СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ФРОНТА ГОРЕНИЯ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА СМЕСИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/28 G01J5/12 

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в порошковой металлургии для измерения температуры дисперсных частиц в быстропротекающих процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) смеси дисперсных материалов.

Известен способ измерения температуры материалов с помощью термопары, находящейся в контакте с нагретым телом или погруженной в объем шихты [1, 2]
Недостатком данного способа является его низкое быстродействие из-за тепловой инерционности термопары и вносимые искажения при измерении локальной температуры тела, а также из-за наличия неустранимого теплоотвода из зоны термоспая через токопроводящие и крепежные элементы.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является способ измерения температуры поверхности двухкомпонентных смесей с помощью оптической яркости пирометрии, основанной на непосредственном измерении выходного сигнала калиброванного на заданной длине волны приемника теплового излучения с единицы поверхности нагретого тела [3]
Недостатком известного способа является невозможность его применения для измерения температуры фронта горения в процессах СВС дисперсных материалов, так как из-за дискретной структуры волны горения не обеспечивается полное перекрытие оптического поля зрения пирометра горящими частицами порошка [4] что объясняется наличием двух стадий реакции: локального интенсивного горения в месте контакта исходных продуктов и последующей стадией догорания, переходящей в режим гомогенизации и термодинамического равновесия по всему объему конечного продукта [5] попадающего в поле зрения оптического пирометра.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов с помощью оптической яркостной пирометрии, основанной на непосредственном измерении выходного сигнала фотодатчика, калиброванного на заданной длине волны теплового излучения с единицы поверхности нагретого тела, одновременно измеряют температуру смеси с помощью термопары, погруженной в ее объем, и оптического пирометра, и определяют коэффициент перекрытия оптического поля зрения пирометра областью фронта горения из соотношения:
k A₁/A₂,
где A₁ амплитуда первого минимума выходного сигнала фотодатчика пирометра,
A₂ амплитуда выходного сигнала фотодатчика пирометра в момент совпадения показаний термопары и пирометра, а истинную температуру фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов устанавливают по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, обратно пропорциональной коэффициенту перекрытия.

Техническим результатом является обеспечение измерения яркостной температуры фронта горения СВС смеси дисперсных материалов при произвольной пространственной структуре волны горения с повышенной точностью.

Повышенная точность измерения яркостной температуры фронта горения СВС смеси дисперсных материалов осуществляется за счет определения коэффициента перекрытия оптического поля зрения пирометра в момент прохождения фронта реакции СВС через поле зрения пирометра и затем истинная температура фронта горения СВС смеси устанавливается по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, обратно пропорциональной коэффициенту перекрытия.

В основе способа лежат следующие известные закономерности теории горения конденсированных веществ [5, 6]
1. СВ-синтез имеет постоянную скорость распространения реакции, в смеси дисперсных материалов однородного стехиаметрического состава, определяемую величиной эффективной энергии активации реагирующей смеси компонентов.

2. Локальные очаги самовоспламенения, возникающие через характерное время химической термоиндукции t_инд., определяют дискретную структуру фронта волны горения, задавая средний размер ее высокотемпературной области d.

3. Время высокотемпературного горения локальных очагов самовоспламенения t_гор. много меньше времени химической термоиндукции t_инд..

Таким образом, фронт горения представляет собой квазипериодический процесс возникновения через время t_инд. новых очагов самовоспламенения размером d и временем горения t_гор., равномерно распространяющийся перпендикулярно фронту горения со средней скоростью V_ф.

На фиг. 1 изображено оптическое поле зрения пирометра с проходящим через него фронтом горения СВС, на фиг. 2 график изменения амплитуды выходного сигнала фотодатчика пирометра в зависимости от времени, а на фиг. 3 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Способ измерения фронта горения СВС смеси дисперсных материалов осуществляется следующим образом.

Одновременно регистрируют температуру смеси дисперсных материалов с помощью термопары, погруженной в ее объем, и оптического пирометра, и последовательно запоминают амплитуду первого минимума выходного сигнала фотодатчика пирометра и амплитуду выходного сигнала фотодатчика пирометра в момент совпадения показаний термопары и пирометра. После этого устанавливают истинную температуру фронта горения СВС смеси дисперсных материалов по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, прямо пропорциональной отношению второй запомненной амплитуды к первой.

На фиг. 1 представлено оптическое поле зрение 1 пирометра, площадью S₀= hxh, исходная смесь дисперсных материалов 2, с площадью S_ш, и температурой T_ш., область фронта горения 3 с площадью S_ф0. и температурой T_ф. и средней скоростью движения фронта волны СВ-реакции V_ф, область догорания конечного продукта 4 с площадью S_пр. и температурой T_пр..

Так как площадь зоны горения S_ф0., не совпадает с площадью оптического поля зрения пирометра S₀, то амплитуда видеосигнала фотодатчика при появлении в поле зрения пирометра фронта горения СВС смеси дисперсных материалов уменьшается пропорционально отношению площадей S₀ к S_ф0., а калибровка яркостного пирометра производится по излучающей поверхности температурного эталона с площадью S₀. Домножая величину выходного сигнала фотодатчика пирометра, в момент появления в поле зрения фронта горения на величину, обратную коэффициенту перекрытия:
1/k S₀/S_ф0
можно измерять его яркостную температуру при неполном перекрытии. Из выражения (1) и условий 1, 2, 3 следует, что выходной сигнал пирометра, изображенный на фиг. 2, представляет собой сумму световых потоков, излучаемых с равномерно движущихся со скоростью V_ф, в поле зрения пирометра поверхностей зон фронта горения S_ф.(t) с шириной d, временем существования t_гор., и температурой T_ф., области догорания продуктов реакции с температурой T_пр., также распространяющиеся вслед за областью горения со скоростью V_ф и поверхности исходной смеси, практически не вносящей вклада в регистрируемое тепловое излучение, и в приближении "серого тела" описывается следующим выражением:

где A(t) амплитуда фотодатчика пирометра,
S_i0 токовая чувствительность фотодатчика,
ε излучательная способность,
d постоянная Стефана-Больцмана,
при этом
S₀ S_ф.(t)+S_пр.(t)+S_ш.(t) (3)

S_ш.(t) определяется из выражения (3), а за начало измерения t=0 принимаем момент времени возникновения в поле зрения пирометра высокотемпературной зоны фронта горения. Учитывая, что T_ш. < T_ф и T_ш. < T_пр., то можно пренебречь в выражении (2) членом S_ш.(t)T4ш.

и в соответствии с выражениями (4) и (5) получаем:

откуда видно, что отношение амплитуды тока фотодатчика в момент времени t₂ к амплитуде в момент времени t₃ пропорционально соответствующим площадям:

На фиг. 3 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит оптическую систему 5, фотодатчик 6, связанный со входом преобразователя ток-напряжение 7, выход которого соединен с входом усилителя видеосигнала 8, выход которого соединен с блоком цифровой обработки и вычисления поправок 9 и фильтром верхних частот 10, выход которого соединен: со входом дифференцирующего устройства 11, первым входом устройства сравнения сигнала термопары 12, входами двух устройств выборки-хранения 13 и 14, и входом порогового устройства запуска измерения 15. Термопару 16, погруженную в шихту 17, реактор СВС 18 с кварцевым пирометрическим окном 19, усилитель выходного сигнала термопары 20, соединенный со вторым входом устройства сравнения 12, выход которого через формирователь импульсов 21 соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения 14, компаратор нуля 22, вход которого соединен с дифференцирующим устройством 11, а выход подается на двоичный счетчик 23, вход обнуления которого соединен с выходом устройства запуска 15, а выход второго разряда через формирователь импульсов 24 соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения 13, блок деления 25 на первый вход которого подается сигнал с устройства выборки-хранения 13, а на второй с устройства выборки-хранения 14 с выхода блока деления, сигнал, пропорциональный коэффициенту перекрытия, подается на блок цифровой обработки и вычисления поправок 9.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Тепловое излучение, проходя через кварцевое окно 19, фокусируется оптической системой 5 в плоскости фотодатчика 6, который преобразует оптический сигнал в электрический ток, далее фототок преобразуется блоком 7 в напряжение, которое усиливается усилителем видеосигнала 8, после которого сигнал подается в цифровой блок обработки и вычисления поправок 9. Сигнал с выхода видеоусилителя 8, пройдя через фильтр верхних частот 10, выделяющий низкочастотную составляющую, подается на два устройства выборки-хранения 13 и 14, соответственно запоминающие амплитуду видеосигнала в момент первого минимума и в момент совпадения показаний пирометра и термопары, а также на устройство запуска 15 и дифференциатор 11, служащий для дифференцирования выходного сигнала и выделения момента времени появления первого минимума на термограмме. С выхода дифференциатора 11 сигнал подается на вход компаратора нуля 22, который выдает импульсы на вход двоичного счетчика 23. При достижении момента времени первого минимума на выходе второго разряда счетчика 23 появляется сигнал, который, пройдя через формирователь импульсов 24, останавливает устройство выборки-хранения 13. Обнуление счетчика 23 происходит в начальный момент роста температуры с помощью порогового устройства запуска 15. Сигнал с термопары 16 усиливается блоком 20 и подается на второй вход устройства сравнения 12, на первый же вход подается сигнал с фильтра верхних частот 10. В момент достижения амплитуды сигнала на втором входе амплитуды сигнала на первом устройство сравнения 12 переключается и на выходе формирователя импульсов 21 появляется сигнал, останавливающий устройство выборки-хранения 14. Амплитуды сигналов с устройств 13 и 14 подаются в блок деления 25, выполняющий функцию:
k=A₁/A₂
и на выходе имеется сигнал, пропорциональный коэффициенту перекрытия поля зрения оптического пирометра, который подается в блок 9 для температурной коррекции яркостного сигнала фотодатчика в момент локального горения компонентов СВ-реакции.

По сравнению с известными способами, предлагаемый способ повышает точность измерения температуры фронта горения СВ-синтеза до 1% регистрируя при этом одновременно высокоскоростную температурную динамику и более длительный участок догорание.

Источники информации
1. Нерсисян Г.А. Исследование волны горения, механизмов и макрокинетики самораспространяющегося высокотемпературного синтеза боридов, силицидов, и гидридов переходных металлов. Диссертация на соискание звания кандидат химических наук. Ереван, 1980 г. с. 56.

2. Линевег Ф. Измерение температур в технике. М. Металлургия, 1980. - с. 261-268.

3. Способ измерения температуры поверхности двухкомпонентных смесей с помощью многоволнового пирометра /Itoh Hisashi, Hattori Susumi.//Кэйсоку то сэйге=J. Sos. Instrum. and Constr. Eng. 1988. 27, N 9. С. 826-831. Яп.

4. Гордов А.Н. Основы пирометрии. М. Металлургия, 1971. С. 59.

5. Мержанов А.Г. Абрамов В.Г. Гонтковская В.Т. О закономерностях перехода от самовоспламенения к зажиганию // Докл. АН СССР. 1963. 148, N 1. с. 156-159.

6. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука. 1984. с. 10-25.

Использование: измерение температуры фронта горения дисперсных частиц в быстропротекающих процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) материалов в порошковой металлургии. Сущность изобретения: одновременно измеряют температуру фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов с помощью термопары, погруженной в ее объем, и оптического пирометра, основанного на непосредственном измерении выходного сигнала фотодатчика, калиброванного на заданной длине волны теплового излучения с единицы поверхности нагретого тела. Затем определяют коэффициент перекрытия оптического поля зрения пирометра областью фронта горения из соотношения: K=A₁/A₂, где A₁ - амплитуда первого минимума выходного сигнала фотодатчика пирометра, A₂ - амплитуда выходного сигнала фотодатчика пирометра в момент совпадения показаний термопары и пирометра, а истинную температуру фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов определяют по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, обратно пропорциональной коэффициенту перекрытия, 3 ил.

Способ измерения температуры фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов с помощью оптической яркостной пирометрии, основанной на непосредственном измерении выходного сигнала фотодатчика, калиброванного на заданной длине волны теплового излучения с единицы поверхности нагретого тела, отличающийся тем, что одновременно измеряют температуру смеси с помощью термопары, погруженной в ее объем, и оптического пирометра и определяют коэффициент перекрытия оптического поля зрения пирометра областью фронта горения из отношения
К А₁/А₂,
где А₁ амплитуда первого минимума выходного сигнала фотодатчика пирометра;
А₂ амплитуда выходного сигнала фотодатчика пирометра в момент совпадения показаний термопары и пирометра,
а истинную температуру фронта горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза смеси дисперсных материалов устанавливают по выходному сигналу фотодатчика с мультипликативной поправкой, обратно пропорциональной коэффициенту перекрытия.