RU2247339C2

RU2247339C2 - Method and device for measuring emissive power of inner surfaces of non-uniformly heated space

Info

Publication number: RU2247339C2
Application number: RU2003104868/28A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Кирсанов (RU); Н.В. Кирсанов
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2005-02-27

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: method concludes in measuring distribution of temperature on the surfaces of tested space, measuring intensity of radiation at preset spectral range of any tested surface, calculating mutual irradiation of surfaces while taking into account as real distribution of temperature along the surface and presence of emissive-radiating gas inside tested space. Numerical factors are defined relating to members of non-linear equations. Then factors of emission of internal surfaces of non-uniformly heated tested surface are measured. Intensity of radiation is measured induced by non-uniformly heated surface is measured at any site of tested surface by means of device being described in the invention. As this device a spectrometer or radiometer provided with filter corresponding to spectral range are used for measuring intensity of radiation. Device is preliminary calibrated as well as measuring device by means of blackbody model at different temperatures.

EFFECT: improved precision of measurement.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, и может быть использовано в металлургической, химической, электронной, авиационной и других отраслях промышленности.The invention relates to measuring equipment, and in particular to methods and devices for determining the emissivity coefficients of the internal surfaces of a non-uniformly heated cavity, and can be used in metallurgical, chemical, electronic, aviation and other industries.

Знание оптических свойств материалов необходимо для определения лучистого теплообмена между элементами нагретых полостей, например внутренними стенками и дном печей или муфелей, нагретыми электронными элементами компьютеров, а также между ними и находящимися вблизи них заготовками, электронными чипами и другими предметами.Knowledge of the optical properties of materials is necessary to determine the radiant heat exchange between elements of heated cavities, for example, internal walls and the bottom of furnaces or muffles, heated by electronic components of computers, as well as between them and workpieces located near them, electronic chips, and other objects.

Известен “Способ определения коэффициентов излучательной способности и истинной температуры поверхности”, авторское свидетельство №1676336, от 14.06.89 г., в котором производят измерение излучения поверхности с неизвестной и изменяющейся излучательной способностью за счет определения двунаправленных коэффициентов излучательной способности с помощью сравнения сигналов, пропорциональных двунаправленным коэффициентам отражения на двух длинах волн.The well-known “Method for determining emissivity coefficients and true surface temperature”, copyright certificate No. 1676336, dated 06/14/89, in which the radiation of a surface with an unknown and variable emissivity is measured by determining bidirectional emissivity coefficients by comparing signals proportional to bidirectional reflection coefficients at two wavelengths.

Недостатком данного способа является необходимость определения коэффициентов излучательной способности исследуемых поверхностей в лабораторных условиях на образцах.The disadvantage of this method is the need to determine the emissivity coefficients of the investigated surfaces in laboratory conditions on the samples.

Известно устройство для определения интенсивности инфракрасного облучения поверхностей тел с помощью датчиков, теплоизолированных от этих тел, коэффициенты излучательной способности которых такие же, как и коэффициенты излучательной способности объектов, патент РФ №2180098 от 29.02.2000 г., которое дает возможность определять и поддерживать необходимый уровень облучения при проведении модельных стендовых испытаний космических аппаратов с имитацией их нагрева излучением солнца. Для применения данного устройства необходимо, чтобы коэффициенты излучательной способности поверхностей объектов и приемников излучения были предварительно определены.A device is known for determining the intensity of infrared irradiation of the surfaces of bodies using sensors thermally insulated from these bodies, the emissivity coefficients of which are the same as the emissivity coefficients of objects, RF patent No. 2180098 dated 02.29.2000, which makes it possible to determine and maintain the necessary irradiation level during model bench tests of spacecraft with imitation of their heating by solar radiation. To use this device, it is necessary that the emissivity coefficients of the surfaces of objects and radiation receivers be previously determined.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является "Способ определения спектральной излучательной способности (его варианты)", патент РФ №2162210 от 29.12.1999 г., при котором в области справедливости закона Вина на двух длинах волн одновременно измеряют разности обратных значений яркостных температур при двух значениях истинной температуры и отношения коэффициентов направленного спектрального отражения при тех же двух значениях температур для каждой из длин волн и из полученных соотношений определяют искомое значение излучательной способности. Изобретение поясняется структурной схемой осуществления предложенного способа и его варианта.The closest technical solution to the claimed and adopted as a prototype is the "Method for determining the spectral emissivity (its variants)", patent of the Russian Federation No. 2162210 dated December 29, 1999, in which, in the field of validity of the Wien law at two wavelengths, the differences of inverse values are simultaneously measured brightness temperatures at two values of the true temperature and the ratio of the coefficients of the directional spectral reflection at the same two temperatures for each of the wavelengths and from the obtained relations determine the desired e value of emissivity. The invention is illustrated by the structural diagram of the implementation of the proposed method and its variant.

Недостатком данного способа является необходимость проведения измерений спектральной излучательной способности исследуемого материала на образцах. Данный способ не применим для измерения излучательной способности внутренних поверхностей полости, непосредственно в полости без изготовления образцов, так как не учитывает взаимную облученность поверхностей и наличие излучающе-поглощающего газа внутри полости.The disadvantage of this method is the need for measurements of the spectral emissivity of the investigated material on the samples. This method is not applicable for measuring the emissivity of the internal surfaces of the cavity directly in the cavity without making samples, since it does not take into account the mutual irradiation of the surfaces and the presence of a radiation-absorbing gas inside the cavity.

Во многих технических приложениях оба эти фактора могут вносить большие ошибки. Так во многих случаях температуры поверхностей могут быть не постоянными, а иметь большие градиенты. Особенно это относится к устройствам, содержащим протекающий газ с большими градиентами температуры, или к устройствам с источниками подвода или отвода тепла. Тогда отраженное поверхностями излучение может существенно превышать собственное излучение поверхности, внося большую ошибку в измерения. В атмосфере топочных устройств может содержаться большое количество частиц сажи и золы, оптические свойства которых не имеют “окон прозрачности” по длинам волн, а также высокие концентрации при большом давлении паров воды, углекислого газа и других продуктов сгорания, излучающих и поглощающих излучение, что приводит к необходимости учитывать взаимодействие излучения с газом даже в “окнах прозрачности” газа. Кроме этого нахождение простыми способами разрешающих угловых коэффициентов при сложной геометрии исследуемых полостей невозможно.In many technical applications, both of these factors can make big mistakes. So in many cases, the surface temperatures may not be constant, but have large gradients. This is especially true for devices containing leaking gas with large temperature gradients, or for devices with sources of supply or removal of heat. Then the radiation reflected by the surfaces can significantly exceed the intrinsic radiation of the surface, introducing a large measurement error. The atmosphere of combustion devices may contain a large number of soot and ash particles, the optical properties of which do not have “transparency windows” in wavelengths, as well as high concentrations at high pressure of water vapor, carbon dioxide and other combustion products emitting and absorbing radiation, which leads to the need to take into account the interaction of radiation with gas even in the “transparency windows” of the gas. In addition, finding simple resolving angular coefficients with complex geometry of the cavities under study is impossible.

На оптические характеристики исследуемых поверхностей реальных технических объектов влияют наличие загрязнений на поверхностях, время работы объектов при высоких температурах, когда происходит взаимодействие материалов с агрессивными средами и другие факторы. Поэтому образцы для измерения коэффициентов излучательной способности поверхностей в лабораторных условиях изготавливают из находящихся в эксплуатации или отработавших свой срок объектов с учетом необходимости сохранения на образцах имеющихся окислов, сажи и других образований, влияющих на оптические характеристики. При этом снижается точность определения коэффициентов излучательной способности и практически невозможно определить зависимость коэффициентов излучательной способности образцов от времени эксплуатации. Поэтому на практике часто возникает необходимость измерять оптические коэффициенты непосредственно на полостях.The optical characteristics of the studied surfaces of real technical objects are affected by the presence of contaminants on the surfaces, the working time of objects at high temperatures, when materials interact with aggressive media, and other factors. Therefore, samples for measuring the emissivity of surfaces in laboratory conditions are made from objects that are in operation or have worked out their life, taking into account the need to preserve available oxides, soot, and other formations on the samples that affect the optical characteristics. In this case, the accuracy of determining the emissivity coefficients decreases and it is practically impossible to determine the dependence of the emissivity coefficients of the samples on the operating time. Therefore, in practice, it is often necessary to measure the optical coefficients directly on the cavities.

Технической задачей предлагаемого способа и устройства является определение коэффициентов излучательной способности поверхностей неоднородно нагретой полости путем измерения интенсивностей излучения и распределения температур с последующей математической обработкой результатов.The technical task of the proposed method and device is to determine the emissivity coefficients of the surfaces of a nonuniformly heated cavity by measuring radiation intensities and temperature distribution, followed by mathematical processing of the results.

Технический результат в заявленном техническом решении достигается тем, что измеряют температуры и излучение исследуемых поверхностей и вычисляют коэффициенты излучательной способности, при этом измеряют интенсивность излучения (I) в точке каждой исследуемой поверхности, измеряют распределение температуры на внутренних поверхностях, определяют температуру и химический состав газа внутри полости, проводят математическое моделирование распространения излучения в исследуемой полости методом обращения траекторий фотонов, учитывая при этом непостоянство температуры поверхностей и наличие содержащегося в полости излучающе-поглощающего газа, в результате чего определяют числовые коэффициенты (А) при членах в системе нелинейных уравнений, вычисляют с помощью формулы Планка интенсивность в заданном спектральном диапазоне в точке каждой исследуемой поверхности и путем решения системы уравнений получают искомые коэффициенты излучательной способности исследуемых поверхностей.The technical result in the claimed technical solution is achieved by measuring the temperature and radiation of the test surfaces and calculating emissivity coefficients, while measuring the radiation intensity (I) at the point of each test surface, measuring the temperature distribution on the internal surfaces, determining the temperature and chemical composition of the gas inside cavity, carry out mathematical modeling of the propagation of radiation in the studied cavity by the method of reversing the paths of photons, given and this is the inconstancy of the surface temperature and the presence of a radiation-absorbing gas contained in the cavity, as a result of which the numerical coefficients (A) are determined for the terms in the system of nonlinear equations, the intensity is calculated using the Planck formula in a given spectral range at the point of each surface under study and by solving the system equations obtain the desired emissivity coefficients of the studied surfaces.

Определяют излучательные способности внутренних поверхностей исследуемой полости следующим образом.Determine the emissivity of the inner surfaces of the investigated cavity as follows.

Измеряют с помощью заявленного устройства для измерения излучения от внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости интенсивность излучения (I) в точке каждой исследуемой поверхности. В качестве прибора для измерения интенсивности излучения используют, например, спектрометр или радиометр с фильтром для соответствующего спектрального диапазона с предварительной градуировкой устройства и измерительного прибора с помощью модели абсолютно черного тела при различных температурах. Измеряют распределение температуры (Т) на внутренних поверхностях исследуемой полости, например, методом термометрирования, а также известными методами определяют температуру и химический состав газа внутри полости. Производят математическое моделирование распространения излучения в исследуемой полости методом “обращения траекторий фотонов” (см. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029), являющегося модификацией известного статистического метода Монте-Карло (см. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.), учитывая при этом непостоянство температуры поверхностей и наличие содержащегося в полости излучающе-поглощающего газа. В результате определяют числовые коэффициенты (А) при членах в системе нелинейных уравнений. Решение полученной системы уравнений дает искомые коэффициенты излучательной способности (ε ) исследуемых поверхностей. Интенсивность в заданном спектральном интервале (В) в точке исследуемой поверхности, из которой излучение вышло, вычисляют с помощью известной формулы Планка.Using the claimed device for measuring radiation from the internal surfaces of a nonuniformly heated cavity, the radiation intensity (I) is measured at the point of each surface under study. As a device for measuring the radiation intensity, for example, a spectrometer or a radiometer with a filter for the corresponding spectral range with a preliminary graduation of the device and a measuring device using a model of a completely black body at different temperatures are used. The temperature distribution (T) is measured on the internal surfaces of the cavity under study, for example, by thermometry, and the temperature and chemical composition of the gas inside the cavity are determined by known methods. Mathematical modeling of the propagation of radiation in the investigated cavity by the method of “reversal of photon trajectories” is performed (see Kirsanov N.V., Koptev V.A. Method of inversion of photon trajectories for solving radiation transfer problems. High-temperature thermophysics, USSR Academy of Sciences, 1990, vol. 28, p. 1026-1029), which is a modification of the well-known statistical Monte Carlo method (see R. Siegel, J. Howell. Radiation heat transfer. M .: Mir, 1975), taking into account the inconstancy of surface temperature and the presence of in a cavity radiating-absorbing about gas. As a result, numerical coefficients (A) are determined for the terms in the system of nonlinear equations. The solution of the resulting system of equations gives the desired emissivity coefficients (ε) of the surfaces under study. The intensity in a given spectral range (B) at a point on the surface under study, from which the radiation emerged, is calculated using the well-known Planck formula.

При измерении интенсивности излучения (I) поверхности, расположенной внутри полости, получают интенсивность излучения поверхности вместе с отражаемым от поверхности излучением, попадающим на нее от других элементов полости, что искажает результаты измерений. Поэтому необходима последующая расчетная обработка результатов измерений, при которой исключается отраженное излучение и уменьшается ошибка определения излучения исследуемой поверхности.When measuring the radiation intensity (I) of the surface located inside the cavity, the radiation intensity of the surface is obtained together with the radiation reflected from the surface and incident on it from other elements of the cavity, which distorts the measurement results. Therefore, subsequent computational processing of the measurement results is necessary, in which the reflected radiation is eliminated and the error in determining the radiation of the surface under study is reduced.

На чертеже изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости.The drawing shows a structural diagram of a device that implements the proposed method for determining the emissivity coefficients of the internal surfaces of a nonuniformly heated cavity.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, для определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости на чертеже представлено применительно к полости, имеющей форму пустотелого цилиндра 1, содержащего дно 2, боковую поверхность 3 цилиндра 1, излучающе-поглощающий газ 4, направление 6 визирования устройства на боковую поверхность 3 полости цилиндра 1, направление 6 визирования устройства на дно 2 полости цилиндра 1, неповоротные зеркала 7, 8 для визирования устройства на исследуемый объект, расположенные на разной высоте в плоскости 9, перпендикулярной оптической оси 12 прибора 13, поворотное зеркало 10 своей отражающей стороной поворачивается исполнительным механизмом 11 на заданный угол для передачи оптического сигнала в измерительный прибор 13, например радиометр или спектрометр, входной объектив 14 измерительного прибора 13, блок 15 управления исполнительным механизмом 11 и включения измерительного прибора 13, усилитель 16 электрического сигнала измерительного прибора 13, блок 17 цифровой обработки сигнала, блок 18 математической обработки и записи цифрового сигнала.A device that implements the proposed method for determining the emissivity coefficients of the internal surfaces of a non-uniformly heated cavity is shown in the drawing as applied to a cavity having the form of a hollow cylinder 1 containing a bottom 2, a side surface 3 of the cylinder 1, emitting-absorbing gas 4, direction 6 of the device’s sighting on the lateral surface 3 of the cavity of the cylinder 1, the direction 6 of sighting the device to the bottom 2 of the cavity of the cylinder 1, fixed mirrors 7, 8 for sighting the device on the studied object located at different heights in the plane 9, perpendicular to the optical axis 12 of the device 13, the rotary mirror 10 with its reflecting side is rotated by the actuator 11 at a predetermined angle to transmit the optical signal to the measuring device 13, for example, a radiometer or spectrometer, the input lens 14 of the measuring device 13, unit 15 for controlling the actuator 11 and turning on the measuring device 13, an amplifier 16 for the electrical signal of the measuring device 13, a digital signal processing unit 17, a mathematical unit 18 th processing and recording of a digital signal.

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости, работает следующим образом.A device that implements the proposed method for determining the emissivity coefficients of the internal surfaces of a nonuniformly heated cavity works as follows.

Излучение от боковой поверхности 3 и дна 2 нагретой цилиндрической полости 1 проходит через излучающе-поглощающий газ 4 в направлениях 5 и 6 на неповоротные зеркала 7 и 8 с внешним зеркальным покрытием, от которых отражается, и проходит в плоскости 9 к поворотному зеркалу 10. Поворотное зеркало 10 установлено под углом 45 градусов к оси прибора, а его отражающая часть обращена к измерительному прибору, последовательно устанавливается поворотным механизмом 11 по сигналу блока управления 15 в положения для приема сигнала от неповоротных зеркал 7 и 8, которые установлены так, что их отражающие стороны обращены к исследуемой полости для передачи излучения во входной объектив 14, а далее фокусирования сигнала на чувствительный элемент прибора 13 с одновременным включением прибора 13. Вырабатываемый прибором 13 электрический сигнал усиливается усилителем 16 и попадает в блок цифровой обработки сигнала 17. Затем в цифровом виде сигнал направляется в блок 18 математической обработки и записи цифрового сигнала.Radiation from the lateral surface 3 and the bottom 2 of the heated cylindrical cavity 1 passes through a radiation-absorbing gas 4 in directions 5 and 6 to fixed mirrors 7 and 8 with an external mirror coating, from which it is reflected, and passes in the plane 9 to the rotary mirror 10. Rotary the mirror 10 is installed at an angle of 45 degrees to the axis of the device, and its reflecting part faces the measuring device, is sequentially set by the rotary mechanism 11 at the signal of the control unit 15 to the position for receiving a signal from fixed mirrors 7 and 8, Some are installed so that their reflecting sides are turned to the cavity under study to transmit radiation to the input lens 14, and then focus the signal on the sensor element 13 while turning on the device 13. The electrical signal generated by the device 13 is amplified by the amplifier 16 and gets into the digital signal processing unit 17. Then, in digital form, the signal is sent to the block 18 mathematical processing and recording of a digital signal.

После проведения измерений производят матеметическую обработку сигнала. Метод расчета основан на моделировании траекторий групп фотонов, зарождающихся на излучающих поверхностях и взаимодействующих с другими поверхностями и газом в исследуемой полости. В результате прослеживания большого числа траекторий групп фотонов определяют средние характеристики лучистого взаимодействия элементов полости.After the measurements, the signal is mathematically processed. The calculation method is based on modeling the trajectories of groups of photons that nucleate on radiating surfaces and interact with other surfaces and gas in the cavity under study. As a result of tracking a large number of trajectories of photon groups, the average characteristics of the radiant interaction of the elements of the cavity are determined.

В случаях, когда нужны характеристики излучения в какой-либо малой части пространства, например в малой части полости, в выбранном направлении или в малом телесном угле для получения надежных данных необходимо прослеживать нереально большое число траекторий групп фотонов. В этом случае используют статистический метод “обращения траекторий фотонов” (см. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029), являющийся модификацией метода Монте-Карло (см. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.). В предлагаемом способе расчет выходящего из полости излучения производят с большой статистикой для каждого из выбранных направлений, что повышает точность расчетов.In cases where radiation characteristics are needed in any small part of space, for example, in a small part of a cavity, in a chosen direction or in a small solid angle, in order to obtain reliable data, it is necessary to trace an unrealistically large number of trajectories of photon groups. In this case, the statistical method of “reversing photon trajectories” is used (see Kirsanov N.V., Koptev V.A. Method of reversing photon trajectories to solve radiation transfer problems. High-temperature thermophysics, USSR Academy of Sciences, 1990, v. 28, p. . 1026-1029), which is a modification of the Monte Carlo method (see R. Siegel, J. Howell. Radiation heat transfer. M: Mir, 1975). In the proposed method, the calculation of the radiation emerging from the cavity is made with large statistics for each of the selected directions, which increases the accuracy of the calculations.

Для проведения расчета задают геометрические размеры исследуемой полости, выбранные направления выходящего излучения, измеряют известными методами распределение температур на стенках полости, концентрацию излучающих компонент в смеси газа и его температуру.To carry out the calculation, the geometric dimensions of the cavity under study are set, the selected directions of the outgoing radiation are measured, the temperature distribution on the walls of the cavity, the concentration of the emitting components in the gas mixture and its temperature are measured by known methods.

Применяя метод расчета, траектории вылетающих групп фотонов прослеживают в обратном направлении, начиная от выходного сечения полости. В каждой точке пересечения обратной траектории с исследуемой поверхностью определяют возможные направления, с которых излучение могло попасть в данную точку. Для диффузно отражающих поверхностей эти направления равновероятны, хотя в расчетах могут быть учтены и более сложные законы отражения, например смешанный диффузно-зеркальный.Using the calculation method, the trajectories of the emerging groups of photons are traced in the opposite direction, starting from the output section of the cavity. At each point of intersection of the return trajectory with the surface under study, the possible directions from which the radiation could reach this point are determined. For diffusely reflecting surfaces, these directions are equally probable, although more complex reflection laws, for example, mixed diffuse-mirror ones, can be taken into account in the calculations.

После определения каждой новой точки взаимодействия излучения с исследуемой поверхностью учитывают ослабление излучения при отражении от поверхности. Аналогично определяют по случайному закону следующее направление, с которого могло прийти излучение в эту точку. И так прослеживают до выхода обратной траектории из полости или до достижения заданного ограничения по числу точек взаимодействий излучения с поверхностями полости. В последней точке учитывают собственное излучение поверхности в точке.After determining each new point of interaction of radiation with the surface under study, the attenuation of radiation upon reflection from the surface is taken into account. Similarly, the following direction is determined according to a random law from which radiation could come to this point. And so, they are traced until the return trajectory leaves the cavity or until a predetermined limit is reached on the number of points of interaction of radiation with the surfaces of the cavity. At the last point, the intrinsic radiation of the surface at the point is taken into account.

Общий вид системы уравнений представлен в общем функциональном виде:The general view of the system of equations is presented in a general functional form:

где ε - коэффициент излучательной способности исследуемой поверхности,where ε is the emissivity coefficient of the investigated surface,

I - измеренное значение интенсивности излучения в точке исследуемой поверхности,I is the measured value of the radiation intensity at a point of the investigated surface,

В - интенсивность в заданном спектральном интервале излучения в точке поверхности, из которой излучение вышло,B is the intensity in a given spectral range of the radiation at a point on the surface from which the radiation emerged,

А - числовой коэффициент при членах уравнения, индексы:A is the numerical coefficient for the terms of the equation, indices:

m - число уравнений,m is the number of equations,

n - число членов в уравнении,n is the number of terms in the equation,

i - переменная величина, которая в системе уравнений изменяется от 1 до m.i is a variable, which in the system of equations varies from 1 to m.

Для цилиндрической полости система нелинейных уравнений для определения коэффициентов излучательной способности дна и боковой поверхности имеет вид:For a cylindrical cavity, the system of nonlinear equations for determining the emissivity coefficients of the bottom and side surface has the form:

А₁₁· ε₁· В₁+А₁₂· ε₂· В₂· Р₁+А₁₃· ε₁· В₁· Р₁· Р₂+А₁₄· ε₂· В₂· Р₁· Р₂+А ₁₁ · ε ₁ · В ₁ + А ₁₂ · ε ₂ · В ₂ · Р ₁ + А ₁₃ · ε ₁ · В ₁ · Р ₁ · Р ₂ + А ₁₄ · ε ₂ · В ₂ · Р ₁ · Р ₂ +

А₁₅· ε₁· В₁· Р₁· Р $\binom{2}{2}$ +А₁₆· ε₂· В₂· Р₁· Р $\binom{2}{2}$ +А₁₇· ε₂· В₂· Р $\binom{2}{1}$ · Р₂=I₁ A ₁₅ · ε ₁ · B ₁ · P ₁ · P $\binom{2}{2}$ + A ₁₆ · ε ₂ · B ₂ · P ₁ · P $\binom{2}{2}$ + A ₁₇ · ε ₂ · B ₂ · P $\binom{2}{one}$ · P ₂ = I ₁

А₂₁· ε₂· В₂+А₂₂· ε₁· В₁· Р₂+А₂₃· ε₂· В₂· Р₂+А₂₄· ε₂· В₂· Р₁· Р₂+А ₂₁ · ε ₂ · В ₂ + А ₂₂ · ε ₁ · В ₁ · Р ₂ + А ₂₃ · ε ₂ · В ₂ · Р ₂ + А ₂₄ · ε ₂ · В ₂ · Р ₁ · Р ₂ +

А₂₅· ε₁· В₁·Р $\binom{2}{2}$ +А₂₆· ε₂· В₂·Р $\binom{2}{2}$ +А₂₇·ε₁· В₁· Р₁·Р $\binom{2}{2}$ +А₂₈· ε₁· В₁· A ₂₅ · ε ₁ · B ₁ · P $\binom{2}{2}$ + A ₂₆ · ε ₂ · B ₂ · P $\binom{2}{2}$ + A ₂₇ · ε ₁ · B ₁ · P ₁ · P $\binom{2}{2}$ + A ₂₈ · ε ₁ · B ₁ ·

Р $\binom{2}{2}$ +А₂₉· ε₂· В₂· Р $\binom{3}{2}$ +А₂₁₀· ε₂· В₂· Р₁· Р $\binom{2}{2}$ =I₂ R $\binom{2}{2}$ + A ₂₉ · ε ₂ · B ₂ · P $\binom{3}{2}$ + A ₂₁₀ · ε ₂ · B ₂ · P ₁ · P $\binom{2}{2}$ = I ₂

где ε ₁ - коэффициент излучательной способности дна исследуемого цилиндра,where ε ₁ is the coefficient of emissivity of the bottom of the investigated cylinder,

ε ₂ - коэффициент излучательной способности боковой поверхностей исследуемого цилиндра,ε ₂ - emissivity of the lateral surfaces of the investigated cylinder,

B₁ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках дна исследуемого цилиндра,B ₁ - the intensity in a given spectral range of intrinsic radiation at the bottom points of the investigated cylinder,

В₂ - интенсивность в заданном спектральном диапазоне собственного излучения в точках боковой поверхности исследуемого цилиндра. Находятся с помощью формулы Планка и зависят от температуры в точках,In ₂ - the intensity in a given spectral range of intrinsic radiation at points on the lateral surface of the investigated cylinder. They are found using the Planck formula and depend on the temperature at the points

А - численные коэффициенты при членах в уравнениях, определяемые методом “обращения траекторий фотонов”,And - the numerical coefficients of the terms in the equations, determined by the method of "reversal of the trajectories of photons",

P₁ - вычисляют как 1-ε ₁, P₂ вычисляют как 1-ε ₂.P ₁ - calculated as 1-ε ₁ , P ₂ calculated as 1-ε ₂ .

В расчетах было принято, что максимальное число точек взаимодействия траекторий групп фотонов с поверхностями полости, включая точку зарождения, не превышает 4. При этом относительная ошибка вычислений составляет не более 1.5% при коэффициентах излучательной способности внутренних поверхностей полости, больших 0.5, что справедливо для многих поверхностей. Для повышения точности расчетов следует увеличивать принятое число точек взаимодействия.In the calculations, it was assumed that the maximum number of interaction points of the trajectories of photon groups with cavity surfaces, including the nucleation point, does not exceed 4. Moreover, the relative calculation error is no more than 1.5% for the emissivity coefficients of the inner surfaces of the cavity greater than 0.5, which is true for many surfaces. To increase the accuracy of calculations, the accepted number of interaction points should be increased.

Предлагаемый способ определения коэффициентов излучательной способности внутренних поверхностей неоднородно нагретой полости и устройство для его осуществления позволяют определять коэффициенты излучательной способности исследуемых поверхностей непосредственно в полости в процессе их эксплуатации и с помощью измерения температур и интенсивностей излучения учитывать зависящие от времени работы окисление и загрязнение поверхностей, что необходимо для многих технических приложений.The proposed method for determining the emissivity coefficients of the internal surfaces of a non-uniformly heated cavity and the device for its implementation allow determining the emissivity coefficients of the surfaces under investigation directly in the cavity during their operation and by measuring the temperature and radiation intensities take into account surface oxidation and contamination depending on the operating time, which is necessary for many technical applications.

Источники информацииSources of information

1. Р.Зигель, Дж.Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975 г.1. R. Siegel, J. Howell. Heat transfer by radiation. M .: Mir, 1975

2. Кирсанов Н.В., Коптев В.А. Метод обращения траекторий фотонов для решения задач переноса излучения. Теплофизика высоких температур АН СССР, 1990 г., т.28, стр. 1026-1029.2. Kirsanov N.V., Koptev V.A. A method for reversing photon trajectories to solve radiation transfer problems. Thermophysics of High Temperatures, USSR Academy of Sciences, 1990, v. 28, pp. 1026-1029.

Claims

1. The method of determining the emissivity coefficients of the inner surfaces of a non-uniformly heated cavity, which consists in measuring the temperature and radiation of the surfaces under investigation and calculating the emissivity coefficients, characterized in that the radiation intensities (I) are measured at a point of each investigated surface, and the temperature distribution is measured on internal surfaces, determine the temperature and chemical composition of the gas inside the cavity, conduct mathematical modeling of the distribution of radiation in the studied cavity by the method of reversing the trajectories of photons, taking into account the inconstancy of the surface temperature and the presence of a radiating-absorbing gas contained in the cavity, as a result of which the numerical coefficients (A) are determined for the terms in the system of nonlinear equations, the intensity in the given spectral is calculated using the Planck formula the range at a point of each investigated surface and by solving a system of equations, the desired emissivity coefficients of the studied surfaces are obtained, with the decree This system for a cylindrical cavity has the form

where ε ₁ is the emissivity coefficient of the bottom of the investigated cylinder;

ε ₂ - emissivity coefficient of the lateral surface of the investigated cylinder;

In ₁ - the intensity in a given spectral range of intrinsic radiation at the bottom points of the investigated cylinder, calculated by the Planck formula;

In ₂ - the intensity in a given spectral range of intrinsic radiation at the points of the lateral surface of the investigated cylinder, calculated by the Planck formula;

P ₁ - calculated as 1-ε ₁ , P ₂ calculated as 1-ε ₂ .

2. A device for measuring the radiation of the internal surfaces of a non-uniformly heated cavity, comprising a measuring device, mirrors with an external mirror coating, an electric signal amplification unit, a digital conversion unit and a mathematical signal processing unit, characterized in that the device comprises a rotary mirror with an external mirror coating, which installed at an angle of 45 ° to the axis of the device and its reflecting side facing the measuring device, fixed mirrors with external mirror coatings installed so that their reflecting sides are facing the cavity under study, and the centers of the mirrors are located in a plane perpendicular to the optical axis of the measuring device, an executive rotation unit, a control unit for turning the mirror and turning on the measuring device.