Устройство для прецизионного определения характеристик материала

 

Использование: исследование физический свойств веществ и материалов, а именно устройства для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, непрозрачных и полупрозрачных для излучения нагрева. Сущность изобретения: в устройство, содержащее источник 2 импульсного нагрева , термопару 4, усилитель 5, дифференциатор 6, источник 8 опорного напряжения, первый 9 и второй 10 интеграторы, введены пять интеграторов 11-15, три компаратора 16, 17 и 18, экстрематор 7 и масштабный усилитель 19, что позволяет провести обработку экстрементальной термограммы кусочным интегрированием с заданным самим устройством постоянным шагом по времени , начиная с точки минимума второй производной от температуры по времени, что обеспечивает повышение точности измерений . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ соцйАлистичЕскйх

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4833509/25 (22) 01.06.90 (46) 15.08.92. Бюл, ¹ 30 (71) Томский политехнический институт им;

С. М. Кирова (72) О. Ю. Троицкий и С. M. Чухланцев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 913196, кл. G 01 Й 25/18, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1557499, кл. G 01 N 25/18, 1988, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННЬГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: исследование физический свойств веществ и материалов, а именно устройства для определейия теплофизических свойств материалов на о6, БЫ «» 1755150 А1 разцах в виде пластин, непрозрачных и полупрозрачных для излучения нагрева. Сущность изобретения; в устройство, содержащее источник 2 импульсного нагрева, термопару 4, усилитель 5, дифференциатор 6, источник 8 опорного напряжения, первый 9 и второй 10 интеграторы, введены пять интеграторов 11 — 15, три компаратора

16, 17 и 18, экстрематор 7 и масштабный усилитель 19, что позволяет провести обработку экстрементальной термограммы кусочным интегрированием с заданным самим устройством постоянным шагом по времени, начиная с точки минимума второй производной от температуры по времени, что обеспечивает повышение точности измерений. 2 ил, 1755150

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и материалов, а именно у устройствам для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, непрозрачных и полупрозрачных для излучения нагрева, и может быть использовано в исследовательских лабораториях материаловедческого профиля различных отраслей йародного хозяйства.

Известны устройства для определения теплофизических характдрйстйк Материалов, основанные на определений характеристического времени r = L /а и . максимальной температуры Tm нагрева исйытуемого образца после импульсного подвода энергии, которые при известной толщине образца L и известной поглощенной энергии нагрева Q позволяют рассчитать коэффициенты температуропро-, водности, теплопроводности и объемной теплоемкости. Большинство этих методов связано с дифференцированием экспериментальной термограммы, что; как известно, приводит к снижению точности конечных результатов, Наиболее близким техническим реше нием является известное устройство для определения теплофизических параметров материалов, выбранное в качестве прототи.. па, которое содержит импульсный источник, .нагрева, термопару, подключенную к усилителю, последовательно соединенные дифференциатор, нуль-орган и триггер, два интегратора, повторитель, умножитель и вычитатель, причем входы первого интегра-

: тора и повторителя соединены с выходом усилителя, а вход интегратора и повторителя подключены к входам умножйтеля, выход . которого соединен с первым входом вычитателя, второй вход которого связан с входом первого интегратора, выход повторителя через дифференциатор и нульорган соединен с триггером, выход которого подключен к шинам "Память" повторителя, первого и второго интегратора.

Основным недостатком известного устройства является то, что интегрируется вся экспериментальная термограмма от момента времени t = О, когда сигнал невелик, а отношение шум/сигнал — велико, до момента t = tm, когда достигается максимальная избыточная температура и начинают сказываться тепловые потери, ведущие к пониже нию максимальной температуры, что в целом сказывается на точности. расчетов.

Более того, при получении" расчетных формул использовались допущения î бесконечной малой длительности импульса нагрева

15 ная схема предлагаемого устройства; на

2п

35 .де четвертого интегратора 12, сигнал 27 на зом

50 источника 8 опорного напряжения. Температура на поверхности исследуемого образца 3, противоположной поверхности нагрева, измеряется термопарой 4, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 5

55 (фиг. 2 сигнал 20) и поступает на вход дифференциатора 6 и информационные входы второго 10; шестого 14 и седьмого 15 интеграторов. На выходе дифференциатора 6 появляется сигнал, пропорциональный дифференциалу от температуры 1 (сигнал

10

30 (д —.импульс) и бесконечно малой глубине поглощения излучения нагрева в исследуемом материале, что в эксперименте зачастую не выполняется и приводит к ошибкам.

Таким образом, необходимо исключить из обработки начальный участок термограммы и участок вблизи tm, а также устранить влияние длительности импульса и глубины поглощения излучения нагрева, сохранив при этом принцип интегрирования экспериментальной термограммы.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг. 1 представлена функциональфиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит синхронизатор 1, источник 2 импульсного нагрева, исследуемый образец 3, размещенный между источником 2 импульсного нагрева и термопарой

4; усилитель 5, дифференциатор 6, экстрематор 7, источник 8 опорного напряжения, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый

12, пятый 13, шестог 14 и седьмой 15 интеграторы, первый 16, второй 17 и третий 18 компараторы и масштабный усилитель 19, На фиг. 1 обозначены сигнал 20 на выходе усилителя 5, сигнал 21 на выходе дифференциатора 6, сигнал 22 на выходе зкстрематора 7, сигнал 23 на выходе первого интегратора 9, сигнал 24 на выходе третьего интегратора 11, сигнал 25 на выходе первого компаратора 16, сигнал 26 на выховыходе второго компаратора 17, сигнал 28 на выходе пятого интегратора 13, сигнал 29 на выходе третьего компаратора 18.

Устройство работает следующим обраВ момент времени tg с выхода синхронизатора 1 на вход источника 2 импульсного нагрева поступает сигнал, по которому он запускается, при этом тепловой поток поступает на исследуемый образец 3. Одновременно сигнал с выхода синхронизатора

1 поступает на первый управляющий вход первого интегратора 9, переводя его в режим интегрирования напряжения с выхода

1755150,1г2 ° 13 . 12

20 (2) Q (I) l1 lq) (3) Л=а y:

25 ь= Л у, (4) -5

21). С выхода дифференциатора 6 сигнал поступает на вход экстрематора 7, который определяет момент времени t* прохождения второй производной сигнала на выходе дифференциатора 6 через минимум ; при этом в момент времени t* на выходе экстремэтора 7 формируется сигнал 22..

Первый 9, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 интеграторы своими информационными входами подключены к выходу. источника 8 опорного напряженйя; поэтому сйгналы на их выходах будут пропорциональны текущему времени. Первый интегратор 9 находится s состоянии накопления сигнала с выхода источника 8 опорного напряжения с момента времени to запуска устройства до момента времени 1* срабатывания экстрематора 7, после чего . переходит в состояние хранения. С выхода первого интегратора 9 через масштабный усилитель 19 с коэффициентом усиления

0,1, накопленный сигнал (сигнал 23) подается на опорные входы первого 16, второго 17 и третьего 18 компараторов. В момент времени t* срабатывания экстрематора 10тре-. тий интегратор 11, выход которого подключен к входу первого компаратора 16, . переводится в состояние накопления сигнала с выхода источника 8 опорного напряже, ния, а второй интегратор 10 переводится в состояние накопления сигнала с выхоДа усилителя 5.

В момент времени t; совпадения уровней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и третьего интегратора 11 (сигнал 24) срабатывает первый компаратор 16 (сигнал 25) и переводит второй 10 и третий

11 интеграторы в режим хранения, четвертый 12 и шестой 14 интеграторы в режим накопления сигналов с выхода источника 8 опорного напряжения и соотвестствейно усилителя 5.

В момент времени т2 совпадения уровней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и четвертого интегратора 12 ..(сигнал 26) срабатывает второй компаратор

17 (сигнал 27) и переводит интеграторы четвертый 12 и шестой 14 в режим хранения.

Одновременно в режим накопления сигйалов с выхода источника 8 опорного напряжения и усилителя 5 соответственно переводится пятый 13 и седьмой 15 интеграторы.

В момент времени 1з совпадения уровней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и пятого интегратора 13 (сигнал 28) срабатывает третий компаратор 18 (сигнал 29), по которому пятый 13 и седьмой

15 переводятся в режим хранения.

Таким образам при импульсном нагреве излучением от источника 2 импульсного нагрева поверхности плоского тепглоизолированного непрозрачного или полупрозрач5 ного для излучения нагрева исследуемого образца 3 конечной толщины через количество поглощенной энергии Q кусочным интегрированием температурной кривой с заданным самим устройством постоянным

10 шагом по времени br= 0,1 t>, где тп= t* — to, начинаяг с момента времени t* минимума второй производной от температуры Т по времени Ъ теплофизические характеристики исследуемого образца

15 определяют по формулам: где 11= 1, тдг — величина сигнала на выле30 де второго интегратора 10;

l2 = J Tdt — величина сигнала на выхоt1 де шестого интегратора 14;

1з = f Tdt — величина сигнала на выхоt2 де седьмого интегратора 15;

Лт — величина сигнала на выходе масштабного усилителя 19;

40 а, Ь, il — соответственно коэффициенты температуропроводности, теплоусвояемости и теплопроводности материала исследуемого обьекта 3; у — обьемная тейлоемкость материала;

45 исследуемого образца 3.

Соотношения (1) -(4) вытекают из решения задачи о распределении температуры Т в термически изолированной пластине конечной толщины L йри подводе к одной из

50 поверхностей энергии импульсом конечной длительности U, прйчем энергия 0 поглоща- ется в слое конечной толщины g исследуе- мого образца 3.

Решение для поверхностй йластины, 55 противоположной поверхности нагрева, получается с помощь о импульсного коэффициента в виде

1755150

=(6,38 «+0,02) 10 (м /с), т. е. отклонение от табличного зйачения равно 1,75 %, независимо от толщины образца.

Формула изобретения

5 . Устройство для прецизионного определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через уси10 литель к входу дифференциатора, а также первый и второй интеграторы и источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с. выходом синхронизатора, а инфор5 мационный вход — с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходомусилителя,отл ича ющеесятем, что, с целью повышения точности измерений, 0 оно дополнительно содержит экстрематор, пять интеграторов, масштабный усилитель и три компаратора, при этом информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника

5 опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом масштабного усилителя, а вход масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с. вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом . третьего компаратора и вторым входом управления пятого компаратора, а информа..-ционный вход — с информационными входами второго и шестого интеграторов, выходом усилителя и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом эксК2 ж а О/(.2 т= l(к а). 1

Интегрируя (6) с шагом по времени

Лr- 0,1 tm, йачиная с момента времени . с*, и проведя элементарные преобразованйя, получают расчетные формулы (1) -(4). в которых l). Iz, 4, А определяются с по- 2 мощью предлагаемого устройства.

Вычисление коэффициентов а.,Х, Ь по формулам (1) — (4) не представляет технической сложности и реализуется стандартными алгоритмами. 2

Использование изобретения позволяет повйсить точность измерений теплофизических характеристик материалов за счет устранения ошибок, вносимых длительностью .. импульса нагрева и глубиной поглощения 30 излучения нагрева, сохранив преимущество известного устройства — помехозащищенность. Так, для исследованных при температуреТ-300 К образцовиз вольфрама в виде дисков диаметром 20 — 32 MM и толщиной 1 35 — 2,03 мм, нагреваемым лампой-вспышкой

ИФК-120(длительность импульса 3 мс), имеющих значение коэффициента температуропроводностиа =6,27 10 5(м /с); получены следующие результаты. С помощью извест- 40 ного устройства, использующего интегрирование всей термограммы, значение измеряемого коэффициента, пОл енные как .среднее из десяти измерений при надежности доверительного интервала, оавной 45

0397, составило а = (4,2 +.0,02) .10 (м /с) притолщинеобразца L=1,07 мм(т. е. отклонение от табличного значения равно 33 %) и а -(6,41 +0,02) 10 (м /с) при толщине образца 1 - 2,03 мм (отклонение от табличного равно 2,24 %).

Изифрйнное С помощью предлагаемого устройства соответствующее значение а =

1 второго и третьего интеграторов, причем

50 выходы масштабного усилителя, второго, 7 где а — натуральное число 1, 2, 3 ...

Опуская в этом ряду все члеНы с m М, что справедливо, начиная с точки минимума второй производной от температуры ho вре- мени, получаем усеченный до первогочлена (m 1) ряд .

Т = К1(1 - lbexp(-t/ х) . (6) для идентификации теплофизичеСких характеристик. причем

K1= -C I

Q у трематора, а выход экстрематора соединен с вторыми входами управления первого, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, . 1755150

22

О, 26

Фиг. 2

Редактор M.TOBòéí

Заказ 2887 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета bio изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

О

27 !

28

° 0„

Составитель О.Троицкий

Техред M.Моргентал Корректор ТЛалий