Вольфрамовые лампы накаливания почти не излучают ультрафиолетовых лучей, поэтому они непригодны для испытаний, проводимых с целью выявления возможной деградации. Могут иметь место также серьезные расхождения в результатах испытаний с целью определения теплового воздействия на образцы, если не будут учтены значительные различия в спектральном распределении энергии излучения по отношению к солнечной радиации (см. п.2.3). На рис.2 для сравнения приведено спектральное распределение энергии излучения типичной вольфрамовой лампы накаливания, имеющей температуру нити накала 2600 К, и распределение энергии солнечного излучения. Большая часть энергии, излучаемой вольфрамовой лампой, приходится на инфракрасную область спектра; максимум энергии в спектре соответствует длине волны около 1,0 мкм. В солнечном спектре приблизительно 50% энергии приходится на видимую и ультрафиолетовую части спектра, что соответствует длинам волн короче 0,7 мкм. Лампа с вольфрамовой нитью, заключенная в колбу из кварцевого стекла с галогенным наполнителем, обладает лучшей стабильностью рабочих характеристик на протяжении срока службы.
Сравнение излучения вольфрамовой лампы накаливания с кривыми спектрального
распределения излучения солнечной радиации для воздушных масс 0-1 и 2
 | |
| 391 × 418 пикс. Открыть в новом окне | |
Рис.2
5.4.Дуговые лампы с угольными электродами
При определенных условиях вольтова дуга между угольными электродами может обеспечить излучение, спектральный состав которого близок к солнечному, наблюдаемому на уровне земной поверхности. Однако корректирующие светофильтры все же необходимы, особенно в ультрафиолетовой области. Сгорание электродов не допускает точной локализации и фиксации источника света. Самым большим недостатком вольтовой дуги является ее постепенное затухание. Даже при очень продуманной системе подающего механизма время непрерывного горения не превышает 5 ч.
5.5.Ртутные лампы
Излучение ртутных ламп в красной и инфракрасной областях спектра недостаточно, и их спектр содержит несколько спектральных линий высокой интенсивности. Ртутные лампы используют совместно с вольфрамовыми лампами накаливания в соляриях, а ртутно-ксеноновые газоразрядные лампы используют в целях испытаний на воздействие внешних факторов. Однако высокая интенсивность спектральных линий делает ртутную лампу в большинстве случаев неприемлемой в качестве источника, имитирующего солнечное излучение.
5.6.Светофильтры
Жидкостные фильтры имеют определенные недостатки, например возможность вскипания, зависимость коэффициента пропускания от температуры и дрейф спектральной характеристики во времени. Поэтому предпочтительнее использовать стеклянные фильтры, хотя состав стекла воспроизвести сложнее, чем химический раствор. Для компенсации неодинаковой оптической плотности стекол можно применять пластины разной толщины, подбирая их по методу проб и ошибок. На технологические процессы изготовления стеклянных фильтров имеются патенты, поэтому при выборе нужных фильтров следует руководствоваться рекомендациями изготовителей. Выбор светофильтров зависит от источника излучения и способа его применения. Например, спектр излучения ксеноновой лампы может быть откорректирован при помощи комбинации абсорбционных светофильтров для инфракрасной и ультрафиолетовой областей.
Некоторые стеклянные светофильтры для инфракрасной области спектры имеют тенденцию быстро изменять свои спектральные характеристики под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения. Такое изменение можно в значительной степени предотвратить, поместив между источником излучения и светофильтром для инфракрасной области спектра светофильтр для ультрафиолетовой области спектра. Интерференционные фильтры, основанные не на поглощении, а на отражении нежелательного излучения, меньше нагреваются и обычно более стабильны, чем абсорбционные фильтры.
5.7.Равномерность облучения
Вследствие большой удаленности Солнца от Земли солнечные лучи падают на земную поверхность практически параллельно. Искусственные источники излучения находятся на сравнительно близком расстоянии от испытуемой поверхности, поэтому необходимо предусмотреть средства для направления и фокусирования лучей, чтобы обеспечить равномерное распределение интенсивности излучения в плоскости измерения в заданных пределах (т.е. 1,120 кВт/м
±10%). Этого трудно добиться при использовании ксеноновой лампы с коротким разрядным промежутком, снабженной параболическим рефлектором, вследствие наличия теней от электродов и опор. К тому же температурное свечение анода может создать значительное излучение с более низкой цветовой температурой, несколько смещенной по отношению к основному пучку лучей, если только сама дуга находится в фокусе рефлектора. Равномерность облучения легче получить, используя лампы с длинным разрядным промежутком, укрепленные в желобообразном параболическом рефлекторе. Однако, используя соответствующую технику монтажа, можно облучать большую поверхность с достаточной равномерностью при помощи нескольких ксеноновых ламп с коротким разрядным промежутком.
±10%). Этого трудно добиться при использовании ксеноновой лампы с коротким разрядным промежутком, снабженной параболическим рефлектором, вследствие наличия теней от электродов и опор. К тому же температурное свечение анода может создать значительное излучение с более низкой цветовой температурой, несколько смещенной по отношению к основному пучку лучей, если только сама дуга находится в фокусе рефлектора. Равномерность облучения легче получить, используя лампы с длинным разрядным промежутком, укрепленные в желобообразном параболическом рефлекторе. Однако, используя соответствующую технику монтажа, можно облучать большую поверхность с достаточной равномерностью при помощи нескольких ксеноновых ламп с коротким разрядным промежутком. Обычно рекомендуется размещать источник излучения вне рабочего объема испытательной камеры. Это позволяет избежать возможной деградации оптических элементов, например под воздействием условий повышенной влажности и загрязнения испытуемых образцов озоном, образующимся в результате излучения ксеноновых и других дуговых ламп. При таком размещении источника излучения необходимо принимать во внимание общий коэффициент пропускания материала, закрывающего оконный проем.
Обычно не требуется точной коллимации лучей, за исключением случаев испытания образцов, для которых это необходимо, например солнечных батарей, систем наблюдения за Солнцем и т.п. Однако некоторые технические средства имитации, предназначенные для космических исследований, можно приспособить для изучения солнечной радиации на уровне земной поверхности.
6.КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
6.1.Измерение интенсивности излучения
Наиболее подходящим прибором для контроля интенсивности излучения считается пиранометр, который служит для измерения суммарной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность.
Для измерения интенсивности имитированного солнечного излучения применяют два типа пиранометров. Их действие основано на использовании термопары.
а)Пиранометр Молля-Горчинского
Пиранометр Молля-Горчинского состоит из 14 константаново-манганиновых полосок (10х1х0,005 мм), расположенных таким образом, что их "горючие" спаи лежат в одной плоскости и образуют горизонтальную поверхность, покрытую черным лаком, имеющим низкую теплопроводность.
Концы "холодных" спаев загнуты вниз, чтобы осуществить хороший теплообмен с медной пластиной, имеющей большую теплоемкость. Чувствительная поверхность находится под двумя концентрически расположенными стеклянными полусферическими колпаками.
б)Пиранометр Эпли
Пиранометр Эпли состоит из двух концентрически расположенных серебряных колец толщиной 0,25 мм. Внутреннее кольцо зачернено для обеспечения полного поглощения излучения, а внешнее кольцо выбелено для отражения лучей в видимой и инфракрасной областях спектра. "Горячие" и "холодные" спаи находятся в теплообмене с кольцами, которые заключены в стеклянный баллон диаметром 76 мм, наполненный сухим воздухом.
При измерении этими приборами влияние длинноволновой части инфракрасного излучения образца или излучения стенок испытательной камеры не имеет существенного значения.
Модифицированный пиранометр Молля-Горчинского (соляриметр Киппа) используется в метеорологических службах многих стран. Пиранометр Эпли - один из наиболее широко применяемых в США. Стеклянные оболочки этих приборов плохо пропускают излучения с длиной волн более 3 мкм; это необходимо учитывать в случае применения вольфрамовых ламп накаливания без светофильтров, когда необходим поправочный коэффициент.
6.2.Измерение спектрального распределения энергии
Контроль суммарной интенсивности излучения не представляет трудностей. Труднее провести подробные исследования спектральных характеристик. Существенные спектральные изменения можно определить при помощи недорогостоящих обычных методов измерения, используя пиранометр в сочетании с избирательными фильтрами. Для подробных исследований характеристик распределения энергии необходимо прибегать к использованию сложных спектрорадиометрических приборов.
На практике такая калибровка может быть проведена при обслуживания оборудования его изготовителем или при проверке оборудования метрологической службой. Следует регулярно проводить сопоставление данных, полученных методом с применением фильтров и пиранометров и спектрорадиометрическим методом.
С течением времени могут произойти изменения спектральных характеристик ламп, рефлекторов и светофильтров, что обусловит значительное превышение допустимых отклонений в спектральном распределении энергии излучения. Производственные допуски могут быть настолько велики, что замена лампы приведет к неприемлемым изменениям интенсивности излучения по сравнению с первоначально установленными. Это требует регулярного контроля, однако во время испытания образца детальный контроль спектрального распределения энергии излучения в испытательном оборудовании не всегда возможен.
6.3.Измерение температуры
В связи с высоким уровнем интенсивности излучения необходимо применение соответствующих мер защиты термочувствительных элементов от теплового воздействия излучения как при измерении температуры воздуха в испытательной камере, так и при контроле температур образца и оборудования.
Для данных измерений можно использовать термопару, свободно установленную внутри радиационного экрана. Радиационный экран представляет собой вертикальную мельхиоровую трубку (приблизительно диаметром 15 мм и длиной 70 мм), установленную в металлическом колпаке, расположенном на некотором расстоянии от нее; внутренняя поверхность колпака полируется, а наружная покрывается белой краской.
Для измерения температуры аппаратуры термочувствительные элементы, например термопары, следует устанавливать на внутренней поверхности внешней оболочки, а не прикреплять к наружным поверхностям. Термоиндикаторные краски и воски для контроля температуры облучаемых поверхностей образцов не применяют, так как их характеристики поглощения иные, чем у образцов.
Для приближенного определения максимальной температуры на поверхности образца может быть использован зачерненный термометр. Он состоит из антикоррозионной металлической пластины, предварительно обработанной матово-черным лаком для защиты от атмосферных влияний. Температура пластины может быть измерена биметаллическим термометром.
7.ПОДГОТОВКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОБРАЗЦОВ
7.1.Испытательное оборудование
Оптика испытательного оборудования, лампы рефлекторы и т.п. должны быть чистыми.
Интенсивность излучения в заданной плоскости измерения должна измеряться непосредственно перед каждым испытанием.
Второстепенные параметры испытательного режима, например температуру окружающей среды, влажность, скорость воздуха и др., необходимо контролировать непрерывно в течение всего испытания.
7.2.Образцы
Воздействие тепла на образцы в значительной степени зависит от способа монтажа и положения образца относительно направления излучения. Образцы должны монтироваться либо на опорных стойках, либо на основании с определенными свойствами, например на слое бетона заданной толщины или на слое песка с определенной теплопроводностью и т.п. Все это, а также положение образцов должно быть указано в соответствующей НТД.
Особое внимание следует обратить на состояние поверхности образцов. Их покрытие должно быть чистым и соответствовать требованиям соответствующей НТД. Тепловое воздействие на испытуемые образцы в значительной степени зависит от состояния их поверхностей, поэтому с образцами следует обращаться осторожно. Особенно важно, чтобы не было масляных пленок, а покрытие и грунт полностью отвечали требованиям технологической документации. Датчики температуры необходимо прикреплять к образцам согласно требованиям соответствующей НТД (см. п.6.3).
8.ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
8.1.Соответствие НТД
В соответствующей НТД должны быть указаны допустимые внешние изменения и (или) изменения рабочих характеристик испытуемого образца после требуемого воздействия облучения за указанные периоды времени. Кроме того, оценка результатов может проводиться со следующими целями:
8.2.С целью сравнения с результатами, полученными в естественных условиях
Ухудшение качества материалов и аппаратуры под воздействием солнечных лучей хорошо изучено (см. пп.8.5 и 8.6). Любое значительное расхождение полученных результатов по сравнению с результатами воздействия солнечной радиации в естественных условиях должно подвергаться анализу для установления основных причин такого расхождения, обусловленных испытательным оборудованием, методом испытания или какими-то особенностями образцов.
8.3.С целью определения результатов кратковременного воздействия облучения (тепловом воздействии)