УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/18 

Устройство относится к техническим средствам измерений теплофизических характеристик и может быть использовано при исследованиях свойств новых материалов и в тепловом неразрушающем контроле.

Известно устройство для измерения характеристического времени процесса теплопередачи [1] содержащее импульсный источник тепла, регистратор начала импульса, генератор, термопару, подключенную к усилителю, два дифференциатора, нуль-орган, два триггера, схему совпадения и индикационное табло, подключенное к выходу счетчика, вход которого соединен с выходом схемы совпадений, к первому входу которой подключен генератор, а к второму выход первого триггера, первый вход которого подключен к выходу второго триггера, а между вторым входом и выходом усилителя включены последовательно соединенные два дифференциатора и нуль-орган.

Устройство [1] имеет невысокую точность определения характеристического времени процесса теплопередачи, так как не учитывает конечную длительность импульса нагрева. Так как форма импульса нагрева известных источников далека от идеальной, учет конечной длительности импульса нагрева осуществляют путем использования в расчетных соотношениях для коэффициента температуропроводности времени достижения максимума первой производной потоком энергии источника импульса нагрева.

Известно устройство для определения коэффициента температуропроводности [2] содержащее импульсный источник нагрева, оптически связанный с регистратором импульсов нагрева и через исследуемый образец с датчиком температуры, который подключен через последовательно соединенные первый и второй дифференциаторы и первый нуль-орган к R-входу RS-триггера, выход которого соединен с первым входом схемы совпадений, второй вход которой соединен с выходом генератора импульсов, выход схемы совпадения соединен с выходом счетчика импульсов, выход которого соединен с цифровым индикатором, выход регистратора импульсов нагрева подключен через последовательно соединенные третий и четвертый дифференциаторы и второй нуль-орган к входу записи регистра, вход данных регистра подключен к выходу первого счетчика - делителя частоты, а выход данных регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, к второму входу которого подключен выход второго счетчика - делителя частоты, а выход цифрового компаратора соединен с S-входом RS-триггера, выход генератора импульсов соединен с входами первого и второго счетчиков делителей частоты, вход генератора импульсов соединен с входом импульсного источника нагрева и входной пусковой клеммой.

Вследствие наличия в устройстве [2] двух одинаковых частей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двух дифференциаторов и нуль-органа и выполняет одну и ту же функцию в разные моменты времени, устройство обладает функциональной избыточностью. Сложна та часть схемы устройства, которая служит для определения момента времени, соответствующего началу счета импульсов счетчиком. Так как необходимые для определения уточненного времени процесса теплопередачи моменты времени фиксируются двумя независимыми измерительными каналами, снижается точность вычисления разности временных интервалов, характеризующей уточненное время процесса теплопередачи.

Предлагаемое устройство для определения коэффициента температуропроводности повышает точность вычисления уточненного времени процесса теплопередачи при одновременном упрощении схемы устройства.

Для решения поставленной задачи в устройстве для определения коэффициента температуропроводности, содержащем импульсный источник нагрева, оптически связанный с регистратором импульсов нагрева и через исследуемый образец с датчиком температуры, последовательно соединенные первый и второй дифференциаторы, выход второго дифференциатора подключен к входу нуль-органа, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, первый выход которого соединен с первым входом первой схемы совпадения, выход которой подключен к первому информационному входу счетчика импульсов, выход которого соединен с цифровым индикатором, генератор импульсов, вход которого соединен с выходом импульсного источника нагрева и пусковой клеммой, а выход подключен к входу первого счетчика делителя частоты и входу второго счетчика делителя частоты, выход второго счетчика делителя частоты подключен к второму входу первой схемы совпадения, первый вход которой соединен с первым входом второй схемы совпадения и управляющим входом первого ключа, вход которого подключен к выходу датчика температуры, а выход соединен с входом первого дифференциатора и выходом второго ключа, вход которого подключен к выходу регистратора импульсов нагрева, а управляющий вход соединен с вторым выходом RS-триггера и первым входом третьей схемы совпадения, второй вход которой подключен к выходу первого счетчика делителя частоты, а выход соединен с вторым информационным входом счетчика импульсов, вход установки исходного состояния которого соединен с S-входом RS-триггера и пусковой клеммой, а управляющий вход счетчика импульсов подключен к выходу второй схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом нуль-органа. В качестве счетчика импульсов использован реверсивный счетчик.

По сравнению с прототипом из функциональной структуры устройства для определения коэффициента температуропроводности исключены третий и четвертый дифференциаторы, второй нуль-орган, регистр и цифровой компаратор. Вместо этих элементов введены две схемы совпадения и два ключа, а счетчик импульсов заменен на реверсивный счетчик.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит импульсный источник 1 нагрева, исследуемый образец 2, датчик 3 температуры, первый 4 и второй 5 дифференциаторы, нуль-орган 6, RS-триггер 7, генератор 8 импульсов, первую 9, вторую 10 и третью0 11 схемы совпадения, реверсивный счетчик 12 импульсов, цифровой индикатор 13, первый 14 и второй 15 счетчики делители частоты, первый 16 и второй 17 ключи, регистратор 18 импульсов нагрева, пусковую клемму 19.

Импульсный источник 1 оптически связан с регистратором 18 и исследуемым образцом 2, температура тыльной поверхности которого измеряется датчиком 3. Выход датчика 3 соединен с входом первого ключа 16. Управляющий вход первого ключа 16, первые входы первой 9 и второй 10 схем совпадения подключены к первому выходу RS-триггера 7. Выход регистратора 18 соединен с входом второго ключа 17. Управляющий вход второго ключа 17 и первый вход третьей схемы совпадения 11 соединены с вторым выходом RS-триггера 7. Выходы первого 16 и второго 17 ключей соединены с входом первого дифференциатора 4. Выход первого дифференциатора 4 соединен с входом второго дифференциатора 5. Выход второго дифференциатора 5 соединен с входом нуль-органа 6. Выход нуль-органа 6 соединен с R-входом RS-триггера 7 и вторым входом второй схемы совпадения 10. Второй вход первой схемы совпадения 9 через второй счетчик делитель частоты 15 подключен к выходу генератора 8. Второй вход третьей схемы совпадения 11 через первый счетчик делитель частоты 14 подключен к выходу генератора 8. Выход первой схемы совпадения 9 соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика 12. Выход третьей схемы совпадения 11 соединен с вторым информационным входом реверсивного счетчика 12. Выход второй схемы совпадения 10 соединен с управляющим входом реверсивного счетчика 12. Выход реверсивного счетчика 12 соединен с цифровым индикатором 13. Вход установки исходного состояния реверсивного счетчика 12, S-вход RS-триггера 7, вход генератора 8 и вход импульсного источника 1 соединены с пусковой клеммой 19.

Устройство позволяет определить величину коэффициента температуропроводности а в соответствии с соотношением

где L толщина исследуемого образца;
τ₂-mτ₁= τ_т интервал времени процесса теплопередачи, скорректированный с учетом конечной длительности импульса нагрева;
m постоянный коэффициент;
τ₂, τ₁ интервалы времени от момента запуска устройства до моментов достижения первыми производными хронологической термограммы T′(τ) и плотности потока энергии импульса нагрева φ′(τ) соответственно максимальных значений (фиг. 2).

Коэффициент m зависит от типа применяемого источника импульсов нагрева. Его величину определяют путем обработки термограммы для образца с известными толщиной L и температуропроводностью a. В частности, для ксеноновой лампы-вспышки m 1,7.

Устройство работает следующим образом. При нажатии кнопки ПУСК осуществляются запуск генератора 8, а также установка RS-триггера 7 и реверсивного счетчика 12 в исходное состояние. Исходному состоянию RS-триггера 7 соответствует такое состояние, при котором на его первом выходе сигнал отсутствует. Исходному состоянию реверсивного счетчика 12 соответствуют его обнуление ("нулевое" состояние) и режим записи. После поступления сигнала с пусковой клеммы 19 на вход импульсного источника 1 световой поток импульсного источника 1 производит нагрев плоского исследуемого образца 2. Часть светового потока освещает регистратор 18, сигнал с выхода которого через замкнутый вследствие наличия на управляющем входе сигнала с второго выхода RS-триггера 7 второй ключ 7 поступает на вход первого дифференциатора 4, дифференцируется первым 4 и вторым 5 дифференциаторами и поступает на вход нуль-органа 6. Импульсы с выхода генератора 8 через первый счетчик-делитель 14 и открытую сигналом с второго выхода RS-триггера 7 схему совпадения 11 поступают на второй информационный вход реверсивного счетчика 12. Коэффициент деления K₁ первого счетчика-делителя 14 равен где m₀ целая часть m, поэтому частота f₂ импульсов на втором информационном входе реверсивного счетчика 12 равна где f₀ частота импульсов на выходе генератора 8.

Через интервал времени τ₁ после нажатия кнопки ПУСК срабатывает нуль-орган 6 вследствие изменения полярности сигнала на выходе второго дифференциатора 5. Сигнал с выхода нуль-органа 6 поступает на R-вход RS-триггера 7, перебрасывая его в такое состояние, в котором на втором выходе RS-триггера 7 сигнал отсутствует. Второй ключ 17 размыкается и вход первого дифференциатора 4 отключается от выхода регистратора 18. Третья схема совпадения 11 закрывается и импульсы с выхода первого счетчика-делителя 14 не проходят на второй информационный вход реверсивного счетчика 12, который зафиксирует количество импульсов N₂, равное

В результате переброса RS-триггера 7 на его первом выходе появляется сигнал, который поступает на управляющий вход первого ключа 16. Первый ключ 16 замыкается и выход датчика 3 подключается к выходу первого дифференциатора 4. Сигнал с первого выхода RS-триггера 7 отрывает первую 9 и вторую 10 схемы совпадения, поступая на их первые входы. Импульсы с выхода генератора 8 через второй счетчик-делитель 15 и открытую первую схему совпадения 9 поступает на первый информационный вход реверсивного счетчика 12. Коэффициент деления K₂ второго счетчика-делителя 15 равен K₂ m₀, поэтому частота импульсов f₁ на первом информационном входе реверсивного счетчика 12 равна
Тепловой поток от тыльной поверхности плоского исследуемого образца 2 поступает на датчик 3 температуры, выходной сигнал которого, пропорциональный измеряемой температуре тыльной поверхности образца 2, через замкнутый первый ключ 16 поступает на вход дифференциатора 4, дифференцируется первым 4 и вторым 5 дифференциаторами и поступает на вход нуль-органа 6.

Через интервал времени τ₂ после нажатия кнопки ПУСК срабатывает нуль-орган 6 вследствие изменения полярности сигнала на выходе второго дифференциатора 5. Сигнал с выхода нуль-органа 6 через открытую вторую схему совпадения 10 поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 12, приводя его в режим запрета записи. Так как первая схема совпадения 9 открыта в течение интервала времени τ₃, равного τ₃= τ₂-τ₁, то на первый информационный вход реверсивного счетчика 12 за этот интервал времени поступит количество импульсов N₁, равное

Реверсивный счетчик 12 в момент второго срабатывания нуль-органа 6 зафиксирует разность N N₁ N₂ количества импульсов, поступивших на информационные входы реверсивного счетчика 12 за интервал времени, равный τ₂

Скорректированный с учетом конечной длительности импульса нагрева интервал времени процесса теплопередачи τ_т= τ₂-mτ₁, необходимый для определения коэффициента температуропроводности, отображается цифровым индикатором 13.

На временных диаграммах (фиг. 2) сверху вниз отражено состояние выходов первого дифференциатора 4, нуль-органа 6, RS-триггера 7, второй схемы совпадения 10.

Таким образом, вследствие изменения функциональной схемы устройства и алгоритма его функционирования повышается точность определения коэффициента температуропроводности и упрощается структура устройства.

Использование: средства измерения теплофизических характеристик твердых материалов, тепловой неразрушающий контроль. Сущность изобретения: Импульсный источник нагрева 1 оптически связан с регистратором импульсов нагрева 18 и исследуемым образцом 2, температура тыльной поверхности которого измеряется датчиком температуры 3. Выход датчика температуры 3 соединен с входом первого ключа 16. Управляющий вход первого ключа 16, первые входы первой 9 и второй 10 схем совпадения соединены с первым выходом RS-триггера 7. Выход регистратора импульсов нагрева 18 соединен с входом второго ключа 17. Управляющий вход второго ключа 17 и первый вход третьей схемы совпадения 11 соединены с вторым выходом RS-триггера 7. Выходы первого 16 и второго 17 ключей соединены с входом первого дифференциатора 4. Выход первого дифференциатора 4 соединен с входом второго дифференциатора 5. Выход второго дифференциатора 5 соединен с входом нуль-органа 6. Выход нуль-органа 6 соединен с R-входом RS-триггера 7 и вторым входом второй схемы совпадения 10. Второй вход первой схемы совпадения 9 через второй счетчик - делитель частоты 15 соединен с выходом генератора импульсов 8. Второй вход третьей схемы совпадения 11 через первый счетчик - делитель частоты 14 соединен с выходом генератора импульсов 8. Выход первой схемы совпадения 9 соединен с первым информационным входом реверсивного счетчика 12. Выход третьей схемы совпадения 11 соединен с вторым информационным входом реверсивного счетчика 12. Выход второй схемы совпадения 10 соединен с управляющим входом реверсивного счетчика 12. Выход реверсивного счетчика 12 соединен с входом цифрового индикатора 13. Вход установки исходного состояния реверсивного счетчика 12, S-вход RS-триггера 7, входы генератора импульсов 8 и импульсного источника нагрева 1 соединены с пусковой клеммой 19. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения коэффициента температуропроводности, содержащее импульсный источник нагрева, оптически связанный с регистратором импульсов нагрева и через исследуемый образец с датчиком температуры, последовательно соединенные первый и второй дифференциаторы, выход второго дифференциатора подключен к входу нуль-органа, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, первый выход которого соединен с первым входом первой схемы совпадения, выход которой подключен к первому информационному входу счетчика импульсов, выход которого соединен с цифровым индикатором, генератор импульсов, вхoд которого соединен с входом импульсного источника нагрева и пусковой клеммой, а выход подключен к входу первого счетчика-делителя частоты и входу второго счетчика-делителя частоты, отличающееся тем, что выход второго счетчика-делителя частоты подключен к второму входу первой схемы совпадения, первый вход которой соединен с первым входом второй схемы совпадения и управляющим входом первого ключа, вход которого подключен к выходу датчика температуры, а выход соединен с входом первого дифференциатора и выходом второго ключа, вход которого подключен к выходу регистратора импульсов нагрева, а управляющий вход соединен с вторым выходом RS-триггера и первым входом третьей схемы совпадения, второй вход которой подключен к выходу первого счетчика-делителя частоты, а выход соединен с вторым информационным входом счетчика импульсов, вход установки исходного состояния которого соединен с S-входом RS-триггера и пусковой клеммой, а управляющий вход счетчика импульсов подключен к выходу второй схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом нуль-органа. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве счетчика импульсов использован реверсивный счетчик.