Способ определения температуропроводности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Ј

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических характеристик твердых тел, а также дли йеразрушэющего активного теплового контроля материалов и изделий. Цель изобретения-упрощение определения температуропроводности, для этого при периодическом сканировании теплового излучения от образцов одновременно с амплитудным значением измеряют среднее значение сигнала датчика и по этим значениям определяют температуропроводность образцов. 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических характеристик твердых тел, а также для неразрушающего активного теплового контроля материалов и изделий.

Наиболее близким по технической сущности решением, взятым за прототип, являетсяспособопределениятемпературопроводности материалов, включающий нагрев образцов точечным источником энергии, измерение теплового излучения от поверхности образцов датчиком температуры при взаимном относительном перемещении по прямой линии образцов и датчика, жестко связанного с источником энергии, периодическое сканирование теплового излучения от поверхностей образцов по траектории, не пересекающей точку нагрева, и с максимумом температуры, находящимся в точке пересечения с линией

нагрева, измерение амплитудного значения импульсного сигнала датчика, определение скорости перемещений источника энергии относительно образцов и зависимости координат точки визирования Датчика от времени. В этом способе сканирование производят по прямой линии, пересекающей линию нагрева под прямым углом, Температуропроводность определяют по длительности импульсного сигнала датчика температуры на уровне, составляющем фиксированную часть от его амплитудного значения.

Недостатком способа является сложность определения температуропроводности.

Цель изобретения - упрощение определения температуропроводности

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуропроводности материалов, включающем нагрев образцов точечным источником энергии, изХ|

сл ел

-N ч

мерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при взаимном относительном перемещении по прямой линии образцов и датчика, жестко связанного с источником энергии, периодическое сканирование теплового излучения от поверхностей образцов по траектории, не пересекающей точку нагрева, и с максимумом температуры, находящимся в точке пересечения с линией нагрева, измерение амплитудного значения импульсного сигнала датчика, определение скорости перемещения источника энергии относительно образцов и зависимости координат точки визирования датчика от времени, одновременно с амплитудным значением измеряют среднее значение сигнала датчика, а температуропроводность определяют по формуле

а

V -Хо 2 Z (Ucp/Um)

0)

где а - температуропроводность;

V - скорость перемещения источника относительно образцов,

Ucp и Um - среднее и амплитудное значение импульсных сигналов датчика;

Z(Ucp/Um) - функция, обратная функции 4(Z),

WZ)4} (t)4.(t) + maft)dt m

°V|2(t)+m2(t)

где t - время;

l(t)X(t)/Xo i -уравнения движения точки m(t) Y(t)/Xo

визирования в относительных координатах;

X X(t) -уравнения движения точки Y Y(t) I

визирования в декартовых координатах X, О, Y с центром в точке нагрева и осью X, совмещенной с направлением перемещения источника;

Хо - расстояние от точки нагрева до ближайшей точки пересечения линии нагрева и траектории сканирования,

Т - период сканирования.

На фиг. 1 приведена схема осуществления способа; на фиг. 2 - графики зависимости координат точки визирования от времени и сигнала датчика температуры для равномерного сканирования по прямой,пересекающей линию нагрева под прямым углом; на фиг. 3 - график функции P(Z).

Сосредоточенный источник 1 энергии (фиг. 1) и датчик 2 температуры расположены под подвижной платформой, на которой установлены исследуемые образцы 3 и 4.

Оптико-механическое сканирующее устройство 5 установлено перед входным окном датчика 2 так, чтобы сканировать тепловое излучение от поверхностей образцов 3 и 4 по прямой линии, пересекающей линию нагрева под прямым углом, К выходу датчика 2 температуры подключен вход усилителя 6, а его выход - одновременно к выпрямителю

7амплитудного значения и выпрямителю 8 0 среднего значения. Выходы обоих выпрямителей подсоединены к регистраторам 9 и 10.

8качестве сосредоточенного источника 1 энергии могут использоваться лампа накаливания с фокусирующей системой или ла5 зер (например ИЛГН-704). В качестве сканирующего устройства 5 - оптико-механический дефлектор с качающимся зеркалом. Датчик 2 температуры построен на основе пироэлектрического приемника оп0 тического излучения МГ-30. Усилитель б и выпрямители 7 и 8 собраны на операционных усилителях К140УД14. В качестве регистраторов 9 и 10 использованы самопишущие потенциометры КСП4.

5 Способ осуществляют следующим образом.

Образцы 3 и 4 перемещают с постоянной скоростью в пределах 2-10 мм/с. При этом происходит нагрев образцов 3 и 4 ис0 точником 1 энергии, Датчик 2 за счет колебания зеркала сканирующего устройства 5 сканирует тепловое излучение от поверхностей образцов 3 и 4 по прямой линии, пересекающей линию нагрева под прямым

5 углом. Импульсный сигнал датчика 2 усиливается усилителем 6. На выходе выпрямителя 7 формируется напряжение, равное амплитуде импульсов, а на выходе выпрямителя 8 - напряжение, равное среднему зна0 чению импульсов. Регистраторы 9 и 10 записывают на диаграммной ленте амплитудные и средние значения сигналов. На основе амплитудных значений определяют теплопроводность. Для определения темпе5 ратуропроводности определяют (например, по скорости вращения и шагу винтовой передачи подвижной платформы) скорость перемещения образцов 3 и 4 и зависимость координат точки визирования датчика 2 от

0 времени.

Рассмотрим случай равномерного движения точки визирования по траектории (фиг. 2). Поскольку максимальные значения сигнала датчика температуры Um (фиг. 26)

5 будут наблюдаться при пересечении траектории линии нагрева (фиг. 2а), то частота импульсов на выходе датчика будет в два раза выше частоты сканирования. Можно показать, что в этом случае формула (2) пре- образуется к следующему виду:

„....-.-м1.йл,- -ч

(3)

1+Ј Ј)У

где Ym - амплитуда колебаний

Графики функции Ч(Z) для нескольких значений параметра Ym/Xo приведены на фиг, 3.

П р и м е р . В качестве исследуемого образца используется пластина из оптиче- ского стекла Л Кб толщиной 60мм. С диаграммных лент самопишущих потенциометров 9 и 10 сняты значения амплитудного и среднего напряжений на выходе усилителя 6: Um 8,30 В, Ucp 0,625 В Отношение Ucp/Um равно 0,625/8,30 0,075. Скорость перемещения платформы с образцами равна V 2 мм/с. Расстояние отточки нагрева до точки пересечения траектории и линии нагрева и амплитуда колебаний точки визирования: Хо 20 мм, Ym 60 мм. По графику на фиг 3 для Ym/Xo 3 определяем 2. (0,075) 31. Подставив значения V, Хо. Z в формулу (1), получают:

а 0,65-10 6 м2/с.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом при использовании его в приборах для определения теплофизических свойств материалов обусловлена упрощением определения температуропроводности за счет замены сложной операции измерения длительности импульсных сигналов на уровне, составляющем фиксированную часть от амплитуды, более простой операцией определения среднего значения импульсного сигнала и соответствующим удешевлением устройства для осуществления способа.

Ф-ормула изобретения Способ определения температуропроводности материалов, включающий нагрев образцовточечным источником энергии, измерение теплового излучения от поверхностей образцов датчиком температуры при взаимном относительном перемещении по прямой линии образцов и датчика, жестко

5

10 15

связанного с источником энергии, периодическое сканирование теплового излучения от поверхностей образцов по траектории, не пересекающей точку нагрева, и с максимумом температуры, находящимся в точке пересечения с линией нагрева, измерение амплитудного значения импульсного сигнала датчика, определение скорости перемещения источника энергии относительно образцов и зависимости координат точки визирования датчика от времени, от л и ч а- ю щ и и с я тем, что с целью упрощения определения температуропроводности, одновременно с амплитудным значением измеряют среднее значение сигнала датчика, а температуропроводность а определяют по формуле

Я -

V -Хс

2 Z (Ucp/UnO1

где V - скорость перемещения источника относительно образцов;

Ucp и Um - среднее и амплитудное значение импульсных сигналов датчика;

Z (Ucp/Um) - функция, обратная функции ТО

30

W-) 4 } exPt-Z rifO + m + m2 . Т °(t)+ (,)

V

где t-время;

l(t) X(t)/Xo (-уравнения1 движения

m(t) Y(t)/Xj

точки визирования в относительных координатах;

Х X(t) (.- уравнения движения точки

Y Y(t)J

визирования в декартовых координатах XOY с центром в точке нагрева и осью х, совмещенной с направлением перемещения источника;

Хо - расстояние от точки нагрева до ближайшей точки пересечения линии нагрева и траектории сканирования;

Т - период сканирования.

Я

бШЗЭа

0,20 0,15 0,10 0,05.

/п

фиг.з