[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

EA022126B1 - Method of measuring radiant heat flux in vacuum - Google Patents

Method of measuring radiant heat flux in vacuum Download PDF

Info

Publication number
EA022126B1
EA022126B1 EA201300331A EA201300331A EA022126B1 EA 022126 B1 EA022126 B1 EA 022126B1 EA 201300331 A EA201300331 A EA 201300331A EA 201300331 A EA201300331 A EA 201300331A EA 022126 B1 EA022126 B1 EA 022126B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
temperature
measuring
receiving element
receiver
heat flux
Prior art date
Application number
EA201300331A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201300331A1 (en
Inventor
Александр Иванович Шнип
Сергей Олегович Марач
Original Assignee
Государственное Научное Учреждение "Институт Тепло- И Массообмена Имени А.В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное Научное Учреждение "Институт Тепло- И Массообмена Имени А.В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси" filed Critical Государственное Научное Учреждение "Институт Тепло- И Массообмена Имени А.В. Лыкова Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority to EA201300331A priority Critical patent/EA022126B1/en
Publication of EA201300331A1 publication Critical patent/EA201300331A1/en
Publication of EA022126B1 publication Critical patent/EA022126B1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

The invention relates to heat engineering and can be used in thermal vacuum tests of space crafts, in orbital conditions, in vacuum technological processes. The technical result provides enhancement of accuracy and sensitiveness of measurements in low temperature zones and also widening functional abilities of a technological process of determining incident specific heat flow rate. A method comprises arrangement in a tested volume 12 of a thermal measuring receiver 1 with thermal sensors 3 and 4, spaced to a required base, measuring the thermal sensors signals and recording their temperature values in time. The incident specific heat flow rate is determined for time sequence τ(j=0, 1, 2, ...), set by two integer-valued parameters n and m as, and the specific heat flow rate qfor time τis determined by the formula

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при термовакуумных испытаниях (ТВИ) космических аппаратов, в орбитальных условиях, в вакуумных технологических процессах и т.д.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in thermal vacuum tests (TWI) of spacecraft, in orbital conditions, in vacuum processes, etc.

Известен способ измерения интенсивности лучистых потоков при тепловых вакуумных испытаниях космических аппаратов [1]. Способ включает измерение электрического сопротивления электропроводного термочувствительного элемента. Согласно способу определяют электрическое сопротивление электропроводного приемного термочувствительного элемента, температуру его фронтальной приемной площадки и температуру обратной стороны несущего корпуса специального устройства с термочувствительным элементом, затем вычисляют интенсивность удельного падающего лучистого потока. Интенсивность лучистых потоков падающего излучения на контролируемый участок космического аппарата (Чтвк) и эффективного излучения контролируемого участка космического аппарата (чКА) определяют из соотношений =к-о-(£-Т,Л-Т/), (1)A known method of measuring the intensity of radiant flux during thermal vacuum tests of spacecraft [1]. The method includes measuring the electrical resistance of an electrically conductive thermally sensitive element. According to the method, the electrical resistance of the electrically conductive receiving thermosensitive element, the temperature of its front receiving platform and the temperature of the back side of the supporting body of the special device with the thermosensitive element are determined, then the intensity of the specific incident radiant flux is calculated. The intensity of the radiant flux of the incident radiation to the controlled spacecraft (H TVK ) and the effective radiation of the controlled spacecraft (h KA ) is determined from the relations = k-o- ( £ -T, L- T /), (1)

4»=Κ·Ο·[(^5)·Τ2’-(1.8)·Τ,η, (2) тах^ Γπίη где - т / т - относительный оптический параметр;4 "= Κ · Ο · [(^ 5) · Τ 2 '- (1.8) · Τ, η, (2) max ^ Γπίη where - t / t is the relative optical parameter;

8=85/80 - относительный геометрический параметр - отношение площади боковой поверхности (8б) корпуса устройства к площади его основания (8О);8 = 85/80 - relative geometric parameter - the ratio of the lateral surface area (8 b ) of the device to the base area (8 O );

(^δΚΙ+δ)] - безразмерный коэффициент; σ - постоянная Стефана-Больцмана; σ=5,67-10-8 Вт/(м24).(^ δΚΙ + δ)] is the dimensionless coefficient; σ is the Stefan-Boltzmann constant; σ = 5.67-10 -8 W / (m 2 -K 4 ).

Недостатками способа являются большая инерционность, неудобство использования из-за необходимости получения данных в установившемся тепловом режиме для двух положений реализующего способ специального устройства, а также наличие паразитных стоков тепла через узлы крепления устройства, чем обусловлена и невысокая точность измерений.The disadvantages of the method are the large inertia, the inconvenience of using due to the need to obtain data in the steady state thermal regime for two positions of the special device that implements the method, as well as the presence of parasitic heat sinks through the attachment points of the device, which results in low measurement accuracy.

Известны также способы измерения, которые используются в калориметрических, термоэлектрических и фотометрических приемниках лучистой энергии [2]. В калориметрических приемниках лучистой энергии используется способ измерения лучистых тепловых потоков, в котором теплоноситель, протекающий по внутреннему каналу калориметра, подогревается поглощенной лучистой энергией, падающей на входную площадь калориметра. Внутренняя поверхность калориметра зачернена, что обусловливает отсутствие избирательности по длинам волн принимаемого излучения. Наружная теплоизоляция приемника обеспечивает отсутствие влияния посторонних тепловых потоков на его показания. По известному расходу теплоносителя и измеренной температуре его на входе и выходе из калориметра определяется поглощаемая мощность. Интенсивность лучистого потока определяется из равенства мощности, поглощенной теплоносителем и падающей на известную входную площадь калориметра.Also known are measurement methods that are used in calorimetric, thermoelectric and photometric radiant energy receivers [2]. In radiant energy calorimeters, a method for measuring radiant heat fluxes is used, in which the coolant flowing through the internal channel of the calorimeter is heated by absorbed radiant energy incident on the input area of the calorimeter. The inner surface of the calorimeter is blackened, which leads to the absence of selectivity for the wavelengths of the received radiation. The external thermal insulation of the receiver ensures that there is no influence of extraneous heat fluxes on its readings. The known heat carrier flow rate and its measured temperature at the inlet and outlet of the calorimeter determine the absorbed power. The intensity of the radiant flux is determined from the equality of power absorbed by the coolant and incident on the known input area of the calorimeter.

Недостатками этих способов измерения лучистых тепловых потоков являются большая инерционность, неудобства применения, связанная с необходимостью подвода гибких трубок для подачи теплоносителя, а также ограниченный температурный диапазон применения, определяемый точками кипения и замерзания используемого теплоносителя.The disadvantages of these methods of measuring radiant heat fluxes are the large inertia, the inconvenience of use associated with the need to supply flexible tubes for supplying the coolant, as well as the limited temperature range of application, determined by the boiling and freezing points of the coolant used.

Известен способ измерения лучистых тепловых потоков с использованием болометров, где используется чувствительный элемент, представляющий собой токопроводящий слой металла, нанесенный на диэлектрик, служащий электроизолирующей подложкой [3]. Приготовленный подобным образом чувствительный элемент заключается в стеклянный баллон, в котором поддерживается определенное давление воздуха или какого-либо инертного газа. Баллон имеет окно из материала, прозрачного для излучения той области спектра, для которого предназначается болометр. Проволочные отводы от концов токопроводящего слоя выводят наружу из баллона. Посредством чувствительной аппаратуры измеряют сопротивление чувствительного элемента болометра и по величине этого сопротивления определяют температуру, приобретенную токопроводящим слоем (металлической лентой) вследствие поглощенного им теплового излучения. Таким образом, судят об интенсивности лучистого потока.A known method of measuring radiant heat fluxes using bolometers, where a sensitive element is used, which is a conductive metal layer deposited on a dielectric that serves as an electrically insulating substrate [3]. The sensing element prepared in this way consists of a glass container in which a certain pressure of air or some inert gas is maintained. The cylinder has a window made of a material that is transparent to radiation from the spectral region for which the bolometer is intended. Wire bends from the ends of the conductive layer are brought out from the cylinder. Using sensitive equipment, the resistance of the sensitive element of the bolometer is measured, and the temperature acquired by the conductive layer (metal tape) due to the thermal radiation absorbed is determined by the value of this resistance. Thus, the intensity of the radiant flux is judged.

Недостатком такого способа является низкая чувствительность и неудобства использования, связанные с необходимостью термостабилизации тыльного элемента. К недостаткам способа также относится большая избирательность к определенной области спектра излучения из-за ограниченности окна прозрачности материала баллона, что обуславливает погрешности в определении лучистого теплового потока.The disadvantage of this method is the low sensitivity and inconvenience of use associated with the need for thermal stabilization of the back element. The disadvantages of the method also include greater selectivity for a certain region of the radiation spectrum due to the limited transparency window of the material of the balloon, which leads to errors in the determination of radiant heat flux.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ определения теплового потока в градиентных средах, выбранный в качестве прототипа [4]. Способ включает размещение в нужной области физической исследуемой среды термоизмерительного прибора (приемника) с термочувствительными элементами - термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигнала термодатчика, регистрацию значения разности температур во времени с последующим определением теплового потока. Для из- 1 022126 мерения температур используют различные термочувствительные элементы. Принцип измерения температур с целью определения теплового потока заключается в следующем. Термочувствительные элементы, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, помещаются в исследуемую область среды. В процессе наблюдения термочувствительные элементы меняют свои физические свойства, принимая температуру окружающей среды. Затем изменения физических свойств термочувствительных элементов преобразуются и регистрируются. Применяемые в настоящее время термоизмерительные приборы, таким образом, содержат в себе два функциональных блока: 1) термочувствительный измерительный зонд (термоизмерительный приемник), внутри которого находятся термочувствительные элементы, разнесенные на определенное расстояние друг от друга; 2) блок преобразования и регистрации.Closest to the proposed invention, a method for determining heat flux in gradient media, selected as a prototype [4]. The method includes placing a heat measuring device (receiver) in the desired area of the physical medium under study with temperature-sensitive elements - temperature sensors spaced at the required base, measuring the temperature sensor signal, recording the temperature difference over time, and then determining the heat flux. Various temperature-sensitive elements are used to measure temperatures. The principle of temperature measurement in order to determine the heat flux is as follows. Thermosensitive elements located at a certain distance from each other are placed in the studied area of the medium. In the process of observation, thermosensitive elements change their physical properties, taking the ambient temperature. Then, changes in the physical properties of thermosensitive elements are converted and recorded. Thus, currently used thermo-measuring devices contain two functional units: 1) a thermosensitive measuring probe (thermo-measuring receiver), inside of which are thermosensitive elements spaced a certain distance from each other; 2) conversion and registration unit.

Недостатком известного способа является малая чувствительность в области низких температур, недостаточное быстродействие и надежность процесса измерений.The disadvantage of this method is the low sensitivity in the low temperature region, insufficient speed and reliability of the measurement process.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков повышения эффективности процесса определении падающих удельных лучистых тепловых потоков.The objective of the invention is to remedy these disadvantages of increasing the efficiency of the process of determining the incident specific radiant heat fluxes.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и чувствительности способа в области низких температур, а также расширение функциональных возможностей технологического процесса определения падающих удельных лучистых тепловых потоков.The technical result of the invention is to increase the accuracy and sensitivity of the method in the field of low temperatures, as well as expanding the functionality of the technological process for determining incident specific radiant heat fluxes.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения лучистого теплового потока в вакууме, включающем размещение в исследуемом объеме термоизмерительного приемника с термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигналов термодатчиков и регистрацию значений их температур во времени, согласно изобретению один термодатчик располагают на обратной поверхности приемного элемента термоизмерительного приемника, экранируют эту поверхность от падающего лучистого теплового потока корпусом термоизмерительного приемника, фронтальную плоскую поверхность приемного элемента обращают к падающему лучистому тепловому потоку, а второй термодатчик располагают в корпусе термоизмерительного приемника и регистрируют в последовательные моменты времени ΐ1 (ί=0, 1, 2, ...) значения температур Т1(1) термодатчика на приемном элементе и температур Т2(1) термодатчика на корпусе приемника, при этом полусферический падающий удельный лучистый тепловой поток о, для момента времени η из временной последовательности {τ} (ί=0, 1, 2, ...), задаваемой двумя це— у лочисленными параметрами п и т как ~т+| - рассчитывают по формуле где я, = {р =—Σ?Λ ' О 2т + 1 = Тт'The technical result is achieved by the fact that in the method for measuring radiant heat flux in a vacuum, including placing in a test volume a thermo-measuring receiver with temperature sensors spaced at the required base, measuring the signals of temperature sensors and recording their temperature values over time, according to the invention, one temperature sensor is placed on the back of the receiving element of the heat receiver, shield this surface from the incident radiant heat flux by the body of the heat meter receiver On the other hand, the frontal flat surface of the receiving element is facing the incident radiant heat flux, and the second thermal sensor is placed in the housing of the heat-measuring receiver and the temperature values T 1 are recorded at successive times ΐ 1 (последовательн = 0, 1, 2, ...) ( 1 ) a temperature sensor on the receiving element and temperatures T 2 ( 1 ) of the temperature sensor on the receiver body, with the hemispherical incident specific radiant heat flux o, for time η from the time sequence {τ} (ί = 0, 1, 2, ...), defined by two chains ramie n and m as the ~ t + | - calculated according to the formula where am I, = {p = –Σ ? Λ 'O 2t + 1 = Tt '

С - теплоемкость приемного элемента термоизмерительного приемника;C is the heat capacity of the receiving element of the thermo-measuring receiver;

δ - площадь плоской поверхности приемного элемента, воспринимающей излучение;δ is the area of the flat surface of the receiving element that receives radiation;

δ,π - площадь зазора между приемным элементом и несущим корпусом термоизмерительного приемника;δ, π is the gap area between the receiving element and the bearing housing of the thermo-measuring receiver;

α - термическая проводимость промежутка между приемным элементом и корпусом термоизмерительного приемника;α is the thermal conductivity of the gap between the receiving element and the housing of the heat measuring receiver;

εουί - степень черноты фронтальной поверхности приемного элемента;ε ουί is the degree of blackness of the front surface of the receiving element;

8егг - эффективная степень черноты в зазоре между приемным элементом и корпусом термоизмерительного приемника; 8 erg is the effective degree of blackness in the gap between the receiving element and the housing of the heat-measuring receiver;

σ - постоянная Стефана-Больцмана.σ is the Stefan-Boltzmann constant.

Сущность способа поясняется чертежами на фиг. 1-8, где на фиг. 1 представлена принципиальная термоизмерительного приемника, а фиг. 2-8 - циклограммы параметров, иллюстрирующие процесс измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока.The essence of the method is illustrated by drawings in FIG. 1-8, where in FIG. 1 shows a principal temperature measuring receiver, and FIG. 2-8 are parameters cyclograms illustrating the process of measuring a hemispherical incident specific radiant heat flux.

Термоизмерительный приемник 1 содержит корпус 2 с термодатчиком 4; приемный элемент 8 в виде пластины с фронтальной плоской поверхностью 9 и термодатчиком 3 на обратной поверхности 7, которая экранирована корпусом 2 от падающего лучистого теплового потока с.| из окружающего исследуемого объема 12; стойки 10 для разнесения термодатчиков 3 и 4 на требуемую базу; контроллер 5, соединенный подводящими проводами 6 с термодатчиками 3, 4.The temperature measuring receiver 1 comprises a housing 2 with a temperature sensor 4; receiving element 8 in the form of a plate with a frontal flat surface 9 and a temperature sensor 3 on the reverse surface 7, which is shielded by the housing 2 from the incident radiant heat flux c. from the surrounding test volume 12; racks 10 for spacing temperature sensors 3 and 4 to the required base; controller 5 connected by lead wires 6 to temperature sensors 3, 4.

- 2 022126- 2 022126

Принцип измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока 11 в вакууме предлагаемым способом заключается в следующем.The principle of measuring a hemispherical incident specific radiant heat flux 11 in vacuum by the proposed method is as follows.

Размещают в исследуемом объеме 12 термоизмерительный приемник 1 с термодатчиками 3, 4, которые посредством несущих стоек 10 разносят относительно друг друга на требуемую базу. При этом один термодатчик 3 располагают на обратной поверхности 7 приемного элемента 8 и экранируют поверхности 7 от падающего из исследуемого объема 12 лучистого теплового потока с| корпусом 2 термоизмерительного приемника 1. Фронтальную плоскую поверхность 9 приемного элемента 8 обращают к измеряемому падающему из исследуемого объема 12 полусферическому лучистому тепловому потоку 11. Второй термодатчик 4 располагают в корпусе 2 термоизмерительного приемника 1. Подводящими проводами 6 термодатчики 3 и 4 подсоединяют к контроллеру 5, посредством которого затем регистрируют в последовательные моменты времени ΐ1 (ί=0, 1, 2, ...) значения температур Тцу на приемном элементе 8 с термодатчиком 3 и температур Т2(1) на корпусе 2 с термодатчиком 4 термоизмерительного приемника 1. Изменяющийся во времени падающий на приемный элемент 8 тепловой поток 11 интенсивностью д(1) приводит к вариациям во времени температуры Т1(1) приемного элемента 8, а также температуры Т2(1) корпуса 2. Температура последнего изменяется за счет кондуктивного и конвективного теплообмена с приемным элементом 8 и с окружением, которым является испытуемый объект (на чертеже не показано) и частично источники измеряемого лучистого теплового потока 11 (для боковых сторон корпуса 2). Уравнения теплового баланса для приемного элемента 8 и для корпуса 2 в предположении, что они выполнены из высокотеплопроводного материала и неоднородностями температуры в них можно пренебречь, записываются в видеA temperature measuring receiver 1 with temperature sensors 3, 4 are placed in the test volume 12, which are carried relative to each other to the required base by means of load-bearing racks 10. In this case, one temperature sensor 3 is located on the reverse surface 7 of the receiving element 8 and shield the surface 7 from the radiant heat flux falling from the test volume 12 with | case 2 of the thermo-measuring receiver 1. The front flat surface 9 of the receiving element 8 faces the hemispherical radiant heat flux 11 being measured incident from the test volume 12. The second temperature sensor 4 is located in the case 2 of the thermo-measuring receiver 1. The temperature sensors 3 and 4 are connected to the controller 5 by lead wires 6, by means of which then, at successive times ΐ 1 (ί = 0, 1, 2, ...), the values of Tcu temperatures at the receiving element 8 with temperature sensor 3 and temperatures T 2 ( 1 ) on the housing 2 with the term by the sensor 4 of the thermo-measuring receiver 1. The heat flux 11 of intensity d (1) incident on the receiving element 8 over time leads to time variations in temperature T 1 (1) of the receiving element 8, as well as temperature T 2 (1) of the housing 2. The temperature of the latter changes due to conductive and convective heat exchange with the receiving element 8 and with the environment, which is the test object (not shown in the drawing) and partially the sources of the measured radiant heat flux 11 (for the sides of the housing 2). The heat balance equations for the receiving element 8 and for the housing 2 under the assumption that they are made of highly heat-conducting material and the temperature inhomogeneities in them can be neglected, are written as

где С1=С1т1 - полная теплоемкость приемного элемента 8;where C1 = C1t1 is the total heat capacity of the receiving element 8;

С22т2 - полная теплоемкость корпуса 2;C 2 = c 2 t 2 - full heat capacity of the housing 2;

т1, т2 - масса приемного элемента 8 и корпуса 2 соответственно;t 1 , t 2 - the mass of the receiving element 8 and the housing 2, respectively;

с1, с2 - удельная теплоемкость приемного элемента 8 и корпуса 2 соответственно;with 1 , with 2 - specific heat of the receiving element 8 and the housing 2, respectively;

8ι - площадь внешней поверхности приемного элемента 8;8ι is the surface area of the receiving element 8;

ε1ου1 - коэффициент черноты фронтальной поверхности 9 приемного элемента 8;ε 1ου1 is the blackness coefficient of the front surface 9 of the receiving element 8;

α1;2 - коэффициент тепловой кондуктивной связи (обратная величина к термическому сопротивлению) между приемным элементом 8 и корпусом 2;α 1; 2 - coefficient of thermal conductive coupling (reciprocal of thermal resistance) between the receiving element 8 and the housing 2;

βι,2=θείϊδι - коэффициент термической лучистой связи между приемным элементом 8 и корпусом 2; σ - постоянная Стефана-Больцмана;βι, 2 = θείϊδι - coefficient of thermal radiant communication between the receiving element 8 and the housing 2; σ is the Stefan-Boltzmann constant;

θείϊ - эффективный коэффициент черноты для лучистого теплообмена приемного элемента 8 и корпусом 2;θείϊ is the effective blackness coefficient for radiant heat transfer of the receiving element 8 and the housing 2;

β2,εην=θ2,είτδ2 - коэффициент термической лучистой связи между корпусом 2 и окружением;β 2 , εην = θ 2 , είτδ 2 - coefficient of thermal radiative coupling between the housing 2 and the environment;

е2,егг - эффективный коэффициент черноты для лучистого теплообмена между корпусом 2 и окружением;e 2 , erg is the effective coefficient of blackness for radiant heat transfer between the housing 2 and the environment;

δ2 - площадь внешней поверхности корпуса 2;δ 2 - the area of the outer surface of the housing 2;

Теп„ - эффективная лучистая температура окружения;T ep „is the effective radiant temperature of the environment;

а2,оь_] - коэффициент тепловой кондуктивной связи между корпусом 2 и испытуемым объектом;and 2 , about b_] - the coefficient of thermal conductive coupling between the housing 2 and the test object;

ТоН| - температура испытуемого объекта (на чертеже не показан).T about | - temperature of the test object (not shown in the drawing).

Если температуры Т2(1) и Т2(1)для некоторой последовательности моментов времени известны, то из [5] можно выразить измеряемый тепловой потокIf temperatures T 2 (1) and T 2 (1) for a certain sequence of time instants are known, then from [5] one can express the measured heat flux

Все коэффициенты, входящие в это выражение, могут быть вычислены либо измерены. Производную от температуры по времени вычисляют, зная ее значение в ряде последующих моментов времени. Простейший способ ее вычисления - это конечно-разностная аппроксимацияAll coefficients included in this expression can be calculated or measured. The time derivative of temperature is calculated, knowing its value in a number of subsequent time instants. The simplest way to calculate it is a finite-difference approximation.

Однако при таком способе могут возникнуть значительные погрешности из-за того, что температуры в соседние моменты времени отличаются незначительно и их разность может быть сравнима с погрешностью температурных термодатчиков 3 и 4. Поэтому в предлагаемом способе измерения вычисляют производную, как коэффициент линейной регрессии Т1(1) на 1;, где 1; это 2т+1 последовательных моментов времени, в которые производится измерения температуры, а Т1(1) значения измеренной температуры Т1 в эти моменты. Этот коэффициент, обозначаемый К.Т1, есть коэффициент линейной функции Т(1)=а+КТ11, наилучшим образом аппроксимирующей зависимость экспериментальных данных Т1(1) от 11.However, with this method, significant errors can occur due to the fact that the temperatures at neighboring times do not differ significantly and their difference can be comparable with the error of temperature sensors 3 and 4. Therefore, in the proposed measurement method, the derivative is calculated as the linear regression coefficient T 1 ( 1 ) by 1; where 1; these are 2t + 1 consecutive times at which temperature is measured, and T 1 ( 1 ) is the measured temperature T 1 at these times. This coefficient, designated K. T1 , is the coefficient of the linear function T (1) = a + K T1 1, which best approximates the dependence of the experimental data T 1 ( 1 ) on 1 1 .

- 3 022126- 3 022126

Для случая, когда значения лучистого теплового потока 11 регистрируют через каждые η моментов регистрации температур, коэффициент КТ£ при _)-й регистрации потока рассчитывают как [5] где атр)For the case when the values of the radiant heat flux 11 are recorded after every η moments of temperature registration, the coefficient K Т £ for the _) th registration of the flow is calculated as [5] where atr)

О -г,· ίΛ (6)O-g, ίΛ (6)

Поскольку при расчете производной по времени используются 2т+1 значений измеренной температуры, то для повышения точности расчетов в остальных членах формулы (5), куда входят измеренные значения температур, используют среднее от этих 2т+1 значений, т.е. (Т^ (согласно первому из соотношений (8)) и ее аналог для температуры корпуса (Т2)3. Подставляя (6) в (5) и учитывая последнее замечание, получают расчетную формулу для значений измеренного потока в моменты времени η, определяемые первым из соотношений (7) = 7'-[с4С„ -а,2 (ЗД)->?) - А,2^(<г2>; -&)/)] + σ{τ^, (9) что точно соответствует соотношению (1) согласно в формуле изобретения.Since when calculating the time derivative, 2t + 1 values of the measured temperature are used, then to increase the accuracy of calculations in the remaining terms of formula (5), which includes the measured temperature values, the average of these 2t + 1 values is used, i.e. (Т ^ (according to the first of the relations (8)) and its analogue for the case temperature (Т 2 ) 3. Substituting (6) into (5) and taking into account the last remark, we obtain the calculation formula for the values of the measured flow at time moments η, determined the first of the relations (7) = 7 '- [с4С „-а, 2 (ЗД) -> ? ) - А, 2 ^ (<г 2 >; - &) /)] + σ (τ ^, (9) which exactly corresponds to the ratio (1) according to the claims.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

С этой целью промоделируем работу термоизмерительного приемника 1 на математической модели с использованием уравнений теплового баланса (3) и (4).To this end, we simulate the operation of the thermo-measuring receiver 1 on a mathematical model using the heat balance equations (3) and (4).

Пусть термоизмерительный приемник 1 выполнен так, как показано на фиг. 1, а корпус 2 и приемный элемент 8 термоизмерительного приемника 1 выполнены из алюминия и имеют массы соответственно т2=9 г и т1=3 г.Let the temperature measuring receiver 1 be made as shown in FIG. 1, and the housing 2 and the receiving element 8 of the thermo-measuring receiver 1 are made of aluminum and have masses respectively of t 2 = 9 g and t 1 = 3 g.

Удельная теплоемкость алюминия сАЗ=1256 Дж/(кг-К), что позволяет рассчитать теплоемкости С1=Сд1т1=3,77 Дж/К и С2=Сд1т2=11,3 Дж/К. Рассчитанные коэффициенты термических связей между корпусом и пластиной для данной конструкции составляют α1>2=1,49·10-3 Вт/К, β1,2=ε6££δ1=2·10-4 м2, а площадь и степень черноты наружной поверхности пластины равны 81=1,96· 10-3 м2 и 8^=0,9 соответственно.The specific heat capacity of aluminum with AZ = 1256 J / (kg-K), which allows to calculate the heat capacity C1 = Sd1t1 = 3.77 J / K, and C 2 = Sd1t 2 = 11.3 J / K. The calculated coefficients of thermal bonds between the body and the plate for this design are α 1> 2 = 1.49 · 10 -3 W / K, β1.2 = ε6 £ δ1 = 2 · 10 -4 m 2 , and the area and degree of blackness the outer surface of the plate are 81 = 1.96 · 10 -3 m 2 and 8 ^ = 0.9, respectively.

Будем считать, что термоизмерительный приемник 1 расположен на испытуемом объекте (на чертеже не показано) с кондуктивной термической связью с ним, равной α2,ο£,ι=0.01 Вт/К и лучистой термической связью с окружением, равной β2>6ην=1,2·10-3 м2. Зададим температуру испытуемого объекта Т,)Ь|(1) и температуру окружения для корпуса 2 датчика 1 Τ6ην(ί), как показано на фиг. 2.We assume that the temperature measuring receiver 1 is located on the test object (not shown in the drawing) with conductive thermal coupling with it equal to α 2 , ο £ , ι = 0.01 W / K and radiant thermal coupling with the environment equal to β 2> 6ην = 1.2 · 10 -3 m 2 . We set the temperature of the test object T, ) b | (1) and the ambient temperature for the sensor housing 2 1 6ην ( ί ), as shown in FIG. 2.

Пусть на термоизмерительный приемник 1 падает лучистый поток 11 д(1), заданный так, как показано на фиг. 3. Все приведенные параметры являются типичными для условий проведения термовакуумных испытаний космических аппаратов. Так три уровня теплового потока, заданного на циклограмме фиг. 3, соответствуют эффективной лучистой температуре в полусфере соответственно 20, 80 и -196°С соответственно. Временной интервал на заданных циклограммах соответствует продолжительности одного витка спутника дистанционного зондирования Земли.Let the radiant flux 11 d (1), defined as shown in FIG. 3. All of the above parameters are typical for the conditions of thermal vacuum testing of spacecraft. So the three levels of heat flux specified in the sequence diagram of FIG. 3, correspond to the effective radiant temperature in the hemisphere, respectively, 20, 80 and -196 ° C, respectively. The time interval on the given cyclograms corresponds to the duration of one turn of the Earth’s remote sensing satellite.

Температурный режим термоизмерительного приемника 1 при заданных выше параметрах и циклограммах внешних нагрузок моделировался в пакете Ма1йса4-14. Система уравнений теплового баланса (3), (4) решалась численно с помощью процедуры гкйхеб при начальных условиях Т1(0)=Т2(0)=20°С. Полученные в результате циклограммы температур приемного элемента 8 и корпуса 2 представлены на фиг.The temperature regime of the thermo-measuring receiver 1, with the above parameters and cyclograms of external loads, was modeled in the Ma1ysa4-14 package. The system of heat balance equations (3), (4) was solved numerically using the gkheb procedure under the initial conditions Т 1 (0) = Т 2 (0) = 20 ° С. The resulting temperature patterns of the receiving element 8 and the housing 2 are shown in FIG.

4.4.

Далее процесс измерения теплового потока моделировался следующим образом. По найденным численно массивам температур Т1 и Т2 методом линейной интерполяции были построены функции, позволяющие найти эти температуры в любой момент времени. С помощью этих функций для последовательности равноотстоящих с шагом Αί моментов времени ΐι=ίΔΐ рассчитаны соответствующие этим моментам истинные температуры /о и %.Further, the process of measuring the heat flux was modeled as follows. Using the temperature arrays T1 and T2 found numerically, the functions were constructed using the linear interpolation method to find these temperatures at any time. Using these functions, for a sequence of time instants equally spaced with a step Αίι = ίΔΐ, the true temperatures / о and% corresponding to these moments are calculated.

Процесс измерения температур моделировался зашумлением с помощью генератора случайных чисел этих истинных значений случайной добавкой, распределенной по случайному закону с дисперсией, соответствующей погрешности температурных δΤ термодатчиков 3, 4. В результате получаем два массива экспериментальных (неточных) температур Т1(1) и Тад, моделирующих результаты натурных измерений. На фиг. 5 показан фрагмент циклограмм экспериментальных температур между 10 и 15 минутой для истинных температур, показанных на фиг. 4. Данные соответствуют интервалу времени между измерениями Δΐ=4 с, среднеквадратичная ошибка измерения составляет 5Т=0,1°С.The temperature measurement process was simulated by noise using a random number generator of these true values by a random additive distributed randomly with dispersion corresponding to the error of temperature δΤ temperature sensors 3, 4. As a result, we obtain two arrays of experimental (inaccurate) temperatures T 1 ( 1 ) and T hell modeling the results of field measurements. In FIG. 5 shows a fragment of cyclograms of experimental temperatures between 10 and 15 minutes for the true temperatures shown in FIG. 4. The data correspond to the time interval between measurements Δΐ = 4 s, the standard error of the measurement is 5T = 0.1 ° C.

Затем этим массивы экспериментальных температур и массив моментов времени были обработаны в соответствии с расчетным алгоритмом (6)-(9) для значений η=4 и т=8 и найден измеренный тепловой поток с|еХ|. Результаты расчетов в сравнении с заданным (или реальным) тепловым потоком с.|Then, the arrays of experimental temperatures and the array of moments of time were processed in accordance with the calculation algorithm (6) - (9) for the values η = 4 and m = 8, and the measured heat flux with | ex |. Calculation results in comparison with a given (or real) heat flux s. |

- 4 022126 представлены на фиг. 6.- 4 022126 are presented in FIG. 6.

Для сравнения на фиг. 7 представлены результаты обработки данных измерения по алгоритму, не учитывающему теплоемкость приемного элемента 8 термоизмерительного приемника 1, т.е. без первого члена в квадратных скобках соотношения (9) и расчетов производной от температуры по времени.For comparison, in FIG. 7 shows the results of processing the measurement data according to an algorithm that does not take into account the heat capacity of the receiving element 8 of the thermo-measuring receiver 1, i.e. without the first term in square brackets of relation (9) and calculations of the derivative of temperature with respect to time.

На фиг. 8 представлены результаты моделирования измерения теплового потока для среднеквадратичной ошибки измерения температуры приемного элемента 8 и корпуса 2 термоизмерительного приемника 1 среднеквадратичной ошибки измерения 5Т=0,2°С, которые в сравнении с фиг. 6 иллюстрируют влияние погрешности температуры термодатчиков 3, 4 на точность измерения теплового потока.In FIG. 8 shows the simulation results of the measurement of heat flux for the standard error of the temperature measurement of the receiving element 8 and the housing 2 of the heat measuring receiver 1 of the standard error of the measurement 5T = 0.2 ° C, which, in comparison with FIG. 6 illustrate the effect of temperature error of temperature sensors 3, 4 on the accuracy of heat flow measurement.

На точность предлагаемого способа измерений оказывает влияние также то, насколько точно рассчитаны или измерены коэффициенты, входящие в расчетную формулу (9). Точность измерений можно повысить, введя процедуру тарировки термоизмерительного приемника 1 путем настройки этих параметров по наилучшему соответствию измеренных показаний с заданными значениями падающего потока 11 в условиях заданной тепловой нагрузки.The accuracy of the proposed measurement method is also influenced by how accurately calculated or measured the coefficients included in the calculation formula (9). The measurement accuracy can be improved by introducing the calibration procedure of the thermo-measuring receiver 1 by adjusting these parameters to best match the measured readings with the given values of the incident flow 11 under the conditions of a given heat load.

Разработанный способ испытан в реальных условиях измерения полусферического падающего удельного лучистого теплового потока в вакууме при создании и проектировании космических объектов и обеспечил измерение падающего удельного теплового потока с высокой точностью и чувствительностью в пределах от 10 до 1400 Вт/м2 в интервале температур от -196 до +120°С.The developed method was tested in real conditions for measuring the hemispherical incident specific radiant heat flux in vacuum during the creation and design of space objects and provided the measurement of the incident specific heat flux with high accuracy and sensitivity in the range from 10 to 1400 W / m 2 in the temperature range from -196 to + 120 ° C.

Способ позволяет осуществлять контроль фактических удельных тепловых потоков исследуемых объектов с одновременной индикацией и записью данных в персональный компьютер (ПК), а также осуществлять обмен данными с ПК. Разработанный метод определения падающих удельных лучистых тепловых потоков и модель расчета существенно расширяют функциональные возможности способа, который может быть использован также в различных производственных вакуумных технологических процессах.The method allows to control the actual specific heat fluxes of the studied objects with simultaneous indication and recording of data in a personal computer (PC), as well as to exchange data with a PC. The developed method for determining the incident specific radiant heat fluxes and the calculation model significantly expand the functionality of the method, which can also be used in various industrial vacuum processes.

Источники информации.Information sources.

1. КИ № 2354960, 10.05.2009.1. KI No. 2354960, 05/10/2009.

2. Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982, с. 130.2. Andreichuk O.B., Malakhov N.N. Thermal tests of spacecraft. - M.: Mechanical Engineering, 1982, p. 130.

3. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. - М.: Наука, 1968, с. 50, 56, 254.3. Markov M.N. Infrared receivers. - M .: Nauka, 1968, p. 50, 56, 254.

4. КИ № 94025742 А1, 10.05.1996 (прототип).4. KI No. 94025742 A1, 05/10/1996 (prototype).

5. Радченко С.Г. Методология регрессионного анализа: Монография. - К.: Корнийчук, 2011.- с.5. Radchenko S.G. Regression Analysis Methodology: Monograph. - K .: Korniychuk, 2011.- p.

376.376.

Claims (2)

Способ измерения лучистого теплового потока в вакууме, включающий размещение в исследуемом объеме термоизмерительного приемника с термодатчиками, разнесенными на требуемую базу, измерение сигналов термодатчиков и регистрацию значений их температур во времени, отличающийся тем, что один термодатчик располагают на обратной поверхности приемного элемента термоизмерительного приемника, экранируют эту поверхность от падающего лучистого теплового потока корпусом термоизмерительного приемника, фронтальную плоскую поверхность приемного элемента обращают к падающему лучистому тепловому потоку, а второй термодатчик располагают в корпусе термоизмерительного приемника и регистрируют в последовательные моменты времени ΐ1 (ί=0, 1, 2,...) значения температур Т1(1) термодатчика на приемном элементе и температур Т2(1) термодатчика на корпусе приемника, при этом полусферический падающий удельный лучистый тепловой поток с.], для момента времени η из временной последовательности {тД (]=0, 1, 2,...), задаваемой двумя целочисленными параметрами пит какA method of measuring radiant heat flux in a vacuum, including placing a thermo-measuring receiver in the test volume with temperature sensors spaced at the required base, measuring the signals of temperature sensors and recording their temperature values over time, characterized in that one temperature sensor is located on the back surface of the receiving element of the temperature measuring receiver, screened this surface from the incident radiant heat flux by the housing of the heat-measuring receiver, the frontal flat surface of the receiver about the element is turned to the incident radiant heat flux, and the second temperature sensor is placed in the body of the heat measuring receiver and the temperature values T 1 ( 1 ) of the temperature sensor at the receiving element are recorded at consecutive times ΐ 1 (ί = 0, 1, 2, ...) temperature T 2 ( 1 ) of the temperature sensor on the receiver’s body, with the hemispherical incident specific radiant heat flux s.], for time moment η from the time sequence {tD (] = 0, 1, 2, ...) given by two integer parameters pit like 1 /«+2ю1 / «+ 2yu Τ,=-±- Σ /Τ, = - ± - Σ / 2т+ 1 , рассчитывают по формуле где2t + 1, calculated by the formula where 2т ('Ή2t ('Ή -( //}* 2 /и — V //, 1+1- (//} * 2 / and - V //, 1 + 1 - 5 022126- 5 022126 Μ, =Μ, = 2щ + 1 у«+2т2sh + 1 at + 2t Σν, |=>и где С - теплоемкость приемного элемента;Σν, | => and where C is the heat capacity of the receiving element; δ - площадь воспринимающей измеряемое излучение площадки;δ is the area of the site receiving the measured radiation; διη - площадь зазора между приемным элементом и несущим корпусом;δ ιη is the area of the gap between the receiving element and the bearing body; α - термическая проводимость несущих стоек между приемным элементом и корпусом; εουΐ - степень черноты приемной площадки;α is the thermal conductivity of the supporting racks between the receiving element and the housing; ε ουΐ - the degree of blackness of the receiving area; ε6ίτ - эффективная степень черноты в зазоре между приемным элементом и корпусом; α - постоянная Стефана-Больцмана.ε 6 ίτ is the effective degree of blackness in the gap between the receiving element and the housing; α is the Stefan-Boltzmann constant. Фиг. 5FIG. 5 - 7 022126- 7 022126 Фиг. 8FIG. 8
EA201300331A 2013-02-18 2013-02-18 Method of measuring radiant heat flux in vacuum EA022126B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201300331A EA022126B1 (en) 2013-02-18 2013-02-18 Method of measuring radiant heat flux in vacuum

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201300331A EA022126B1 (en) 2013-02-18 2013-02-18 Method of measuring radiant heat flux in vacuum

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201300331A1 EA201300331A1 (en) 2014-08-29
EA022126B1 true EA022126B1 (en) 2015-11-30

Family

ID=51419759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201300331A EA022126B1 (en) 2013-02-18 2013-02-18 Method of measuring radiant heat flux in vacuum

Country Status (1)

Country Link
EA (1) EA022126B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5286976A (en) * 1988-11-07 1994-02-15 Honeywell Inc. Microstructure design for high IR sensitivity
RU2180098C2 (en) * 2000-02-29 2002-02-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Device determining intensity of infrared irradiation
RU2353923C1 (en) * 2007-07-02 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts
RU2354960C9 (en) * 2007-07-02 2009-08-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5286976A (en) * 1988-11-07 1994-02-15 Honeywell Inc. Microstructure design for high IR sensitivity
RU2180098C2 (en) * 2000-02-29 2002-02-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" Device determining intensity of infrared irradiation
RU2353923C1 (en) * 2007-07-02 2009-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measurement of radiant fluxes intensity in process of heat-vacuum testing of spacecrafts
RU2354960C9 (en) * 2007-07-02 2009-08-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Device for measuring intensity of luminous flux in thermal-vacuum tests of spacecraft and method of using it

Also Published As

Publication number Publication date
EA201300331A1 (en) 2014-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11686626B2 (en) Apparatus, systems, and methods for non-invasive thermal interrogation
Fritschen et al. Environmental instrumentation
Diller Heat flux
US20160334284A1 (en) System and method for calibrating and characterising instruments for temperature measurement by telemetry
RU2593445C1 (en) Device for determining spectral emissivity of heat-shielding materials at high temperatures
CN103983365B (en) Multi-measuring-head transient radiation heat flow meter and measuring method for thermal radiation heat flow density
Michalski et al. Comparison of two surface temperature measurement using thermocouples and infrared camera
RU2577389C1 (en) Method of calibrating thermoelectric heat flux sensors
CN115452180B (en) High-enthalpy airflow recovery temperature measurement method and measurement device
Rainieri et al. Data processing technique applied to the calibration of a high performance FPA infrared camera
Ligęza Use of natural fluctuations of flow parameters for measurement of velocity vector
EA022126B1 (en) Method of measuring radiant heat flux in vacuum
Shi et al. A new experimental apparatus for measurement of spectral emissivity of opaque materials using a reflector as the dummy light source
Bieszczad et al. Measurement of thermal behavior of detector array surface with the use of microscopic thermal camera
RU2610115C1 (en) Device for determining gas temperature in hollow high-temperature elements of gas turbine engines
Simionescu et al. Heat transfer coefficient measurements using infrared thermography technique
Zhang et al. Thermal measurement and analysis of micro hotplate array using thermography
Pennypacker Instrumentation for epidemiology
RU2452983C1 (en) Gradient meter
RU2607671C1 (en) Method of integral radiating ability measuring using micro furnace (versions)
Hanssen et al. Comparison of direct and indirect methods of spectral infrared emittance measurement
RU2589525C1 (en) Method for remote measurement of temperature
Dziarski et al. Uncertainty of thermographic temperature measurement with an additional close-up lens
TWI393868B (en) Device and method for emissivity measurement
Akafuah et al. Uncertainty analysis of infrared thermography in convective heat transfer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ KZ KG TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): BY RU