Устройство для определения коэффициента температуропроводности Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизиче- ским измерениям и может быть использова- но при исследовании и получении новых материалов, а также при тепловом неразрушающем контроле.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента темпе- ратуропроводности за счет учета конечной длительности импульса нагрева и повышение производительности измерений.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы измерения температуры и плотности потока энергии импульса нагрева.

Устройство содержит импульсный источник 1 нагрева, исследуемый образец 2, датчик 3 температуры, первый 4 и второй 5 дифференциаторы 5, первый нуль-орган 6, триггер 7, генератор 8 импульсов, схему 9 совпадений, счетчик 10 импульсов, цифровой индикатор 11. регистратор 12 импульсов нагрева, третий дифференциатор 13, четвертый дифференциатор 14, второй нуль-орган 15, первый 16 и второй 17 Счетчики-делители частоты, регистр 18, цифON

Ј

CS

О

СП

ровой компаратор 19 и входную пусковую клемму 20,

Импульсный метод определения коэффициента температуропроводности заключается в импульсном нагреве лицевой поверхности плоского исследуемого образца. При этом регистрируется кривая нарастания температуры Т (т)(Т - температура, г- время) тыльной поверхности исследуемого образца (фиг.2). Если импульс нагрева мгновенный (теоретический д -импульс), то, измеряя время достижения хронологической термограммой Т (т) какого-либо уровня, например уровня 0,5 Тмакс, определяют коэффициент температуропроводности а образца по формуле

,139

Т 1/2

где L - толщина плоского исследуемого образца;

П/2 - время достижения кривой Т (т)

УРОВНЯ 0,5 Тмакс.v

В реальных условиях импульсы нагрева имеют конечную длительность и неучет этого факта ведет к появлению методических ошибок, особенно больших для тонких образцов высокотемпературопроводных материалов. Например, для импульсов нагрева ксеноновой лампы-вспышки получена расчетная формула, учитывающая конечную длительность и форму импульса нагрева:

а 0,139

(г 1/2 -1,28тр)

где Тр - время максимума плотности потока энергии импульса нагрева Ф (г ) (фиг.2).

Форма импульса нагрева влияет на вид вводимой поправки. Вместо характеристического времени п/2 может быть использова- но время Гмп достижения первой производной хронологической термограммы Т (т} максимального значения.

Для мгновенного импульса нагрева выражение для коэффициента температуропроводности в,этом случае имеет вид

а 0,09 12/тмп .

Получено расчетное выражение для температуропроводности, учитывающее конечную длительность импульса нагрева ксеноновой лампы-вспышки:

10

|5

20

25

Именно с помощью этого математического выражения производится определение коэффициента температуропроводности исследуемого образца в устрой- стве, которое измеряет время

(гмп - 1,7гр). Учет конечной длительности импульса нагрева позволяет избавиться от методической погрешности и тем самым повысить точность измерений. Определение за одно измерение комплекса

(Тмп - 1,7гр ) позволяет повысить производительность испытаний.

Устройство работает следующим образом (фиг.1).

После нажатия кнопки Пуск световой поток импульсного источника 1 нагрева производит нагрев плоского исследуемого образца 2. Часть светового потока освещает регистратор 12 импульсов нагрева, запускается генератор 8 импульсов с частотоой f. Импульсы с выхода генератора 8 импульсов одновременно поступают на входы первого и второго счетчиков-делителей, коэффициенты деления частоты которых М и N соответственно находятся в соотношениях

,

30

где m - коэффициент при гр(выражения 2мЗ.

В момент Тр максимальной плотности потока энергии , которая попадает на регистратор 12 импульса нагрева, на выходе 35 второго нуль-органа 15 появляется импульс, который поступает на вход записи регистра 18, на вход данных которого поступает цифровой код с выхода первого счетчика-делителя 16 частоты, равный значению Tf/(M/f), и запоминается в регистре 18. Так как коэф- фицент , то счетчики второго счетчика- делителя 17 частоты продолжают счет импульсов до момента тср равенства цифровых кодов обоих счетчиков-делителей частоты, и так как цифровой код второго счетчика-делителя частоты, в этот момент определяется выражением

40

45

50tcp/( N/f ) , то

(4)

в момент тср на выходе компаратора 19 вырабатывается сигнал начала счета импульсов, который поступает на S-вход RS-триггера 7. Таким образом, начиная с момента времени

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при исследовании и получении новых материалов, а также при тепловом неразрушающем контроле. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента температуропроводности за счет учета конечной длительности импульса нагрева и повышение производительности измерений. Устройство содержит импульсный источник нагрева, датчик температуры, четыре дифференциатора, два нуль-органа, RS-триггер, генератор импульсов, схему совпадений, счетчик импульсов, цифровой индикатор, регистратор импульса нагрева, два счетчика-делителя частоты, регистр, цифровой компаратор. Устройство позволяет произвести измерение коэффициента температуропроводности исследуемого образца в соответствии с выражением A = 0,09 L²/(T_МП - MΤ_P), где L - толщина плоского исследуемого образца

T_МП - время достижения первой производной хронологической термограммы максимального значения

Τ_P - время максимума плотности потока энергии импульса нагрева

M - коэффициент, учитывающий конечную длительность импульса нагрева. 2 ил.

а 0,09

( Тмп - 1J Тр)

(3)

N тср - -jyj- Тр - m Гр

(5)

начинается прохождение импульсов счета с генератора 8 импульсов через схему 9 совпадений на вход счетчика 10 импульсов.

Тепловой поток от тыльной поверхности плоского исследуемого образца 2 поступает на датчик 3 температуры, выходкой сигнал которого, пропорциональный температуре тыльной поверхности плоского исследуемого образца 2, поступает через первый 4 и второй 5 дифференциаторы и нуль-орган 6 на R-вход RS-триггера 7 и устанавливает его в момент ъ-.п в состояние запрета счета импульсов счетчиком 10 импульсов. В этот момент времени на цифоо- БОМ индикаторе 11 высвечивается значение временного промежутка ( «л.,п - m rp } . Выходной потенциал триггера 7 разрешает или запрещает прохождение импульсов счета с выхода генератора 8 импульсов через схему 9 совпадений на вход счетчика 10. Состо- яние счетчика 10 в момент времени ( Гмп - ттр ) фиксируется и отображается цифровым индикатором 11.

Таким образом, устройство позволяет определить скорректированное время процесса теплопередачи ( Гмп - m гр), величина которого необходима для определения более точного значения коэффициента тем- пературопроводности. Коэффициент m определяет значение коэффициентов деления М и N счетчиков-делителей частоты. Устройство реализовано в виде комплекса аппара- туры, включающего в качестве источника импульсного нагрева лампу-вспышку, инфракрасный пирометр - датчик температуры и импульсный цифровой макетный блрк.

Коэффициент ,7 согласно выражению (3). При этом коэффициенты деления счетчиков-делителей частоты при частоте генераторов 8 МГц равны соответственно 1000 и 1700.

0

5

0

0

5

5

0

Формула изобретения

Устройство для определения коэффициента температуропроводности, содержащее импульсный источник нагрева, оптически связанный с регистратором импульсов нагрева и через исследуемый образец с датчиком температуры, который подключен через последовательно соединенные первый и второй дифференциаторы и первый нуль-орган к R-входу RS-триггера, выход которого соединен с первым входом схемы совпадений, второй вход которой соединен с выходом генератора импульсов, выход схемы совпадения соединен с входом счетчика импульсов, выход которого соединен с цифровым индикатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения коэффициента температуропроводности за счет учета конечной длительности импульса нагрева и повышения производительности измерений, в устройство дополнительно введены третий и четвертый дифференциаторы, второй нуль- орган, регистр, первый и второй счетчики- дилители частоты, цифровой компаратор, причем выход регистратора импульсов нагрева подключен через последовательно соединенные третий и четвертый дифференциаторы и второй нуль-орган к входу записи регистра, вход данных регистра подключен к выходу первого счетчика-делителя частоты, а выход данных регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, к второму входу которого подключен выход второго счетчика-делителя частоты, а выход цифрового компаратора соединен с S-вхо- дом RS-триггера, выход генератора импульсов соединен с входами первого и второго счетчиков-дилителей частоты, вход генератора импульсов соединен с входом импульсного источника нагрева и входной пусковой клеммой.

Г/w fy

фиг. 2