Устройство для исследования фазовых переходов веществ в разреженной среде Советский патент 1984 года по МПК G01N25/02 

Изобретение относится к исследованию процессов тепло- и массообмёна при фазовых превращениях веществ в вакууме и может быть использовано при исследованиях процессов сублимации различных веществ в условиях пониженных давлений и низких температур. Известно устройство для изучения фазовых превращений веществ в вакууме, содержащее вакуумплотную прозрач ную камеру с расположенным внутри испарителем и средства регистрации фазовых превращений вещества. В испа ритель помещают навеску исследуемого вещества и из камеры выкачивают воздух. Происходящие при этом фазовые превращения вещества регистрируют с помощью оптических средств чере прозрачные стенки камеры, а температурный режим внутри камеры фиксируют с помощью термопар ij-. Данное устройство не позволяет обеспечить определенные, заранее заданные начальные параметры вещества на момент начала эксперимента, так как процесс подготовки среды в камере сопровождается одновременно тепло- и массообменом вещества с окружающей средой, что приводит к изменению его температуры и массы до создания начальных условий среды. Указанный недостаток устраняется в устройствах, в которых навески испытуемого вещества с известными начальными параметрами мгновенно помещается в заранее подготовленную вакуумированную среду с заданными ис ходными параметрами. Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для исследования фазовых переходов вещества в разреженной среде содержащее камеру формирования образ ца с электронагревателем термопарой затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкой и источник постоянного тока. В известном устройстве подготавливают исследуемый образец веществ а в камере формирования, при этом с помощью электронагревателя устанавливают начальные параметры образца. Затворы отделяют внутреннюю полость камеры формирования от среды термобарокамеры. С помощью быстродействую щего электромагнитного привода камеру формирования вскрывают, и обрааец вещества оказывается в той сре28де, которая бьша заранее подготовлена в объеме термобарокамеры. Процесс, фазовых превращений вещества регистрируют визуально, а температуру - с помощью термопары . Недостатком известного устройства является то, что о динамике процесса испарения исследуемого образца - капли можно судить лишь по изменению ее внешней формы, например, визуальным наблюдением через прозрачную стенку камеры формирования. К тому же данное устройство формирует исследуемый образец вещества в жидком виде, только сферической формы и небольшого объема. Полученные результаты исследований трудно распространить на исследуемые вещества больших объемов, а также на случаи, когда они заключены в упаковки, откуда испаряются, т.е. на реальные образцы, используемые для создания искусственных образований в атмосфере. Цель изобретения - излучение динамики испарения исследуемых образцов, максимально приближенных к натурным. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для исследования фазовых переходов веществ в разреженной среде, содержащем камеру формирования образца с электронагревателем, термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкой и источник постоянного тока, катушка электромагнитного привода вьшолнена в виде трех обмоток 5 две из которых образуют индуктивный датчик пере мещений и включены в мостовую схему измерения, а третья соединена последовательно с одной из обмоток и подключена совместно с ней к источнику постоянного тока, при этом камера формирования образца выполнена в виде, вертикально установленного цилиндра, закрытого с обоих концов затворами в виде пробок, имеющих на наружной поверхности упругие кольцевые герметизирующие выступы, и прикреплена нижней пробкой к подпружиненному плунжеру, а верхняя пробка соединена с противовесом. Предлагаемое устройство позволяет фиксировать не только время полного испарения образца и регистрировать динамику процесса уноса вещества с поверхности испарения. В камере формирования подготавливают исследуемый образец, близкий по форме и объему к натурному образцу, используемому для созданий искусственных образований в атмосфере. Процесс испарения из капсул исследуют с учетом влияния материала, из которого изготовлеЛ капсулы.

На чертеже схематически представлево предлагаемое устройство.

Устройство сбдержит термобарокамеру 1 , подставку-штатив 2 с формирователем образца исследуемого вещества, выполненным в виде камеры формирования, состоящей из вертикаль но установленной цилиндрической трубки 3 с входящими внутрь нее с обоих концов нижним 4 и верхним 5 затворами. Внутри камеры формирования помещено исследуемое вещество 6 которое занимает часть внутреннего объема камеры, а в остальной частисвободный объем 7. Для герметичной посадки затворов-пробок 4 и 5 на их цилиндрических поверхностях выполнены упругие концентрические выступы 8. На концах цилиндрической трубки 3 выполнены винтовые зажимы 9, фиксирующие пробки 4 и 5. На внешней поверхности трубки 3, в зоне посадки нижней пробки 4 и в зоне формирования образца исследуемого вещества размещен электронагреватель 10. На площадке 1 штатива 2 размещен электромагнитный привод, состоящий из подпружиненного плунжера 12 и катушки 13. Подпружиненный плунжер 1 2 содержит площадку 14 на которой закреплен нижней пробкой 4 формирователь образца. Верхняя пробка 5 соединена посредством гибкой связи 15 с противовесом 16, масса которого превышает суммарную массу трубки 3 и верхней пробки 5. Гибкая связь 15 перекинута через блоки 17, закрепленные на штативе 2. Через отверстия в нижней пробке 4 для измерения температуры исследуемого вещества 6 введены термопары 18. Герметичность ввода проводов термопар 18 обеспечивается клеем-геметиком. Катупгка 13 электромагнитного привода состоит из трех обмоток 19-21, две из которых 19 и 20 оразуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему 22 измерения. Третья же обмотка 21 соединена последовательно с одной из обмоток, например 20, и подключена совместно с iiefi переключателем 23 к источнику пс:)Сгоянного тока. Это

228 4

подключение испо.пьчуют для вскрытия камеры формировсэния в контролируемый момент времени, а также для демпфирования колебаний подпружиненного плунжера I2 после вскрытия. Перемещение противовеса 16 вверх ограничивается упором 24, закрепленным на подставке-штативе 2. Устройство работает следующим

образом.

В камеру формирования с установленной нижней пробкой 4 при давлении 1 атм помещают исследуемое вещество 6, устанавливают верхнюю

пробку 5, герметично отделяя камеру формирования от остального объема термобарокамеры I, и приводят тем самым, устройство в исходное положение, как показано на чертеже.

При этом в камере формирования оставляют рассчитанный свободный объем 7 , а одну из пробок 4 или 5 фиксируют винтовым зажимом 9, например, в случае исследова)ия интенсивности испарения вещества, находящегося в жидком состоянии, фиксируют нижнюю пробку 4, предоставляя этим возможность открыться верхней пробке 5.

Вскрытие камеры формирования производят путем понижения давления среды в термобарокамере. Благодаря избыточному давлению газов, находящихся в свободном объеме 7, верхняя пробка 5 выта:п ивается. При исследованиях вещества, находящегося в

замороженном виде, замораживание его можно произвести понижением температуры среды в термобарокамере. При этом исследуемое вещество примет форму цилиндра у нижней пробки 4. Для изучения интенсивности испарения замороженного образца 6 не только с торцовой, но и с цилиндрической поверхности, вскрытие камеры формирования производят при скрепленных

между собой зажимом 9 трубке 3 и верхней пробке 5, осуществляя этим разъем только по нижней пробке 4.

Перед вскрытием включают электронагреватель 10 и в полости камеры

устанавливают начальную температуру.. В процессе замораживания образца возможно его примерзание к стенкам трубки 3 и поэтому для исключения

заедания при вскрытии камеры производят электронагревателем 10 подтаивание образца в местах контакта его с трубкой 3.

5

В контролируемый момент времениj когда давление в термобарокамере в процессе откачки будет подходить к расчетному для вскрытия, нижняя обмотка 20 катушки датчика вместе с обмоткой 21 переключателем 23 подключаются к источнику постоянного тока. Создаваемое катушкой 13 электромагнитное поле втягивает плунжер 12, который заставляет двигаться вниз площадку 14 с нижней пробкой 4 и скрепленное с ней замороженное вещество 6. Упор 24 не позволяет перемещаться вниз трубке 3, формирующей образец. В процесс-е вскрытия камеры цилиндрическая трубка 3 оттягивается вверх от исследуемого образца 6 под действием противовеса 16. Обмртки 20-и 21, работая в режиме электромагнитный привод, кроме вскрытия камеры участвуют и в электромагнитном демпфировнии колебаний подпружиненной площадки 14. Эти колебания могут возн кать в результате резкого вскрытия камеры формирования. После вскртия камеры и осуществления демпфирования колебаний исследуемого вещества работу катушки 13 переводят в режим измерение%отключив обмотки 20 и 21 от источника постоянного тока.

По мере испарения вещества 6 и уменьшения его первоначального веса подпружиненная площадка 14 перемещается вверх., Величина перемёщёния площадки за время измерения а зна чит и интенсивность испарения вещества) фиксируется прибором, включенным в мостовую схему Измерения.

Технико-экономическое пренмуп;ество изобретения заключается в следующем. Предлагаемое устройство позволяет исследовать количественно Динамику процесса испарения (сублимации) вещества в условиях низких давлений и температур. Конструкция камеры формирования позволяет подгото0228

вить испытуемый образец, бJJИзкий по форме и объему к натурному, предназначенному для создания искусственных образований в атмосфере. Устройство позволяет ворьировать количеством вещества, подвергающегося испарению, и подбирать наилучшие конструктивные характеристики моделей образцов, предназначенных для летных

О испытаний. Измерение тех или иных параметров среды метеоприборами, как правило, проводится на различных высотах. Вскрытие капсул для создания искусственных образований

5 в атмосфере можно осуществлять различным способом. Вез дополнительных энергозатрат можно вскрывать капсулы в том случае, если использовать перепад между давлениями

0 внутри капсулы и атмосферным на соответствующей высоте. Вскрытие капсулы на заданной высоте требует строго определенного усилия, приложенного к запирающему устройству

5 каждой капсуль. Для вскрытия камеры формирования в предлагаемом устройстве также используется наличие перепада давления между газом в свободном объеме камеры и объемом

0 термобарокамеры. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет моделировать механизм вскрытия.ампул с реагентом, находящихся на борту летательного аппарата, для любой высоты полета. Возможность оперативного моделирования реальных условий в термобарокамере позволяет легко ими-, тировать величины разрежений, соответствующие определенным высотам под поверхностью Земли, и для этих условий подбирать усилия вскрытия затворов.

Это повьпиает достоверность проводимых экспериментов, а также сокращает количество ракет, необходимых для доставки капсул с реагентом на строго определенную высоту.

Sa/fyyfiHacyct/ JJ

Н ёа/((

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАН1Ш ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЕЩЕСТВ В РАЗРЕЖЕННОЙ СРЕДЕ, содержащее камеру формирования образца с электронагревателем, термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкои и источник постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью изучения динамики испарения исследуемых образцов, катушка электромагнитного привода выполнена в виде трех обмоток, две из которых образуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему измерения, а третья соединена последовательно с одной из обмоток и подключена совместно с ней к источнику постоянного тока, при этом камера формирования образца выполнена в виде вертикально установленного цилиндра, закрытого с обоих концов затворами в виде пробок, имеющих на наружной W поверхности упругие кольцевые герметизирующие выступы, и прикреплена нижней пробкой к подпружиненному плунжеру, а верхняя пробка соединена с противовесом.