Анализ конструкции высокотемпературного черного тела и исследование методов абсолютной и относительной радиометрии

Рисунок 17 - Плавление, спекание смеси внутри тигля

Температурные колебания на графике вызваны тем, что, первоначально происходит вытекания оставшегося слоя расплава, под давлением порошка. Пирометр сфокусирован на поверхности смеси в тигле. Во время вытекания остаточного расплава, смесь локально проваливается, что приводит к изменению расстояния от измеряемой поверхности до пирометра.

Это выражается локальным провалом фокуса пирометра и приводит к колебаниям температуры, информацию о которой передает обратная связь. То есть, температура смеси остается неизменной, просто в области, на которую сфокусирован пирометр, появляются небольшие кратеры, которые и показываются на графике температуры.

Визуально, при наблюдении за процессом через окуляр пирометра, это выглядит как возникновения небольших черных областей. Эти области как раз и являются местами, в которых порошок оседает.

В процессе построения графиков и обсчета полученных данных получилось сформировать отчет, по проведенному эксперименту, результаты которого будут включены в итоговый отчет по предстоящим международным сличениям.

Заполнения прошло успешно, был получен равномерный слиток рения. Температура плавления, зафиксированная в температурной шкале была воспроизведена с точность до сотой градуса Цельсия. Ячейка никак не пострадала и само заполнение в целом можно считать успешным.

Был разработан специальный тигель для осуществления заполнения прокапыванием. Данный метод позволяет добиться наиболее гомогенного распределения расплава в полости ячейки и избежать появления воздушных карманов. Такой способ является наиболее длительным и связан с определенными рисками, как, например, невозможность контролировать процесс заполнения после включения высокотемпературного черного тела.

Экспериментальным путем был выявлен метод, наиболее подходящий для заполнения ячеек такого типа. По проделанной работе был составлен отчет, который был направлен в VNIIMJ (Японский государственный метрологический институт).

8. Процесс предполетной калибровки многозональных сканирующих систем

Процесс предполетной калибровки МСС включает в себя абсолютную и относительную радиометрические калибровки, геометрическую калибровку и спектральную калибровку.

Абсолютная радиометрическая калибровка - это определение калибровочного коэффициента для калибруемого прибора путем сравнения с эталоном единицы физической величины, в данном случае - с эталоном единицы СПЭЯ.

Относительная радиометрическая калибровка - определение чувствительности калибруемого средства измерения к воздействию эталонного источника, размеры воспроизводимых единиц которого не используются в данном методе калибровки.

Геометрическая калибровка - выявление корреляции между физическими размерами объекта, наблюдаемого с помощью аппаратуры, подлежащей калибровке, и выходными данными этого прибора.

Спектральная калибровка - определение изменения радиометрической характеристики каждого спектрального канала по отношению к другому спектральному каналу калибруемого средства измерений, а также определение полосы пропускания канала и длины волны излучения, при которой его чувствительность максимальна.

В процессе предполетных калибровок осуществляются следующие процессы:

- измерение темнового тока всех каналов;

- измерение относительной спектральной характеристики всех каналов;

- установление эффективной спектральной полосы каждого канала;

- определение длины волны максимальной чувствительности канала;

- измерение коэффициента абсолютной радиометрической калибровки;

- определение эквивалентной шумовой яркости каждого канала в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра;

- определение эквивалентной шумовой разницы температур для каналов, работающих в средней и дальней инфракрасной областях спектра;

- измерение мгновенного угла поля зрения, полного угла поля зрения, линейности углов позиционирования и спектрального разрешения.

При радиометрической калибровке особенности оптических схем МСС делают невозможным непосредственное их сличение со вторичными эталонами, аттестованными по Государственному эталону. Для геометрического согласования оптических схем многозональных сканирующих радиометров и вторичных эталонов создаются специальные поверочные установки или так называемые градуировочные стенды. Комплекс требований, предъявляемых к градуировочным стендам и конкретной методике обусловлен тем, что градуировка МСС должна производиться по источнику с известным спектральным распределениям СПЭЯ и, кроме того, излучение источника должно заполнять, как и в эксплуатационных условиях, телесный угол поля зрения прибора.

В России наибольшее распространение получил метод градуировки МСС с использованием в качестве источника сплошного спектра неполной фотометрической сферы, СПЭЯ которой можной определить спектральным компарированием со вторичным эталоном единицы СПЭЯ.

Многоспектральные сканирующие системы обладают рядом специфических особенностей, требующих использования специальных приемов и устройств при калибровках.

Ниже рассмотрены несколько Российских установок, предназначенных для радиометрических калибровок.

Установка “Поиск” для радиометрической калибровки многозональных сканирующих систем.

Установка Поиск была создана для радиометрической калибровки в абсолютных энергетических единицах МСС <<Фрагмент>>, предназначенной для дистанционных измерений полей яркости излучения Земли.

Диффузным излучателем служит интегрирующая сфера диаметром 600 мм. Ее внутренняя поверхность покрыта сульфатом бария, облучается расположенными равномерно снаружи четырьмя галогенными лампами КГМ 12-100. Для обеспечения равномерности освещения в плоскости выходного отверстия интегрирующей сферы установлено опаловое стекло МС 13. Неравномерность распределения яркости не более 0,5 %.

Излучателем второго источника является ленточная стабилизированная светоизмерительная лампа СИ8-200У. Выходная щель монохроматора расположена в фокальной плоскости сферического зеркального коллиматора со световым диаметром 255 мм и фокусным расстоянием 800мм.

Эталонным источником служит светоизмерительная лампа СИ10-300У, помещенная в водоохлаждаемый светозащищенный корпус. Лампа калибруется по эталону единицы СПЭЯ.

Стабильность источников излучения контролируется двумя кремниевыми фотодетекторами, периодически вводимыми в оптический тракт установки.

Таблица 12. Основные составляющие погрешности установки “Поиск”

Установка была введена в эксплуатацию в 1978 году и использовалась для калибровки МСС “Фрагмент”, многоспектральной камеры МКФ, самолетной сканирующей системы С-500 и др. аэрокосмической аппаратуры.

Установка Крона-С для калибровки авиационных и спутниковых спектрометров.

Установка Крона-С была разработана в НПО Планета совместно с ВНИИОФИ. Она использовалась для проведения калибровок авиационного спектрометра Аист, МСС типа ИСОХ-111 Болгарской АН и других подобных приборов.

Установка позволяет определять абсолютную спектральную и интегральную чувствительности по эталонному источнику излучения, а также проверять линейность характеристики преобразования спектрорадиометра в пределах динамического диапазона любого канала.

Установка состоит из:

- монохроматический источник для определения относительной спектральной чувствительности градуируемых каналов радиометра;

- широкоапертурного диффузного излучателя сплошного спектра для определения абсолютной спектральной чувствительности радиометров;

- эталонного излучателя единицы СПЭЯ;

- источника белого света для определения фотоэлектрической чувствительности градуируемых приборов;

- компаратора потоков излучения источников;

- источника питания систем контроля, регулирования, сбора и обработки данных.

Относительная спектральная чувствительность каналов градуируемого радиометра измеряется по его отклику на излучение монохроматического источника, имитирующего удаленный протяженный излучатель с известной относительной СПЭЯ.

Абсолютная спектральная чувствительность каналов в максимуме и интегральная чувствительность определяются расчетно по их откликам на излучение широкоапертурного диффузного источника с известной абсолютной СПЭЯ.

Линейность характеристики преобразования спектрорадиометра проверяется с использованием источника белого света. Этот источник позволяет регулировать интенсивность его излучения более чем на два порядка без изменений спектрального состава.

Исследования источников излучения установки Крона-С показали, что погрешность определения СПЭЯ источника монохроматического потока зависит от длины волны. В диапазоне (0,4-1,0) мкм, являющемся рабочим участком спектра для космических МСС, погрешность этого источника не превышает 5% при доверительной вероятности 0.95.

Описанные установки и методы, предназначены для определения метрологических характеристик и параметров многозональных сканирующих спектрорадиометров. Исследования проводятся в УФ видимой и ИК ближней областях спектра. Градуировка МСС в этих спектральных диапазонах производится по вторичным эталонным источникам излучения.

9. Эталонные источники излучения для калибровки инфракрасных радиометров

Абсолютное черное тело (АЧТ) в теории, является идеальным источником сравнения при дистанционных измерениях характеристик теплового излучения исследуемых объектов и определения их энергетических параметров. При градуировке ИК радиометров собственного теплового излучения природных образований методом близко расположенного пространственно-протяженного источника излучения с меняющейся температурой в качестве источника излучения, используют калиброванную по эталонному образцу МЧТ с большой излучающей поверхностью.

Попытка заменить МЧТ полостью больших размеров с одним отверстием нецелесообразна. Конструкция обладает чрезвычайно громоздкими габаритами, большой энергозатратностью и трудностью поддержания равномерности нагрева стенок полости. Такой излучатель, так же, не может быть применен для бортовой калибровки ИК радиометра. В связи с вышеописанными причинами, при разработке МЧТ с большой излучающей поверхностью используется принцип многокамерности. Многокамерность - конструкция, в которой одну большую излучательную полость заменяют набором небольших полостей или ячеек.

К ММЧТ предъявляется множество требований, которые, в большой степени, определяют ее эксплуатационные характеристики. Основным требованием является возможность получения максимально близкого к единице коэффициента излучения и его равномерность по площади, достижение минимального градиента температуры по высоте элементов излучающей поверхности, небольшая масса модели, для использования ее в качестве бортового калибровочного излучателя.

Выбор формы ячеек зависит от технологичности их изготовления, так как отношение площади отверстия к площади всей поверхности, оказывающее немалое влияние на коэффициент излучения полости, одинаково для рассматриваемых форм ячеек в случае одинаковых углов при вершинах пирамид или конусов.

Формирование излучающей поверхности ярко выраженными полостями связано с возникновением перегородок между ними. Это конструктивное решение не позволяет устранить негативное влияние торцов перегородок, образованных при пересечении боковых поверхностей ячеек, на коэффициент излучения ММЧТ.

На фоне конструкции с ярко выраженными полостями гораздо выгоднее смотрится конструкция с неявно выраженными полостями. Излучающая поверхность такой ММЧТ сформирована путем нарезки повторяющейся структуры из конусовидных или пирамидальных “зубцов”. В следующем разделе будет рассмотрена конструкция излучающей полости, использующая пирамидальные элементы для формирования излучающей полости. В сравнении с конусовидными элементами, пирамидки более просты к изготовлению и не уступают аналогичному варианту в части обеспечения минимального градиента температуры по высоте элементов излучающей поверхности. Такая конструкция обладает меньшим весом, более высоким коэффициентом излучения, что определяет оптимальность ее использования при создании бортового калибровочного излучателя ММЧТ.

Оптимальная модель многокамерного черного тела.

Важным фактором, определяющим степень совершенства МЧТ, является равномерность распределения температуры вдоль излучающей полости.

При работе с неглубокими полостями, наиболее характерными и рациональными при осуществлении принципа многокамерности, неравномерное распределение температуры оказывает значительное влияние на воспроизводимость эталонной единицы. Иначе говоря, отклонение эффективной излучательной единицы от эталонной, приводит к возникновению погрешности более чем 1%. При этом мы не учитываем распределение температуры по боковой поверхности неглубоких полостей.

То есть - неизотермичность модели черного тела оказывает ощутимое влияние на воспроизводимость энергетических параметров излучения. Для уменьшения погрешности необходимо учитывать и по возможности уменьшать неравномерность распределения температуры. В результате, удалось улучшить технические характеристики калибровочных и градуировочных систем, излучателей. В конечном счете получается уменьшить погрешность при измерении энергетических параметров излучения природных образований, явлений.

Решающую роль для ММЧТ при появлении погрешностей при воспроизведении энергетических параметров излучения играет неравномерное распределение температуры на плоскостях конструктивных элементов поверхности излучения. При попытке решить эту проблему методом значительного усложнения конструкции многокамерной модели черного тела, основные изменения коснуться непосредственно излучателя, что, в свою очередь чревато увеличением габарит и веса конструкции. А это неприемлемо, особенно для конструкций калибровочных излучателей космических аппаратов. Данная модификация неизбежно повлечет за собой увеличение массы и размера калибровочного излучателя космического аппарата, что, при предполагаемых условиях эксплуатации недопустимо. Наиболее приемлимым решением является разработка конструкции излучателя с учетом неравномерности температуры, определяемой на основе расчета погрешностей.

Для оценки неравномерности температуры предлагается использовать формулу:

высокотемпературный реперный пирометр калибровка

,

T0 - температура основания элемента излучающей поверхности;

x - коэффициент теплопроводности материала;

q - отношение высоты h элемента излучающей поверхности к шагу нарезки b.

Данное выражение позволяет рассчитать максимальную допустимую высоту элементов поверхности излучения в зависимости от допустимой разности температур оснований и вершин этих элементов. Данное соотношение справедливо в том случае, если отдельно рассматривается поток теплового излучения единичного формообразующего элемента излучающей поверхности ММЧТ без учета процесса радиационного теплообмена с другими элементами. Весь процесс, условно эквивалентен процессу, в котором тепловое излучение со всей площади поверхности рассматриваемого элемента покидает МЧТ.

В действительности же, каждый формообразующий элемент излучающей поверхности участвует в процессе радиационного теплообмена. Этот процесс уменьшает температурный градиент и значительно снижает потери объемной плотности лучистой энергии внутри полости. Эффективная площадь излучающей поверхности ММЧТ соответствует площади проекции этой поверхности на плоскость выходной апертуры ММЧТ, которая, в свою очередь, опирается на вершины формообразующих элементов излучающей поверхности.

При более подробном анализе приходится учитывать тепловые потери, обусловленные излучением с площади боковой излучающей поверхности. Так же необходимо учитывать теплопотерю на сигнальных выводах контактных датчиков. Однако, в ММЧТ, за счет много большей площади излучающей полости относительно площади боковой образующей, площадь таких контактных датчиков достаточно мала, для того, чтобы считать потери на них несущественными.

Помимо процесса радиационного теплообмена, площади излучательной поверхности, необходимо учитывать следующие параметры, влияющие на корректность калибровки ИК радиометров:

- Конструктивные параметры элементов излучательной поверхности.

Элементы излучательной поверхности ММЧТ преимущественно имеют пирамидальную форму, что, в свою очередь приводит к необходимости выбору наиболее оптимального соотношения высоты “зубча” к площади его основания, а также, к выбору оптимального шага нарезки. При правильном выборе соотношения этих величин возможно добиться равномерного распределения температуры, а следовательно добиться понижения плотности фонового излучения.

- Фоновое излучение на выходном отверстии камеры.

При выборе оптимальных конструктивных параметров элементов излучательной поверхности, уровень фонового излучения понижается, что уменьшает погрешность при энергетической градуировке ИК радиометра. Объясняется это тем, что чрезмерно большое фоновое излучение, как в поле видимости радиометра так и за его пределами, вызывают соответствующий сигнал на выходе прибора, который необходимо учитывать при построении градуировочной характеристики. Решением данной проблемы является создание охлаждаемой вакуумной камеры градуировочной установки, которая будет наиболее приближенно имитировать условия работы прибора. То есть открытый космос. В качестве охлаждающего вещества используется жидкий азот. Такой способ охлаждения позволяет поддерживать температуру установки около 120К.

- Материал излучающей поверхности МЧТ.

Выбор материала, из которого будет изготавливаться излучающая полость МЧТ является не менее важным фактором. В качестве материала используется алюминиевый сплав с последующим чернящим анодным оксидированием. При использовании вышеописанного материал возможно считать, что в диапазоне исследуемых природных объектов Земли и бортовых температур от 220 до 320 К коэффициенты излучения окиси алюминия и коэффициенты теплопроводности алюминиевых сплавов могут считаться постоянными, ввиду их невысокого относительного изменения в указанном температурном диапазоне (3-5%). Также, оптимальный шаг нарезки элементов излучающей поверхности будет обратно пропорционален температуре в соотношении 3/2.

- Выбор температурной точки оптимизации конструктивных параметров формообразующих элементов излучающей поверхности ММЧТ.

Этот вопрос может быть решен на основе определения характера отклонения температурной зависимости, при постоянных значениях шага нарезки излучательных элементов.

Обобщая вышесказанное можно сказать, что, для улучшения метрологических характеристик градуировочных и калибровочных излучателей ИК радиометров при разработке ММЧТ необходимо учитывать и использовать возможность осуществления взаимной компенсации влияния таких источников погрешности, как неравномерность температуры по высоте формообразующих элементов излучающей поверхности и неточность обработки этих элементов. Выбор материала, способа охлаждения и температурной точки оптимизации, играют ключевую роль в создании оптимальной ММЧТ.

Заключение

Процесс калибровки бортовой аппаратуры включает в себя множество сторонних процессов, и задействует множество сторонних установок. Также необходимо большое количество предварительных экспериментов. Любая из установок, использующаяся в процессе калибровки и градуировки бортовой аппаратуры для дистанционного зондирования Земли из космоса, нуждается в обеспечении точности и единства воспроизводимых и измеряемых ими величин.

В работе было рассмотрено высокотемпературное черное тело, использующееся в качестве эталонного нагревателя для измерения температуры высокотемпературных реперных точек. В результате этих исследований выявляются показания температур, на основании которых изготавливаются эталонные излучатели, такие как МЧТ. ММЧТ, рассмотренная в работе - улучшенная, и приспособленная под определенные нужды МЧТ.

В результате выполнения курсовой работы магистра было:

Исследована конструкция высокотемпературного черного тела.

Было произведено исследование и сопоставление методов абсолютной и относительной радиометрии.

Было проведено принципиально новое, экспериментальное заполнение ячейки эвтектикой Re-C. Были выявлены и устранены возникшие при проведении эксперимента проблемы.

Были рассмотрены и изучены существующие Российские установки, предназначены для калибровки, градуировки бортовой космической аппаратуры.

Было проведено исследования путей создания оптимальной многокамерной модели черного тела.

Было разработано покрытие излучательной полости ММЧТ, позволявшее устранить ряд проблем с фоновым тепловым излучением и получить наиболее равномерный температурный градиент.

Результаты данной работы могут быть использованы при осуществлении наземной калибровки бортовых ИК радиометров, и другой бортовой космической аппаратуры. Также, данные технологии могут найти применение в медицинской промышленности, в сфере сельского хозяйства, а также в оборонной сфере.

Литература

1. Эпштейн М.И Спектральные измерения в электровакуумной технике. - М.Энергия, 1970.

2. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. - М: Советское радио, 1971.

3. Сафронов Ю.П., Андрианов Ю.Г. Инфракрасная техника и космос. - М.: Советское радио, 1978.

4. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике. Оптический журнал 1998.

5. Богданов А.А. Основные разновидности радиометров, применяемых при дистанционных исследованиях Земли, и их градуировка в единицах.М.: Атомиздат, 1979.

6. Мусяков В.Л. Рождественский А.В. О терминологии в оптико-электронном приборостроении. ОМП, 1983.

7. Ганкевич А.В. Общие принципы построения космической системы для исследования земных ресурсов и контроля состояния окружающей среды. М.: Наука, 1976.

8. Аксютов Л.Н. Градуировка радиометров в абсолютных лучистых величинах. ОПМ, 1968.

9. Аксютов Л.Н. Способы градуировки радиометров. ОПМ, 1969.

10. Балабан В.С. Методика градуировки телерадиометров в абсолютных энергетических единицах. М.:ВНИИФТРИ, 1989.

11. Сагдеев Р.З. Космические исследования и изучение природных ресурсов Земли. М.: Наука 1976.

Размещено на Allbest.ru