5.2.4. Ламповые модели черных тел.

Наряду с широким использованием описанных в параграфе 5. 1 МЧТ появилась настоятельная необ­ходимость создания новых типов тепловых источников излучения, которые имели бы параметры, близкие к черному или «серому» телу, но одновременно обладали преимуществами температурных ламп с ленточными телами накала [52]. Были разработаны ламповые МЧТ, в которых излучает внутренняя полость длинной цилиндрической трубки малого диаметра. Такая конструк­ция позволяет реализовать МЧТ благодаря тому, что излучение от внутренней стенки трубки испытывает многократные отражения, каждое из которых со­провождается частичным поглощением. Чем выше коэффициент поглощения внутренней стенки и чем меньше площадь выход­ного отверстия трубки по сравнению с общей пло­щадью внутренней поверхности, тем ближе излу­чение полости приближается к излучению ЧТ.

Ламповые МЧТ обладают следующими пре­имуществами по сравнению с ленточными лампа­ми: влияние структурных изменений излучающей поверхности существенно меньше; истинная, яр-костная и цветовая температуры близки между со­бой; энергетическая яркость излучающей полости практически одинакова в требуемой области тем­ператур.

На рис. 5. 12 показана одна из ламповых МЧТ, а в табл. 5. 9 приведены параметры таких моделей.

Теоретические исследования и практические разработки [52] показали, что наиболее подходя­щей конструкцией тела накала, оптимально ими­тирующей МЧТ и технологичной в изготовлении, является цилиндрическая трубка с отношением ее длины к диаметру не менее 6: 1. Такая конструкция не уступает МЧТ со сферической или конусной полостью.

Рис. 5. 12. Ламповая МЧТ

 

При конструировании ламп и выборе геометрических размеров трубчатого тела накала необходимо учитывать также требования обеспечения изотер-мичности полости и согласования размеров полости с углом визирования поверяемого или градуируемого прибора.

Изотермичность полости, являющаяся необходимым условием получе­ния максимального коэффициента теплового излучения при заданных длине и диаметре трубки, обеспечивается конструктивным исполнением узлов креп­ления трубки к токовводам. Были опробованы различные методы изготов­ления трубки и способы ее крепления к токовводам. Наиболее пригодным оказался следующий. Изготовляют прямоугольную заготовку вольфрамовой ленты заданных размеров, затем концы меньших сторон разрезают на тонкие параллельные лепестки длиной 15 и шириной (1, 5-2) мм.

 

Таблица 5. 9. Параметры ламповых МЧТ

Обозначение лампы по техническим условиям	Номиналь­ное напря­жение, В	Номиналь­ная сила тока, А	Максимальная яркостная температура тела накала, К	Размеры тела накала, мм			Характеристики смотрового окна		Тип цоколя
				Наружный диаметр трубки	Длина трубки	Толщина ленты	Мате-риал	Диаметр, мм
ТРИ 1073-2073						0, 02	Стекло		«Бипост G-38»
ТРИ 673-2273						0, 02	Стекло
ТРИ 1873						0, 02	Стекло
ТРИ 1873-1*						0, 02	Стекло
ТРИ 1573						0, 02	Стекло
ТРИ 1573-1*						0, 02	Стекло
* Лампы с сапфировым окном. Примечание. В маркировке ламп приняты обозначения: Т — температурная, Р — рабочая, И — ближняя инфракрасная область спектра; цифры — пределы воспроизведения яркостной температуры

 

После свертывания заготовки в трубку и скрепления краев методом фальцовки, лепестки отги­бают под углом 90° и через промежуточные танталовые отрезки приварены трубки не более 25 К при яркостной темпе­ратуре 1400 К. Иногда практикуется крепление с обоих концов трубки двух экранов, располо­женных коаксиально с телом накала, что позво­ляет дополнительно уменьшить перепад темпе­ратуры.

Геометрические размеры трубки выбирают с условием полного перекрытия полостью угла визирования калибруемого прибора при до­статочной облученности приемника излучения. Как показали расчеты и эксперименты, излу­чение полости такого тела накала ближе к из­лучению идеального ЧТ, если внутрь средней части трубки помещена вольфрамовая перего­родка, желательно в виде паутинки из тонкой вольфрамовой проволоки диаметром 8-10 мкм. Такая перегородка замыкает полость и вносит большой вклад в излучение торца цилиндриче­ской трубки.

Поверхность перегородки обладает диффуз­ным характером излучения и отражения, что обеспечивает большой коэффициент теплового излучения полости. Тела накала, примененные в лампах, с учетом поглощения стеклянным или сапфировым смотровым окном, обеспечивают эффективную излучательную способность  перегородки в пределах 0, 8-0, 9 в интервале длин волн от 0, 4 до 4 мкм.

Рис. 5. 13. Конструктивное исполнение внутренней арматуры ламп типа ТРИ: 1 — вольфрамовое трубчатое тело накала; 2 — лепестки для крепления; 3 — кольцо; 4 — молибденовый токоввод

Использование тела накала в виде цилиндрической трубки предопределяет электрические параметры ламп — низкое напряжение питания и большую силу тока. Как видно из табл. 5. 9, сила тока достигает 70 А. Такие большие электрические нагрузки требуют специального конструктивного использова­ния токовводов и внутренней арматуры ламп. Это главным образом относится к способам крепления трубчатого тела накала к токовводам ламп (рис. 5. 13).

Внутренние звенья токовводов изготавливают из толстой молибденовой проволоки диаметром 5-6 мм, что создает определенные трудности обеспече­ния герметического впая в стеклянную ножку. В лампах используются спе­циальные плоские ножки, конструктивно приспособленные для двухштырь-ковых цоколей типа «Бипост». Они позволяют получать прочные, вакуум-плотные соединения металла и стекла и обеспечивают высокую надежность токовводов при силе тока до 120 А и уменьшенных габаритных размерах ламп. При этом, что очень важно, обеспечивается точное расположение тела накала относительно цоколя (рис. 5. 14).

Ввиду большой тепловой нагрузки баллоны и стеклянные детали ламп изготавливают из тугоплавких стекол. По этой же причине, а также с учетом сравнительно больших геометрических размеров тела накала и интенсивных

режимов эксплуатации при высоких температурах, габаритные размеры бал­лонов достигают 250 х 300 мм2.

Особое значение имеют плоские окна, расположенные напротив одного или двух торцов накаливаемой трубки на достаточно большом расстоянии, во избежание оседания на них испаряющегося вольфрама. Окна расположены перпендикулярно к оси излучающей полости, они не должны иметь дефектов в зоне визирования. Спектральный коэффициент пропускания смот­рового окна при длине волны 650 нм должен быть не менее 0, 9.

Одна из важных характеристик ламп типа ЧТ, определяющая их пригодность для метрологии, — стабильность параметров во времени. Полезная продолжительность горения — это время, в те­чение которого лампа, при работе в нормальных условиях, сохраняет контролируемые параметры в нормированных пределах. Изменение темпера­туры полости за срок службы 500 ч не должно превышать ±15 К.

В действительности, продолжительность горе­ния ламп с массивными телами накала (по сравнению с проволочными и ленточными) значительно больше. Она в основном определяется степенью почернения смотровых окон, изменением формы и деформацией тела накала. Эти факторы непо­средственно влияют на стабильность температу­ры лампы.

Уменьшения влияния внешней среды на па­раметры ламп достигают снижением температу­ры внешних звеньев токовводов, т. е. ослаблени­ем влияния теплоотвода, непосредственно сказы-

Рис. 5. 14. Конструкция узла ножки и цоколя типа «Би-пост G-38»: 1 — токоввод; 2 — стеклянная ножка; 3 — кова-ровый колпачок для «ноже­вого» спая со стеклом; 4 — массивный едный штырь вающегося на стабильности температуры тела накала. Это обеспечивается внешним оформлением токовводов цоколем типа «Бипост», позволяющим получить надежный контакт с патроном (рис. 5. 14). Дополнительной мерой для ламп с большой силой тока является водяное охлаждение патронов.

Создание ламповых МЧТ началось два-три десятилетия назад. Первые образцы ламп не получили практического применения из-за больших значе­ний силы тока (до 150 А), напряжения (до 200 В), малой продолжительности горения, недопустимого перепада температуры вдоль тела накала, сложности конструкции. Из зарубежных наиболее пригодной оказалась ламповая МЧТ, изготовленная в Национальной Физической лаборатории, Великобритания (НФЛ). В качестве тела накала лампы была использована цилиндрическая трубка. Отечественные ламповые МЧТ находятся на высоком научно-техни­ческом уровне и позволяют решать многие важные задачи оптической пиро­метрии и радиометрии.

Основной отличительной особенностью ламп с цилиндрическим трубча­тым телом накала является их приближение к характеристикам ЧТ по срав­нению с лампами с телом накала в виде плоской ленты. Отличие заключается в разных значениях коэффициентов излучения этих тел накала. В первом случае максимальное значение этого коэффициента может достигать 0, 8-0, 9, во втором — не превышает 0, 25-0, 35.

Оценка конструкции лампы, в основном, осуществляется по значению . Для различных тел накала из вольфрама значение  может менять­ся в больших пределах в зависимости от температуры и конструкции тела накала. Более того, для одного и того же цилиндрического тела накала зна­чение  может различаться также в ощутимых пределах в зависимости от геометрических размеров и соотношения между длиной и диаметром трубки. Однако коэффициент  не является единственным параметром ламп типа «черное тело». Имеется также ряд параметров, определяющих применимость таких ламп в различных условиях: габаритные размеры лампы и тела на­кала, диаметр излучателя, напряжение питания и ток, рабочая температура и ее перепад (неизотермичность) по длине цилиндрической трубки. Все они имеют немаловажное значение. Для различных целей пригодными являются ламповые МЧТ с разными значениями . Допустимо также в отдельных случаях применение ламп с определенным перепадом температуры вдоль тела накала, и нет необходимости любыми путями стремиться к минимальному перепаду. Пригодность ламп типа «черное тело» определяется совокупностью параметров в каждом конкретном случае.

Анализ, основанный на сравнении значений  полостей различной кон­струкции, позволил сделать вывод [52], что цилиндрическая полость лучше подходит для создания МЧТ, так как обладает большим  по сравнению с конической полостью и конструктивно проще, чем сферическая, при одина­ковых относительных геометрических параметрах.

В уравнение для расчета  входит относительная длина l, т. е. за­висит от отношения длины и диаметра трубки. При разработке ламповой МЧТ расчеты сводятся, в основном, к определению длины цилиндрического трубчатого излучателя. Диаметр трубки не рассчитывается, он выбирается таким образом, чтобы обеспечить заполнение угла визирования измерительно­го прибора (пирометра или радиометра). Исходными параметрами являются требуемое значение  и максимальная температура полости . По этим параметрам определяют l, а, зная R, находят геометрическую длину трубки 2L = 21R, где R — радиус трубки. Значение 2L представляет собой рабочую часть цилиндрического тела накала. Распределение температуры вдоль тако­го тела, т. е. степень изотермичности, зависит от способа его соединения с токо-вводами. Применяемый в отечественных лампах способ крепления с помощью лепестков обеспечивает необходимую прочность крепления тела накала, его формоустойчивость на протяжении срока службы.

В заключение необходимо отметить, что бурное развитие оптоэлектроники и фотоники в последние десятилетия ХХ-го века сопровождалось расширяю­щимся использованием светоизлучающих диодов (СИД) в устройствах визуа­лизации информации, особенно в световых приборах и системах обеспечения безопасности дорожного движения (световые табло, светофоры, дорожные знаки, отражатели и пр. ).

Производители СИД нормируют следующие их основные характеристики:

· номинальную и минимальную силу света ( , );

· двойной угол расходимости излучения на уровне 0, 5 ;

· доминирующую длину волны ( ).

Однако при производстве упомянутых световых приборов и систем имеют дело не с одиночными СИД, а с регулярными матрицами этих элементов оптоэлектроники. Поэтому при фотометрировании матричных СИД-структур приходится измерять их осевую силу света, пространственное распределение последней, а также координаты цветности.

Это направление оптической радиометрии только начинает развиваться, а СИД в качестве ЭОИП отличаются от серийных приборов лишь высокой стабильностью излучательных характеристик, причем степень стабильности определяется путем отбора и исследования отдельных экземпляров этих из­лучателей.

В связи с этим нет необходимости специально описывать СИД с позиций электрооптического измерительного преобразования. Мы вернемся к этому вопросу в четвертой части книги, где рассматривается система обеспечения единства измерений в фотометрии и, в частности, созданная во ВНИИОФИ уникальная эталонная установка для калибровки этих источников квазимо­нохроматического светового излучения.

 

 

⇐ Предыдущая20212223242526272829Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: