Патент на изобретение №2310819

(54) КАЛОРИМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения энергетических параметров лазерного излучения в установках для лазерной технологии, а также в лазерной связи и локации, в лабораторных установках при проведении научных экспериментов. Изобретение направлено на повышение точности измерения энергетических параметров излучения лазера, что обеспечивается за счет того, что калориметр содержит поглотитель и термочувствительный элемент, выполненный в виде металлической проволоки. Поглотитель имеет внутреннюю поверхность с поглощающим покрытием и наружную поверхность с выполненной на ней канавкой, в которой на изоляционный материал установлен термочувствительный элемент. Толщина стенки поглотителя переменна по его длине, а его внутренняя поверхность выполнена в виде кругового конуса, величина шага спирали S, по которой расположена канавка, выбирается из условия: S=d+2b, где b – толщина изоляционного материала; d – диаметр проволоки термочувствительного элемента; при этом толщина стенки поглотителя увеличивается к основанию конуса и изменяется в соответствии с формулой:

где r(х) – радиус основания конуса в текущей координате; h(x) – толщина стенки поглотителя в текущей координате; h_max – толщина стенки поглотителя в основании конуса. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения энергетических параметров лазерного излучения, и может быть использовано в установках для лазерной технологии, а также лазерной связи и локации, в лабораторных установках при проведении научных экспериментов.

Известно техническое решение по патенту Великобритании №GB 1167877, содержащее калориметр, состоящий из конуса, на внутреннюю поверхность которого нанесено поглощающее покрытие (имитация абсолютно черного тела), и термочувствительного элемента, закрепленного в вершине конуса.

Недостаток указанного технического решения состоит в том, что в калориметре термочувствительный элемент установлен в одной точке – вершине конуса. Так как излучение лазера поглощается всей внутренней поверхностью конуса, а измерение температуры производится только в одной точке, временная задержка при такой методике измерения достаточно большая. Для выравнивания температуры по всему телу конуса требуется значительное время, это приводит к увеличению погрешности и к снижению точности измерения.

Известно техническое решение, являющееся наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, патент США №US 2005/0111519. Известный калориметр содержит поглотитель и термочувствительный элемент, выполненный из металлической проволоки. Поглотитель имеет внутреннюю поверхность, на которую нанесено поглощающее покрытие, и наружную поверхность с выполненной на ней по спирали канавкой. В указанной канавке на изоляционный материал установлен термочувствительный элемент. Толщина стенки поглотителя переменна по его длине. Известное техническое решение, несомненно, обладает рядом достоинств.

Однако при изменении температуры тела поглотителя в результате поглощения излучения лазера изменяется и электрическое сопротивление проволоки термочувствительного элемента, но в известном калориметре каждому единичному отрезку длины проволоки термочувствительного элемента соответствуют неодинаковые объемы тела поглотителя, а значит, время, за которое достигается выравнивание температуры по всему телу поглотителя и равномерность распределения электрического сопротивления по всей длине проволоки термочувствительного элемента, достаточно велико. А это приводит к снижению точности измерения. Кроме того, в известном калориметре имеет место повышенная теплоотдача в окружающее пространство, что требует применения в устройстве теплоизоляционной системы сложной конструкции.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения энергетических параметров излучения лазера.

Техническим результатом в данном решении является сокращение времени выравнивания температуры тела поглотителя и обеспечение равномерного распределения электрического сопротивления по всей длине проволоки термочувствительного элемента.

В заявляемом калориметре, который содержит поглотитель и термочувствительный элемент, выполненный в виде металлической проволоки, поглотитель имеет внутреннюю поверхность с поглощающим покрытием и наружную поверхность с выполненной на ней канавкой, в которой на изоляционный материал установлен термочувствительный элемент, при этом толщина стенки поглотителя переменна по его длине; поставленная задача согласно изобретению решается за счет того, что внутренняя поверхность поглотителя выполнена в виде кругового конуса, величина шага спирали S, по которой расположена канавка, выбирается из условия: S=d+2b, где b – толщина изоляционного материала; d – диаметр проволоки термочувствительного элемента, при этом толщина стенки поглотителя выполнена увеличивающейся к основанию конуса и изменяющейся в соответствии с формулой

где r(x) – радиус основания конуса в текущей координате;

h(x) – толщина стенки поглотителя в текущей координате;

h_max – толщина стенки поглотителя в основании конуса.

Новым в предлагаемом устройстве является:

– выполнение внутренней поверхности поглотителя в виде кругового конуса;

– величина шага спирали, по которой расположена канавка, выбирается из условия: S=d+2b;

– выполнение толщины стенки поглотителя h(x), увеличивающейся к основанию конуса и изменяющейся в соответствии с формулой

В предлагаемом калориметре выравнивание температуры по всему телу поглотителя и равномерное распределение электрического сопротивления по всей длине термочувствительного элемента происходит за очень короткое время. Это обеспечивается за счет того, что каждому единичного отрезку длины проволоки термочувствительного элемента соответствует одинаковый малый объем тела поглотителя. Малая временная задержка начала изменения электрического сопротивления проволоки и равномерность распределения электрического сопротивления по всей ее длине позволяет получить высокую точность измерения энергетических параметров излучения лазера.

В уровне техники известны технические решения, содержащие признак «внутренняя поверхность поглотителя выполнена в виде кругового конуса», например, в патенте Великобритании №GB 1167877 и в др. Однако отличительные признаки: «величина шага спирали, по которой расположена канавка, выбирается из условия: S=d+2b» и «толщина стенки поглотителя выполнена увеличивающейся к основанию конуса и изменяющейся в соответствии с указанной формулой» не обнаружены в уровне техники, это дает основание утверждать, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен чертеж, поясняющий конструкцию заявляемого калориметра; на фиг.2 представлен эскиз поглотителя с термочувствительным элементом.

Калориметр позволяет принимать и поглощать излучение, исходящее от лазера.

Предлагаемый калориметр содержит поглотитель 1, установленный в кожухе 2. Кожух 2 закреплен на планке 3. Внутри кожуха 2 поглотитель 1 закреплен с помощью передней стенки 4 калориметра и винта 5, установленного в задней стенке 6 калориметра. Кожух 2 обеспечивает тепловую изоляцию поглотителя 1. Поглотитель 1 выполнен из алюминия. На наружной поверхности 7 поглотителя 1 по спирали выполнена канавка 8, в которой установлен термочувствительный элемент 9, выполненный из молибденовой проволоки (фиг.2). Термочувствительный элемент 9 установлен в канавке 8 на изоляционный материал 10, выполненный в виде ленты. Изоляционный материал 10 уложен непосредственно в канавку 8 таким образом, чтобы витки проволоки термочувствительного элемента 9 не соприкасались между собой и с телом поглотителя 1.

Величина шага спирали S, по которой на наружной поверхности 7 поглотителя 1 расположена канавка 8, выбирается равной сумме диаметра d проволоки термочувствительного элемента 9 и удвоенной толщине b изоляционного материала 10.

Внутренняя поверхность 11 поглотителя 1 является приемной поверхностью и выполнена в виде кругового конуса. На ней нанесено поглощающее покрытие черного цвета со степенью черноты, близкой к единице.

Толщина стенки поглотителя 1 увеличивается к основанию конуса внутренней поверхности 11. Причем толщина стенки различна по длине поглотителя 1 и изменяется по формуле

где r(x) – радиус основания конуса в текущей координате; h(x) – толщина стенки поглотителя в текущей координате; h_max – толщина стенки поглотителя в основании конуса.

Калориметр работает следующим образом.

Излучение лазера воспринимается внутренней поверхностью 11 поглотителя 1. Так как на внутренней поверхности 11 нанесено поглощающее покрытие со степенью черноты, близкой к единице, то большая часть излучения поглощается ею, а оставшаяся меньшая часть – отражается. В результате многократных переотражений излучение почти полностью поглощается стенкой поглотителя 1. Температура поглотителя 1 при этом увеличивается. Вместе с изменением температуры поглотителя 1 изменяется и температура проволоки термочувствительного элемента 9, что приводит к изменению электрического сопротивления проволоки.

По изменению электрического сопротивления определяют температуру поглотителя и вычисляют количество поглощенной энергии излучения лазера.

Поскольку толщина стенки поглотителя 1 выполнена увеличивающейся к основанию конуса и изменяющейся в соответствии с предлагаемой выше формулой (по определенному закону), то в заявляемой конструкции калориметра обеспечивается соответствие каждого единичного отрезка длины проволоки термочувствительного элемента 9 одинаковым объемам тела поглотителя 1.

Следовательно, изменение электрического сопротивления любого единичного отрезка длины проволоки будет одинаковым по всей длине проволоки термочувствительного элемента 9. Полученное распределение сопротивления по длине проволоки является равномерным и общее электрическое сопротивление всей проволоки термочувствительного элемента 9 получится простым суммированием электрических сопротивлений отдельных единичных отрезков длины проволоки.

Так как величина шага спирали достаточно мала, то каждому единичному отрезку длины проволоки термочувствительного элемента 9 соответствует достаточно малый объем тела поглотителя 1. Выравнивание температуры по всему объему поглотителя 1 и передача тепла к наружной стенке 7 поглотителя и к термочувствительному элементу 9 происходит очень быстро, то есть с малой временной задержкой.

Малая временная задержка начала изменения электрического сопротивления и равномерность распределения сопротивления по всей длине проволоки термочувствительного элемента 9 позволяет существенно повысить точность измерения энергетических параметров излучения лазера.

Кроме того, заявляемая конструкция калориметра значительно проще по сравнению с конструкцией наиболее близкого аналога.

Предлагаемая конструкция калориметра может быть использована для измерения энергетических параметров лазеров, в том числе мощных.

Заявляемый калориметр, относящийся к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения энергетических параметров излучения лазера, может быть изготовлен промышленным способом с помощью известных средств и методов. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Формула изобретения

Калориметр, содержащий поглотитель и термочувствительный элемент, выполненный в виде металлической проволоки, причем поглотитель имеет внутреннюю поверхность с поглощающим покрытием и наружную поверхность с выполненной на ней по спирали канавкой, в которой на изоляционный материал установлен термочувствительный элемент, при этом толщина стенки поглотителя выполнена переменной по его длине, отличающийся тем, что внутренняя поверхность поглотителя выполнена в виде кругового конуса, величина шага спирали S, по которой расположена канавка, выбирается из условия: S=d+2b, где b – толщина изоляционного материала; d – диаметр проволоки термочувствительного элемента, при этом толщина стенки поглотителя выполнена увеличивающейся к основанию конуса и изменяющейся в соответствии с формулой:

где r(х) – радиус основания конуса в текущей координате;

h(x) – толщина стенки поглотителя в текущей координате;

h_max – толщина стенки поглотителя в основании конуса.

РИСУНКИ