - в диапазоне от 0 до . Таким образом, для измерения излучения в пределах вышеупомянутого диапазона температур требуются детекторы излучения, которые сохраняют чувствительность в дальней инфракрасной области спектра. Для оптической системы таких устройств можно использовать, например, материал KPS 5 (44% ТlВг и 56% TlJ) с предельной длиной волны около 45 мкм. 3.3.Суммарное излучение
Значения удельной суммарной мощности излучения, полученные для ряда температур по закону Стефана-Больцмана (уравнение (14), приведены в табл.3. Уровни минимальной мощности излучения, которые могут быть измерены имеющимися в настоящее время детекторами, лежат в пределах от 10
до 10
Вт. При сравнении измеряемых уровней мощности излучения с данными, приведенными в табл.3, следует обратить внимание на то, что поверхность, с которой улавливается излучение, и детектор образуют телесный угол, представляющий сравнительно малую часть полусферы. Поэтому в этом случае измеряется коэффициент излучения, перпендикулярного к поверхности 
.
по закону Стефана-Больцмана (уравнение (14), приведены в табл.3. Уровни минимальной мощности излучения, которые могут быть измерены имеющимися в настоящее время детекторами, лежат в пределах от 10 до 10 Вт. При сравнении измеряемых уровней мощности излучения с данными, приведенными в табл.3, следует обратить внимание на то, что поверхность, с которой улавливается излучение, и детектор образуют телесный угол, представляющий сравнительно малую часть полусферы. Поэтому в этом случае измеряется коэффициент излучения, перпендикулярного к поверхности . Таблица 3. Полусферическое суммарное излучение для различных температур
| , К | , Вт·м | ||
| 4 | 1,45·10 | ||
| 10 | 5,67·10 | ||
| 50 | 3,54·10 | ||
| 100 | 5,67 | ||
| 200 | 90,7 | ||
| 300 | 459 | ||
| 400 | 1450 | ||
| 500 | 3540 | ||
| 1000 | 56700 | ||
| 2000 | 907000 | ||
4.Методы определения коэффициентов излучения и лучепоглощения
4.1.Общие положения
В указанных ниже пунктах рассматриваются наиболее общие методы определения коэффициентов излучения и лучепоглощения стенок камеры, применимые к испытаниям А и В.
Следует заметить, что коэффициент лучепоглощения некоторых материалов и обработанных поверхностей ощутимо меняется в зависимости от температуры. Поэтому определение коэффициента лучепоглощения необходимо производить в диапазоне температур, соответствующих данному испытанию.
4.2.Определение величины коэффициентов излучения и лучепоглощения стенок камеры
4.2.1.Измерение температуры поверхности образца с известной величиной теплорассеяния при теплообмене между образцом и окружающими стенками камеры в вакууме
Если образец имеет размеры, близкие к размерам испытуемого образца, и коэффициент излучения его известен, то метод обеспечивает максимальное соответствие условий, имитированных в испытательной камере, действительным условиям внешней среды. Эффективная лучепоглощательная способность стенок камеры в таком случае может быть определена путем вычислений на основе данных, полученных при измерениях. Этот метод применяется только тогда, когда разность температур стенок камеры невелика (т.е. находится в пределах, предписанных для испытаний на сухое тепло).
4.2.2.Определение коэффициентов излучения поверхности методом сравнения ее излучения с излучением поверхности, коэффициент излучения которой известен, в случае, если обе поверхности имеют одинаковую температуру
Для этого метода можно с успехом применять детекторы излучения с дополнительными делениями, полученными в результате калибровки по коэффициенту излучения , что дает возможность проводить сравнительные измерения.
, что дает возможность проводить сравнительные измерения. Для калибровки часть поверхности в непосредственной близости от участка поверхности, коэффициент излучения которой следует определить, покрывается пленкой с известным коэффициентом излучения. Тепловое сопротивление этих двух выбранных участков поверхности должно быть, по возможности, мало, так, чтобы обе поверхности имели одинаковую температуру.
Сначала измеряют температуру излучения участка поверхности с известным коэффициентом излучения, при этом на шкале коэффициента излучения устанавливается известное значение. Затем детектор направляют в сторону испытуемой поверхности, а шкалу коэффициента излучения регулируют до тех пор, пока не дойдут до прежнего показания температуры излучения. Значение , считываемое со шкалы коэффициента излучения, представляет среднюю величину, которая выше фактической. Прибор улавливает как отраженные, так и испускаемые лучи; величина отраженного излучения меняется в зависимости от расстояния между поверхностью и детектором. Поскольку среднее значение включает оба вида изменения, а истинная величина относится только к непосредственному излучению, то из этого следует, что среднее значение больше истинной величины. Тем не менее, на практике точность измерений этим методом достаточна.
, считываемое со шкалы коэффициента излучения, представляет среднюю величину, которая выше фактической. Прибор улавливает как отраженные, так и испускаемые лучи; величина отраженного излучения меняется в зависимости от расстояния между поверхностью и детектором. Поскольку среднее значение включает оба вида изменения, а истинная величина относится только к непосредственному излучению, то из этого следует, что среднее значение больше истинной величины. Тем не менее, на практике точность измерений этим методом достаточна. Если требуются более точные измерения, то можно произвести сравнение эталонов с известным коэффициентом излучения и испытуемых частей стенок, которые для этого извлекаются из камеры, при этом возникает необходимость в соответствующих специалистах и оборудовании.
4.3.Проверка поверхности стенок камеры на минимальную величину коэффициента лучепоглощения
В требованиях к лучепоглощательной способности стенок камеры, которые представляются при испытаниях А и В, указаны минимальные значения коэффициентов лучепоглощения. Поэтому во многих случаях достаточно убедиться, что коэффициент лучепоглощения стенок камеры превышает определенную величину. Этого можно достичь, укрепив на стенке камеры пластину, коэффициент лучепоглощения которой равен заданной минимальной величине. Сканируя стенки и пластину с помощью детектора излучения, достаточно отметить большую или меньшую степень черноты пластины по сравнению со степенью черноты стенок камеры.
5.Величины коэффициентов излучения
Величины коэффициентов лучепоглощения различных материалов приводятся в соответствующей литературе и в табл.4.
Таблица 4.Коэффициенты излучения при температуре 
, °С
, °С| Поверхность | , °С | | |
| Золото полированное | 130 | 0,018 | - |
| 400 | 0,022 | - | |
| Серебро | 20 | 0,020 | - |
| Медь полированная | 20 | 0,030 | - |
| Медь полированная, слегка тусклая | 20 | 0,037 | - |
| Медь шероховатая | 20 | 0,070 | - |
| Медь черная, окисленная | 20 | 0,78 | - |
| Медь окисленная | 130 | 0,76 | 0,725 |
| Алюминий полированный, листовой | 170 | 0,039 | 0,049 |
| 500 | 0,050 | - | |
| Алюминий, покрытый бронзовой краской | 100 | 0,20-0,40 | - |
| Литье силуминовое, полированное | 150 | 0,186 | - |
| Никель чистый, неполированный | 100 | 0,041 | 0,046 |
| Никель полированный | 100 | 0,045 | 0,053 |
| Марганец полированный листовой | 118 | 0,048 | 0,057 |
| Хром полированный | 150 | 0,058 | 0,071 |
| Сталь очищенная травленая | 150 | 0,128 | 0,158 |
| Сталь очищенная шлифованная наждаком | 20 | 0,24 | - |
| Сталь, покрытая ржавчиной | 20 | 0,61 | - |
| Стальной прокат | 20 | 0,77 | - |
| 130 | 0,60 | - | |
| Чугун | 100 | 0,80 | - |
| Сталь сильно ржавая | 20 | 0,85 | - |
| Сталь окисленная | 80 | 0,613 | - |
| Сталь нержавеющая (X5CrNi189): | |||
| полированная | 50 | 0,11 | 0,11 |
| 115 | 0,12 | 0,13 | |
| 180 | 0,13 | 0,14 | |
подвергнутая пескоструйной обработке, шероховатость поверхности (среднеарифметическое отклонение  =2,1 мкм) | -70 | 0,44 | 0,43 |
| +40 | 0,46 | 0,45 | |
| (ИСО Р468) | +150 | 0,48 | 0,47 |
| Цинк, окисленный до серого цвета | 20 | 0,23-0,28 | - |
| Свинец, окисленный до серого цвета | 20 | 0,28 | - |
| Висмут чистый | 80 | 0,340 | 0,366 |
| Наждак крупнозернистый | 80 | 0,855 | 0,84 |
| Глина обожженная | 70 | 0,91 | 0,86 |
| Лак для радиаторов | 100 | 0,925 | - |
| Краска (свинцовый сурик) | 100 | 0,93 | - |
| Эмаль лаковая | 20 | 0,85-0,95 | - |
| Лак черный матовый | 80 | 0,970 | - |
| Лак бакелитовый | 80 | 0,935 | - |
| Кирпич, строительный раствор, штукатурка | 20 | 0,93 | - |
| Стекло | 90 | 0,940 | 0,876 |
| Поверхность льда, вода | 0 | 0,966 | 0,918 |
| Лед (грубый) | 0 | 0,985 | - |
| Водомерное стекло, покрытое сажей (угольной краской) | 20 | 0,96 | - |
| Бумага | 95 | 0,92 | 0,89 |
| Древесина (бук) | 70 | 0,935 | 0,91 |
| Кровельный картон | 20 | 0,93 | - |
6.Способы повышения лучепоглощательной способности стенок камеры
6.1.Покрытия и другие способы обработки поверхности
Для того чтобы получить коэффициенты лучепоглощения больше минимальных величин, предписанных для испытаний А и В, поверхность можно покрыть соответствующим лаком или обработать другим способом (например, подвергнуть пескоструйной обработке, химическому чернению).
Следует заметить, что термически черный цвет не обязательно предполагает оптический черный цвет стенки камеры; так, например, признаны вполне приемлемыми стенки камеры, покрытые соответствующим белым лаком.
6.2.Механические структуры
Лучепоглощательную способность можно значительно повысить, используя для стенок камеры ячеистые структуры. Этот способ применим, главным образом, для камер, имитирующих условия в космосе. Для испытательных камер, которые, кроме испытаний на холод и сухое тепло, применяются при испытаниях образцов в условиях влажности, он менее пригоден из-за трудности чистки таких поверхностей.
ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В табл.4 приведены величины интегральных коэффициентов полусферического излучения и коэффициентов излучения, перпендикулярного к поверхности для различных материалов.
и коэффициентов излучения, перпендикулярного к поверхности для различных материалов. Можно отметить, что для тел с гладкими чисто металлическими поверхностями средняя величина отношения 
равна 1,2; для неметаллических тел с гладкими поверхностями средняя величина равна 0,95, а для неметаллических тел с шероховатыми поверхностями величина равна 0,98.
равна 1,2; для неметаллических тел с гладкими поверхностями средняя величина равна 0,95, а для неметаллических тел с шероховатыми поверхностями величина равна 0,98. Коэффициент излучения металлов с повышением температуры увеличивается, а коэффициент излучения неметаллов и окисей металлов с повышением температуры уменьшается.
ПРИЛОЖЕНИЕ K Справочное.ОБЩАЯ БЛОК-СХЕМА ИСПЫТАНИЙ НА ХОЛОД И СУХОЕ ТЕПЛО
 | |
| 850 × 479 пикс. Открыть в новом окне | |