Устройство для определения теплоемкости,излучательной способности и удельного электросопротивления тугоплавких материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/20 G01N21/35 G01N27/02 

Изобретение относится к области исследований теплофизических свойст тугоплавких электропроводных материалов при высоких температурах, в частности к определению теплоемкос1ТИ, излучательной способности и удельного электросопротивления, и может быть использовано в энергетической, теплотехнической, металлургической промьшшенностях и других областях науки и техники. Известно устройство, предназначенное для определения теплофизичес ких свойств веществ при высоких тем пературах импульсным методом, содер жащее вакуумную камеру с исследуемым образцом, батарею аккумуляторов для импульсного нагрева образца, быстродействующий фотоэлектрический пирометр, быстродействующий контактор для включения и отключения грею щего тока и систему сбора и обработ ки данных. В этом устройстве все уп равление измерениями, сбором и обра боткой данных осуществляется от ЭВМ связанной непосредственно со всей системой. В этом случае заДатчиком времени отдельных этапов в процессе работы устройства является генерато импульсов, также находящийся в системе Л . Недостатком этого устройства явл ется большая погрешность измерений Температуры, обусловленная дрейфом чувствительности приемника излучения-пирометра, работающего в режиме постоянного тока без опорной пирометрической лампочки. Наиболее близким техническим реш .нием является устройство, содержаще вакуумную камеру с исследуемым образцом, фотоэлектрический пирометр, батарею аккумуляторов, быстродейст вующий контактор и три независимых системы для управления экспериментом, сбором и обработкой данных. Си тема, построенная на базе генератора импульсов и задержек, управляе импульсом греющего тока. Система, построенная на генераторе импульсов и задержек в устройстве управления памятью, осуществляет сбор данных и вывод их на перфоленту. Система, содержащая большой компьютер и устройство ввода-вьшода, обрабатьшает данные с перфоленты после завершения всех циклов измерений 2j . 92 Недостатком известного устройства является низкая точность определения теплоемкости, излучательной способности и удельного электросопротивления из-за ошибок в измерении температуры, обусловленных широким динамическим диапазоном изменения регистрируемых сигналов пирометра, и неточности определения поправки на потери тепла излучением. Это связано с тем, что схема управления работой устройства не является гибкой, т.е. не позволяет регулировать диапазон изменения регистрируемых сигналов пирометра в «процессе работы и заканчивать нагрев при заданном 1 значении температуры. Отсутствие регулировки диапазона регистрируемых сигналов ухудшает разрешение аналого-цифрового преобразователя, вследствие чего возникает дополнительное увеличение погрешности измерения температуры. При минимальном измеряемом сигнале, равном 40 мВ, ошибка измерения только из-за разрешения АЦП составит 2,5%. Цель изобретения - повышение точности определения теплоемкости, из.лучательной способности и удельного элек росопротивления тугоплавких материалов при высоких температурах. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, для определения теплоемкости, излучательной способности и удельного электросопротивления тугоплавких материалов при высоких .температурах, содержащее фотоэлектрический пирометр, соединенный с одним из входов системы сбора и обработки данных, на вход которой под-; ключены через образцовое сопротивление потенциальные отводы для измерения тока и потенциальные отводы.от исследуемого образца, схемы нагрева образца и управления нагревом образца, соединенные между собой через контактор, дополнительно включен датчик начального значения температуры фотоэлектрического пирометра, соединенный с входом системы сбора и обработки данных, а схема управления нагревом образца дополнительно содержит два реле времени, два промежуточных реле, активный и балластных резисторы, нормально разомкнутые контакты первого реле времени включены в цепь катушки первогопромежуточного реле, нормально замк нутые контакты которого шунтированы активным резистором, последовательн соединенным с балластным резистором и источником постоянного тока, а временные контакты первого реле вре мени включены в цеггь катушки второг реле времени, нормально разомкнутые контакты которого подключены, к катушке контактора, а катушка второго промежуточного реле включена в цепь временных контактов второго реле вр мени. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. .Устройство содержит вакуумную камеру 1 с исследуемым образцом 2, источник 3 постоянного тока, контактор 4, фотоэлектрический пирометр 5 с датчиком 6 начального значения температуры, систему 7 управления нагреном образца, содержащую два реле 8 и 9 времени, два промежуточных реле 10 и 11, активный резистор 12, балластный резистор 13, источник 14 постоянного тока, а также систему 15 сбора и обработки данных, содержащую мини-ЭВМ 16, аналого-цифровой преобразователь 17, мультиплек сор 18. При этом датчик 6 начального значения температуры соединен с одним из каналов мультиплексора 18, другие каналы мультиплексора 18 соединены с исследуемым образцом 2, образцовым сопротивлением 19, пирометром 5, системой 7 угфавления нагревом образца. Мини-ЭВМ 16 соединена с мультиплексором 18 и аналогоцифровым преобразователем 17. Нормально разомкнуты контакты реле 8 времени включены в цепь катушки промежуточного реле 10, нормально замкнутые контакты которого шунтированы активным резистором 12, -последовательно соединенным с балластным резистором 13 и источником 14 постоянного тока, а временные контакты реле 8 времени включены в цепь катушки реле 9 времени, нормально разомкнутые контакты которого подключены к катушке контактора 4, а катушка промежуточного реле 11 включена в цепь временных контактов реле 9 времени. Источник 3 постоянного тока и контактор 4 образуют систему 20 нагрева образца, пирометр 5 с датчиком 6 начального значения температуры образуют пирометрическую систему 21. В основу работы.устройства положен метод высокоскоростного импульсного нагрева исследуемого образца проходящим через него электрическим током и регистрации зависимости от времени б температуры образца Т, тока I, проходящего через образец, и падения напряжения U на его рабочем участке. По полученным зависимостям рассчитывают теплоемкость Ср, Ср (UI--q,J/m(dT/dt),, . где и - падение напряжения на образце;I - ток, проходящий через образец;m - масса рабочего участка образ ца; mC(dT/do).- поправка на потери тепла излучением во время нагрева; j( темп нагрева; излучательную способность tt et ui/ iT-F(i.ff . где J - постоянная Стефана-Больцмана; - поверхность рабочего Згчастка образца; темп охлаждения образца; удельное электросопротивление р4-Ь де S - площадь поперечного сечения образца; - его длина. Устройство работает следующим обазом. Образец 2 в виде трубки или стержя, помещенный в вакуумную камеру 1, агревается током от источника 14 остоянного тока за короткий промеуток времени (около 1 с). Во время аботы устройства измеряются темпеатура образца 2 с помощью быстроействующего фотоэлектрического пироетра 5, приемником излучения в котоом является фотоумножитель, падение апряжения на рабочем участке образа 2 и ток в цепи образца 2. Все эти игналы поступают на аналого-цифроой преобразователь 17, связанный

с мультиплексером 18, который поочередно подключает к АЦП соответствующие каналы. Фотопирометр 5 поочередно сравнивает сигналы, поступающие с образца 2, с сигналом опорной лампочки пирометра. Датчик 6 начального значения температуры вырабатывает некоторый постоянный сигнал, когда температура образца 2 достигнет заранее заданной величины. Этот сигнал является стартовым для начала измерений АЦП. Четыре системы устройства - система 20 нагрева образца, содержащая источник 3 постоянного тока и контактор 4, система 7 управления нагревом образца, пирометричес кая-система 21, содержащая пирометр 5 и датчик 6 начального значения температуры, и система 15 сбора и обработки данных - связаны между собой и работают по програнме проведения измерений, находящейся в памяти мини-ЭВМ.

Устройство выполняет программу оп ределения одного из вышеуказанных теплофизических свойств следующим образом.

С помощью кнопки К включается ситема нагрева образца 20 и одновременно через активный резистор 12 подается сигнал на запуск АЦП 17.

АЦП начинает измерения. При этом в течение времени, установленного на реле 8 времени, АЦП производит некоторое число измерений до нагрева образца для проверки отсутствия помех в каналах тока и напряжения.На температзфном канале при этом измеряются постоянные сигналы t опорной лампочки пирометра. По истечении времени, установленного на реле 8 времени, с помощью реле 9 . времени включается контактор 4 и начинается нагрев образца 2. АЦП начинает производить измерения тока, напряжения и температуры образца 2 по сигналу, который вырабатывает датчик 6 начального значения температуры, главным элементом которого является фильтр нижних частот, на выходе которого скачком меняется постоянная составляющая. Для усиления этого скачка служит пороговое устройство, выполненное на базе триггера ПЬштта. Датчик начального значения температуры вырабатывает сигнал на запуск АЦП, когда температура образца достигает величины Порядка 1800-2200 К. В этих пределах датчик позволяет регулировать начало измерений АЦП. Конец измерений регулируется с пдмощью напряжения питания фотоумножителя пирометра.

Время нагрева образца, установленное на реле 9 времени, можно регулировать в пределах 0,1-2,5 с в зависимости от материала и массы образца. Число измерений во время нагрева регулируется программным путем в широких пределах.

После выключения нагрева образца 2 измерения продолжаются с целью получения кривой охлаяздения образца, которая используется для расчета излучательной способности и введения поправки на охлаждение в определении теплоемкости.

Измеренные значения тока, напряжения и температуры заносятся в память мини-ЭВМ, затем вьшодятся на печать для предварительного анализа, после чего дается команда ЭВМ на обработку полученных результатов Расчет излучательной способности, теплоемкости и удельного электросопротивления производится по приведенным формулам.

Повьш1ение точности определения теплоемкости, излучательной способности и удельного электросопротивления достигается за счет ограничения динамического диапазона изменения регистрируемого сигнала пирометра во время импульсного нагрева.

При использовании устройства суммарные погрешности в определении теплоемкости составляют 1,5%, излзгчательной способности 2,5%, удельного электросопротивления 0,4%

2t

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ, ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ И УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ при высоких температурах, содержащее фотоэлектрический пирометр, соединенный с одним из выходов системы сбора и обработки данных, на вход которой подключены через образцовое сопротивление потенциальные отводы для измерения тока и потенциальные отводы от исследуемого образца, схемы нагрева образца и управления нагревом образца, соединенные между собой через контактор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно включен датчик начального значения температуры фотоэлектрического пирометра, соединенный с входом системы сбора и обработки данньпс, а схема управления нагревом образца дополнительно содержит два реле времени, два промежуточных реле, активный и балластный резисторы, нормально разомкнутые контакты первого реле времени включены в цепь катушки первого проW межуточного реле, нормально замкнутые контакты которого шунтированы активным резистором, последовательно соединенным с балластным резистором и источником постоянного тока, а временные контакты первого реле времени включены в цепь катушки второго реле.времени, нормально ф разомкнутые контакты которого подСП ключены к катушке контактора, а со ел со катушка второго промежуточного реле включена в цепь временных контак- , торов второго реле времени.