---

Способы, основанные на использовании чашечных анемометров и термометра Ката, приемлемы только для больших камер (например, таких, в которые может войти человек), тогда как способы, основанные на использовании термоанемометров, приемлемы для малых камер.

Другие способы, пригодные для измерения скорости воздуха в климатических камерах, описаны в популярной литературе.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

Справочное

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЛУЧЕПОГЛОЩЕНИЯ

1. Введение

Как уже упоминалось в приложении С, теплообмен лучеиспусканием между двумя телами, имеющими разные температуры поверхности, например, между испытуемым образцом и стенками испытательной камеры, зависит от излучательной способности образца и лучепоглощательной способности стенок камеры. Поэтому для того, чтобы иметь возможность сделать вывод относительно поведения образцов в условиях эксплуатации на основании результатов испытания, необходимо знать излучательную и лучепоглощательную способность поверхностей, участвующих в теплообмене лучеиспусканием. Особенно это важно для теплорассеивающих образцов.

В настоящем приложении рассматриваются, главным образом, методы определения излучательной и лучепоглощательной способности, обеспечивающие достаточную точность и имеющие практическое значение для климатических испытаний, а также требующие сравнительно небольшого количества оборудования и малых затрат времени. Точные измерения, такие, как определение излучательной и лучепоглощательной способности в камерах, имитирующих условия в космическом пространстве, требуют применения более дорогостоящих методов. Если имеет место солнечная радиация, то необходимо принимать во внимание различие спектров падающих и уходящих волн и, следовательно, степень поглощения солнечной радиации. Относительно данных методов должны быть сделаны ссылки на соответствующую литературу.

2. Теория излучения

Приведенная ниже теория излучения относится к методам определения коэффициента излучения и лучепоглощения, изложенным в п.4.

Мощность излучения , излучаемая в полусферу с единицы поверхности реального тела при определенной температуре, связана с соответствующей мощностью излучения черного тела при той же температуре следующим выражением

.

- определяется по закону Стефана-Больцмана

, (14)

где - температура, К;

- постоянная Стефана-Больцмана

Вт·м ·К ;

- интегральный коэффициент полусферического излучения.

Распределение энергии излучения в спектре абсолютно черного тела при температуре определяется по формуле Планка, а длина волны максимальной интенсивности излучения - по закону смещения (Вина)

м·К. (15)

На практике равенство (14) обычно применяется в таком виде

,

где ,

где - время, ч.

Для реального тела имеем следующее выражение

. (16)

Для теплообмена излучением между двумя телами при температурах и поток тепла на единицу поверхности определяется по формуле

. (17)

Величина коэффициента лучистого теплообмена зависит от конфигурации участвующих в теплообмене поверхностей, от коэффициента излучения образца и коэффициента лучепоглощения стенок камеры.

Рассмотрим формулу коэффициента лучистого теплообмена двух концентрических сфер, расположенных одна в другой, или двух бесконечно длинных цилиндров, расположенных аналогичным образом, характеризующих случай, часто встречающийся при испытаниях на воздействие внешних факторов, когда испытанию в закрытой испытательной камере подвергается трехмерный образец. Допуская диффузное отражение и применимость закона Ламберта, получим

, (18)

где , - площади рассматриваемых поверхностей. На практике это означает, что чем меньше площадь поверхности (образца) по сравнению с площадью поверхности (стенок камеры) , тем меньше будет влияние коэффициента лучепоглощения стенок камеры на величину коэффициента лучистого теплообмена .

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 .

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).

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.

Закон смещения (Вина)

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.

Соотношение между величинами - и

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.

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 .

Таблица 3

Полусферическое суммарное излучение для различных температур

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.

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.

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