УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N25/18 

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

Известно устройство [1. А.с. СССР №1265562, G01N 25/18, 1986], 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. А.с. СССР №1557499, G01N 25/18, 1990], которое имеет невысокую точность вследствие определения теплофизических характеристик материалов на основании определения характерной точки по второй производной температурной кривой. 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. А.с. СССР №1755150, G01N 25/18, 1992], которое определяет момент времени начала регуляризации режима нагрева образца на основании анализа второй производной температурной кривой, 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, а это, в свою очередь, уменьшает функциональные возможности устройства в определенных условиях (известное устройство может применяться в лабораторных условиях и на объектах с возможностью двухстороннего доступа).

Известны устройства для определения характеристик материалов [4. Патент РФ №2154268, G01N 25/18, 2000. 5. Патент РФ №2184955, G01N 25/18, 2002], определяющие теплофизические характеристики материалов с помощью двухстороннего импульсного теплового метода, что уменьшает функциональные возможности известных устройств и не позволяет использовать их для определения характеристик материалов изделий с возможностью одностороннего доступа.

Известно устройство для определения теплофизических характеристик [6. Патент РФ №2132548, G01N 25/18, 1999], наиболее близкое по структуре к заявляемому устройству, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, семь интеграторов, четыре компаратора, два масштабных усилителя, триггер, блок деления, схему совпадения, датчик длительности нагрева 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, 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.

Известное устройство [6] имеет невысокую точность, так как критерий, с помощью которого определяется момент времени начала регуляризации температурного режима материала образца, основан на использовании эмпирической зависимости, применение которой приводит к погрешности определения момента времени начала регуляризации температурного режима, превышающей 5% вследствие асимптотического поведения первой производной выбранной функции в области нулевого значения. Определение величин одинаковых интервалов времени, в течение которых производится интегрирование величины измеряемой температуры известным устройством [6], производится с помощью трех различных измерительных каналов, что также приводит к увеличению погрешности устройства.

Задачей изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства.

В устройство, содержащее источник импульсного нагрева, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, пять интеграторов, компаратор, масштабный усилитель, датчик длительности импульса нагрева, блок деления, вход делителя которого соединен с выходом усилителя, источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом компаратора, а информационные входы первого и второго интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, причем выходы масштабного усилителя, третьего, четвертого и пятого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, выход второго интегратора соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, дополнительно введены блок умножения, экстрематор, переключатель, два делителя частоты и два блока памяти, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход соединен с входом делимого блока деления, выход которого соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с вторым входом управления первого интегратора и первыми входами управления второго, третьего, четвертого и пятого интеграторов и первым входом управления переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом компаратора и входом первого делителя частоты, третий вход управления переключателя соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, третьим входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и входом управления первого блока памяти, выход которого является пятым выходом устройства, а информационный вход соединен с выходом усилителя, информационными входами второго блока памяти и переключателя, первый выход которого соединен с информационным входом третьего интегратора, второй выход переключателя соединен с информационным входом четвертого интегратора, третий выход переключателя соединен с информационным входом пятого интегратора, второй вход управления которого соединен с вторыми входами управления третьего и четвертого интеграторов, выходом первого делителя частоты и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с входом управления второго блока памяти, выход которого является шестым выходом устройства, вход источника импульсного нагрева соединен с пусковой клеммой.

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

Устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, термопару 2, измеряющую температуру поверхности образца 3, усилитель 4, дифференциатор 5, блок умножения 6, блок деления 7, экстрематор 8, датчик 9 длительности импульса нагрева, интеграторы 10-14, источник 15 опорного напряжения, масштабный усилитель 16, компаратор 17, переключатель 18, делители 19,20 частоты, блоки памяти 21, 22.

Источник 1 импульсного нагрева оптически связан с датчиком 9 и образцом 3, температура поверхности которого измеряется термопарой 2. Вход источника 1 импульсного нагрева соединен с пусковой клеммой. Термопара 2 соединена с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом дифференциатора 5, входом делителя блока деления 7 и информационными входами переключателя 18, первого блока памяти 21 и второго блока памяти 22. Первый вход управления первого интегратора 10 соединен с выходом компаратора 17, вторым входом управления переключателя 18 и входом первого делителя 19 частоты. Информационные входы первого 10 и второго 11 интеграторов соединены с выходом источника 15 опорного напряжения. Выход второго интегратора 11 соединен с входом масштабного усилителя 16 и вторым входом блока умножения 6. Выход дифференциатора 5 соединен с первым входом блока умножения 6. Выход блока умножения 6 соединен с входом делимого блока деления 7. Выход блока деления 7 соединен с входом экстрематора 8. Выход экстрематора 8 соединен с вторым входом управления первого интегратора 10, первыми входами управления второго 11, третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов и первым входом управления переключателя 18. Выход датчика 9 соединен с третьим входом управления первого интегратора 10, вторым входом управления второго интегратора 11, входом управления первого блока памяти 21 и третьим входом управления переключателя 18. Первый выход переключателя 18 соединен с информационным входом третьего интегратора 12, второй выход переключателя 18 соединен с информационным входом четвертого интегратора 13, третий выход переключателя 18 соединен с информационным входом пятого интегратора 14. Выход масштабного усилителя 16 соединен с первым входом компаратора 17 и первым В1 выходом устройства. Выход первого интегратора 10 соединен с вторым входом компаратора 17. Выход первого делителя 19 частоты соединен с вторыми входами управления третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов и входом второго делителя 20 частоты. Выход второго делителя 20 частоты соединен с входом управления второго блока памяти 22. Выходы третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов соединены с вторым В2, третьим В3 и четвертым В4 выходами устройства соответственно. Выходы первого 21 и второго 22 блоков памяти соединены с пятым В5 и шестым В6 выходами устройства соответственно.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на пусковую клемму поступает сигнал на вход источника 1 импульсного нагрева. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток от источника 1 поступает на поверхность образца 3 и вход датчика 9. Температура поверхности образца 3 измеряется термопарой 2, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 4 и поступает на информационные входы блоков памяти 21, 22, переключателя 18, вход делителя блока деления 7 и вход дифференциатора 5.

При срабатывании датчика 9 в момент времени t_u (фиг.2) сигнал с его выхода поступает на третий вход управления первого интегратора 10, второй вход управления второго интегратора 11, третий вход управления переключателя 18 и вход управления первого блока памяти 21. Интеграторы 10, 11, переключатель 18 и первый блок памяти 21 устанавливаются в исходное состояние. Исходному состоянию интегратора 10 соответствует такое состояние, при котором интегратор 10 находится в режиме хранения и на выходе интегратора 10 сигнал отсутствует (нулевое состояние). Исходному состоянию интегратора 11 соответствует такое состояние, при котором интегратор 11 находится в режиме интегрирования и на выходе интегратора 11 сигнал отсутствует. Исходному состоянию переключателя 18 соответствует такое состояние, при котором информационный вход переключателя 18 отключен от его первого, второго и третьего выходов. Исходному состоянию первого блока памяти 21 соответствует режим записи величины сигнала, поступающего на информационный вход первого блока памяти 21 с выхода усилителя 4. В первый блок памяти 21 записывается значение сигнала на выходе усилителя 4, соответствующее величине T_u температуры поверхности образца 3 в момент времени t_u. С выхода первого блока памяти 21 сигнал, соответствующий величине T_u температуры поверхности образца 3 в момент времени t_u, поступает на пятый В5 выход устройства.

С выхода дифференциатора 5 сигнал, пропорциональный первой производной Т^! температуры T поверхности образца 3, поступает на первый вход блока умножения 6. На второй вход блока умножения 6 поступает с выхода второго интегратора 11 сигнал, величина которого пропорциональна интервалу времени Δt, в течение которого интегратор 11 находится в режиме интегрирования. С выхода блока умножения 6 на вход делимого блока деления 7 поступает сигнал, величина которого пропорциональна произведению Т^! Δt. С выхода усилителя 4 на вход делителя блока деления 7 поступает сигнал, величина которого пропорциональна величине Т температуры поверхности образца 3. С выхода блока деления 7 на вход экстрематора 8 поступает сигнал, величина которого пропорциональна частному от деления величины сигнала, пропорционального произведению Т^! Δt, на величину сигнала, пропорционального температуре Т поверхности образца 3.

При достижении сигналом на выходе блока деления 7 минимального значения в момент времени t_м срабатывает экстрематор 8. Сигнал с выхода экстрематора 8 поступает на второй вход управления первого интегратора 10, первые входы управления второго 11, третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов и первый вход управления переключателя 18. Первый интегратор 10 переводится в режим интегрирования величины сигнала, поступающего на его информационный вход с выхода источника 15 опорного напряжения. Второй интегратор 11 переводится в режим хранения. Интеграторы 12-14 устанавливаются в нулевое состояние и в режим интегрирования сигналов, поступающих на их информационные входы с выходов переключателя 18. Переключатель 18 устанавливается в такое состояние, при котором сигнал, поступающий на его информационный вход с выхода усилителя 4, поступает на первый выход переключателя 18. С выхода усилителя 4 сигнал через переключатель 18 поступает на информационный вход третьего интегратора 12.

На первый вход компаратора 17 через масштабный усилитель 16 с коэффициентом усиления K₁=0,1 поступает сигнал с выхода второго интегратора 11. На второй вход компаратора 17 поступает сигнал с выхода первого интегратора 10.

При равенстве сигналов на входах в момент времени t₁ компаратор 17 срабатывает. Сигнал с выхода компаратора 17 поступает на первый вход управления первого интегратора 10, вход первого делителя 19 частоты и второй вход управления переключателя 18. Интегратор 10 устанавливается в нулевое состояние. Переключатель 18 устанавливается в такое состояние, при котором его информационный вход отключается от первого выхода и подключается к второму выходу. С выхода усилителя 4 сигнал через переключатель 18 поступает на информационный вход четвертого интегратора 13.

При равенстве сигналов на входах в момент времени t₂ компаратор 17 вновь срабатывает. Сигнал с выхода компаратора 17 поступает на первый вход управления первого интегратора 10, вход первого делителя 19 частоты и второй вход управления переключателя 18. Интегратор 10 устанавливается в нулевое состояние. Переключатель 18 устанавливается в такое состояние, при котором его информационный вход отключается от второго выхода и подключается к третьему выходу. С выхода усилителя 4 сигнал через переключатель 18 поступает на информационный вход пятого интегратора 14.

При равенстве сигналов на входах в момент времени t₃ компаратор 17 вновь срабатывает. Сигнал с выхода компаратора 17 поступает на первый вход управления первого интегратора 10, вход первого делителя 19 частоты и второй вход управления переключателя 18. Интегратор 10 устанавливается в нулевое состояние. Переключатель 18 устанавливается в такое состояние, при котором его информационный вход отключается от третьего выхода. Первый делитель 19 частоты, коэффициент деления которого К₂=3, срабатывает и сигнал с его выхода поступает на вход второго делителя 20 частоты и вторые входы управления интеграторов 12-14. Интеграторы 12-14 устанавливаются в режим хранения. Сигналы с выходов третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов поступают на второй, третий и четвертый выходы устройства соответственно.

В моменты времени t₆, t₉, t₁₂ и т.д. срабатывает первый делитель 19 частоты. Сигнал с выхода первого делителя 19 частоты поступает на вход второго делителя 20 частоты. При равенстве сигналов на входах в момент времени t₆₀ компаратор 17 срабатывает в шестидесятый раз. Сигнал с выхода компаратора 17 поступает на вход первого делителя 19 частоты. Первый делитель 19 частоты срабатывает в двадцатый раз. Сигнал с выхода первого делителя 19 частоты поступает на вход второго делителя 20 частоты. Второй делитель 20 частоты, коэффициент деления которого К₃=20, срабатывает. Сигнал с выхода второго делителя 20 частоты поступает на вход управления второго блока памяти 22. Второй блок памяти 22 устанавливается в режим записи. Во второй блок памяти 22 записывается значение сигнала на выходе усилителя 4, соответствующее величине температуры Т_к поверхности образца 3 в момент времени t₆₀. С выхода второго 22 блока памяти сигнал, соответствующий величине температуры Т_к поверхности образца 3 в момент времени t₆₀, поступает на шестой В6 выход устройства.

На фиг.2 сверху вниз показаны временные диаграммы сигналов на выходах усилителя 4, датчика 9 длительности импульса нагрева, экстрематора 8, компаратора 17, интегратора 12, интегратора 13, интегратора 14, делителя 19 частоты.

Таким образом, при импульсном нагреве излучением от источника 1 импульсного нагрева поверхности плоского непрозрачного или полупрозрачного для излучения нагрева образца 3 конечной толщины L через количество поглощенной энергии Q кусочным интегрированием температурной кривой с задаваемым самим устройством постоянным шагом по времени Δτ=0,1τ*; где τ*=t_м-t_u, начиная с момента времени начала регуляризации температурного режима образца 3, соответствующим моменту времени t_м достижения минимального значения функцией

,

где T₀ - критерий термической однородности, характеризующий тепловое взаимодействие импульса нагрева с материалом образца 3 [7. Troitsky, Reiss H. Remote nondestructive monitoring of coatings and materials by the flash technique // High Temperatures - High Pressures, 2000, v.32, pp.391-395];

Т^! - первая производная температуры материала образца 3 в точке измерения;

τ=t-t_u, t - текущий момент времени;

теплофизические характеристики материала образца 3 определяют по формулам:

где - величины сигналов на выходах третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 интеграторов соответственно;

Δτ - величина сигнала на выходе масштабного усилителя 16;

а, b, λ - соответственно коэффициенты температуропроводности, теплоусвояемости и теплопроводности материала образца 3;

γ - объемная теплоемкость материала образца 3.

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

Коэффициент абсорбции μ материала образца 3 для длины волны возбуждения определяют методом итераций из уравнения

где Т_к - установившаяся температура материала образца 3 в точке измерения в момент времени t₆₀ через интервал времени τ_к=6τ* после момента времени t_м начала регуляризации температурного режима;

T_u - температура материала образца 3 в точке измерения в момент времени t_u окончания импульса нагрева.

Таким образом, устройство обладает повышенной точностью за счет применения более точного, чем в прототипе, критерия для определения момента времени начала регуляризации температурного режима материала образца 3 и исключения определения трех одинаковых по длительности временных интервалов с помощью различных измерительных каналов, а также расширенными функциональными возможностями за счет определения параметров, необходимых для вычисления значения коэффициента абсорбции материала образца 3 для длины волны возбуждения.

Изобретение относится к области теплового контроля материалов. Устройство дополнительно содержит блок умножения, экстрематор, переключатель, два делителя частоты и два блока памяти, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход соединен с входом делимого блока деления, выход которого соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом компаратора и входом первого делителя частоты, третий вход управления переключателя соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, третьим входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и входом управления первого блока памяти, выход которого является пятым выходом устройства, а информационный вход соединен с выходом усилителя, информационными входами второго блока памяти и переключателя. Технический результат: повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства. 2 ил.

Устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, пять интеграторов, компаратор, масштабный усилитель, датчик длительности импульса нагрева, блок деления, вход делителя которого соединен с выходом усилителя, источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом компаратора, а информационные входы первого и второго интеграторов - с выходом источника опорного напряжения, причем выходы масштабного усилителя, третьего, четвертого и пятого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно, выход второго интегратора соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок умножения, экстрематор, переключатель, два делителя частоты и два блока памяти, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход соединен с входом делимого блока деления, выход которого соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с вторым входом управления первого интегратора и первыми входами управления второго, третьего, четвертого и пятого интеграторов и первым входом управления переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом компаратора и входом первого делителя частоты, третий вход управления переключателя соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, третьим входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и входом управления первого блока памяти, выход которого является пятым выходом устройства, а информационный вход соединен с выходом усилителя, информационными входами второго блока памяти и переключателя, первый выход которого соединен информационным входом третьего интегратора, второй выход переключателя соединен с информационным входом четвертого интегратора, третий выход переключателя соединен с информационным входом пятого интегратора, второй вход управления которого соединен с вторыми входами управления третьего и четвертого интеграторов, выходом первого делителя частоты и входом второго делителя частоты, выход которого соединен с входом управления второго блока памяти, выход которого является шестым выходом устройства, вход источника импульсного нагрева соединен с пусковой клеммой.