Система для исследования теплофизических свойств твердых материалов

 

Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит йзмерйтеяе то лЩйны с полыми щупатми для измерения коэффициента теплового расширения образца . 1 ил. . ;о

СОЮЗ COBFTCKVIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 25/18

ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

СсР

СР) с

АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

\ (1) 4853920/25 (2) 25.07.90 (. 6) 07.02.93. Бюл. N 5 (71) Научно-исследовательский институт с габильных изотопов (72) М.Г. Бережиани, П.Д. Кервэишвили и .И. Петров (56) Авторское свидетельство СССР

463047, к .601N25/18,1975, Харада M. Измерение температуропро- водности с помощью метода световйх импульсов . — Нату сокутей, 1986, т. 13, М 3, с. . 130-135.

I

Изобретение относится к измерению т плофиэических свойств материалов и мож т быть использовано для исследований s м таллургии, в полупроводниковой и ядерн и технике, в физике твердого тела.

Известно устройство для определенйя к эффициента температуропроводимости м териалов, содержащее электрическую с ему для формирования теплового импульс на поверхности исследуемого образца, электронную схему для автоматического измерения и регистрации интервала времени с,момента подачи теплового импульса до достижения заданного соотношения температурных сигналов от двух термопар, расположенных на разных расстояниях от нйгреваемой поверхности;

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является система для измерения коэффициента температуропроводности с помощью световых импульсов, ! содержащая импульсный лазер. соединенI

„„ДЦ „„1793347 А1 (54) СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЛ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ

МАТЕРИАЛОВ (57) Сущность изобретеиия: устройство дополнительно содержит измеритель толщины с полыми щупами для измерения коэффициента теплового расширения образца. 1 ил.

I ный с блоком управления и оптически сопряженный с фронтальной поверхйостью исследуемого образца, со стороны тыльной поверхности которогб установлен фотодетектор, выход которого через усилйтель соединен с входами осциллографа и компьютера, оптически связанный с излучениемлазера фотоэлемент, выход которого через внешний тригге)э соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным входом компьютера.

Недостатком системы является ограничение функции определением коэффициента темйературопроводностй; а также зависимость точности измерения от качества обработки поверхностей плоскопараллельного образца (иэ-зэ трудности измерения толщины образца непосредственно в области теплового возмущения), что соответственно ухудшает "экспресность" измерений.

1793347

Целью изобретения является расширение функций и повышение точности системы.

На чертеже изображена блок-схема системы для исследования теплофизических свойств твердых материалов.

Система содержит импульсный лазер 1, соединенный с блоком 2 управления, излучение лазера 1 через оптическую систему 3 сопряжено с фронтальной поверхностью образца 4, со стороны тыльной поверхности которого установлен фотодотектор 5, выход которого через первый усилитель-формирователь 6 соединен с входом осциллографа 7 и с первым входом компьютера 8, оптически связанный с излучением лазера 1 фотоэлемент 9, который через триггер-одновибратор 10 соединен с входом синхронизации осциллографа 7 и с дискретным входом компьютера 8, позади импульсного лазера 1 соосно установлен юстировочный лазер 11, система содержит также измеритель толщи- ны образца 12., состоящий из двух полых щупов 13 и 14, соединенный с датчиком 15 перемещения, выход которого соединен с

BTopblM входом компьютера 8, а ось каналов щупов 13 и 14 совпадает с осью луча лазера

1, острие щупов выполнено из термостойкого твердого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности (например из корунда), после канала заднего щупа 14 установлена диафрагма 16, на этом же щупе

14 закреплен миниатюрный звукосниматель 17 (например пьезокристаллический), выход которого соединен с входом второго усилителя-формирователя 17, в систему включены два вычислительны . устройства

19 и 20 для анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера 8, а к входам вычислительных устройств 19 и 20 через разделительные конденсаторы 21 и 22 подсоединены выходы первого 6 и второго 18 усилителей-формирователей соответственно, входы запуска устройств 19 и 20 подключены к выходу триггера 10, блок управления лазера 1 двухсторонней связью соединен с компьютером 8. Система работает следующим образом.

Лазер непрерывного излучения 11 используется для юстировки элементов системы: лазера 1, оптической системы 3, измерителя толщины 15 (щупов 13 и 14), диафрагмы 16, фотодетектора 5. Щупы 13 и

14 располагают таким образом, чтобы сигнал от фотодетектора 5, отображаемый на осциллографе 7, не отклонялся от значения соответствующего сигнала без установленного измерителя толщины (т, е. щупы не должны оттенять луч лазера). Юстировку си50

55 от оптической системы излучения лазера 1.

На вычислительные устройства 19 и 20 через конденсаторы 21 и 22, служащие для отсечки фоновых (постоянных) составляющих сигналов, поступают сигналы о распространении температурной и звуковой волн по толщине образца. Устройства 19 и 20 оп редел я ют соответствующие интервал ы времени достижения заданных уровней фронтов сигналов (обычно 50 от максимального), соответственные значения временных интервалов распространения температурных и звуковых волн вводятся в компьютер 8. Компьютер по заданной простемы осуществляют по мере необходимости, а в процессе работы лазер 11 обычно отключен, Образец 4 установлен таким образом, чтобы острия щупов 13 и 14 прижимались к нему с двух сторон. Так, как щуп 14 неподвижен, тыльная поверхность образца pBGI10ложена на фиксированном расстоянии от фотодетектора 5, информация о толщине об"0 разца вводится в компьютер.

Измерение проводится под управлени- . ем компьютера 8 по соответствующей про. грамме. При соответствии режима работы лазера 1 (энергий импульса) заданному, по

"5 сигналу от компьютера 8 лазер 1 излучает импульс света. После прохождения оптической системы 3 (состоящий из аттенюатора, фокусирующих и отражающих элементов) излучение лазера фокусируется на фрон20 тальной поверхности образца 8. при этом луч не касается стенок канала щупа 13. От импульсного теплового возмущения по толщине образца распространяется тепловое возмущение. а так же звуковая (упругая) вол25 на. Инфракрасное излучение с тыльной поверхности образца, проходя сквозь канал щупа 14 и через диафрагму 16, попадает на фотодетектор 5, выполняющий функцию датчика температуры. Усилитель-формиро30 ватель 6 с учетом нелинейных характеристик излучения и фотоприемника формирует сигнал температуры, поступающий на осциллограф 7, на вход вычислительного устройства 19 и в компьютер 8.

35 Звуковая волна детектируется с помощью звукоснимателя 17. Усилитель-формирователь 18 из пакета импульсов от датчика 17 формирует один сигнал, фронт которого определяется фронтом первого

40 импульса от датчика 17 (для этого блок 18 на входе или выходе содержит пиковый детектор). Синхронизация развертки осциллографа 7, запуск вычислительных. устройств 19 и

20 осуществляется от импульсного сигнала, 45 вырабатываемого триггером 10, когда на фотоэлемент 9 попадает часть отраженного

793347 2 а - 0.1388

Тт

1 грамме осуществляет непрерывный ввод информации от измерителя толщины 12 и температурного датчика 6.

Так, как скорость охлаждения образца зйачительно меньше скорости нарастания те пературы на тыльной поверхности образца, на этапе спада температуры можно параллельно исследовать динамику измен ия температуры и линейного размера образца.

Следовательно, после завершения изм рения в компьютере содержится следующ я информация: интервалы времени ра пространения температурной г и звуково t> волн, массивы информации о кинети е изменения температуры Т и линейного ра мера образца X.

По времени т определяется значение ко ффициента температуропроводимости об азца гд Х вЂ” среднее значение массива данных о толщине образца.

По времени т определяется скорость ра пространения упругйх-волн (звука) в образце где to — время запаздывания распространен ия звуковой волны в элементах системы: в пе 14, датчике 17, и т. д. (tp заранее опр деляется с помощью экспериментов на эта онных образцах).

По скорости распространения упругих волн в материале можно вычислить темпе-. ратуру Дебая д:

I!

1 ормула изобретения истема для исследования теплофизическ х свойств твердых материалов, содержа я импульсный лазер,.соединенный с бло ом управления и оптически сопряженный фронтальной поверхностью исследуемог образца, со стороны тыльной пов рхности которого установлен фотодетект р, выход которого через первый усилитель-формирователь соединен с входом осциллографа и с первым входом компьютера, оптически связанный с излучением импульсного лазера фотоэлемент, выход кото ого через триггер соединен с входом синхронизации осциллографа и с дискретным ходом компьютера, о т л и ч а ю щ а я)1бз (3)

:4лЧ где h — постоянная Планка;

N — полное число частиц в объеме V

5 элементарной ячейки.

Информация о кинетике изменения температуры и толщины образца позволяет оценить значение коэффициента теплового расширения образца (К.Т.P.)Ê:

ЛХ

ХАТ (4) где ЛТи ЛХ вЂ” изменения температуры и тол- щины образца.

В зависимости от программы компью15 тер может провести серию повторных измерений.

Осциллограф 7 предназначен для параллельного отображения температурной кривой и для получения ее фотоотпечаток.

20 Сигнал, поступающий на дискретный вход компьютера 8 от триггера 10, служит для инницирования режима слежения компьютера.

25 Технико-экономическая эффективность использования изобретения предопределяется широкими функциями системы, позволяющей определить коэффициент температуропроводности, коэффициент

30 теплового расширения и температуры

Дебая твердых материалов. Автоматизированное измерение толщины в непосредственной близости от области теплового возмущения позволяет обойтись без тща35 тельной подготовки поверхностей образцов, а измерение температуры области образца, ограниченной диаметром канала щупа, повышает точности измерений. с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, дополнительно введены юстировочный лазер, измеритель толщины образца, состоящий из двух полых щупов, соединенных с датчиком перемещения, выход которого соединен с вторым входом компьютера, а ось каналов щупов совпадает с осью луча лазера, диафрагма, установленная после"канала заднего щупа, звукосниматель, закрепленный на этом же щупе, выход которога соединен с входом второго усилителя-формирователя, два вычислительных устройства для анализа фронта сигналов, выходы которых соединены с цифровыми входами компьютера, входы вычислительных уст1793347

Составитель М,Бережиани

Техред М.Моргентал Корректор О Гyсти

Редактор Е.Савина

Заказ 500 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

8 ройств соединены через разделительные выходутриггерэ.аблокуправления лазера конденсаторы с выходами первого и второго . соединен двухсторонней связью с компьюусилителей-формирователей, входы запуска тером. вычислительных устройств. подключены к ..