Способ измерения температурного поля

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить чувствительность, снизить трудоемкость процесса измерения. В звуководе 1, изготовленном из материала, параметр Грюнайзена которого зависит от температуры, возбуждают термоакустические колебания источником 3 импульсного нагрева. По амплитуде термоакустических колебаний восстанавливают профиль температурного поля. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

COLIHAËÈÑTÈ×ÅÑÍÈХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (В (g))g С 01 К 11/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4449410/24-.10 .(22) 27.06,88 (46) 15.07.90. Бюл. Ф 26 (7 1) Харьковский государственный университет им. А.М.Горького (72) А.И.Калиниченко, Г.Ф.Попов и В.Г.Pудычев (53) 536.6(088.8} (56) Заявка Франции N - 2315689, кл. G 01 К 7/02, 1975.

Баранов В.М. Ультразвуковые измерения в атомной технике. М.: Атомиэдат, 1975, с. 86-88. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛЯ

2 (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности эа счет осуществления возможности измерения температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить точность измерения, снизить трудоемкость процесса измерения, В звуководе 1,.изготовленном из материала, параметр Грюнайзена которого зависит от температуры, возбуждают термоакустические колебания источником 3 импульсного нагрева. По ампли- туде термоакустических колебаний восстанавливают профиль температурного поля. 2 ил.

1578520

Изобретение касается измерения температурных полей, в частности измерения пространственного распределения температурного профиля тепловых

5 полей различного происхождения.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднород" 10 ных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, а также повышение чувствительности и снижение трудоемкости процесса измерения. f5

Известно, что импульсный нагрев конденсированных сред приводит к возбуждению термоакустических колебаний, обусловленных термоакустическим механизмом. Амплитуда 6 (r, t) воз-, 20 буждаемых термоакустических колебаний определяется генерационной способностью материала среды, мерой которой является параметр Грюнайзена (Г) и плотностью Е(г, t) энергии, 25 поглощенной в материале в результате импульсного нагрева:

g(F, t) = Г a.(F, t) Параметр Грюнайзена (Г) связан с термодинамическими характеристиками ,материала соотношением

Г а К (2) ус где g, К,. С, — коэффициент теплово-. го расширения, модуль 35 всестороннего сжатия, теплоемкость и плотность материала.

IIpH измеиенин температуры материала„ температурная зависимость термоакустического сигнала (Т) будет определяться температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поскольку величина плотности E. поглощенной энергии 45 в большинстве случаев не зависит от температуры..

Иэ (1) следует, что (3) g (Т) = Г(Т) Е

Если взять материал с известной температурной зависимостью параметра

Грюнайзена Г(Т), поместить его в неоднородное по пространству температурное поле Т(х) (где х — координата), возбудить в нем с помощью источника импульсного нагрева термоакустические колебания, то по амплитуде ,и форме этих колебаний можно восстановить профиль температурного поля

Т(х) .

В области структурных фазовых переходов, не сопровождаемых изменением агрегатного состояния, параметр

Грюнайзена таких металлов, как газалиний, диспрозий, сплавов Cn — Al—

Ni Ti Ni, облучаемых.импульсным пучком электронов с энергией 12 МэВ длительностью импульса от 10 с до

10 С, числом частиц в импульсе

10 о — 10 r31/см, сильно изменяется с температурой. Температурный интервал изменения параметра Грюнайзена для разных металлов и сплавов различен: для диспрозия — от 50 К до

120 К; гадолиния — от 180 К до 350 К .

Для сплавов Cn — Al — Ni, Ti, Ni темйературный интервал в зависимости от процентного состава компонентов может изменяться от 80 К до 450 К для области температур 500 К вЂ” 1500 К можно испольэовать сплав Fe — Ni u сталь с мартенситным превращением в высокотемпературной области.

Ва фиг. 1 изображено устройство д . измерения температурного поля; на фиг, 2 — устройство для измерения тем пературного поля с объемным звуководом.

Способ измерения температурного поля Т(х) осуществляют следующим образом.

В контролируемом объеме с неоднородным по пространству температурь ным полем Т(х) (где х — пространственная координата) размещают звуковод, изготовленный из материала, параметр Грюнайзена которого известным образом зависит от температуры Г

= Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучения или импульса электрического тока) осуществляют ипульсный нагрев звуковода, В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаются термоакустические колебания.

По амплитуде и форме регистрируемых .термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного поля.

Предлагаемый способ измерения температурного поля осуществляют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр

78520

8Е

E(x) = (- †) n (х)

8Z (4) 20 где

5 15

Грюнайзена Г(Т) которого известным образом зависит от температуры, звуковод имеет квазиодномерную форму, т.е. выполнен в виде стержня или проволоки, диаметр которых Й значительно меньше их длины 1(d (< 1). К одному из торцов звуковода 1 через акустический контакт подсоединен акустический детектор 2. Акустический детектор, должен обладать широкой полосой пропускания, равной d f 10 ИГц, чтобы без искажения преобразовывать форму импульсного акустического сигнала в импульс электрического напряжения, и слабой зависимостью чувствительности от температуры. Такой акустический детектор может быть изготовлен из широкополосной пьезокерамики с высокотемпературной точкой Кюри.(Тд), например типа ПКР-26. Источником 3 импульсного нагрева может служить ускоритель импульсных пучков ионизирующих частиц, лазерный генератор или генератор импульсов электрического тока. В случае использования ускорителя или лазерного генератора импульсный нагрев звуковода осуществляется бесконтактным способом (дистанционно) с помощью потока 4 проникающего излучения. В случае использования генератора импульсов электрического тока связь генератора со звуководом 1 осуществляется через электрический контакт подводящими электродами 5. Регистрирующим устройством 6, подключенным к акустическому детектору 2 может служить любой прибор измеряющий без искажения амплитуду и форму электрических импульсов в полосе частот c3f 10 МГц, например осциллограф типа С1 — 65.

Устройство для измерения температурного поля работает следующим образом.

Пусть необходимо определить распределение температуры вдоль отрезка некоторой линии в пространстве. Координатная ось х совмещается с линией определения температурного поля. Ква зиодномерный звуковод 1, располагается вдоль линии определения температурного поля Т(х)..

После того, как материал звуковода приобрел температуру окружающей среды, и в нем установилось неоднородное температурное поле Т(х), подлежащее определению, осуществляют импульсный нагрев звуковода, например, с помощью

Р импульсного пучка проникающего излучения либо импульсом электрического тока, пропускаемого по проводящему звуководу между электродами 5. При этом в теле звуковода возникает одномерная термоакустическая волна на.напряжений, равная

,(х, t = О) = — Г(х) F (х), 1

2 где Г(х) — значение параметра Грюнайзена вещества звуковода в точке х;

Я(х) — плотность выделившейся

15 . тепловой энергии, В случае нагрева импульсным пучком проникающего излучения, Я(х) равна

3E/äZ — линейные потери энергии ионизирующих частиц излучения;

n(x) — перенос частиц излучения в точке х.

В случае нагрева импульсом тока (х) равна

30 где j (t) — плотность тока в импульсе," у(х) — удельное сопротивление эвуковода в точке х.

Возникающая термоакустическая волна напряжений распространяется без изменения величины и формы вдоль оси звуковода, попадает в акустический детектор, а из него — в виде пропор40 ционального электрического импульса попадает в регистратор 6 (например, осциллограф). Зная распределение поглощенной энергии в звуководе, определяемой f.(õ), можно по измеренному

45 импульсу акустических напряжений определяемых 6(х,О), определить функцию Г(х) параметра Грюнайзена и по ней восстановить температурное поле Т(х), Звуковод может быть выбран

5О не только в виде прямого стержня, но и искривленным вдоль определяемого температурного поля. В частности, звуковод может состоять из двух или нескольких прямолинейных или криволи-

55 неиных отрезков, находящихся друг с другом в последовательном акустическом соединении, например, иметь форму меандра, плоской или объемной спирали, 1578520

На фиг. 2 изображен вариант устройства с объемным звуководом, состоящим иэ нескольких последовательно соединенных между собой с акустическим кон5 тактом меандров, с размерами равными размеру пространственного профиля температурного поля, чем достигается перекрывание рабочим телом звуковода всей пространственной области, в кото- 0 рой необходимо измерять температуру.

Возбуждение термоакустических колебаний осуществляется, например, импульсным потоком ионизирующего излучения, падающего перпендикулярно плоскости меандров, а их регистрация осуществляется одним акустическим детектором, подсоединенным к одному из торцов звуковода. С помощью объемного эвуковода измерения температурного поля можно проводить в жидкостях и газах, плоскими звуководами можно контролировать температурное распределение тепловых полей на поверхности твердых тел. 25

В предлагаемом способе и устройстве измерения температурного поля

Т(х) каждая пространственная коорди ната х области взаимодействия импульс ного пучка проникающего излучения со звуководом преобразуется во временную координату t регистрируемого термоакустического импульса напряжения, равного ((„). Временное разрешение измерительной системы 4t определяется полосой пропускания акустического детектора и составляет для полосы пропускания, равной df = 10 МГц, величину 3 t = Л f 10 с. Эквивалентное разрешение пространственной коор- 40 динаты дХ для температурного поля определяется величиной с)х = S.gt и а

3 10 см. При необходимости пространственное разрешение ДХ можно еще улучшить как минимум на поРядок, при 45 менив для регистрации термоакустических сигналов акустический детектор с полосой пропускания, равной df 100 ИГц, при этом йх ФЗ 10 см.

В способе-прототипе каждая прост50 ранственная координата х температурного поля определяется последовательным перемещением звуковода по измеряемой траектории. В каждой фиксированной точке траектории производится

55 измерение времени задержки отраженного от противоположного торца звуковода акустического импульса. При .этом минимальная длина звуковода, определяющая пространственное разрешение прототипа, должна составлять величину равную « 1 см.

Таким образом, пространственное разрешение предлагаемого способа в р 10 раз больше по сравнению со споI собом-прототипом. Это обстоятельство. позволяет использовать предлагаемые способ и устройство для измерения температурных полей сложного профиля с большими пространственными градиентами температур, а также неоднородных температурных полей, локализованных в малом пространственном объеме.

Время измерения полного профиля температурного поля зависит от размера траектории L съема, от времени установления температурного поля в материале эвуковода и временных характеристик источника импульсного и нагрева. Длительность импульса нагрева должна удовлетворять условию "мгновенного нагрева", т.е. и "5

<< л (5) где э- время формирования акустического сигнала;

1 — размер области импульсного нагрева звуковода, который равен либо диаметру импульсного пучка проникающего излучения, либо расстоянию между подводящими электродами;

S — - скорость звука материала звуковода.

Для звуковода, имеющего кваэиодномерную форму, время С установления температурного поля ойределяется поперечным размером звуковода и коэффициентом у температуропроводности материала звуковода. Для цилиндрического звуковода радиусом r определяется соотношением

= r /4g..

Например, если выбрать в качестве эвуковода проволоку из гадолиния или сплава TiNi диаметром d = 10 м, то время установления температурного поля будет составлять величину, равл <10 ñ

При выполнении условия (5) время снятия распределения температурного поля по всей траектории съема длиной

L будет минимальным и равным.

L L/S. Например, если выбрать в качестве материала звуковода гадолиний, позволяющий проводить измерения в

15785203С диапазоне температур от 180 К до

350 К, и измерить им распределение неоднородного температурного поля по траектории размером L = 100 см, то время снятия температурного распределения составит С„ 10 с (для гадолиния S = 3 "10 см/c)

Предлагаемый способ позволяет coicратить время измерения 1.; / 2 „, 10 раз и существенно сократить трудоемкость процесса измерения. Осуществление возможности получения пространственного распределения температурного поля за время 6 < 10 с позволяет проводить измерения как постоянных, так и нестационарных температурных полей, изменяющихся со временем с периодом 10 с, Чувствительность способа определя- 20 ется температурной зависимостью генерационной способности материала эвуковода, мерой которой служит параметр

Грюнайэена. Относительное изменение параметра Грюнайэена исследованных 25 веществ: диспрозия, гадолиния, сплавов Cn — Al - Ni, TiNi в температурном интервале фазовых превращений изменяется на величину Д Г/Г = 200—

1000 .

Предлагаемый способ (по сравнению со способом-прототипом) обладает расширенными функциональными возможностями, поскольку позволяет измерять температурные поля с большим пространственным градиентом в жидкостях и газах, на поверхности твердых тел, неоднородные поля, локализованные в малом объеме, в труднодоступных местах, в условиях мощных электромагнит- 4g

10 ных полях, нестационарные температурные поля, снижает трудоемкость процесса измерения за счет импульсного нагрева звуковода. формулаизобретения

1. Способ измерения температурного поля, включающий размещение в контролируемом пространстве звуковода, выполненного из материала с зависящим от температуры физическим параметром, возбуждение и регистрацию колебаний, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, повышения чувствительности и снижения трудоемкости измерений, в качестве звуковода используют звуковод квазиодномерной формы из материала с зависящим от температуры параметром Грюнайзена, располагают его .в контролируемом пространстве по траектории, совпадающей с профилем температурного поля, осуществляют импульсный нагрев звуковода и регистрируют возбуждаемые в нем термоакустические колебания, по амплитуде и форме которых измеряют прост,ранственный профиль температурного поля.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что.нагрев звуковода осуществляют импульсным пучком проникающего излучения или импульсом электрического тока.

1578520

Составитель В,Ярыч

Техред Л.Сердюкова .Корректор С,Черни

Редактор А.Ревин

Заказ 1908 Тираж 498 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101