Способ измерения температурного поля Советский патент 1990 года по МПК G01K11/24 

Фиг.1

Изобретение касается измерения температурных полей, в частности измерения пространственного распределения температурного профиля тепловых полей различного происхождения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения измерения прост1578520. 4

новить профиль температурного поля Т(х).

В области структурных фазовых переходов, не сопровождаемых изменением агрегатного состояния, параметр Грюнайзена таких металлов, как газелинии, диспрозий, сплавов Сп - А1 - Ni, Ti, Ni, облучаемых импульсным ранственного распределения неоднород- JQ пучком электронов с энергией 12 МэВ

15

20

25

длительностью импульса от Ю с до , числом частиц в импульсе 10t0- 101Э1/см2, сильно изменяется с температурой. Температурный интервал изменения параметра Грюнайзена для разных металлов и сплавов различен: для диспрозия - от 50 К до 120 К; гадолиния - от 180 К до 350 К. Для сплавов Сп - А1 - Ni, Ti, Ni температурный интервал в зависимости от процентного состава компонентов может изменяться от 80 К до 450 К для области температур 500 К - 1500 К можно использовать сплав Fe - Ni и сталь с мартенситным превращением в высокотемпературной области.

rfa фиг. 1 изображено устройство Д; измерения температурного поля; на фиг. 2 - устройство для измерения тем пературного поля с объемным звуково- дом.

Способ измерения температурного поля Т(х) осуществляют следующим образом.

В контролируемом объеме с неоднородным по пространству температурным полем Т(х) (где х - пространственная координата) размещают звуковод, изготовленный из материала, па

При изменении температуры материала Q раметр Грюнайзена которого известным температурная зависимость термоакусти- образом зависит от температуры Г ческого сигнала 6(Т) будет определяться температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поскольку величи45

ных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, э также повышение чувствительности и снижение трудоемкости процесса измерения.

Известно, что импульсный нагрев конденсированных сред приводит к возбуждению термоакустических колебаний, обусловленных термоакустическим механизмом. Амплитуда 6(г, t) воз- ( буждаемых термоакустических колебаний определяется генерационной способностью материала среды, мерой которой является параметр Грюнайзена (Г) и плотностью Ј(r, t) энергии, поглощенной в материале в результате импульсного нагрева:

6(r, t) Г -E(r, t). (t) Параметр Грюнайзена (Г) связан с тер30

Г --ъмодинамическими характеристиками ,материала соотношением оМС

коэффициент теплового расширения, модуль 35 всестороннего сжатия, теплоемкость и плотность материала. I

где oLt К, С, j

на плотности 6 поглощенной энергии в большинстве случаев не зависит от температуры.

Из (1) следует, что

6 (Т) Г(Т)-Ј. (3)

Если взять материал с известной температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поместить его в неоднородное по пространству температурное поле Т(х) (где х - координата) , возбудить в нем с помощью источника импульсного нагрева термоакустические колебания, то по амплитуде и форме этих колебаний можно восста50

55

Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучения или импульса электрического тока) осуществляют ипульсный нагрев звуковода. В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаются термоакустические колебания. По амплитуде и форме регистрируемых термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного поля.

Предлагаемый способ измерения температурного поля осуществляют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр

раметр Грюнайзена которого известным образом зависит от температуры Г

Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучения или импульса электрического тока) осуществляют ипульсный нагрев звуковода. В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаются термоакустические колебания. По амплитуде и форме регистрируемых термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного поля.

Предлагаемый способ измерения температурного поля осуществляют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр

Грюнайзена Г(Т) которого известным образом зависит от температуры, зву- ковод имеет квазиодномерную форму, т.е. выполнен в виде стержня или проволоки, диаметр которых d значительно меньше их длины l(d « 1). К одному из торцов звуковода 1 через акустический контакт подсоединен акустический детектор 2. Акустический детектор, должен обладать широкой полосой пропускания, равной Af 10 МГц, чтобы без искажения преобразовывать форму импульсного акустического сигнала в импульс электрического напряжения, и слабой зависимостью чувствительности от температуры. Такой акустический детектор может быть изготовлен из широкополосной пьезокерамики с высокотемпературной точкой Кюри (Тк), например типа ПКР-26. Источником 3 импульсного нагрева может служить ускоритель импульсных пучков ионизирующих частиц, лазерный генератор или генератор импульсов электрического тока. В случае использования ускорителя или лазерного генератора импульсный нагрев звуковода осуществляется бесконтактным способом (дистанционно) с помощью потока 4 проникающего излучения. В случае использования генератора импульсов электрического тока связь генератора со звуководом 1 осуществляется через электрический контакт подводящими электродами 5. Регистрирующим устройством 6, подключенным к акустическому детектору 2 может служить любой прибор измеряющий без искажения амплитуду и форму электрических импульсов в полосе частот Af -10 МГц, например осциллограф типа С1 - 65.

Устройство для измерения температурного поля работает следующим образом.

Пусть необходимо определить распределение температуры вдоль отрезка некоторой линии в пространстве. Координатная ось х совмещается с линией определения температурного поля. Квазиодномерный звуковод 1, располагается вдоль линии определения температурного поля Т(х)..

50 не только в виде прямого стержня, но и искривленным вдоль определяемого температурного поля. В частности, звуковод может состоять из двух или нескольких прямолинейных или криволи-

После того, как материал звуковода приобрел температуру окружающей среды, cj нейных отрезков, находящихся друг с и в нем установилось неоднородное другом в последовательном акустическом температурное поле Т(х), подлежащее соединении, например, иметь форму определению, осуществляют импульсный меандра, плоской или объемной спи- нагрев звуковода, например, с помощью рали.

85206

импульсного пучка проникающего излучения либо импульсом электрического тока, пропускаемого по проводящему звуководу между электродами 5. При этом в теле звуковода возникает одномерная термоакустическая волна на- .напряжений, равная

6(x, t

где Г(х) 0) | Г(х) Ј(х),

значение параметра Грюнайзена вещества звуковода в точке х; Ј(х) - плотность выделившейся

тепловой энергии.

В случае нагрева импульсным пучком проникающего излучения, Ј(х) равна

0

Ј(х)

где dE/dZ (-) V SZJ

п (х)

)

(4)

5

n(x) В случае fc.(x) равна

линейные потери энергии ионизирующих частиц излучения;

перенос частиц излучения в точке х. нагрева импульсом тока

г(х) J J2(t) j(x) dt,

где j(t) - плотность тока в импульсеf (х) - удельное сопротивление звуковода в точке х.

f(

5

Возникающая термоакустическая волна напряжений распространяется без изменения величины и формы вдоль оси звуковода, попадает в акустический детектор, а из него - в виде пропор0 ционального электрического импульса попадает в регистратор 6 (например, осциллограф). Зная распределение поглощенной энергии в звуководе, определяемой Ј(х), можно по измеренному

импульсу акустических напряжений, определяемых 6(х,0), определить функцию Г(х) параметра Грюнайзена и по ней восстановить температурное поле Т(х). Звуковод может быть выбран

0 не только в виде прямого стержня, но и искривленным вдоль определяемого температурного поля. В частности, звуковод может состоять из двух или нескольких прямолинейных или криволи-

j нейных отрезков, находящихся друг с другом в последовательном акустическом соединении, например, иметь форму меандра, плоской или объемной спи- рали.

На фиг. 2 изображен вариант устройства с объемным звуководом, состоящим из нескольких последовательно соединенных между собой с акустическим контактом меандров, с размерами равными размеру пространственного профиля температурного поля, чем достигается перекрывание рабочим телом звуковода всей пространственной области, в KOTO-J рой необходимо измерять температуру. Возбуждение термоакустических колебаний осуществляется, например, импульсным потоком ионизирующего излучения, падающего перпендикулярно плоскости меандров, а их регистрация осуществляется одним акустическим детектором, подсоединенным к одному из торцов звуковода. С помощью объемного эвуко- вода измерения температурного поля J можно проводить в жидкостях и газах, плоскими звуководами можно контролировать температурное распределение тепловых полей на поверхности твердых тел.2

В предлагаемом способе и устройстве измерения температурного поля Т(х) каждая пространственная координата х области взаимодействия импульсного пучка проникающего излучения со 3 звуководом преобразуется во временную координату tx регистрируемого термоакустического импульса напряжения, равного j(tx). Временное разрешение

измерительной системы At определяется полосой пропускания акустического детектора и составляет для полосы пропускания, равной df - 10 МГц, величину Л t ДЈ . Эквивалентное разрешение пространственной коор- динаты 4Х Для температурного поля определяется величиной/)Х S-At a

сЗ-10 см. При необходимости пространственное разрешение 5Х можно еще улучшить как минимум на порядок, при- менив для регистрации термоакустических сигналов акустический детектор с полосой пропускания, равной uf. Ј100 МГц, при этом дхеЗ-10 3см.

В способе-прототипе каждая пространственная координата х температурного поля определяется последовательным перемещением звуковода по измеряемой траектории. В каждой фиксированной точке траектории производится измерение времени задержки отраженного от противоположного торца звуковода акустического импульса. При этом минимальная длина звуковода,

Q Q 5

0

5

Q

0

5

определяющая пространственное разрешение ьпрототипа, должна1 составлять величину равную 1 см.

Таким образом, пространственное разрешение предлагаемого способа в

т, 102 раз больше по сравнению со способом-прототипом. Это обстоятельство позволяет использовать предлагаемые способ и устройство для измерения температурных полей сложного профиля с большими пространственными градиентами температур, а также неоднородных температурных полей, локализованных в малом пространственном объеме.

Время измерения полного профиля температурного поля зависит от размера траектории L съема, от времени установления температурного поля в материале звуковода и временных характеристик Vh источника импульсного нагрева. Длительность импульса нагрева должна удовлетворять условию мгновенного нагрева, т.е.

1/8;

$ь « V& , (5) где s- время формирования акустического сигнала;

1 - размер области импульсного нагрева звуковода, который равен либо диаметру импульсного пучка проникающего излучения, либо расстоянию между подводящими электродами; S - скорость звука материала звуковода.

Для звуковода, имеющего квазиодномерную форму, время ж установления температурного поля определяется поперечным размером звуковода и коэффициентом $ температуропроводности материала звуковода. Для цилиндрического звуковода радиусом г Ј определяется соотношением

1Х г2 Мае.

Например, если выбрать в качестве эвуковода проволоку из гадолиния или сппава TiNi диаметром d 10 м, то время установления температурного поля будет составлять величину, равную. f(s 10-3c.

При выполнении условия (5) время снятия распределения температурного поля по всей траектории съема длиной L будет минимальным и равным- Ј -; j;L/S. Например, если выбрать в качестве материала звуковода гадолиний, позволяющий проводить измерения в

диапазоне температур от 180 К до 350 К, и измерить им распределение неоднородного температурного поля по траектории размером L 100 см, то время снятия температурного распреде- ления составит (для гадолиния S 3 -105 см/с).

Предлагаемый способ позволяет сократить время измерения Ct/ C eflO1 раз и существенно сократить трудоемкость процесса измерения. Осуществление возможности получения пространственного распределения температурного поля за время позволяет проводить измерения как постоянных так и нестационарных температурных полей, изменяющихся со временем с периодом - 10 с.

Чувствительность способа определяется температурной зависимостью генерационной способности материала зву- ковода, мерой которой служит параметр Грюнайэена. Относительное изменение параметра Грюнайэена исследованных веществ: диспрозия, гадолиния, сплавов Сп - Al - Ni, TiNi в температурном интервале фазовых превращений изменяется на величину Л Г/Г а 200 - 1000%.

Предлагаемый способ (по сравнению со способом-прототипом) обладает расширенными функциональными возможностями, поскольку позволяет измерять температурные поля с большим пространственным градиентом в жидкостях и газах, на поверхности твердых тел, неоднородные поля, локализованные в малом объеме, в труднодоступных местах, в условиях мощных электромагнит

о е- ли1578520-Ю

ных полях, нестационарные температурные поля, снижает трудоемкость процесса измерения за счет импульсного нагрева звуковода.

Формула изобретения

1.Способ измерения температурного поля, включающий размещение в контролируемом пространстве звуковода, выполненного из материала с зависящим от температуры физическим параметром, возбуждение и регистрацию колебаний, отличающийся тем, что,

с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, повышения чувствительности и снижения трудоемкости измерений, в качестве звуковода используют звуковод квазиодномерной формы

из материала с зависящим от температуры параметром Грюнайзена, располагают его в контролируемом пространстве по траектории, совпадающей с профилем температурного поля, осуществляют импульсный нагрев звуковода и регистрируют возбуждаемые в нем тер- моакустические колебания, по амплитуде и форме которых измеряют пространственный профиль температурного

ПОЛЯ.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев звуковода осуществляют импульсным пучком проникающего излучения или импульсом электрического тока.

Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить чувствительность, снизить трудоемкость процесса измерения. В звуководе 1, изготовленном из материала, параметр Грюнайзена которого зависит от температуры, возбуждают термоакустические колебания источником 3 импульсного нагрева. По амплитуде термоакустических колебаний восстанавливают профиль температурного поля. 2 ил.

I

М егистратору

Фиг. 2

Редактор А.Ревин

Составитель В.Ярыч

Техред Л Сердюкова Корректор С.Черни

Заказ 1908

Тираж 498

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное