СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/18 

Предлагаемые изобретения относятся к области теплофизических измерений, в частности к определению теплофизических характеристик материалов, и могут быть использованы в химической, строительной и других областях народного хозяйства для контроля качества изделий в лабораторных и натурных условиях эксплуатации.

Известно устройство для определения теплофизических характеристик (а.с. N 1236355 СССР, кл. G 01 N 25/18, Б.И. N 21, 1986), которое содержит зонд-термоприемник в виде материала с известными теплофизическими характеристиками, на контактной поверхности зонда смонтирован линейный проволочный нагреватель и две термопары на расстоянии x₁ и x₂ от линии действия нагревателя, третья термопара, расположенная внутри материала термозонда на расстоянии x₃ от линии действия нагревателя, аналого-цифровой преобразователь, блок электропитания, микропроцессор, блок ввода-вывода, управляемые делители частоты, делитель частоты и элемент 2И-НЕ.

Способ контроля теплофизических характеристик (а.с.СССР N 1236355) в данном устройстве включает импульсный нагрев теплостатированных поверхностей эталонного и исследуемого образцов, состоящий в измерении температуры на расстоянии x₁ и x₂ от линии действия нагревателя, и в третьей точке x₃, расположенной внутри эталонного материала. Через заданный промежуток времени фиксируются температуры в этих точках. Искомые характеристики рассчитываются по заданным формулам.

Недостатком данного устройства и способа является использование трех каналов измерения, что приводит к аппаратурным усложнениям и снижению точности измерений, а также при расширении диапазона измерений к расчету параметров итеррационным методом в неявном виде.

За прототип принят способ контроля теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов (а.с. N 1711052 (CCCP), кл. G 01 N 25/18. Бюл. N 5, 1992), включающий импульсный нагрев термостатированных поверхностей образцов источником по линейному закону, измерение интервалов времени от момента подачи первого импульса до момента достижения температуры образцов заданного значения в точках, расположенных на фиксированном расстоянии от точки нагрева.

Измеряемые интервалы времени определяются в процессе сравнения заданной и регистрируемой температур, которые требуют обязательного термостатирования образцов до установившегося значения, принимаемого за точку отсчета температуры. При этом эксперимент разбивается на два этапа: термостабилизацию и измерение. Причем большая часть времени приходится на термостабилизацию, особенно при проведении серии экспериментов. Ошибка термостабилизации оказывает влияние на результаты эксперимента и снижает точность определения ТФХ данным способом.

Устройство, взятое за прототип (а.с. N 1298713 (СССР), кл. G 05 B 19/18, 1987, Бюл. N 11), состоит из мультиплексора, программируемого микрокалькулятора, генератора импульсов, постоянно-запоминающего устройства, интерфейса памяти, аналого-цифрового преобразователя, усилителя постоянного тока, блока стабилизированного напряжения, измерительного зонда и исполнительного блока.

Недостатками данного устройства являются низкая информативность, обусловленная вводом-выводом информации через штатный интерфейс, низкое быстродействие при измерении и управлении информацией, а также ограниченная гибкость архитектуры. Штатный интерфейс 145ИК1801 за один машинный цикл микрокалькулятора вводит или выводит один бит информации, причем обмен сообщений предусмотрен с ограниченной областью регистровой памяти число-импульсного микропроцессора программируемого микрокалькулятора.

Целью предлагаемого изобретения является повышение метрологических характеристик, а именно: точности, информативности и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в
1. способе определения теплофизических характеристик материалов, состоящем в том, что на поверхность объекта испытания воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования, регистрируют температуры в точке образца, расположенной на фиксированном расстоянии от линии воздействия, в отличие от прототипа, измерения температуры проводят в момент подачи парных (n-)-го, n-го и (2n-1)-го, 2n-го импульсов, регистрируют скорости изменения температуры, по которым рассчитывают искомые характеристики.

2. устройстве для определения теплофизических характеристик материалов, содержащем программируемый микрокалькулятор, последовательно включенные блок временных интервалов, импульсный блок питания, измерительный зонд, усилитель постоянного тока, аналого-импульсный преобразователь, счетчик импульсов и мультиплексор, вторые информационные входы последнего соединены с соответствующими выходами постоянно-запоминающего устройства, в отличие от известного решения, дополнительно введены оперативно-запоминающее устройство, блок синхронизации и счетчик адреса, тактовый вход которого подключен к соответствующему выходу программируемого микрокалькулятора, а установочный вход через блок синхронизации связан с информационным входом оперативно-запоминающего устройства, мультиплексора и выходом информационной магистрали последнего объединен с выходом мультиплексора, адресные входы которого поразрядно соединены с выходом счетчика адреса, одноименными входами постоянно-запоминающего устройства, блока временных интервалов и оперативно-запоминающего устройства, подключенного информационными выходами через блок временных интервалов к вторым адресным входам мультиплексора и тактовым входам счетчика импульсов.

Сущность способа заключается в следующем. На исследуемом материале проводят подачу тепловых импульсов с постоянной мощностью q и с постоянным периодом 7t_o Фиксируют значения температуры в i-е моменты подачи (n-1)-го, n-го, 2n-го и (2n-1)-го импульсов. Температура T_p после подачи p=2n, где n=2, 3. тепловых импульсов выражается зависимостью:

где: a, λ соответственно температуро- и теплопроводность материала, X - расстояние между линией нагрева и точкой контроля на поверхности материала.

Их скорости изменения V_k, V_i температур на k-том и i-том шаге запишем как:

Соответственно

Откуда находим систему уравнений:

Поделив V_k на V_i, получим:

После несложных преобразований имеем:

Если принять, что k=2i, тогда:

Предложенный способ реализован устройством, структурная схема которого приведена на фиг. 1. Устройство состоит из измерительного зонда (ИЗ) 1, усилителя постоянного тока (УПТ) 2, аналого-импульсного преобразователя (АИП) 3, счетчика импульсов (СИ) 4, импульсного блока питания (ИБП) 5, оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) 6, блока временных интервалов (БВИ) 7, мультиплексора (М) 8, блока синхронизации (БС) 9, счетчика адресов (СА) 10, постоянно-запоминающего устройства (ПЗУ) 11 и программируемого микрокалькулятора МК-61 (ПМК) 12.

ИЗ1 преобразует температуру от линейного нагревателя в электрический сигнал.

УПТ2 усиливает постоянное напряжение, снимаемое с измерительной ячейки до необходимого уровня.

АИП3 преобразует входное напряжение, поступающее с УПТ2, в импульсы, частота которых линейно зависит от величины напряжения.

СИ4 преобразует частотный сигнал измерения F_изм. в код.

ИБП5 необходим для питания всей схемы и формирования импульсов нагрева для измерительного зонда.

ОЗУ6 предназначено для временного хранения информации управления.

БВИ7 формирует сигналы управления ИБП5, СИ4, М8 соответственно по выходам 16, 17, 18.

М8 преобразует параллельную информацию из ПЗУ11, СИ4, БВИ7, синхронно адресу по входам 13 СА10 в последовательную и вводит в кольцо динамической памяти ПМК12.

БС9 осуществляет синхронизацию работы СА10 с динамической памятью ПМК12.

СА10 формирует код адреса, соответствующий временному адресу информации в кольце динамической оперативной памяти ПМК12.

ПЗУ11 необходимо для хранения рабочих программ.

ПМК2 служит для обработки измеренной информации, расчета теплофизических характеристик, корректировки полученных результатов по эталонному значению, вывода результатов.

Работает устройство следующим образом. В начальный момент времени кольцо динамической памяти ПМК12 замкнуто.

На выходе БС9 формируются импульсы, определяющие условное начало машинного цикла. Импульсы воздействуют на установочный вход СА10 и записывают в него нулевой адрес, который синхронизирован с началом машинного цикла. Перемещение информации по магистрали происходит синхронно с частотой, которая поступает на тактовый вход СА10 с соответствующего выхода ПМК12. Появлению каждого бита информации на магистрали ПМ0к12 соответствует определенный код на адресной шине СА10. Он является параллельным адресом знакоместа информации, проходящей по кольцу динамической памяти ПМК12.

В режиме ввода программы в память ПМК12 с соответствующего выхода ПМК12 по информационной магистрали производится запись информации в ОЗУ 6, код с которого по информационным выходам поступает на БВИ 7, формирующий сигналы управления на вторых адресных входах 14 мультиплексора 8, по которым выходы 15 ПЗУ 11 коммутируются с информационной магистралью ПМК 12. На адресные входы ПЗУ 11 поступают коды со счетчика СА 10 по адресным выходам. В кольце динамической памяти ПМК 12 происходит замещение информации, кольцо динамической памяти снова замыкается. Таким образом, осуществляется прямой доступ к динамической памяти ПМК 12, имеющей максимальное быстродействие.

В режиме вывода информации с ПМК 12 по информационной магистрали на ОЗУ 6 поступают данные, адресные входы которого сканируются СА 10. Время записи равно длительности машинного цикла, по окончании которого ПМК 12 прекращает подачу сигналов по информационной магистрали.

Режим измерения включает в себя ввод информации с СИ 4 и отличается от режима ввода информации из ОЗУ 6 тем, что запись производится в один регистр памяти ПМК 12. При этом с БВИ 7 на вторые адресные входы 14 мультиплексора 8 сигнал управления поступает в момент прохождения по информационной магистрали информации этого регистра.

Преобразование частоты, поступающей с АИП 3 в код, осуществляется с помощью СИ 4 за фиксированный интервал времени. Счет импульсов производится аппаратно реверсивным двоично-десятичным счетчиком СИ 4. БВИ 7 последовательно формирует на тактовых выходах 17 для СИ 4 следующие сигналы управления: обнуление; разрешение счета на уменьшение; запрещение счета; разрешение счета на увеличение; запрещение счета (хранение кода для записи в ПМК 12). Счет импульсов на уменьшение производится без сигнала на входе УПТ 2, а счет на увеличение при подключенном датчике. Таким образом, в преобразованном сигнале устраняется температурный дрейф УПТ 2.

Доказательство эффективности
1) По оперативности.

а) измерения.

Эффективность предлагаемого способа определяется отношением где τЭ₁ и τЭ₂ -время проведения эксперимента предлагаемым способом и прототипом соответственно где τt₁,τt_2/ время термостатирования для предлагаемого способа и прототипа соответственно,
τЭ₁,τЭ₂ время измерения для предлагаемого способа и прототипа соответственно,
т. к. τu₁= τu₂= τu, тогда что видно из условия определения относительной погрешности e измерения температуры Тогда эффективность будет иметь вид:

Например, для
Т. е. оперативность предлагаемого способа в раз выше, чем у прототипа.

б) эксперимента.

Эффективность будет определена отношением.

время измерения прототипа и предлагаемой системы соответственно.

τ₁= τu₁+τv₁+τp₁,
где τu₁- время измерения,
τv₁- время ввода,
τp₁- время расчета программы.

τu₁≃ τv₁≃ τp₁= τ = 0,1(сек)..

Следовательно, τ₁≃ 4τ

Откуда
Следовательно, быстродействие прототипа в 4 раза ниже, чем у предлагаемой системы.

2) По информативности.

Информативность определяется по формуле:

где t - время ввода информации,
N объем вводимой информации в число-импульсном коде.

Тогда эффективность предлагаемой системы будет определена отношением

где I₁ информативность прототипа, которая определяется по формуле (1),
I₂ информативность предлагаемой системы, которая определяется по формуле (2).

где N₁=4 бит. τ₁0,1 (сек).

где N₁=2•n•m, где n=4 бит. m=12, число регистров, τ₂0,02 (сек).

Выразив τ₁ через получим:

Следовательно, информативность предлагаемой системы в 120 раз больше, чем у прототипа.

3) По гибкости.

Эффективность определена отношением

где Г₁ и Г_2> гибкость прототипа и предлагаемой системы соответственно,
Г₁=N₁ позиционный код,
Г₂=N₂ двоичный код.

Откуда
Следовательно, гибкость предлагаемой системы в 256 раз выше, чем у прототипа.

Т. е. эффективность предлагаемой системы увеличивается по оперативности измерения в по оперативности эксперимента в 4 раза, по информативности в 120 раз, по быстродействию в 256 раз.

Предлагаемый способ и устройство реализованы в измерительно-вычислительной системе ТЕМП-073, выполненной на ПМК "Электроника МК-61", микросхемах серии К564, К140, К142, К168 и К573 РФ2, измерительный зонд содержит корпус, держатель кассеты, пружину и кассету с эталонным материалом, на котором закреплены две пары термоэлектрических преобразователей градуировки ХК диаметром 0,1 мм, а также нагреватель из нихрома диаметром 0,1 мм.

Таким образом, регистрация скорости изменения температуры между парными импульсами в способе и введение в устройство блока синхронизации и счетчика адреса для организации прямого доступа к информационной магистрали ПМК12 позволяют в отличие от известных технических решений повысить оперативность измерения в , а эксперимента в 4 раза, соответственно информативности в 120 раз, а гибкости -в 256 раз.

Группа изобретений относится к области теплофизических измерений, в частности к определению теплофизических материалов, и может быть использована в химической, строительной и других областях народного хозяйства для контроля качества изделий в лабораторных и натурных условиях эксплуатации. Сущность способа определения теплофизических характеристик материала состоит в том, что на поверхность объекта испытания воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования. В точке, расположенной на фиксированном расстоянии от линии теплового воздействия, регистрируют скорость изменения температуры в моменты подачи парных /n-1/-го, n-го и /2n-1/-го 2n-го импульсов и по ней рассчитывают искомые характеристики. Устройство для реализации способа содержит программируемый микрокалькулятор 12, постоянно-запоминающее устройство 11, оперативно-запоминающее устройство 6, мультиплексор 8, блок временных интервалов 7, импульсный блок питания 5, измерительный зонд 1, усилитель постоянного тока 2, аналого-импульсный преобразователь 3, блок синхронизации 9, счетчик адресов 10 и счетчик импульсов 4. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в том, что на поверхность исследуемого образца воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования, регистрируют температуры в точке, расположенной на фиксированном расстоянии от линии воздействия на поверхности образца, отличающийся тем, что температуру и скорость ее изменения регистрируют в моменты подачи парных (n-1)-го, n-го и (2n-1)-го, 2n-го импульсов, а по измеренным значениям рассчитывают искомые характеристики, где n 2,3. 2. Устройство для определения теплофизических характеристик материалов, содержащее программируемый микрокалькулятор, последовательно включенные блок временных интервалов, импульсный блок питания, измерительный зонд, усилитель постоянного тока, аналого-импульсный преобразователь, счетчик импульсов и мультиплексор, вторые информационные входы последнего соединены с соответствующими выходами постоянного запоминающего устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены оперативно-запоминающее устройство, блок синхронизации и счетчик адреса, тактовый вход которого подключен к соответствующему выходу программируемого микрокалькулятора, а установочный вход через блок синхронизации связан с информационным входом оперативно-запоминающего устройства, соответствующим третьим входом мультиплексора и выходом информационной магистрали программируемого микрокалькулятора, вход информационной магистрали последнего объединен с выходом мультиплексора, адресные входы которого поразрядно соединены с выходами счетчика адреса, одноименными входами постоянно-запоминающего устройства, блока временных интервалов и оперативно-запоминающего устройства, подключенного информационными выходами через блок временных интервалов к вторым адресным входам мультиплексора и тактовым входам счетчика импульсов.