Методы оптической микропирометрии для исследования тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза Калачев Александр Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава I Обзор методов исследования волны СВС 12

1.1 Классические модели волны твердопламенного горения 12

1.2 Теоретические и экспериментальные исследования СВС 15

1.2.1 Основные направления исследований 15

1.2.2 Обзор методов экспериментальной диагностики СВС 18

1.2.3 Компьютерное моделирование режимов горения СВС 20

1.2.4 Исследования структуры исходных порошков и волны горения 21

1.3 Методы измерения температуры в процессах СВС 23

1.3.1 Контактные методы 23

1.3.2 Оптические методы 24

1.3.3 Оптическая пирометрия процессов СВС 27

1.4 Выбор и обоснование диссертационных исследований 28

Глава II Физические модели оптической микропирометрии пористых сред ... 34

2.1 Физическая модель квазипериодической структуры слоистой пористой среды 34

2.2 Методика определения температуропроводности дисперсных сред насыпной плотности 39

2.3 Методики определения излучательной способности 43

2.3.1 Особенности теплового излучения пористого тела 43

2.3.2 Методы определения излучательной способности 46

2.3.3 Метод сравнения с эталоном 47

2.3.4 Радиационный метод 48

2.3.5 Метод поглощения 49

2.3.6 Черное тело в образце 50

2.4 Способ определения спектральной температуры по времени экспозиции насыщения 50

2.4.1 Принцип работы 50

2.4.2 Математическая модель сигнала 53

2.5 Оптическая диагностика СВС 55

Основные выводы и результаты 58

Глава III Разработка приборов микропирометрии процессов СВС 60

3.1 Средства для калибровки пирометров 60

3.2 Микропирометры для исследования СВС 67

3.2.1 Микропирометры на основе фотодиодов 67

3.2.2 Пироэлектрический пирометр 76

3.2.3 Микропирометр с высоким пространственным разрешением 81

3.2.4 Пирометры на фотодатчиках в режиме накопления заряда 88

3.3 Экспериментальный стенд для исследования процессов СВС 98

3.4 Стенд для определения излучательной способности 99

3.4.1 Схема установки 99

3.4.2 Подготовка образца 100

3.4.3 Схема проведения эксперимента 101

3.4.4 Обработка результатов измерений 103

3.4.5 Стенд для определения излучательной способности методом поглощения 104

3.5 Стенд для определения температуропроводности шихты 107

Основные выводы и результаты 109

Глава IV Исследование тепловой структуры волны горения СВС 112

4.1 Результаты исследований температуропроводности шихты 112

4.2 Исследование излучательной способности СВС материалов 114

4.2.1 Излучательная способность образцов Ni3Al и ТІА1 114

4.2.2 Излучательная способность МзАІ в процессе синтеза 120

4.3 Исследование тепловой структуры волны горения в СВС 122

4.3.1 Сопоставление видеокадров процесса и конечной структуры 122

4.3.2 Образование микроочагов, расшифровка термограмм горения 125

Основные выводы и результаты 127

Заключение 128

Список литературы 129

• Исследования структуры исходных порошков и волны горения
• Методика определения температуропроводности дисперсных сред насыпной плотности
• Микропирометр с высоким пространственным разрешением
• Сопоставление видеокадров процесса и конечной структуры

Введение к работе

Открытие в 1967г. И.И. Боровинской, В.М. Шкиро, А.Г. Мержановым твердопламенного горения положило начало одной из перспективной технологии получения материалов - самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу (СВС). В настоящее время СВС применяется как для получения широкого спектра материалов, от керамик до интерметаллидов, так и для производства промышленных изделий (формы, фильтры и т.д.). Отдельный интерес представляет получение методом СВС композиционных порошковых и пористых фильтрующих материалов, содержащих каталитические или легирующие компоненты.

Прохождение волны горения в высокопористых системах имеет отличия от традиционной модели Зельдовича - Франк-Каменецкого. Детальные исследования волны горения в подобных системах показывают наличие существенных неоднородностей, слоев или очагов, превышающих масштаб гетерогенности среды.

При диагностике процессов СВС наиболее доступны измерения температуры. При этом требования к пространственному и временному разрешению достаточно высоки - пространственное квантование сравнимо с масштабами гетерогенности среды; временное разрешение - меньше, чем характерные времена тепловых процессов.

Исследования температурной динамики и процессов тепло - и массо- переноса затруднены из-за неприменимости контактных методов измерения температуры в дисперсных средах в пределах 50-70% пористости, что характерно для образцов с насыпной плотностью. Результаты микротермопарных исследований подвергались критике из-за возможного повреждения или замыкания термопары, потери контакта со средой. Применение бесконтактных оптических методов пирометрии не позволяет получить достоверные результаты без учета излучательной способности материалов, образующихся в ходе синтеза: изменя ется как структура материала, так и сам материал. Разнообразие механизмов формирования структурно-фазовых превращений в волне горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и углубление представлений о происходящих процессах требует разработки новых методов исследования, обеспечивающих высокую достоверность получаемой информации.

В настоящее время основными направлениями в исследовании процессов горения гетерогенных систем являются:

- исследование микроструктуры волны горения (масштаба неоднородно-стей, характера и скорости распространения фронта горения) - работы Евстигнеева В.В., Гуляева П.Ю., Гумирова М.А.;

- изучение процессов структурообразования продуктов (фазовые и структурные превращения, приводящие к установлению структуры конечных продуктов) - выделяются работы Смолякова В.К., Прокофьева В.Т., Савицкого А.П., Саркисяна А.Р.;

- исследование влияния структуры гетерогенной смеси на процесс горения - Рогачев А.С., Емельянов А.Н., Шкиро В.М., Фролов Ю.В., Пивкина А.Н.;

- исследование химической кинетики СВС по эффектам тепловыделения - Зенин А.А., Неринсян Г.А..

Особое внимание исследователей обращается на нестационарные режимы протекания СВС. Детальные исследования тепловой структуры волн горения в таких режимах показывают наличие существенных температурных неоднород-ностей, кратковременных высокотемпературных очагов горения.

Многообразие механизмов теплопереноса в пористых гетерогенных средах с изменяющейся структурой и свойствами, смена доминирующего механизма в процессе эволюции волны горения приводит к неоднозначной оценке роли каждого из них в процессе и определении путей управления процессом. Недостаточно изучены механизмы формирования микроструктуры в волне горения, что не позволяет оптимально управлять процессом СВС для получения материалов с заранее предопределенной структурой.

Поэтому актуальным является разработка экспериментальных методов исследования закономерностей и механизмов возникновения локальных тепловых структур в волне горения СВС и определения их теплофизических характеристик.

Целью исследований является разработка оптических методов исследования тепловой структуры волны горения СВС.

Задачи исследования;

- разработка методики учета излучательной способности при измерении температуры в процессах СВС методами оптической микропирометрии;

- разработка методик и методов оптической пирометрии, обеспечивающих широкий температурный диапазон и высокое пространственное и временное разрешение;

- построение качественной физической модели волны горения в системе Ni-Al, базирующейся на сопоставлении температурных профилей волны горения с результатами анализа структуры продукта синтеза;

- исследование теплофизических свойств исходных порошковых смесей, тепловой структуры и соотношение различных механизмов теплопереноса в волне горения СВС.

Научная новизна результатов исследований;

1. Определены излучательные способности алюминидов никеля и титана №зА1 и TiAI. Установлено, что нормальная излучательная способность №зА1 практически не зависит от температуры и пористости, и несущественно меняется в процессе СВС.

2. Разработан способ и устройство определения цветовой температуры на основе фотодатчиков в режиме накопления заряда.

3. Обоснована методика исследования тепловой структуры волны горения СВС методами оптической микропирометрии, основанная на корреляции тепловой структуры волны горения со структурой исходной смеси и продуктов горения.

4. Показано, что тепловая структура волны горения СВС преимущественно определяется температуропроводностью порошковой смеси. Обнаружена смена механизмов теплопереноса в волне горения СВС.

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы методы оптической пирометрии, методы теплофизических измерений, методы обработки цифровых изображений, методы физико-механических испытаний, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных. Практическая ценность работы;

- Разработанные методы микропирометрии могут быть успешно применены для определения температур дисперснофазных сред, исследования тепловой структуры волны горения СВС, контроля режимов горения и формирования структуры СВС-материалов.

- Полученные результаты излучательной способности СВС-материалов открывают возможность измерения яркостной и цветовой температур с гарантированной точностью для контроля температурной динамики в волне горения для промышленных технологий СВС.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- Методика учета излучательной способности алюминидов никеля и титана по средневзвешенному значению излучательных способностей исходных металлов.

- Метод оптической пирометрии с широтноимпульсным преобразованием to оптического сигнала на основе измерения времени экспозиции фотодатчиков в

режиме накопления заряда.

- Методика исследования тепловой структуры волны горения СВС при помощи оптической микропирометрии, основанная на корреляции тепловой структуры волны горения со структурой исходной смеси и продуктов горения.

- Связь характеристических размеров структуры волны горения СВС с температуропроводностью исходной смеси, наличие смены механизмов тепло-переноса в волне горения СВС.

Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 15 публикациях, научных статях в периодической печати, тезисах докладов, трудах конференций.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на международных и российских конференциях: III семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике» (Барнаул, 18-20 сентября 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Современные технологические системы в машиностроении» (Барнаул, 18-19 ноября 2003 г.), VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Сочи 6-9 октября 2003 г.), Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 20-23 октября 2004 г.).

Исследования по теме диссертации выполнены при финансовой поддержке Минобразования России по программе фундаментальных исследований в области естественных наук (грант Е 02-12.3-362).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок, 9 таблиц, список литературы из 161 наименования.

Во введении обоснованы актуальность исследований, указана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся основные литературные сведения о СВС, основных закономерностях и механизмах распространения волны горения СВС. Проведен обзор основных направлений исследований СВС, методов исследования процесса СВС. Обоснована необходимость исследования микроструктуры

волны горения и развития методов оптической пирометрии. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе описана структурная модель прохождения волны горения в системе Ni-Al. На основе моделирования насыпных структур малой плотности и анализа шлифов образцов, полученных с помощью СВС, можно говорить о квазипериодической структуре пористой среды. В качестве физической модели одного слоя предлагается модель для расчета соотношения лучисто-кондуктивного теплопереноса в волне горения. Также приведена методика определения температуропроводности исходной шихты заданной плотности с использованием метода постоянного теплового потока. Рассмотрены особенности излучательной способности пористого СВС-материала. Обоснован метод оптической пирометрии с использованием фотодатчиков, работающих в режиме накопления заряда с широтноимпульсной модуляцией сигнала.

Третья глава посвящена методикам эксперимента. Описаны экспериментальные стенды для калибровки фотоприемников в видимом и ИК-диапазоне, стенд для определения излучательной способности, стенд для определения температуропроводности порошков, методики эксперимента и обработки данных.

В начале третьей главы приводится описание разработанных и примененных для исследования волны горения СВС и продуктов СВС оптических пирометров различных типов: одноэлементные микропирометры на основе кремниевых фотодиодов для точечного температурного контроля, пирометр ближнего и среднего ИК-диапазона на пироэлектрическом фотодатчике, пирометр высокого пространственного разрешения на базе серийной цифровой фотокамеры и пирометры на МДП-фотоматрицах в режиме накопления заряда с широтноимпульсной модуляцией сигнала.

Далее в третьей главе приводится описание экспериментальных стендов для исследования излучательной способности СВС образцов и температуро проводности шихты, методик проведения эксперимента и обработки результатов.

В четвертой главе представлены результаты исследований температуропроводности исходной шихты на стехиометрию №зА1, излучательной способности СВС-материалов и исследований тепловой структуры волны горения.

Представлены результаты исследований температуропроводности шихты состава 82 масс. % Ni+18 масс. % А1 в зависимости от исходной плотности и степени разбавления порошком №зА1.

Представлены данные монохроматической нормальной излучательной способности, полученные при исследовании готовых пористых образцов и при исследовании излучательной способности непосредственно в ходе синтеза в различных областях спектра образцов №зА1, полученных из стандартной шихты стехиометрии ИізАІ, стандартной шихты с добавлением порошка Ni3Al, а также образцов ТІА1.

В заключительной части четвертой главы приведены результаты исследований тепловой структуры волны горения с использованием микропирометра с высоким пространственным разрешением на базе цифровой фотокамеры.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и результаты работы.

Исследования структуры исходных порошков и волны горения

Наряду с химической кинетикой составной частью макрокинетики являются процессы массо - и теплопереноса. Типичная порошковая СВС-система в исходном состоянии представляет собой пористую гетерогенную среду с масштабом гетерогенности 1-100 мкм. Из этого следует, что при описании, например, процессов теплопередачи в волне СВС необходимо учитывать особенности теплопереноса в пористых средах [14-16]. Прежде всего, такие среды отличаются многообразием механизмов теплопередачи, включая кондуктивные (твердо- и газофазные) [17-19], конвективные и лучистые (радиационные) [20-25]. Последнее может быть важным для высокотемпературных (2000-4000К) СВС-систем [6]. Лучистый теплоперенос тесно связан с особенностями распространения излучения в порошковой среде [26]. Проблема усложняется, так как микроструктурные характеристики среды в ходе процесса горения могут меняться в широких пределах. Например, от исходной твердофазной среды с относительной пористостью 50 % до жидко фазной и беспористой во фронте волны [27], что может приводить к смене управляющего механизма теплопереноса.

Основной задачей СВС является, в конечном итоге, не управление температурой и скоростью волны горения, а также ее удельным импульсом (что важно, например, при горении твердых топлив), а получение микроструктуры конечного продукта, определяющей его свойства [6, 28, 29].

Известно, что в порошковых средах с пористостью более 30% (что типично для большинства исходных СВС-систем) массоперенос осуществляется (благодаря высокому тепловому сопротивлению контактов между частицами) не за счет кондукции через конденсированную фазу (к-фазу), а через газ в порах (кондукция или конвекция). Роль лучистой составляющей в общем теплопере-носе увеличивается с увеличением размера и количества пор, тогда как при наличии жидкого протяженного микроструктурного каркаса (тоже распространенный вариант, но для фронта волны СВС) к-фазная кондукция и жидкофаз 17 ная конвекция могут превалировать. Наряду с проблемой реальной кинетики, проблема механизма теплопередачи в гетерогенной реакционной среде является ключевой для понимания процесса горения. Действительно, соотношение характерных времен (или скоростей) химической реакции и теплопереноса во многом определяет механизм распространения волн химических реакций. Известно, что если химическая реакция лимитирует процесс (например, малые коэффициенты диффузии по сравнению с температуропроводностью, число Льюиса « 1 [1, 4]), то реализуется так называемый квазигомогенный режим горения. Этот режим предусматривает наличие большого количества частиц реагентов в зоне инертного прогрева, так что их характеристики могут быть усреднены, и гетерогенная система заменяется гомогенной с этими усредненными свойствами. Оценки показывают, что, например, в случае кондуктивного механизма теплопередачи по к-фазе и твердофазных коэффициентов диффузии такой режим может быть реализован. Однако с учетом вышеупомянутых общих положений о теплопередаче в высокопористых средах можно ожидать, что реальные скорости теплопереноса (например, через газовую фазу) не достаточно высоки, чтобы конкурировать со скоростями химических реакций в режиме быстрых прогревов. Тогда реализуется иной механизм распространения волны реакции эстафетный или сцинтилляционный [4, 6, 30], в котором медленные периоды распространения тепла (стагнация фронта горения) сменяются активными периодами химического реагирования, сопровождающимися локальным повышением температуры (вспышка - сцинтилляция) и быстрым продвижением фронта. При этом ширина зоны реакции сравнима с масштабом гетерогенности среды. Известны экспериментальные данные, подтверждающие важную роль газофазного теплопереноса в волне СВС. Показано, что в модельных системах волна горения может распространяться только за счет радиационного теплопереноса [31]. Также экспериментально доказано существование сцинтилляцион-но-эстафетного механизма горения. 1.2.2 Обзор методов экспериментальной диагностики СВС

Высокие значения скорости и температуры СВС-процессов, малые времена синтеза, сочетание двух стадий в одном процессе - автоволновой и объемной, непрозрачность исходных и конечных веществ - все это создает определенные трудности для экспериментальных исследований. Преодолеть эти трудности в некоторой мере помогают методы, применяемые для исследования процессов горения. Однако СВС более сложный, более многогранный процесс, чем просто горение. Обычно горение только разрушает исходную структуру вещества, СВС же, кроме этого, создает новую, и изучение этого обстоятельства требует новых подходов.

Существующие в настоящее время методы и методики можно условно разделить на три группы [32]: 1-я группа нацелена на изучение волн горения (это исследования условий, характера и скорости распространения фронта горения, тепловых характеристик волны). 2-я группа используется при изучении структурообразования продуктов (фазовые и структурные превращения, приводящие к установлению структуры конечных продуктов). 3-я группа объединяет методики кинетических и термодинамических исследований, обычно осуществляемые независимо от СВС, но в температурных условиях, приближенных к СВС. Существующие приемы экспериментальной диагностики позволяют в значительной мере изучать СВС, но требуют совершенствования, развития, как исследовательских приборов, так и совершенствование методической базы. Основные методические идеи, состояние разработки и задачи развития экспериментальных методов приведены в таблице 1.1 [33].

Методика определения температуропроводности дисперсных сред насыпной плотности

Наибольшее распространение оптические методы измерения температу-ры получили в работах [89-104].

В [89-92] описаны методики и аппаратное обеспечение для высокоскоростной яркостной пирометрии СВС процесса. В работах [95-97] показана принципиальная возможность определения теплофизических параметров процесса СВС с использованием высокоскоростной пирометрии. Одним из оригинальных методов является метод статистической оценки изображения [98, 99]. В [100, 101] предлагается методика определения коэффициента температуропроводности среды в ходе СВ-синтеза в системе TiAl и методика определения кинетических параметров реакционной диффузии бинарных систем. Одним из наиболее часто используемых параметров при описании про цесса горения, является его скорость, непосредственно связанная с теплофизи ческими параметрами среды. В случае нестационарных режимов приходится говорить о некоторой средней скорости горения (массовой скорости)[4, 6, 8]. Скорость распространения горения связана с тепловой шириной волны горения и температуропроводностью среды. Примененная методика яркостной пирометрии позволила установить наличие дискретной структуры волны горения в системе Ni-Al и определить ее характерные пространственно-временные масштабы [102, 103]. В [73] исследовались свойства и закономерности горения системы Ni-Al в зависимости от степени разбавления продуктом синтеза {Ni Al) . Авторами рас сматривались следующие параметры: скорость горения, температура догорания, «эффективная ширина» волны горения, определяемая по кадрам видео съемки. Было установлено слабое влияние добавок на скорость горения, но при этом «эффективная ширина» волны горения изменялась весьма существенно, однако однозначного критерия определения данного параметра не представлено.

Одним из краеугольных камней в пирометрии СВС процессов - отсутствие данных об излучательной способности СВС материалов и тем более о характере ее температурной зависимости. При строгом подходе необходимо учитывать различие химического состава исходных веществ и конечного продукта, дисперсность среды, т.е. наличие пор, как в исходной шихте, так и в конечном продукте, образование промежуточных фаз в ходе реакции, которых нет ни в исходной шихте, ни в конечном продукте.

Реальное нечерное тело, которое не поглощает все излучение, падающее на него от внешнего источника, имеет как плотность потока излучения, так и интенсивность излучения меньшую, чем соответствующие величины для излучения черного тела. Плотность потока излучения нечерного тела может быть выражена в виде доли плотности потока излучения черного тела, имеющего ту же температуру и излучающего в ту же внешнюю среду. Отношение плотности потока излучения нечерного тела к плотности потока излучения черного тела при одной и той же температуре в одну и ту же внешнюю среду называется излучательной способностью и обозначается обычно є [105].

В отечественной и зарубежной литературе имеется значительное различие в терминах, характеризующих тепловое излучение твердых веществ. В отечественной литературе, например, можно встретить следующие понятия: степень черноты, лучеиспускательная способность, излучательная способность, коэффициент черноты, коэффициент излучения.

Излучательная способность тела зависит от многих параметров — от свойств самого вещества, от состояния и формы поверхности рассматриваемого тела, температуры, длины волны или диапазона длин волн, направления, в котором распространяется излучение. В связи с этим целесообразно ввести ряд дополнительных терминов. Если рассматривать тепловое излучение в весьма узком интервале длин волн, то соответствующая этому интервалу длин волн излучательная способность называется монохроматической излучательной способностью, если же рассматривать весь спектр теплового излучения, то он бу дет характеризоваться интегральной излучательной способностью. При рас смотрении излучения, выходящего из тела по нормали к поверхности, излуча тельную способность в этом направлении - нормальная излучательная способ ность [105-110]. Поскольку параметры среды изменяются в ходе процесса: холодный порошковый материал; прогретый до некоторой температуры, возможно частично расплавленный или окисленный порошок в зоне предварительного прогрева; зона реакции (интенсивного тепловыделения), здесь имеем смесь веществ — ис ходные частицы, промежуточные и конечные продукты в различном агрегат ном состоянии; зона догорания - формирование продукта синтеза. Определение излучательной способности даже известного материала, на пример металла, при высоких температурах, от 500 С и выше само по себе яв ляется достаточно сложной задачей. Так, в качестве примера, можно привести данные по излучательной способности Ni и Ті [105-107] (см. рис. 1.4). х Как видно из рис. 1.4 данные различных авторов различаются, причем различия носят не только количественный (разброс в абсолютных значениях є), но и качественный характер (различная температурная зависимость). Роль играет не только наличие примесей, но также характер и состояние поверхности. В условиях СВС, где имеет место и присутствие газа, от инертного до водяного пара и углекислого газа. Положение усложняется тем, что среда дисперсная. В [111] данная проблема была исследована для системы Hf+B. Для этого в качестве эталона была использована щель в образце, которая играла роль черного тела [77, 87,105]. В [112] использовались табличные данные излучательной способности продукта реакции в предположении ее слабой температурной зависимости от температуры.

Микропирометр с высоким пространственным разрешением

Наиболее радикально решает проблему измерения монохроматической излучательной способности є организация черного тела в исследуемом образце. Для материалов с хорошей теплопроводностью и электропроводностью модель черного тела выполняют чаще всего в виде длинной тонкостенной трубки с отверстием той или иной формы в стенке. Трубка нагревается электрическим током. Если материал не может быть нагрет непосредственным пропусканием тока, то он может быть нанесен тонким слоем на токопроводящую трубку.

Принципиальная схема измерений в последнем случае заключается в следующем. Трубчатый образец помещают в вакуумную камеру. С помощью оптической системы на линейный приемник излучения поочередно направляется излучение поверхности трубки и отверстия, которое является эталоном. Излу-чательная способность отверстия может быть сделана весьма близкой к единице, в первом приближении э =7, и по (2.30)-(2.32) в зависимости от задачи и типа приемника определяется либо монохроматическая, либо интегральная из-лучательная способность материала.

Принцип режима накопления заряда сводится к следующему [139]. Если на /7-и-переход подается отрицательное напряжение и затем цепь размыкается, то заряд будет накапливаться в обедненном слое. При этом скорость изменения емкости слоя пропорциональна уровню освещенности. В отсутствие освещения емкость обедненной области разряжается только генерационно-рекомбинационным током (темновым током), а так как и емкость обедненной области, и генерационно-рекомбинационный ток прямо пропорциональны площади, то постоянная времени не зависит от площади. В отсутствие освещения в кремниевых планарных переходах большой площади, обработанных соответствующим образом, можно получить постоянные времени порядка нескольких минут; для большинства стандартных МОП-структур и фотодиодов с малой площадью более типичны постоянные времени порядка нескольких секунд. На рис. 2.6 приведена типичная характеристика спада напряжения неосвещенного высококачественного/?—п-перехода [139]. Расчетная кривая [139] получена при условии, что емкостный ток смещения равен генерационно-рекомбинационному току.

На рис.2.7 приведено несколько характеристик спада напряжения для того же диода при разных уровнях освещенности. Ток, генерируемый фотонами, прямо пропорционален уровню освещенности, и, следовательно, количество заряда, удаляемого в данный момент времени, прямо пропорционально интегралу освещенности, взятому в том же временном интервале. Таким образом, регистрируя заряд, который периодически требуется для того, чтобы воссоздать начальные условия по напряжению, можно получить сигнал, пропорциональный освещенности. 1. Улучшение чувствительности в результате суммирования падающей освещенности. 2.Электронный контроль чувствительности путем изменения времени накопления, и, следовательно, широкий динамический диапазон. Выгодность применения неохлаждаемых ИК-приемников очевидна, по сравнению с криогенными фотодатчиками, требующими специальных температурных условий эксплуатации. Дополнительно возможности регулировки чувствительности обеспечиваются режимом накопления заряда и специальными способами выделения слабых сигналов, типа двойной и тройной коррелированной выборки, что позволяет снизить фоновый шум фотоприемника до 400 - 1000 электронов на ячейку. В качестве чувствительных элементов используются МДП-фотодиодные матрицы [137, 138], работающие в режиме накопления заряда [139]. Аналого-цифровое преобразование осуществляется путем измерения промежутка времени между импульсом сброса фотоматрицы и моментом времени, соответствующего пороговому уровню сигнала ее разряда. Измерение этого промежутка времени осуществляется при помощи микроконтроллера или интегральных цифровых таймеров типа 8x53 [140, 141]. Применение МДП-фотодиодных матриц МФ-14 в режиме накопления за 53 ряда позволяет наиболее полно использовать их возможности [142]. Внутренняя принципиальная электрическая схема фотоячейки матрицы (рис.2.8) позволяет использовать различные варианты выборки информационного сигнала (рис.2.9), оптимизировать конфигурацию схемы выделения сигнала под решение конкретной задачи [142, 143, 144, 158].

Сопоставление видеокадров процесса и конечной структуры

Волна горения СВС, распространяющаяся в дисперснофазных средах с высокой объемной пористостью порядка 50-70%, имеет ряд особенностей, связанных с образованием слоистых квазипериодических структур и циклической сменой доминирующего механизма теплопередачи. Предложена модель теплообмена в волне горения, состоящая из зоны реакции с двумя прилегающими слоями: предвоспламенительным и догорания, позволяющая проводить оценку отношения радиационно-кондуктивного теплопереноса в процессе эволюции волны.

Предложена методика определения температуропроводности шихты методом постоянного теплового воздействия на образец конечного размера, упрощающая технику проведения эксперимента за счет учета теплового потока в образец по стационарному состоянию, что позволяет уйти от непосредственного измерения тепловых потоков.

Сочетание традиционных методов определения излучательной способности материала и измерительной телевизионной съемки позволяет исследовать излучательную способность не только готового материала, но и ее изменения непосредственно в ходе синтеза. Учет изменения излучательной способности позволит точнее интерпретировать результаты пирометрических и телевизионных измерений и более корректного восстановления картины СВС.

Применение датчиков с внутренним интегрированием сигнала позволяет повысить точность измерения температуры при низких уровнях потока оптического излучения или сравнительно низких температурах ( 700К). Одно- временно способ определения спектральной температуры по времени экспозиции насыщения фотодатчика упрощает преобразование аналогового сигнала в цифровую форму и при малых аппаратных затратах увеличить число каналов измерения.

Исследование процессов СВС с применением измерительной видеофотосъемки следует проводить по схеме: фиксирование исходной порошковой структуры, непосредственно съемка процесса и фиксирование готовой структуры. Последующая обработка изображений должна проводиться с применением метода наложения снимков и совмещения всех трех структур: исходной, горения и конечной.

В данном разделе приводится общее описание стенда для калибровки фотоприемников. Рассматривается два варианта эталонных источников излучения. Приводятся оценки погрешностей, вносимых регистрирующей аппаратурой и устройством стендов. Общая структурная схема стенда представлена на рис.3.1 Стенд состоит из эталонного источника - 7, блока управления и регулировки эталонного источника - 2, оптической системы - 3, фотоприемного устройства - 4, аналого-цифрового преобразователя - 5, блок обработки на базе PC -б. В качестве эталонного источника применялись температурная лампа ТРУ 1100-2350 и лабораторная модель черного тела. Зависимость яркостной температуры лампы (для длины волны 650мн) от протекающего тока Polynomial Fit of UkMPRJT Upper 95% Prediction Urmt Lower 95% Prediction Limit График зависимости яркостной температуры лампы (Я=650нм) от протекающего тока. Паспортные данные отражены точками, сплошные линии - результат аппроксимации полиномом четвертой степени и полоса доверительной вероятности 95%. Данные аппроксимации зависимости яркостной температуры вольфрамовой ленты температурной лампы от тока накала. Аппроксимационный полином Т = В0 + B,I + B2f + Вії3 + в4ґ Коэффициент Значение Ошибка Для калибровки фотоприемника на другой длине волны или в определенном спектральном диапазоне необходимо знать ее действительную температуру. Соотношение, связывающее действительную и яркостную температуру [77, 80-87, 105], позволяет при известной спектральной и температурной зависимости излучательной способности материала, рассчитать его действительную температуру и яркостную температуру. где - Тяэ яркостная температура на эталонной длине волны Яэ; дэ, є - излуча-тельные способности материала используемого эталона (в данном случае вольфрама). Погрешность в определении температур Тя и Т зависит в основном от точности градуировки эталонной лампы и стабильности источника тока. Принципиальная схема проведения калибровки выглядит следующим образом. Фотоприемник устанавливается на определенном расстоянии от температурной лампы, либо определяется площадь визируемого участка. При помощи регулируемого источника тока устанавливается ток лампы. По градуировочной таблице или аппроксимационной формуле определяется яркостная температура лампы. При необходимости (при калибровке ФПУ на другой длине волны) яркостная температура по (3.2) или (3.3) пересчитывается в действительную или яркостную температуру на соответствующей длине волны. Аналого-цифровым преобразователем измеряется уровень сигнала Uc при данном токе лампы. Данные о Uc и Тя заносятся в промежуточный массив калибровочных данных. Таким образом, с выбранным шагом проходится весь рабочий температурный диапазон в сторону возрастания, а затем в сторону убывания температур, создавая в каждом проходе новый промежуточный массив. Данный цикл повторяется требуемое число раз. По окончании калибровки вычисляется среднее значение массивов, погрешности. Создается многомерный калибровочный массив, составленный из усредненных данных по промежуточным массивам и ошибок -MK{UC AUC, ТЮЛТЯ}.