УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N25/18 

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

Известны устройства

[1. А.с. СССР №694805, кл. G 01 N 25/18, 1979.

2. А.с. СССР №913196, кл. G 01 N 25/18, 1982.

3. А.с. СССР №1557499, кл. G 01 N 25/18, 1990.

4. Патент РФ №2090872, кл. G 01 N 25/18, 1997.

5. Патент РФ №2132548, кл. G 01 N 25/18, 1999.] для определения теплофизических характеристик твердых материалов. Устройства [1-5] предназначены для определения теплофизических характеристик образцов твердых материалов с помощью методов, не имеющих временных ограничений, вытекающих из соотношения между постоянной времени измерительной системы и характеристическим временем исследуемого объекта [6. Troitsky O.Yu. A new approach to the flash technique for the remote sensing of layered materials // Mech. Соmр. Mat., vol.35, №3, pp.271-276 (1999).]:

где Т - постоянная времени измерительной системы,

L - толщина исследуемого образца,

а - коэффициент температуропроводности материала образца.

Если для исследуемых образцов, тонких в термическом отношении, т.е. имеющих малую толщину и (или) высокую температуропроводность (защитные покрытия и др.), соотношение (1) не выполняется, известные устройства [1-5] не могут использоваться для определения теплофизических характеристик материалов, что ограничивает их применение.

Известны устройства [7. Патент РФ №2108568, кл. G 01 N 25/18, 1998. 8. Патент РФ №2154268, кл. G 01 N 25/18, 2000] для определения теплофизических характеристик твердых материалов, при использовании которых измерение температуры производится на той же стороне поверхности образца, на которую поступает тепловой поток от источника импульсного нагрева. Устройства [7, 8] при определении характеристик образцов твердых материалов, тонких в термическом отношении, имеют малую чувствительность и малую величину отношения сигнал/шум вследствие невысокого уровня сигнала измерительной информации

[9. Cielo P., Utracki L.A., Lamontagne M. Thermal diffusivity measurements by converging thermal wave technique. Can. J. Phys., vol.64, pp.1172-1177 (1986).

10. Worner E., Wild С., Muller-Sebert W., Funer M,, Jehle M. and Koidl P. Electrically induced thermal transient experiments for thermal diffusivity measurements on chemical vapor deposited diamond films. Rev. Sci. Instr., vol.69, №5, pp.2105-2109 (1998)].

Известно устройство для прецизионного определения характеристик материалов

[11. А.с. СССР №1755150, кл. G 01 N 25/18, 1992], при использовании которого измерение температуры производится на поверхности образца, противоположной поверхности, на которую поступает тепловой поток от источника импульсного нагрева. Для образцов материалов, тонких в термическом отношении, применение устройства [11] невозможно.

Известно устройство для определения характеристик материалов

[12. Патент РФ №2184955, кл. G 01 N 25/18, 2002], наиболее близкое по структуре к предлагаемому устройству, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, экстрематор, три интегратора, два компаратора, масштабный усилитель и источник опорного напряжения, при этом информационные входы первого и второго интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход второго компаратора соединен с первым входом управления третьего интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик длительности импульса нагрева, триггер, блок памяти и переключатель, при этом выход синхронизатора соединен с первым входом управления переключателя и первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, а выход - с входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и вторым входом управления третьего интегратора, информационный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый информационный вход переключателя соединен с нулевой шиной, а второй информационный вход - с выходом усилителя и информационным входом блока памяти, вход управления которого соединен с выходом первого компаратора и вторым входом управления переключателя, а выход - с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с выходом переключателя, источник импульсного нагрева содержит оптическую систему, которая фиксирует тепловой поток источника импульсного нагрева в форме кольца на поверхности исследуемого образца.

Устройство [12] имеет определенные недостатки, ограничивающие его применение, в частности, с его помощью реализуется двусторонний импульсный метод определения теплофизических характеристик материалов, что не всегда является удобным, например в тех случаях, в которых ограничен доступ к тыльной стороне образца или изделия. Определение теплофизических характеристик материалов образцов с помощью устройства [12] сопровождается появлением погрешности, обусловленной ограничениями, накладываемыми параметрами оптической системы источника импульсного нагрева. Световое кольцо, формируемое оптической системой, должно иметь идеальную форму, а распределение энергии импульса излучения должно быть равномерным по площади кольца, при этом ширина кольца должна быть очень малой по сравнению с его диаметром. Теоретически отношение диаметра кольца к его ширине должно быть равно бесконечности [13. Troitsky O.Yu., Kim S.W. et al. One - level two points method for estimation of thermal diffusivity by the converging thermal ware method. Proc. of the 4-th Korea - Russian Int. Symp. on Science and Technology, Part 3, June 27-July 1, 2000, Ulsan, Korea; pp.184-189.]. В устройстве [12] непосредственно после срабатывания первого компаратора 12 при наличии помех возможно срабатывание второго компаратора 13, что приводит к сбоям в работе устройства. Устройство [12] имеет определенную структурную избыточность, наличие которой обусловливает работу интеграторов 9 и 11 в течение одного и того же временного интервала (от срабатывания датчика 18 до момента времени t₄).

Задачей изобретения является упрощение устройства для определения характеристик материалов, повышение его точности, надежности работы и удобства использования.

Для решения поставленной задачи из устройства [12] исключены интегратор, триггер и оптическая система и дополнительно введен второй экстрематор.

Предлагаемое устройство для определения характеристик материалов содержит источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора и первым входом управления переключателя, первый информационный вход которого соединен с нулевой шиной, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, два интегратора, два компаратора, два экстрематора, масштабный усилитель, источник опорного напряжения, датчик длительности импульса нагрева и блок памяти, при этом информационный вход первого интегратора и информационный вход второго интегратора соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом первого экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления первого интегратора, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом управления блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, выход переключателя соединен с первым входом второго компаратора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора.

На чертежах 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, экстрематоры 7, 8, блок 9 памяти, переключатель 10, интеграторы 11, 12, масштабный усилитель 13, компараторы 14, 15, источник 16 опорного напряжения, датчик 17 длительности импульса нагрева.

Источник 1 оптически связан с датчиком 17 и образцом 4, температура поверхности которого измеряется термопарой 3. Вход источника 1 соединен с выходом синхронизатора 2 и первым входом управления переключателя 10. Вход синхронизатора 2 соединен с пусковой клеммой. Термопара 3 соединена с входом усилителя 5. Выход усилителя 5 соединен с входом дифференциатора 6, информационным входом блока 9, вторым входом компаратора 15 и входом второго экстрематора 8. Выход второго экстрематора 8 соединен с вторым входом управления переключателя 10. Первый информационный вход переключателя 10 соединен с нулевой шиной. Второй информационный вход переключателя 10 соединен с выходом блока памяти 9. Выход переключателя 10 соединен с первым входом компаратора 15. Выход источника 16 соединен с информационным входом первого интегратора 11 и информационным входом второго интегратора 12. Выход дифференциатора 6 соединен с входом первого экстрематора 7. Выход первого экстрематора 7 соединен с первым входом управления первого интегратора 11. Выход датчика 17 соединен с вторым входом управления первого интегратора 11, вторым входом управления второго интегратора 12 и вторым входом управления блока 9. Выход первого интегратора 11 соединен с входом масштабного усилителя 13. Выход масштабного усилителя 13 соединен с первым выходом В1 устройства и первым входом первого компаратора 14. Выход второго компаратора 15 соединен с первым входом управления второго интегратора 12. Выход второго интегратора 12 соединен с вторым выходом В2 устройства и вторым входом первого компаратора 14. Выход первого компаратора 14 соединен с первым входом управления блока 9.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на пусковую клемму в момент времени t₀ (фиг.2) на вход источника 1 импульсного нагрева и первый вход управления переключателя 10 поступает сигнал с выхода синхронизатора 2. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток источника 1 фиксируется на поверхности образца 4. Переключатель 10 устанавливается в такое состояние, при котором первый вход второго компаратора 15 соединен через переключатель 10 с нулевой шиной. Температура поверхности образца 4 измеряется термопарой 3, сигнал которой усиливается усилителем 5 и поступает на вход дифференциатора 6, информационный вход блока 9, второй вход второго компаратора 15 и вход второго экстрематора 8. Величина сигнала на выходе усилителя 5 соответствует температуре Т поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3.

При срабатывании датчика 17 в момент времени t_и сигнал с его выхода поступает на второй вход управления первого интегратора, второй вход управления второго интегратора и второй вход управления блока 9. Интеграторы 11, 12 устанавливаются в режим интегрирования сигнала, поступающего на их информационные входы с выхода источника 16. Величины сигналов на выходах интеграторов 11, 12 пропорциональны интервалам времени, в течение которых интеграторы 11, 12 находятся в режиме интегрирования. Блок 9 устанавливается в режим записи величины сигнала, поступающего на его информационный вход с выхода усилителя 5. Величины сигналов на выходах компараторов 14, 15 и выходах B1, B2 устройства равны нулю. С выхода дифференциатора 6 сигнал, величина которого пропорциональна первой производной по времени от величины Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, поступает на вход первого экстрематора 7. При достижении в момент времени t_п первой производной от величины Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, максимального значения первый экстрематор 7 срабатывает. На выходе экстрематора 7 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления первого интегратора 11, переводя интегратор 11 в режим хранения. С выхода первого интегратора 11 сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ₁=t_п-t_и, поступает на вход масштабного усилителя 13. С выхода масштабного усилителя 13 сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ₂=1,5(t_п-t_и), поступает на первый B1 выход устройства и на первый вход первого компаратора 14. На второй B2 выход устройства и на второй вход первого компаратора 14 поступает сигнал с выхода второго интегратора 12.

В момент времени t₁ при равенстве величин сигналов на входах срабатывает первый компаратор 14. На выходе компаратора 14 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления блока 9. Блок 9 переводится в режим хранения. Величина сигнала на выходе блока 9 соответствует величине T₁ температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, в момент времени t₁.

В момент времени t_м при достижении величиной Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, максимального значения срабатывает второй экстрематор 8. На выходе второго экстрематора 8 появляется сигнал, который поступает на второй вход управления переключателя 10. Переключатель 10 переводится в такое состояние, при котором сигнал с выхода блока 9 через переключатель 10 поступает на первый вход второго компаратора 15.

В момент времени t₂ при равенстве величин сигналов на входах срабатывает второй компаратор 15. На выходе второго компаратора 15 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления второго интегратора 12. Интегратор 12 переводится в режим хранения. С выхода второго интегратора 12 на второй выход B2 устройства поступает сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ₃=t₂-t_и.

На фиг.2 показаны временные диаграммы сигналов на выходах усилителя 5, датчика 17 длительности импульса нагрева, экстрематора 7, интегратора 11, компаратора 14, экстрематора 8, компаратора 15, интегратора 12.

С помощью предлагаемого устройства при импульсном нагреве излучением от источника 1 импульсного точечного нагрева поверхности плоского непрозрачного или полупрозрачного для излучения заданного диапазона длин волн источника 1 импульсного нагрева тонкого в термическом отношении образца 4 можно определить интервалы времени τ₂ и τ₃, используемые для вычисления коэффициента температуропроводности материала образца 4 по формуле

где r - расстояние от точки на поверхности образца 4, в которой фиксируется тепловой поток от источника 1 импульсного нагрева, до точки на поверхности образца 4, в которой измеряется температура.

Погрешность определения коэффициента температуропроводности материала образца 4 предлагаемым устройством не превышает 0,5% [14. Troitsky O.Yu., Reiss H. Estimation of Thermal diffusivity of thin film materials by one - level, two - point “diverging” thermal wave technique // The 16 - th European Conf. on Thermophysical Properties (ECTP-2002), Book of Abstracts, Imperial College, London, Sept.1-4, 2002. – London, 2002, - pp.287-288.].

Таким образом, предлагаемое устройство, упрощенное по сравнению с устройством [12], позволяет определять характеристики тонких в термическом отношении, т.е. имеющих малую толщину и (или) высокую температуропроводность, образцов твердых материалов удобным, с точки зрения практического применения, односторонним импульсным методом с повышенной по сравнению с устройством [12] точностью. Надежность работы устройства повышается за счет исключения сбоев, обусловленных одновременным срабатыванием первого 14 и второго 15 компараторов.

Использование: для определения характеристик материалов. Сущность: заключается в том, что устройство для определения характеристик материалов дополнительно содержит второй экстрематор, при этом второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора. Технический результат: упрощение конструкции устройства, повышение точности измерений, надежности работы и удобства использования. 2 ил.

Устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора и первым входом управления переключателя, первый информационный вход которого соединен с нулевой шиной, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, два интегратора, два компаратора, экстрематор, масштабный усилитель, источник опорного напряжения, датчик длительности импульса нагрева и блок памяти, при этом информационный вход первого интегратора и информационный вход второго интегратора соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом первого экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления первого интегратора, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом управления блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, выход переключателя соединен с первым входом второго компаратора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй экстрематор, при этом второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора.