УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Российский патент 1999 года по МПК G01N25/18 

Устройство относится к техническим средствам для определения теплофизических характеристик материалов и может использоваться как при исследовании свойств новых материалов, так и в тепловом неразрушающем контроле.

Известно устройство [1], реализующее способ определения теплофизических свойств твердых материалов. Данное устройство имеет невысокую точность и низкую помехозащищенность, так как теплофизические характеристики материалов определяют на основании данных о характерной точке первой производной температурной кривой, расстоянии от точки нагрева до точки измерения температуры и мощности импульса излучения нагрева.

Известно устройство для определения теплофизических параметров материалов [2] , которое имеет невысокую точность вследствие определения теплофизических характеристик материалов на основании определения характерной точки по второй производной от температурной кривой по времени. Невысока также точность устройства, так как при интегрировании температурной кривой с момента подачи импульса нагрева (без учета длительности этого импульса) большое влияние на точность измерения оказывают помехи на начальном участке температурной кривой.

Известно устройство для прецизионного определения характеристик материалов [3], наиболее близкое по структуре к предлагаемому устройству, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, а также первый и второй интеграторы, источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом масштабного усилителя, а вход масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого компаратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов, выходом усилителя и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом экстрематора, а выход экстрематора соединен с вторыми входами управления первого, второго и третьего интеграторов, причем выходы масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

Известное устройство определяет момент времени начала регуляризации режима нагрева образца на основании анализа второй производной температурной кривой по времени, что снижает точность определения этого момента. Кроме того, при одностороннем доступе к объекту анализа температурная кривая не имеет точки перегиба, что не дает возможности определить с помощью известного устройства момент времени начала регуляризации режима нагрева, что, в свою очередь, снижает функциональные возможности устройства (известное устройство может применяться в лабораторных условиях и на объектах с возможностью двухстороннего доступа).

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышение его точности.

В устройство, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, семь интеграторов, три компаратора, масштабный усилитель и источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом первого масштабного усилителя, а вход первого масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, первым входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого интегратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов, причем выходы первого масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, дополнительно введены четвертый компаратор, блок деления, датчик длительности импульса нагрева, триггер, схема совпадения и второй масштабный усилитель, при этом выход первого интегратора через второй масштабный усилитель соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с выходом усилителя, а выход - с первым входом четвертого компаратора, второй вход которого соединен с выходом дифференциатора, а выход - с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен с вторыми входами управления первого, второго и третьего интеграторов, а второй вход - с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом синхронизатора, а второй вход - с выходом датчика длительности импульса нагрева.

На фиг.1 и 2 изображены:
фиг.1 - схема устройства;
фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, синхронизатор 2, термопару 3, измеряющую температуру поверхности образца 4, усилитель 5, дифференциатор 6, источник 7 опорного напряжения, интеграторы 8-14, компараторы 15-18, масштабные усилители 19, 20, блок 21 деления, схему совпадения 22, триггер 23, датчик 24 длительности импульса нагрева.

Источник 1 оптически связан с датчиком 24 и образцом 4, температура поверхности которого измеряется термопарой 3. Вход источника 1 соединен с выходом синхронизатора 2. Вход синхронизатора 2 соединен с пусковой клеммой. Термопара 3 соединена с входом усилителя 5. Выход усилителя 5 соединен с информационными входами интеграторов 9, 13 и 14, входом делимого блока 21 и входом дифференциатора 6. Выход дифференциатора 6 соединен с вторым входом компаратора 18. Первый вход компаратора 18 соединен с выходом блока 21. Выход компаратора 18 соединен с первым входом схемы совпадения 22. Второй вход схемы совпадения 22 соединен с выходом триггера 23. Выход схемы совпадения 22 соединен с вторыми входами управления интеграторов 8-10. Вход делителя блока 21 соединен через масштабный усилитель 20 с выходом интегратора 18 и входом первого масштабного усилителя 19. Выход первого масштабного усилителя 19 соединен с вторыми входами компараторов 15-17 и первым выходом устройства. Выход синхронизатора 2 соединен с первым входом управления интегратора 8 и первым входом триггера 23. Второй вход триггера 23 соединен с выходом датчика 24. Выход источника 7 опорного напряжения соединен с информационными входами интеграторов 8, 10-12. Выход интегратора 10 соединен с первым входом компаратора 15. Выход компаратора 15 соединен с первыми входами управления интеграторов 9-11, 13. Выход интегратора 11 соединен с первым входом компаратора 16. Выход компаратора 16 соединен с вторыми входами управления интеграторов 11, 13 и первыми входами управления интеграторов 12, 14. Выход интегратора 12 соединен с первым входом компаратора 17. Выход компаратора 17 соединен с вторыми входами управления интеграторов 12, 14. Выходы интеграторов 9, 13, 14 соединены с вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени t₀ с выхода синхронизатора 2 поступает сигнал на вход источника 1 импульсного нагрева. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток поступает на поверхность образца 4. Одновременно сигнал с выхода синхронизатора 2 поступает на первый вход управления интегратора 8 и первый вход триггера 23. Интегратор 8 устанавливается в режим интегрирования сигнала с выхода источника 7, поступающего на информационный вход интегратора 8. Триггер 23 устанавливается в такое состояние, при котором сигнал на его выходе отсутствует. Схема совпадения 22 закрыта, так как на ее втором входе сигнал отсутствует.

Температура поверхности образца 4 измеряется термопарой 3, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 5 и поступает на информационные входы интеграторов 9, 13 и 14, вход делимого блока 21 и вход дифференциатора 6. С выхода дифференциатора 6 сигнал, пропорциональный производной температуры Т поверхности образца 4 по времени, поступает на второй вход компаратора 18.

На информационные входы интеграторов 8, 10-12 поступает сигнал с выхода источника 7, поэтому величины сигналов на выходах интеграторов 8, 10-12 пропорциональны интервалам времени, в течение которых интеграторы 8, 10-12 находятся в режиме интегрирования.

Сигнал с выхода первого интегратора 8 поступает через второй масштабный усилитель 20, имеющий коэффициент усиления К₂=2, на вход делителя блока 21. Сигнал с выхода блока 21 поступает на первый вход компаратора 18. При равенстве сигналов на входах компаратор 18 срабатывает. При срабатывании датчика 24 сигнал с его выхода поступает на первый вход триггера 23, переводя триггер 23 в такое состояние, при котором на его выходе появляется сигнал. Сигнал с выхода триггера 23 открывает схему совпадения 22.

Если компаратор 18 сработает до срабатывания датчика 24, сигнал с выхода компаратора 18 не проходит через схему совпадения 22, так как она закрыта сигналом с выхода триггера 23. Если компаратор 18 сработает после срабатывания датчика 24, сигнал с выхода компаратора 18 поступает через открытую сигналом с выхода триггера 23 схему совпадения 22 на второй вход управления первого интегратора 8, переводя его в состояние хранения. Одновременно сигнал с выхода схемы совпадения 22 поступает на вторые входы управления второго 9 и третьего интеграторов, переводя их в режим интегрирования. С выхода первого интегратора 8 сигнал через первый масштабный усилитель 19, имеющий коэффициент усиления K₁=0,1, подается на вторые (опорные) входы первого 15, второго 16 и третьего 17 компараторов.

В момент времени t₁ совпадения величины сигналов на выходах первого масштабного усилителя 19 и третьего интегратора 10 срабатывает первый компаратор 15. Сигнал с выхода первого компаратора 15 поступает на первые входы управления второго 9, третьего 10, четвертого 11 и шестого 13 интеграторов. Второй 9 и третий 10 интеграторы переводятся в режим хранения, четвертый 11 и шестой 13 интеграторы переводятся в режим интегрирования сигнала с выхода источника 7 опорного напряжения и сигнала с выхода усилителя 5 соответственно.

В момент времени t₂ совпадения величины сигналов на выходах первого масштабного усилителя 19 и четвертого интегратора 11 срабатывает второй компаратор 16. Сигнал с выхода второго компаратора 16 поступает на вторые входы управления четвертого 11 и шестого 13 интеграторов и первые входы управления пятого 12 и седьмого 14 интеграторов. Четвертый 11 и шестой 13 интеграторы переводятся в режим хранения, пятый 12 и седьмой 14 интеграторы переводятся в режим интегрирования сигнала с выхода источника 7 опорного напряжения и сигнала с выхода усилителя 5 соответственно.

В момент времени t₃ совпадения величины сигналов на выходах масштабного усилителя 19 и пятого интегратора 12 срабатывает третий компаратор 17. Сигнал с выхода третьего компаратора 17 поступает на вторые входы управления пятого 12 и седьмого 14 интеграторов. Пятый 12 и седьмой 14 интеграторы переводятся в режим хранения. Сигналы с выходов первого масштабного усилителя 19, второго 9, шестого 13 и седьмого 14 интеграторов поступают на первый, второй, третий и четвертый выходы устройства соответственно.

На фиг. 2 сверху вниз показаны временные диаграммы сигналов на выходах усилителя 5, датчика 24 длительности импульса нагрева, триггера 23, компаратора 18, интегратора 8, интегратора 10, компаратора 15, интегратора 11, компаратора 16, интегратора 12, компаратора 17.

Таким образом, при импульсном нагреве излучением от источника 1 импульсного нагрева поверхности плоского непрозрачного или полупрозрачного для излучения нагрева образца 4 конечной толщины L через количество поглощенной энергии Q кусочным интегрированием температурной кривой Т с заданным самим устройством постоянным шагом по времени Δτ = 0,1t_p, где t_p=t^*-t₀, начиная с момента времени t^* начала регуляризации режима нагрева, который определяется устройством в соответствии с равенством Т = T/2t, следующим из того, что в качестве критерия, характеризующего момент времени начала регуляризации температурного режима нагрева, может быть принят минимум функции F=T²t [4], теплофизические характеристики образца 4 определяют по формулам


λ = aγ; (3)

где величина сигнала на выходе второго интегратора 9;
величина сигнала на выходе шестого интегратора 13;
величина сигнала на выходе седьмого интегратора 14;
Δτ - величина сигнала на выходе первого масштабного усилителя 19;
a, b, λ - соответственно коэффициенты температуропроводности, теплоусвояемости и теплопроводности материала образца 4;
γ - объемная теплоемкость материала образца 4.

Вычисление коэффициентов a, b, γ, λ по формулам (1)-(4) не представляет технической сложности и реализуется стандартными алгоритмами.

Таким образом, устройство обладает расширенными функциональными возможностями за счет способности определения теплофизических характеристик материалов различных объектов при одностороннем доступе и повышенной, по сравнению с прототипом, точностью, исключая операцию двойного дифференцирования температурной кривой.

Источники информации
1. А.С.СССР N 1265562, кл. G 01 N 25/18, 1986.

2. А.С.СССР N 1557499, кл. G 01 N 25/18, 1990.

3. А.С.СССР N 1755150, кл. G 01 N 25/18, 1992.

4. Троицкий О.Ю. Импульсный тепловой неразрушающий контроль слоистых материалов//Механика композитных материалов.-1992.-N 6.-С. 843-847.

Устройство относится к техническим средствам измерения теплофизических характеристик твердых материалов. Теплофизические характеристики материала образца 4 определяются путем интегрирования с постоянным шагом сигнала, пропорционального температуре поверхности образца 4 после момента времени начала регуляризации режима нагрева. Сигналы, пропорциональные интервалу времени от запуска устройства до момента времени начала интегрирования и вычисляемым интегралам, формируются на выходах интеграторов 8,9,13,14. Шаг интегрирования задается величиной сигнала на выходе масштабного усилителя 19. Определение момента времени начала регуляризации температурного режима осуществляется с помощью блока 21 деления и компаратора 18, на выходе которого появляется сигнал при равенстве сигналов на выходе блока 21 и выходе дифференциатора 6. Логика устройства обеспечивается триггером 23 и схемой совпадения 22. Достигаемый технический результат - повышение точности и расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Устройство для определения теплофизических характеристик, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, семь интеграторов, три компаратора, первый масштабный усилитель и источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом первого масштабного усилителя, а вход первого масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, первым входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого интегратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов, причем выходы первого масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит четвертый компаратор, блок деления, датчик длительности импульса нагрева, триггер, схему совпадения и второй масштабный усилитель, при этом выход первого интегратора через второй масштабный усилитель соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с выходом усилителя, а выход - с первым входом четвертого компаратора, второй вход которого соединен с выходом дифференциатора, а выход - с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен с вторыми входами управления первого, второго и третьего интеграторов, а второй вход - с выходом триггера, первый вход которого соединен с выходом синхронизатора, а второй вход - с выходом датчика длительности импульса нагрева.