СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01N25/16 

Описание патента на изобретение RU2627180C1

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к способам измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР).

Известен способ измерения температурного коэффициента линейного расширения материала (пат. РФ №2551694, G01N 25/16, опубл. 27.05.2015), заключающийся в том, что в кварцевую пробирку устанавливают образец и кварцевый толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, кварцевую пробирку соединяют с неподвижной осью индикаторной головки через переходник, выполненный из кварца, приводят в контакт со свободным концом толкателя подвижную ось индикаторной головки, нагревают образец до требуемой температуры, фиксируют показания индикаторной головки через необходимые интервалы времени, после достижения установленной температуры прекращают нагрев, записывают показания индикаторной головки при последовательном медленном охлаждении образца, а ТКЛР определяют по формуле αср=ΔL/(L⋅ΔT)+0,55⋅10-6.

Недостатком известного способа является его низкая точность определения ТКЛР, так как не учитывается изменение величины ТКЛР по длине толкателя из-за большого перепада температур, а используемая поправка для учета погрешности от расширения кварцевой пробирки, которое на длине образца не компенсируется расширением кварцевого толкателя, принимается только по усредненному значению ТКЛР кварцевого стекла (0,55⋅10-6), в то время как в обозначенном диапазоне температур нагрева (от 20 до 1050°C) ТКЛР кварцевого стекла существенно изменяется. Кроме того, не учитываются погрешности, возникающие из-за температурных деформаций элементов индикаторной головки, переходника и деталей их крепления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения температурного коэффициента линейного расширения материала (Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов - М.: Издательство стандартов, 1972 - с. 96-99), который выбран в качестве прототипа. Известный способ измерения ТКЛР твердых тел путем сравнения относительных удлинений исследуемого материала и эталонного материала с известным ТКЛР заключается в том, что в дилатометре устанавливают исследуемый образец и выполненный из эталонного материала толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, нагревают и охлаждают образец по определенной программе, замеряют одновременно изменение температуры образца и удлинение исследуемого материала относительно удлинения эталонного материала, равного длине образца, определяют удлинение образца путем коррекции измеренной величины удлинения на расчетную величину удлинения эталонного материала, равного длине образца, а по удлинению образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину ТКЛР исследуемого материала.

Недостатком этого способа является то, что величину и характер изменения ТКЛР эталонного материала - сапфировых стержней, при нагревании и охлаждении необходимо определять с помощью отдельной установки, что весьма проблематично в виду значительной их длины. Эти сложности вносят погрешности в определение расчетной величины удлинения эталонного материала. При использовании схемы с одним толкателем возникают дополнительные погрешности, связанные с температурными деформациями неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом. Отмеченные погрешности оказывают влияние на точность определения величины ТКЛР исследуемого материала. Кроме того, использование длинных сапфировых стержней, изготовленных с высокой точностью, и использование для измерения перемещений нанесенных на сапфировые стержни решеток (сеток) с малым шагом определяет высокую стоимость известного способа.

Задачей изобретения является снижение погрешностей и материальных затрат при измерении температурного коэффициента линейного расширения исследуемого материала.

Поставленная задача решается за счет получения ряда технических результатов. Устраняются погрешности, связанные с воздействием неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом, а также погрешности, возникающие из-за высокого градиента температур в звеньях измерительной системы. Используемые образцы эталонного и исследуемого материала имеют небольшие размеры, а их конструктивные параметры (форма, размеры) и параметры установки образца имеют большие допуски, которые не влияют на точность изменений.

Указанные технические результаты достигаются следующим образом.

Изготавливают одинакового размера образцы из эталонного и исследуемого материала. В дилатометре устанавливают эталонный образец и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра. Нагревают эталонный образец по определенной программе. В процессе нагрева одновременно замеряют изменение температуры образца и непрерывно регистрируют с помощью интерферометра общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». По достижению наибольшей заданной температуры нагрев прекращают, а регистрацию измеряемых параметров продолжают в процессе охлаждения. Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец по той же программе, что и для эталонного образца, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину ТКЛР исследуемого материала.

На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема, поясняющая реализацию описываемого способа, на фиг. 2 - оптико-механическая схема в случае измерения линейных перемещений толкателей с помощью индикаторных головок.

Способ осуществляется следующим образом.

Изготавливают одинакового размера образцы 1 из эталонного и исследуемого материала. В трубку 2 дилатометра, выполненную из огнеупорного материала, устанавливают образец 1 из эталонного материала и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца 1 толкателя 3 и 4 с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами 5 и 6 интерферометра 7, включающего в себя также лазер 8 и поворотные зеркала 9. С помощью печи 10 дилатометра нагревают эталонный образец 1 по определенной программе. В процессе нагрева одновременно замеряют с помощью термопары 11 изменение температуры образца 1 и непрерывно регистрируют с помощью считывающего устройства 12 интерферометра 7 общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей 3 и 4 путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца 1 из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». По достижению наибольшей заданной температуры нагрев прекращают, а регистрацию измеряемых параметров продолжают в процессе охлаждения. Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец 1 по той же программе, что и для эталонного образца, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца 1 путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей 3 и 4, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину среднего интегрального ТКЛР исследуемого материала по формуле

αср=ΔL/(Lст⋅ΔТ),

где Lст - длина образца при стандартной температуре Тст=20°C;

ΔT=T1-Tст - изменение температуры T1 образца относительно стандартной температуры Тст;

ΔL=Li-Lст - удлинение образца при изменении его температуры на величину ΔT.

Для удобства обработки полученных данных значения температуры и результаты обработки интерферограмм записывают синхронно в память ПЭВМ 13.

При отсутствии возможности использования интерферометра измерение линейных перемещений толкателей 3 и 4 может производиться с помощью двух индикаторных головок 14 и 15, а общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний этих индикаторных головок.

Таким образом, за счет горизонтального расположения образца и двух толкателей устраняются погрешности, связанные с температурными деформациями неподвижной упорной стенки, взаимодействующей с образцом. Благодаря калибровке системы «эталонный образец - толкатели» с использованием в качестве эталонного образца стандартной меры ТКЛР (ГОСТ 8.018-2007) с известными характеристиками изменения ТКЛР в требуемом диапазоне температур, определяют зависимость общего удлинения толкателей от температуры. Так как удлинение исследуемого образца получают путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» определенного ранее удлинения толкателей, то все погрешности, связанные с большим градиентом температур и сложностью определения температурных деформаций вдоль толкателей, также устраняются. Использование двухсторонней системы измерения и точечного контакта толкателей с образцом позволяет снизить требования к точности изготовления и установки образца, что, в совокупности с небольшими размерами образца, существенно снижает затраты на его изготовление.

Похожие патенты RU2627180C1

название год авторы номер документа
ДИЛАТОМЕТР 2016
  • Ефимович Игорь Аркадьевич
  • Золотухин Иван Сергеевич
  • Завьялов Евгений Сергеевич
  • Макарчук Александр Евгеньевич
RU2641629C2
ДИЛАТОМЕТР 2016
  • Ефимович Игорь Аркадьевич
  • Золотухин Иван Сергеевич
  • Завьялов Евгений Сергеевич
  • Макарчук Александр Евгеньевич
RU2620787C1
ДИЛАТОМЕТР 2016
  • Ефимович Игорь Аркадьевич
  • Золотухин Иван Сергеевич
  • Завьялов Евгений Сергеевич
  • Макарчук Александр Евгеньевич
RU2642489C2
СПОСОБ СКАНИРУЮЩЕЙ ДИЛАТОМЕТРИИ И ДИЛАТОМЕТР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2020
  • Ходунков Вячеслав Петрович
RU2735489C1
СПОСОБ ДИЛАТОМЕТРИИ 2014
  • Гольдштейн Роберт Вениаминович
  • Козинцев Виктор Михайлович
  • Подлесных Алексей Викторович
  • Попов Александр Леонидович
  • Солодовников Сергей Иванович
  • Челюбеев Дмитрий Анатольевич
RU2559797C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ 2003
  • Шаров А.А.
  • Галявов И.Р.
  • Понин О.В.
  • Компан Т.А.
  • Свигерс Ян
  • Сват Аркадиуш
RU2254567C1
ДИЛАТОМЕТР 2014
  • Ханов Алмаз Муллаянович
  • Караваев Дмитрий Михайлович
  • Нестеров Александр Александрович
  • Макарова Луиза Евгеньевна
  • Дегтярев Александр Иванович
  • Москалев Владимир Алексеевич
  • Лапин Валентин Логинович
RU2551694C1
Способ определения температурного коэффициента линейного расширения твердых материалов 1987
  • Ярунцев Валерий Константинович
SU1449880A1
Дифференциальный дилатометр 1980
  • Козырев Петр Тимофеевич
  • Ронжин Олег Федорович
SU953540A1
Способ измерения температурного коэффициента линейного расширения материала 1989
  • Измайлов Георгий Николаевич
  • Озолин Владимир Викторович
SU1718076A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 627 180 C1

Реферат патента 2017 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью теплофизических измерений, а именно к способам измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Согласно заявленному способу измерения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел изготавливают одинакового размера образцы из эталонного и исследуемого материала. В трубку дилатометра устанавливают образец из эталонного материала и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра. С помощью печи дилатометра нагревают, а потом охлаждают эталонный образец по определенной программе. При этом одновременно замеряют с помощью термопары изменение температуры образца и непрерывно регистрируют общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели». В каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели». Заменяют эталонный образец на исследуемый образец, который нагревают и охлаждают по той же программе, что и эталонный, при этом непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели». В каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева или охлаждения эталонного образца. По удлинению исследуемого образца и величине температуры его нагрева определяют величину среднего интегрального ТКЛР исследуемого материала. Значения температуры и результаты обработки интерферограмм записывают синхронно в память ПЭВМ. Линейные перемещения толкателей могут регистрироваться с помощью двух индикаторных головок, при этом общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний индикаторных головок. Технический результат - снижение погрешностей при измерении ТКЛР исследуемого материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 627 180 C1

1. Способ измерения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел путем сравнения относительных удлинений исследуемого материала и эталонного материала с известным температурным коэффициентом линейного расширения, заключающийся в том, что в дилатометре устанавливают образец и толкатель, упирающийся концом в поверхность образца, нагревают и охлаждают образец по определенной программе, замеряют одновременно изменение температуры образца и удлинение исследуемого материала относительно удлинения эталонного материала, равного длине образца, определяют удлинение образца путем коррекции измеренной величины удлинения на расчетную величину удлинения эталонного материала, равного длине образца, а по удлинению образца и величине температуры его нагрева в каждый интересующий момент определяют величину температурного коэффициента линейного расширения исследуемого материала, отличающийся тем, что изготавливают эталонный и исследуемый образцы одинакового размера, устанавливают в дилатометре эталонный образец и два упирающихся концами в противоположные поверхности образца толкателя с установленными на их свободных концах возвращающими зеркалами интерферометра, в процессе нагрева и охлаждения непрерывно регистрируют с помощью интерферометра общее удлинение системы «эталонный образец - толкатели», в каждый интересующий момент непрерывной регистрации определяют удлинение толкателей путем вычитания расчетного удлинения эталонного образца из общего удлинения системы «эталонный образец - толкатели», заменяют эталонный образец на исследуемый образец, нагревают и охлаждают исследуемый образец по той же программе, что и для эталонного образца, непрерывно регистрируют общее удлинение системы «исследуемый образец - толкатели», в каждый интересующий момент регистрации определяют удлинение исследуемого образца путем вычитания из общего удлинения

системы «исследуемый образец - толкатели» удлинения толкателей, полученные ранее при той же температуре нагрева эталонного образца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что записи значений температуры и результатов обработки интерферограмм производят синхронно в память ПЭВМ.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение линейных перемещений толкателей производят с помощью двух индикаторных головок, а общее удлинение образца и толкателей определяют как сумму показаний этих индикаторных головок.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2627180C1

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ 2003
  • Шаров А.А.
  • Галявов И.Р.
  • Понин О.В.
  • Компан Т.А.
  • Свигерс Ян
  • Сват Аркадиуш
RU2254567C1
0
SU153452A1
МНОГОПРОЦЕССОРНАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА 2012
  • Левин Илья Израилевич
  • Виневская Лидия Ивановна
RU2502126C1
US4930894 A, 05.06.1990;
US 4924477 A, 08.05.1990
ДИЛАТОМЕТР 2014
  • Ханов Алмаз Муллаянович
  • Караваев Дмитрий Михайлович
  • Нестеров Александр Александрович
  • Макарова Луиза Евгеньевна
  • Дегтярев Александр Иванович
  • Москалев Владимир Алексеевич
  • Лапин Валентин Логинович
RU2551694C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1997
  • Кутьинов В.Ф.
  • Ильин Ю.С.
RU2111480C1

RU 2 627 180 C1

Авторы

Ефимович Игорь Аркадьевич

Золотухин Иван Сергеевич

Завьялов Евгений Сергеевич

Макарчук Александр Евгеньевич

Даты

2017-08-03Публикация

2016-06-06Подача