Устройство для определения тепловых параметров фазового превращения Российский патент 2018 года по МПК G01N25/02 

Описание патента на изобретение RU2654822C1

Изобретение относится к области исследования кинетики структурных и фазовых превращений в металлах.

Известно устройство для комплексного определения теплофизических свойств веществ в области фазовых переходов, содержащее измерительную ячейку с исследуемым веществом, электронный коммутатор, источник тока и измерительное устройство, нагревательную систему, состоящую их блока питания и нагревателя, в котором размещена ячейка. При этом устройство снабжено программируемым процессором, исполнительным блоком и анализирующим узлом (SU 935764 [1]).

Недостатком известного устройства является ограниченность применения, поскольку оно предназначено для исследования веществ, имеющих фазовый переход «полупроводник - металл», и невысокая точность, т.к. о наличии фазовых переходов судят по кривой температурной зависимости электропроводности и термоЭДС.

Известно устройство для определения температур фазовых превращений в твердых телах, содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен нагреватель, термопару с подключенным к ней измерителем и индикатором ЭДС и детектор теплоты фазового превращения. Детектор выполнен в виде двух полупроводниковых пластин различного типа проводимости с тонкопленочными омическими контактами различного типа проводимости на обеих сторонах. При этом на одних из сторон пластин, приведенных в соприкосновение с исследуемым твердым телом, омические контакты соединены между собой, а омические контакты на других сторонах пластин подключены к индикатору ЭДС (SU 940025 [2]).

Недостатком известного устройства является ограниченность применения, поскольку оно предназначено для исследования веществ, имеющих фазовый переход «полупроводник - металл», и невысокая точность.

Известно устройство для определения температуры фазовых превращений, содержащее измерительную ячейку, состоящую из теплопровода, термодатчика, потенциального, измерительного и охранного цилиндрических электродов, размещенных в теплопроводе и имеющую с ним общую ось симметрии, а также блок регистрации. При этом теплопровод состоит из цилиндрической рубашки, торцовых шайб и сквозного стержня, имеющих общую ось симметрии и образующих замкнутый кольцевой зазор, на цилиндрических внутренних поверхностях которого расположены потенциальный и измерительный электроды, выполненные из материала с большой теплопроводностью и отделенные от теплопровода электроизоляцией с высоким объемным удельным сопротивлением, а термодатчик расположен между поверхностью потенциального электрода и электроизоляцией (SU 1130785 [3]).

Однако данное устройство не может быть использовано для определения тепловых параметров фазового превращения в металлах, находящихся в твердом состоянии, поскольку предназначено для определения застывания или кристаллизации жидкостей, предпочтительно нефтепродуктов.

Известна установка для измерения температуры с прямым наблюдением фазовых превращений неорганических материалов, нагретых до высоких температур, содержащая камеру для образца, нагреватель, осветитель, оптическую систему с кинокамерой и систему измерения температуры. При этом нагреватель выполнен съемным, V-образной формы с углом при вершине 15-30°, а система измерения температуры содержит катушку сопротивления, соединенную последовательно с нагревателем, цифровой вольтметр и регистрирующий блок (SU 1402885 [4]).

Недостатком известного устройства является невозможность определения тепловых параметров фазового превращения в металлах, находящихся в твердом состоянии, поскольку оно предназначено для определения температур фазовых превращений материалов в виде порошков и волокон.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для автоматического определения температур фазовых превращений в металлах (CN 101644690 [5]). Устройство представляет собой корпус, в котором размещен нагреватель в виде двух коаксиально установленных труб, обмотанных проволокой, подсоединенной к регулируемому источнику тока, и защищенных кожухом. По оси внутреннего трубчатого нагревателя установлена пробирка, внутри которой помещается проволочный образец. Внутри кожуха установлена термопара, контактирующая с поверхностью нагревателя. В боковой стенке корпуса установлен вентилятор с регулируемой скоростью вращения, воздушный поток которого направлен на поверхность кожуха нагревателя так, что обеспечивается его равномерный обдув (и соответственно отбор тепла) по всей поверхности кожуха. В результате при проведении экспериментов обеспечивается поддержание заданной фиксированной разницы температур между образцом и кожухом нагревателя. Устройство управляется компьютером, на который поступает сигнал от термопары и, в соответствии с заданной программой нагрева или охлаждения, корректируются режимы работы нагревателя и вентилятора. Кривые фазовой диаграммы записываются с помощью термопары с аналого-цифровым преобразователем, размещенной в пробирке с образцом.

Недостатком известного устройства является невозможность точного определения теплоты фазового превращения металлов, находящихся в твердом состоянии.

Заявляемое устройство для определения тепловых параметров фазового превращения направлено на повышение точности определения искомого параметра.

Указанный результат достигается тем, что устройство для определения тепловых параметров фазового превращения содержит печь с управляемым нагревателем со средством измерения его температуры, средства измерения температуры и записи кривых нагрева и охлаждения образца и средство подачи охлаждающего газа с регулируемым расходом. При этом средство измерения температуры образца выполнено в виде комплекса из пирометров, включающего калибровочный пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях, и один или несколько пирометров с перекрывающимися диапазонами измерений, обеспечивающих измерения в необходимом диапазоне температур, для измерений использован температурно-однородный образец, устройство снабжено механизмом перемещения образца из зоны нагрева в зону измерения, а средство подачи газа выполнено с обеспечением непосредственного обдува образца, перемещенного в зону измерения, регулируемым равномерным однородным потоком воздуха со стабилизированным расходом.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:

- средство измерения температуры образца выполнено в виде комплекса из пирометров, включающего калибровочный пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях, и один или несколько пирометров с перекрывающимися диапазонами измерений, обеспечивающих измерения в необходимом диапазоне температур;

- для измерений использован температурно-однородный образец;

- устройство снабжено механизмом перемещения образца из зоны нагрева в зону измерения;

- средство подачи газа выполнено с обеспечением непосредственного обдува образца, перемещенного в зону измерения, регулируемым равномерным однородным потоком воздуха со стабилизированным расходом.

Выполнение средства измерения температуры образца в виде комплекса из пирометров, включающего калибровочный пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях, и один или несколько пирометров с перекрывающимися диапазонами измерений, обеспечивающих измерения в необходимом диапазоне температур, дает возможность уменьшить погрешность измерений температуры за счет исключения ошибки, связанной с неточностью определения коэффициента черноты поверхности образца.

Использование температурно-однородных образцов позволяет обеспечить повышение точности определения искомого параметра за счет того, что исключается влияние на результат эффектов теплопроводности.

Снабжение устройства механизмом перемещения образца из зоны нагрева в зону измерения позволяет минимизировать время перемещения образца и синхронизовать включение средств измерения и тем самым влияет на точность определения тепловых параметров фазового превращения.

Охлаждение однородным по температуре и скорости перемещения теплоносителем (газом) также влияет на повышение точности определения теплоты фазового превращения, поскольку однородный поток теплоносителя снижает неоднородности температуры на контролируемой пирометрами поверхности образца. Для этого необходимо обеспечить равномерный и однородный поток газа (воздуха) со стабилизированным расходом.

О величине теплоты фазового превращения судят по величине отклонения кривой охлаждения от аппроксимирующей экспериментальные данные экспоненциальной кривой, поскольку площадь, образованная границами реальной кривой охлаждения и аппроксимирующей экспоненты, соответствует искомому параметру.

Сущность заявляемого устройства определения теплоты фазового превращения поясняется примером его реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит нагревательную печь 1, содержащую обмотку электронагревателя 2, размещенную в теплоизоляции 3. Печь снабжена зонной термопарой 4 и регулятором температуры 5 с электронным реле 6. Исследуемый образец 7 закрепляется на механизме перемещения образца 8, снабженном датчиком положения механизма 9. Механизм перемещения образца позволяет перемещать образец из зоны нагрева (из печи) в зону измерения 10, в которой размещены пирометры 11. Устройство снабжено системой охлаждения 12, в состав которой входят сопловая решетка 13, быстродействующий электромагнитный клапан 14, датчик измерения давления 15, редуктор 16, ресивер 17, компрессор 18. Управляет работой устройства контроллер 19.

Устройство используется следующим образом.

В печь 1 помещается образец 7 из исследуемого материала и нагревается до равновесной температуры печи, определяемой ее штатной зонной термопарой 4, заведомо более высокой, чем ожидаемая температура фазового перехода. После выдержки в печи, время которой определяется необходимостью приведения фазового состава материала к равновесному состоянию, образец извлекается из печи 1 механизмом 8. Назначение механизма перемещения образца - с минимальными потерями тепла перенести образец из печи и зафиксировать его точно в зоне измерения 10, на которую юстированы пирометры 11. При этом датчик 9 положения механизма сигнализирует контроллеру 19 о фиксации образца в зоне измерения, и контроллер включает регистрацию температуры поверхности образца пирометрами 11. Одновременно или с необходимой задержкой включается быстродействующий электромагнитный клапан 14, подающий воздух в сопловую решетку 13, формирующую однородный поток воздуха с плоским фронтом. Система охлаждения построена таким образом, чтобы обеспечить стабильный расход воздуха в течение всего эксперимента, стабильность расхода контролируется датчиком давления 15, показания которого также регистрируются контроллером 19.

Измерения температуры образца производятся несколькими рабочими пирометрами 11 с пересекающимися границами диапазонов измерения. Количество и тип пирометров определяется необходимостью перекрытия требуемого диапазона температур. Важным параметром, определяющим погрешность пирометрических измерений, является коэффициент черноты поверхности. Для его определения используют пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях. Показания такого пирометра не зависят от коэффициента черноты, и, соответственно, позволяют откалибровать систему пирометров и получить единую зависимость температуры образца от времени во всем диапазоне исследуемых температур.

На полученной зависимости температуры от времени определяют зону исследуемого фазового превращения и участки охлаждения образца до и после фазового превращения. Построив температурные кривые для этих участков, определяют, при какой величине энерговыделения кривые совпадут. Полученная величина есть искомый тепловой эффект образования заданной фазовой композиции.

В эксперименте использовался образец размером 20×80×0.7 мм из стали 65Г, предварительно нормализованный нагревом до температуры 900°С, с выдержкой 5 мин и охлаждением на воздухе. Такая нормализация устраняла индивидуальные особенности структуры материала и формировала на поверхности тонкую окисную пленку, стабилизировавшую коэффициент черноты поверхности. Размеры образца выбирались из следующих соображений.

Толщина образца обеспечивает скорость охлаждения без обдува примерно 30-40°С/с при температуре 900°С, при этом перепад температуры по толщине составляет доли градуса. Влиянием эффекта теплопроводности в плоскости образца за время эксперимента можно пренебречь. Образец нагревался до 900°С в печи с изолирующей аргоновой атмосферой, выдерживался при этой температуре 5 минут. Затем механизмом перемещения образца перемещался и фиксировался в точке визирования пирометров за время менее 1 с. В момент фиксации образца в точке визирования включалась регистрация показаний пирометров.

В экспериментах использовались 3 пирометра (на схеме показаны два).

2 пирометра Raytek Marathon FR1A - пирометры ближнего инфракрасного спектра, имеющие диапазон измерения 550-1100°С. Один из этих пирометров работает в режиме спектральных отношений, другой - в режиме измерения полного потока излучения.

Третий - быстродействующий пирометр OPTRIS CTfast, работающий в среднем ИК-диапазоне. Диапазон измеряемых температур прибора - 50-975°С.

Пирометры опрашивались контроллером в режиме 10 измерений в секунду, что близко к их максимальному быстродействию.

Подача воздуха в сопловую решетку обеспечивалась по сигналу механизма перемещения образца без задержки, давление охлаждающего воздуха составляло 4 атм и поддерживалось редуктором неизменным все время измерения.

Похожие патенты RU2654822C1

название год авторы номер документа
Способ определения удельного теплового эффекта фазового превращения 2017
  • Краснов Максим Львович
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Мокшин Евгений Дмитриевич
  • Дегтярев Василий Николаевич
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Урцев Николай Владимирович
RU2655458C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ И СПЛАВОВ 2009
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Хабибулин Дим Маратович
  • Шмаков Антон Владимирович
RU2413777C1
Способ измерения теплопроводности твердых материалов 2017
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Краснов Максим Львович
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Муриков Егор Сергеевич
  • Артемьев Игорь Анатольевич
  • Урцев Николай Владимирович
RU2654823C1
Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов 2017
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Краснов Максим Львович
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Платов Сергей Иосифович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Муриков Егор Сергеевич
  • Артемьев Игорь Анатольевич
  • Кудряшов Александр Анатольевич
  • Урцев Николай Владимирович
RU2654826C1
Устройство для измерения теплоемкости материалов 2017
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Краснов Максим Львович
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Платов Сергей Иосифович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Муриков Егор Сергеевич
  • Артемьев Игорь Анатольевич
  • Кудряшов Александр Анатольевич
  • Урцев Николай Владимирович
RU2654824C1
Способ производства проката 2016
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Капцан Феликс Виленович
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Мокшин Евгений Дмитриевич
  • Дегтярев Василий Николаевич
  • Горностырев Юрий Николаевич
  • Воронков Сергей Николаевич
  • Урцев Николай Владимирович
  • Хабибулин Дим Маратович
RU2655398C2
Способ измерения теплоемкости материалов 2017
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Краснов Максим Львович
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Муриков Егор Сергеевич
  • Артемьев Игорь Анатольевич
  • Урцев Николай Владимирович
RU2655459C1
Способ производства проката из стали 2019
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Горностырев Юрий Николаевич
  • Лобанов Михаил Львович
  • Разумов Илья Кимович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Мокшин Евгений Дмитриевич
  • Дегтярев Василий Николаевич
  • Хабибулин Дим Маратович
  • Данилов Сергей Владимирович
  • Сидоренко Никита Сергеевич
  • Урцев Николай Владимирович
RU2729801C1
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА (ВАРИАНТЫ) 2010
  • Урцев Владимир Николаевич
  • Горностырев Юрий Николаевич
  • Кацнельсон Михаил Иосифович
  • Шмаков Антон Владимирович
  • Хабибулин Дим Маратович
  • Дегтярев Василий Николаевич
  • Мокшин Евгений Дмитриевич
  • Корнилов Владимир Леонидович
  • Платов Сергей Иосифович
  • Самохвалов Геннадий Васильевич
  • Муриков Сергей Анатольевич
  • Королев Александр Васильевич
  • Воронин Владимир Иванович
  • Урцев Николай Владимирович
RU2447163C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА (ВАРИАНТЫ) 2015
  • Брыкин Михаил Владимирович
  • Васин Андрей Андреевич
  • Шейндлин Михаил Александрович
RU2597937C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 654 822 C1

Реферат патента 2018 года Устройство для определения тепловых параметров фазового превращения

Изобретение относится к области исследования кинетики структурных и фазовых превращений в металлах. Предложено устройство для определения тепловых параметров фазового превращения, которое содержит печь с управляемым нагревателем со средством измерения его температуры, средства измерения температуры и записи кривых нагрева и охлаждения образца и средство подачи охлаждающего газа с регулируемым расходом. При этом средство измерения температуры образца выполнено в виде комплекса из пирометров, включающего калибровочный пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях, и один или несколько пирометров с перекрывающимися диапазонами измерений, обеспечивающих измерения в необходимом диапазоне температур. Для измерений использован температурно-однородный образец, а устройство снабжено механизмом перемещения образца из зоны нагрева в зону измерения, причем средство подачи газа выполнено с обеспечением непосредственного обдува образца, перемещенного в зону измерения, регулируемым равномерным однородным потоком воздуха со стабилизированным расходом. Технический результат - повышение точности определения искомого параметра. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 654 822 C1

Устройство для определения тепловых параметров фазового превращения, содержащее печь с управляемым нагревателем со средством измерения его температуры, средства измерения температуры и записи кривых нагрева и охлаждения образца и средство подачи охлаждающего газа с регулируемым расходом, отличающееся тем, что средство измерения температуры образца выполнено в виде комплекса из пирометров, включающего калибровочный пирометр спектральных отношений, работающий на близких спектральных линиях, и один или несколько пирометров с перекрывающимися диапазонами измерений, обеспечивающих измерения в необходимом диапазоне температур, для измерений использован температурно-однородный образец, устройство снабжено механизмом перемещения образца из зоны нагрева в зону измерения, а средство подачи газа выполнено с обеспечением непосредственного обдува образца, перемещенного в зону измерения, регулируемым равномерным однородным потоком воздуха со стабилизированным расходом.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2654822C1

CN 101644690 A, 10.02.2010
Установка для измерения температуры и прямого наблюдения фазовых превращений неорганических материалов 1986
  • Рыбаков Иван Ильич
  • Бушуев Юрий Георгиевич
  • Плиско Владимир Николаевич
SU1402885A1
Видоизменение приспособления для подведения пенообразующих реактивов в резервуары с огнеопасными жидкостями, охарактеризованного в пат. № 18673 1929
  • Александров И.Я.
SU20968A1
Устройство для дифференциально-термического анализа при высоких температурах 1977
  • Бойко Ю.А.
  • Василенко В.И.
  • Краковецкий-Кочержинский Ю.А.
  • Шишкин Е.А.
SU626619A1
Устройство для исследования свойств металлов и сплавов 1980
  • Савицкий Евгений Михайлович
  • Буров Игорь Владимирович
  • Томилин Николай Алексеевич
  • Бондаренко Константин Петрович
  • Кулапов Анатолий Константинович
  • Шишин Виктор Михайлович
SU920485A1
Устройство для определения температуры фазовых переходов 1983
  • Соловьев Андрей Николаевич
  • Денисов Эдуард Сергеевич
  • Максимов Сергей Леонидович
  • Дедяйкин Михаил Павлович
SU1130785A1
WO 1997035184 A1, 25.09.1997.

RU 2 654 822 C1

Авторы

Краснов Максим Львович

Шмаков Антон Владимирович

Мокшин Евгений Дмитриевич

Дегтярев Василий Николаевич

Урцев Владимир Николаевич

Самохвалов Геннадий Васильевич

Корнилов Владимир Леонидович

Муриков Сергей Анатольевич

Артемьев Игорь Анатольевич

Муриков Егор Сергеевич

Даты

2018-05-22Публикация

2017-06-02Подача