СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК G01K13/04 

Изобретение относится к способам измерения теплофизических характеристик объектов и может быть использовано в технологии обработки материалов с применением лазерного излучения.

Применение лазерного излучения для нагрева материалов, в том числе и текстильных, требует корректного определения температуры объекта в зоне воздействия излучения, причем не только на поверхности, но и в объеме объекта. Еще большие проблемы с измерением температуры возникают при лазерной обработке движущихся объектов (волокон, нитей, жгутов, тканей и т.д.).

Известны способы и устройства для определения температуры поверхностных слоев материалов при помощи анализа углового положения рентгеновских дифракционных максимумов, зависящих от температуры кристаллической решетки материала в объеме, облучаемом монохроматическим пучком рентгеновских лучей [1]
Недостаток известного способа-возникновение погрешности при измерении объемной температуры движущихся объектов из текстильных материалов (типа жгутов и комплексных нитей).

Цель изобретения повышение точности измерения температуры объекта достигается измерением температуры поверхностного слоя материала для определения объемной температуры материала за счет обеспечения равенства объемной и поверхностной температур объекта.

Сущность изобретения заключается в обеспечении равенства поверхностной и объемной температур за счет специальной подготовки текстильной комплексной нити или жгута, попадающего при движении в зону воздействия лазерного излучения, являющуюся одновременно и зоной воздействия рентгеновского излучения, зондирующего образец в области лазерного разогрева.

Равенство поверхностной и объемной температур достигается за счет изменения геометрии нити, ее "расплющивании" перед попаданием в зону облучения. "Расплющивание" или перераспределение моноволокон осуществляется таким образом, что образуется равномерный тонкий слой из параллельных моноволокон, что обеспечивает однородный нагрев всех моноволокон, составляющих нить или жгут, под воздействием лазерного излучения. В созданных условиях весь облучаемый лазером объем образца имеет одну и ту же температуру, определяемую по угловому положению рентгеновского дифракционного рефлекса.

"Расплющивание" нити или жгута обеспечивается системой специальных валиков протяжного механизма. Установлено, что механическое воздействие на образец с целью утоньшения движущихся нитей или жгутов не оказывает влияния на физико-механические характеристики образцов, а после лазерной обработки материал полностью восстанавливает свои геометрические характеристики.

Способ измерения температуры движущегося объекта в зоне лазерного воздействия поясняется с помощью установки, принципиальная схема которой изображена на фиг.1 и 2, где 1 материал в виде нити, 2 стандартный гониометр ГУР-5, 3 лазерный луч, 4 диафрагма, 5, 6 валики протяжного механизма, 7 пучок рентгеновских лучей, 8 коллиматор, 9 рентгеновская трубка БСВ-22 с медным антикатодом, 10 стандартный детектор рентгеновского излучения, 11 стандартный блок регистрации рентгеновского излучения.

В качестве нагреваемого излучением материала использовалась полимерная комплексная нить из поликапроамида (ПКА) с линейной плотностью 101 текс. Разогрев нити 1, движущейся вдоль оси гониометра 2 (фиг.1) с постоянной скоростью, проводится лучом 3 стандартного СО₂-лазера ЛГН-701 с длиной волны 10,6 мкм, мощность которого регулировалась от 0,002 до 40 Вт. Для более равномерного распределения интенсивности по сечению луча проводили его расфокусировку с последующим диафрагмированием более однородного по плотности мощности участка сечения. При этом нить равномерно облучалась по всей ширине и длине участка, попавшего в зону луча лазера. Длина участка с помощью диафрагмы 4 регулировалась от 0,5 до 7 мм. Комплексная нить в зону воздействия лазерного излучения попадала после "расплющивания" при помощи протяжного механизма, содержащего валики 5 и 6 (фиг.2), что обеспечивало равномерное распределение волокон в зоне лазерного нагрева.

Температуру нити в области воздействия лазерного излучения определяли по температурной зависимости углового положения рентгеновского дифракционного рефлекса (002), т. е. 2 θ₀₀₂ (Т), получаемого при дифракции узкого пучка рентгеновских лучей 7 на кристаллических областях материала (ПКА) нити. Для генерации характеристического рентгеновского CuK излучения применяли стандартный дифрактометр ДРОН-2,0 с трубкой БСВ-22. Узкий пучок рентгеновских лучей с диаметром сечения 0,25 мм получали при помощи коллиматора 8. Угловое положение рефлекса (002), который находился при используемой вертикальной ориентации нити из ПКА в экваториальной плоскости, т.е. плоскости фиг.1, определяли при помощи детектора 10 рентгеновского излучения, настроенного на максимум интенсивности рефлекса, регистрируемой блоком регистрации 11. Для этого определяли угловое положение детектора 2 θ₀₀₂, соответствующее максимуму интенсивности, и производили отсчет по шкале гониометра 2θ. При этом определенному значению плотности мощности лазерного излучения, определяемой делением плотности мощности лазерного излучения, падающего на материал, на площадь "окна" диафрагмы, соответствовало определенное значение углового положения рефлекса (002) 2 θ₀₀₂. По полученному значению 2 θ₀₀₂ находили температуру нити в области воздействия, используя зависимости 2θ₀₀₂(Т).

График 2 θ₀₀₂(Т), т.е. зависимость углового положения рефлекса (002) от температуры, представлен на фиг.3. Он строился следующим образом. На гониометр ГУР-5 устанавливали стандартную термокамеру, входящую в комплект стандартной высокотемпературной дифрактометрической установки УВД-2000, позволяющей поддерживать и измерять температуру в термокамере с точностью ± 0,5 К, помещали в нее образец из ПКА нити и анализировали угловое положение рефлекса (002) в зависимости от температуры. Определение 2 θ₀₀₂, соответствующего данной температуре Т, проводилось в условиях термодинамического равновесия между образцом и теплоносителем (воздухом). Это достигалось выдерживанием образца перед определением 2 θ₀₀₂ при данной температуре, измеряемой термопарой в течение 0,5 ч.

На фиг.4 представлены зависимости температуры движущейся ПКА-нити в зоне воздействия лазерного излучения от его плотности мощности при двух скоростях движения нити: 0,07 м/с (кривая а) и 0,4 м/с (кривая б). Видно, что разогрев материала происходит не мгновенно, и поэтому температура материала в зоне воздействия лазерного излучения зависит от скорости движения нити: чем выше скорость, тем ниже при данной плотности мощности излучения температура материала.

Использование: бесконтактное измерение тимпературы движущихся объектов из текстильных материалов. Сущность изобретения: коллимированный пучок монохроматического рентгеновского излучения направляют на нагреваемый объект в виде нити, измеряют угловое положение дифракционного максимума и по его температурной зависимости определяют температуру, усредненную по объему материала. Нагрев нити осуществляют пучком расфокусированного лазерного излучения. Перед нагревом нить механически деформируют. 4 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА, заключающийся в воздействии на объект в процессе его нагрева коллимированным пучком монохроматического рентгеновского излучения и измерении углового положения дифракционного максимума, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры движущихся объектов из текстильных материалов, перед нагревом, который осуществляют пучком расфокусированного лазерного излучения, объект дополнительно механически деформируют.