RU2332647C1 - Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников - Google Patents
Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников Download PDFInfo
- Publication number
- RU2332647C1 RU2332647C1 RU2007102105/28A RU2007102105A RU2332647C1 RU 2332647 C1 RU2332647 C1 RU 2332647C1 RU 2007102105/28 A RU2007102105/28 A RU 2007102105/28A RU 2007102105 A RU2007102105 A RU 2007102105A RU 2332647 C1 RU2332647 C1 RU 2332647C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- time
- liquid nitrogen
- nitrogen
- flow rate
- cryostat
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях.
Техническим результатом является создание способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, обеспечивающего оперативность и точность замера до нескольких десятков мВт при различных температурах окружающей среды. Технический результат достигается тем, что измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, электронным расходомером, измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут величину расхода в момент времени tстаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, равный tкрит>tстаб≥tкрит-20 [с], где tкрит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к методике теплофизических измерений, а именно к методике определения теплопритоков к охлаждаемым элементам конструкции приемников излучения из окружающей среды в лабораторных и производственных условиях.
Теплоприток - это тепловой поток из окружающей среды к элементам конструкции фотоприемника ФП, имеющим температуру ниже температуры окружающей среды. Поскольку теплоприток зависит от конструкции ФП и определяет величину тепловой нагрузки на микрокриогенную систему, поэтому величину теплопритока необходимо измерять для выбора основных параметров МКС, которые смогут обеспечить необходимую для чувствительного элемента рабочую температуру и будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к фотоприемному устройству в целом.
Установки, позволяющие проводить замеры теплопритоков ФП, базируются на методе определения времени испарения фиксированного количества (0,1 г) жидкого азота залитого в криостат ИК-приемника. Замер количества жидкого азота, который находится на дне криостата, производится весовым или объемным методом.
Весовой метод достаточно объективен, однако его практическая реализация усложняется необходимостью использования измерителя массы высокой степени точности, т.к. масса фотоприемника во много сотен раз больше измеряемой Δm=0,1 г жидкого азота. Кроме того, измерение теплопритоков весовым методом практически невозможно при повышенной температуре окружающей среды.
Известен метод замера теплопритоков ИК-фотоприемников (Руководящий технический материал 3-1033-77: Приемники излучения криостатные. Метод определения теплопритоков на уровне 77 К, введен 01.01.1978 г.) наиболее близкий к изобретению и включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, процесс контроля времени t и расчет теплопритока.
В установке, позволяющей осуществлять известный способ, прохождение измеренного объема испаряющегося азота происходит в стеклянной бюретке, которая через тройник соединена с трубкой отходящего испаряющегося азота, а другой конец соединен со спринцовкой, заполненной шампунем. Установка позволяет измерять время, в течение которого пленка шампуня пройдет измеренный объем Vизм, соответствующий массе m=0,1 г. жидкого азота и температуру отходящих паров на уровне верхнего среза горловины криостата. Теплоприток из окружающей среды рассчитывают по формуле
q=m/t[r+c(T-77)],
где q - теплоприток из окружающей среды, Вт;
m - масса испарившегося азота, г;
t - время, с;
r - 198 Дж/г - скрытая теплота испарения;
с - 1,06 Дж/(г·К) - средняя теплоемкость азота в интервале температур 283-77К;
Т - температура отходящих паров на уровне верхнего среза горловины криостата, К.
Основными недостатками известного способа являются
- Для получения достоверного результата проводят три измерения с использованием бюретки, после чего вычисляют среднее арифметическое значение времени и температуры, что приводит к трудоемкости и длительности метода.
- Кроме температуры окружающей среды, необходимо учитывать барометрическое давление.
- Сложно точно зафиксировать время прохождения контролируемой порции азота, при условии того, что на дне криостата остается 0,05 г жидкого азота.
- Замер теплопритоков при температуре окружающей среды, отличной от НКУ, требует специальной доработки климатической камеры.
Все вышеперечисленные недостатки не вызывали острых неудобств и не требовали повышения точности измерений, поскольку создаваемые фотоприемники были газонаполненной конструкции и выпускались небольшими партиями. В настоящее время многоэлементные матричные фотоприемники основаны на вакуумных конструкциях, теплоприток которых составляет несколько сот мВт. При этом теплоприток в таких конструкциях является определяющей величиной характеризующей работу прибора, его измерение входит в технологический процесс изготовления ФП и требует оперативного и более точного метода контроля. В то же время современные ПК-приемники предназначены для работы в широком диапазоне температур окружающей среды, поэтому при их разработке и испытаниях требуется измерять теплоприток при различных температурах.
Задачей изобретения является создание способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, обеспечивающего оперативность и точность замера до нескольких десятков мВт при различных температурах окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что способ замера теплопритоков ИК-фотоприемников заключается в том, что измеряют расход G жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, электронным расходомером измеряют температуру отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут расход в момент времени tстаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно и рассчитывают теплоприток по формуле
q=ρG(i2-i1),
где q - теплоприток из окружающей среды [Вт];
ρ=1,25 [кг/м3] - плотность газообразного азота [Дж/кг];
i2 - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата [Дж/кг];
i1 - удельная энтальпия жидкого азота [Дж/кг];
G - величина расхода (скорости испарения) азота [м3/с], испаряющегося азота в момент времени tстаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно tкрит>tстаб≥tкрит-20 [с], где tкрит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.
При этом одновременно с измерением расхода жидкого азота и контролем зависимости расхода от времени G(t) проводят измерения датчиком температуры, установленным на дне колодца криостата фотоприемника, и контролируют зависимость температуры на дне колодца от времени T(t).
На фиг.1 показан график зависимости массового расхода жидкого азота от времени;
На фиг.2 показан график зависимости температуры криостата фотоприемника на дне колодца от времени.
Замер теплопритоков ИК-фотоприемника осуществляют следующим образом.
Начинают измерения после прекращения бурного кипения жидкого азота в момент, когда термодатчик, установленный на дне колодца криостата, показывает, что температура на дне стала равна температуре жидкого азота.
Измерения теплопритоков в фотоприемниках осуществляют электронным расходомером, который рекомендуется выбирать с точностью не менее 1% и максимальным измеряемым расходом не менее 100 см3/мин. В качестве электронного расходомера может быть использован расходомер, принцип работы которого основан на поддержании постоянного температурного профиля в сенсорной трубке, по которой протекает азот и вокруг которой расположена нагревательная обмотка. При протекании азота температурный профиль в сенсорной трубке изменяется, при этом, чем больше скорость течения, т.е. расход азота, тем больше понижение температуры, а значит, большее напряжение подается на нагревательную обмотку для компенсации этой разницы. Именно по этому напряжению и определяется величина расхода G испарившегося азота. Расходомер обеспечивает измерение расхода азота с точностью 1%. В таком расходомере величина расхода определяется при стандартных условиях (температуре 0°С и давлении 1 атм) и не зависит от параметров окружающей среды. Контроль зависимости расхода от времени G(t) (фиг.1) и контроль зависимости температуры на дне колодца от времени (Т/t) (фиг.2) может быть осуществлен с помощью ПЭВМ. После испарения всего азота измерения завершаются. В результате мы получаем протокол измерений, в котором указан теплоприток с точностью до 10 мВт и приведены графики изменения расхода испарившегося азота и температуры на дне колодца криостата фотоприемника от времени.
Из математического выражения 1-го начала термодинамики известно:
dQ=dE+dL,
где Е - собственная энергия тела;
L - работа, совершаемая теплом.
dE=dU+(d(w2/2g)+dh).
В нашем случае внешней энергией (кинетической и потенциальной) можно пренебречь, тогда:
В свою очередь уравнение изменения энтальпии азота в процессе испарения имеет вид dI=d(U+PV)=dU+PdV+VdP,
где I - энтальпия азота;
U - внутренняя энергия;
P - давление;
V - объем.
При постоянном давлении VdP=0, следовательно:
Сравнивая формулы (1) и (2), видно, что:
Для расчета тепла Q запишем:
где Q - тепло, необходимое для испарения [Дж],
Δi - изменение удельной энтальпии азота [Дж/кг],
m - масса азота [кг].
Исходя из того, что m=V·ρ и для того, чтобы получить не тепло Q [Дж], а количество тепла в единицу времени, т.е. теплоприток q [Вт] запишем:
q=(i2-i1)·ρ·G,
где q - теплоприток [Вт],
G - расход азота [м3/с],
i2 - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата [Дж/кг],
i1 - удельная энтальпия жидкого азота [Дж/кг] (определяется по диаграмме T-S),
i1=126,8·103 Дж/кг,
ρ=1,25 [кг/м3] - плотность газообразного азота.
i2 определяется по диаграмме T-S в соответствии с измеренной температурой на верхнем срезе криостата.
Для расчета теплопритока берут G - величину расхода (скорости испарения) испаряющегося азота в момент времени tстаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно tкрит>tстаб≥tкрит-20 [с], где tкрит - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.
Пример работы
Для используемого нами расходомера верно соотношение
где G - расход азота [м3/с];
b=36·105 - коэффициент пересчета для используемого расходомера [В·с/м3].
UGmin - напряжение на выходе расходомера [В] в момент времени, когда расход азота минимален, при условии сохранения температуры жидкого азота на дне колодца криостата ФП.
Проведя замер температуры на верхнем срезе криостата для одного из ФП, мы получили, что Т=15°С при Tокр cp.=20°С, далее по T-S диаграмме находим i2 энтальпию азота при 15°С: i2=551,8·103 Дж/кг. Энтальпия жидкого азота: i1=126,8·103 Дж/кг.
Подставив все в формулу (5), получим:
На полученной зависимости G(t) точка А соответствует 1крит, так как начинается резкое уменьшение величины расхода. Для расчета теплопритока берут расход в момент времени tстаб, когда испарение жидкого азота происходит стабильно, например tстаб=tкрит-20, что соответствует точке Б (фиг.1).
В нашем примере зависимость G(t) выражена зависимостью UG(t) (фиг.1), по ней мы и находим значение UGmin=1,52 В в точке Б.
Таким образом, теплоприток данного криостата: q=0,223 Вт.
Для сопоставления результатов, полученных с помощью предлагаемой методики с результатами, полученными по РТМ, определим средний расход испаряющегося азота по методике РТМ 31033-77. Определяемое время испарения 0,1 г азота при теплопритоке 0,25 Вт составит 3 минуты. Поскольку после испарения 0,1 г азота в криостате остается 0,05 г азота, определим на фиг.2 точку D - начало отсчета периода испарения и точка С - конец периода испарения азота. Точка С отстоит от точки Б на 90 с, а точка D - на 270 с. Значит, действуя по РТМ 31033-77, величину UG мы определяем в точке Gсредн:UGсредн=1,686 В;
q=0,147·UGсредн=0,248 Вт.
Разница в результатах измерений одного и того же криостата Δq=0,223-0,248=0,025 Вт, что свидетельствует о том, что с помощью предлагаемого способа замера теплопритоков можно получать результаты точнее на 10-12%, чем рассчитанные по РТМ 31033-77.
Таким образом, предложен новый способ для измерения теплопритоков ИК-фотоприемников, характеризующийся удобством, оперативностью и высокой точностью измерений.
От прототипа - способа замера теплопритоков ИК-фотоприемников, описанного в РТМ3-1033-77 - предлагаемый способ отличается:
- повышенной точностью измерений (до 10 мВт);
- независимостью измерений от параметров окружающей среды;
- возможностью измерять теплоприток в стандартной климатической камере при различных температурах;
Claims (2)
1. Способ замера теплопритоков ИК-фотоприемников, включающий в себя процесс измерения расхода жидкого азота, испаряющегося из колодца криостата приемника, процесс измерения температуры отходящих паров на уровне верхнего среза колодца криостата фотоприемника, процесс контроля времени t и расчет теплопритока, отличающийся тем, что измерение расхода G жидкого азота осуществляют электронным расходомером, контролируют зависимость расхода от времени (G/t), а для расчета теплопритока q берут расход в момент времени tстаб., когда испарение жидкого азота происходит стабильно и рассчитывают теплоприток по формуле:
q=ρG(i2-i1),
где q - теплоприток из окружающей среды, (Вт);
ρ=1,25 [кг/м3] - плотность газообразного азота, (Дж/кг);
i2 - удельная энтальпия азота на верхнем срезе криостата, (Дж/кг);
i1 - удельная энтальпия жидкого азота, (Дж/кг);
G - величина расхода (скорости испарения), (м3/с) испаряющегося азота в момент времени tстаб., когда испарение жидкого азота происходит стабильно, которое равно tкрит>tстаб.≥tкрит-20, (с), где tкрит. - время, когда отмечено резкое уменьшение величины контролируемого расхода.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с процессами измерения расхода жидкого азота и контроля зависимости расхода от времени (G/t) измеряют температуру криостата фотоприемника датчиком температуры, установленным на дне колодца, и контролируют зависимость температуры на дне колодца от времени (T/t).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007102105/28A RU2332647C1 (ru) | 2007-01-19 | 2007-01-19 | Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007102105/28A RU2332647C1 (ru) | 2007-01-19 | 2007-01-19 | Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2332647C1 true RU2332647C1 (ru) | 2008-08-27 |
Family
ID=46274606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007102105/28A RU2332647C1 (ru) | 2007-01-19 | 2007-01-19 | Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2332647C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022222538A1 (zh) * | 2021-04-19 | 2022-10-27 | 国网上海市电力公司 | 超导电缆中间接头漏热测量及计算方法与装置 |
| RU2791432C1 (ru) * | 2022-07-18 | 2023-03-07 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Способ измерения теплопритоков охлаждаемых ИК-приемников |
-
2007
- 2007-01-19 RU RU2007102105/28A patent/RU2332647C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| E.SEEBERGER, J.GATES "NEW TECHOLOGIES FOR STARING INFRARED FPA RADIOMETRY" IN INFRARED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS XX III, PROC.SPIE 3061, 1997. * |
| Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов./ Под ред. Р.ДЖ.Киеса. - М.: Радио и связь, 1985. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022222538A1 (zh) * | 2021-04-19 | 2022-10-27 | 国网上海市电力公司 | 超导电缆中间接头漏热测量及计算方法与装置 |
| RU2791432C1 (ru) * | 2022-07-18 | 2023-03-07 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Способ измерения теплопритоков охлаждаемых ИК-приемников |
| RU2809939C1 (ru) * | 2023-06-30 | 2023-12-19 | Акционерное общество "Московский завод "САПФИР" | Способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых моделей |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Roberts et al. | A continuous-flow streamwise thermal-gradient CCN chamber for atmospheric measurements | |
| Bäuerle et al. | Temperature scale and heat capacity of superfluid 3 He− B in the 100 μ K range | |
| CN103675217B (zh) | 一种气体检测方法及装置 | |
| CN103134834A (zh) | 一种湿蒸汽干度测量装置及方法 | |
| Kliche et al. | Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity | |
| D’Avignon et al. | Assessment of T-history method variants to obtain enthalpy–temperature curves for phase change materials with significant subcooling | |
| CN102012148B (zh) | 一种真空干燥控制方法 | |
| Musilová et al. | Reynolds number scaling in cryogenic turbulent Rayleigh–Bénard convection in a cylindrical aspect ratio one cell | |
| Vohra et al. | The flow diffusion nucleation chamber: A quantitative tool for nucleation research | |
| RU2332647C1 (ru) | Способ замера теплопритоков охлаждаемых ик-фотоприемников | |
| Mikheev et al. | The laminar flow tube reactor as a quantitative tool for nucleation studies: Experimental results and theoretical analysis of homogeneous nucleation of dibutylphthalate | |
| CN103149233B (zh) | 测试材料热物性参数的装置及方法 | |
| Hammerschmidt et al. | A novel single-short-pulse MEMS upstream thermal flow sensor for gases also measuring thermal conductivity and thermal diffusivity | |
| RU2551386C2 (ru) | Способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды | |
| CN106018474A (zh) | 一种液体比热容测量系统 | |
| CN204203025U (zh) | 一种固体含量检测仪 | |
| Shimokusu et al. | Strain gauge measurements of an oscillating heat pipe from startup to stable operation | |
| Rollins et al. | Catalytic oxidation of H 2 on platinum: a robust method for generating low mixing ratio H 2 O standards | |
| Kürten et al. | Characterization of an automated, water-based expansion condensation nucleus counter for ultrafine particles | |
| Javed | Thermal response testing: Results and experiences from a ground source heat pump test facility with multiple boreholes | |
| Rackemann et al. | Determining circulation velocities in vacuum pans | |
| WO2000020857A1 (en) | Gas analyzer with background gas compensation | |
| RU2809939C1 (ru) | Способ определения приведенной охлаждаемой массы ИК-приемников и их тепловых моделей | |
| Wang et al. | Experimental investigation on zero drift effect in Coriolis mass flowmeters | |
| RU2613591C1 (ru) | Способ определения удельной теплоемкости сыпучих материалов |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100120 |