Устройство для прецизионного определения характеристик материала Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

VJ

Л СЛ

«л

СЛ

о

Использование: исследование физический свойств веществ и материалов, а именно устройства для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, непрозрачных и полупрозрачных для излучения нагрева. Сущность изобретения: в устройство, содержащее источник 2 импульсного нагрева, термопару 4, усилитель 5, дифференциатор 6, источник 8 опорного напряжения, первый 9 и второй 10 интеграторы, введены пять интеграторов 11-15, три компаратора 16, 17 и 18, экстрематор 7 и масштабный усилитель 19, что позволяет провести обработку экстрементальной термограммы кусочным интегрированием с заданным самим устройством постоянным шагом по времени, начиная с точки минимума второй производной от температуры по времени, что обеспечивает повышение точности измерений. 2 ил.

3

Изобретение относится к исследованию физических свойств веществ и материалов, а именно у устройствам для определения теплофизических свойств материалов на образцах в виде пластин, непрозрачных и полупрозрачных для излучения нагрева, и может быть использовано в исследовательских лабораториях материа- ловедческого профиля различных отраслей народного хозяйства.

Известны устройства для определения теплофизических характеристик Материалов, основанные на определении характеристического времени t - L /а и максимальной температуры Тт нагрева испытуемого образца после импульсного подвода энергии, которые при известной толщине образца L и известной поглощенной энергии нагрева Q позволяют рассчитать коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости. Большинство этих методов связано с дифференцированием экспериментальной термограммы, что, как известно, приводит к снижению точности конечных результатов

Наиболее близким техническим решением является известное устройство для определения теплофизических параметров материалов, выбранное в качестве прототипа, которое содержит импульсный источник нагрева, термопару, подключенную к усилителю, последовательно соединенные дифференциатор, нуль-орган и триггер, два интегратора, повторитель, умножитель и вычитатель, причем входы первого интегратора и повторителя соединены с выходом усилителя, а вход интегратора и повторителя подключены к входам умножителя, выход которого соединен с первым входом вычи- тателя, второй вход которого связан с входом первого интегратора, выход повторителя через дифференциатор и нуль- орган соединен с триггером, выход которого подключен к шинам Память повторителя, первого и второго интегратора.

Основным недостатком известного устройства является то, что интегрируется вся экспериментальная термограмма от момента времени t 0, когда сигнал невелик, а отношение шум/сигнал - велико, до момента t - tm, когда достигается максимальная избыточная температура и начинают сказываться тепловые потери, ведущие к понижению максимальной температуры, что в целом сказывается на точности расчетов. Более того, при получении расчетных формул использовались допущения о бесконечной малой длительности импульса нагрева

(б - импульс) и бесконечно малой глубине поглощения излучения нагрева в исследуемом материале, что в эксперименте зачастую не выполняется и приводит к ошибкам.

Таким образом, необходимо исключить

из обработки начальный участок термограммы и участок вблизи tm, а также устранить влияние длительности импульса и глубины поглощения излучения нагрева, сохранив

при этом принцип интегрирования экспериментальной термограммы,

Цель изобретения - повышениеЧочно- сти измерений.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит синхронизатор 1, источник 2 импульсного нагрева, исследуемый образец 3, размещенный между источником 2 импульсного нагрева и термопарой 4, усилитель 5, дифференциатор 6, экстре- матор 7, источник 8 опорного напряжения, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый

12, пятый 13, шестое 14 и седьмой 15 интеграторы, первый 16, второй 17 и третий 18 компараторы и масштабный усилитель 19.

На фиг. 1 обозначены сигнал 20 на выходе усилителя 5, сигнал 21 на выходе дифференцизтора б, сигнал 22 на выходе зкстрематора 7, сигнал 23 на выходе первого интегратора 9, сигнал 24 на выходе третьего интегратора 11, сигнал 25 на выходе первого компаратора 16, сигнал 26 на выходе четвертого интегратора 12, сигнал 27 на выходе второго компаратора 17, сигнал 28 на выходе пятого интегратора 13, сигнал 29 на выходе третьего компаратора 18.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени to с выхода синхронизатора 1 на вход источника 2 импульсного нагрева поступает сигнал, по которому он запускается, при этом тепловой поток поступает на исследуемый образец 3. Одновременно сигнал с выхода синхронизатора 1 поступает на первый управляющий вход первого интегратора 9, переводя его в режим интегрирования напряжения с выхода

источника 8 опорного напряжения. Температура на поверхности исследуемого образца 3, противоположной поверхности нагрева, измеряется термопарой 4, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 5

(фиг. 2 сигнал 20) и поступает на вход дифференциатора 6 и информационные входы второго 10, шестого 14 и седьмого 15 интеграторов. На выходе дифференциатора 6 по- является сигнал, пропорциональный

дифференциалу от температуры 1 (сигнал

21). С выхода дифференциатора 6 сигнал поступает на вход экстрематорэ 7, который определяет момент времени t прохождения второй производной сигнала на выходе дифференциатора б через минимум, при этом в момент времени t на выходе экстре- матора 7 формируется сигнал 22.

Первый 9, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 интеграторы своими информационными входами подключены к выходу ис- точника 8 опорного напряжения, поэтому сигналы на их выходах будут пропорциональны текущему времени. Первый интегратор 9 находится в состоянии накопления сигнала с выхода источника 8 опорного на- пряжения с момента времени to запуска устройства до момента времени t срабатывания экстрематора 7, после чего переходит в состояние хранения. С выхода первого интегратора 9 через масштабный усилитель 19 с коэффициентом усиления 0,1, накопленный сигнал (сигнал 23) подается на опорные входы первого 16, второго 17 и третьего 18 компараторов. В момент времени t срабатывания экстрематора 10 тре- тий интегратор 11, выход которого подключен к входу первого компаратора 16, переводится в состояние накопления сигнала с выхода источника 8 опорного напряжения, а второй интегратор 10 переводится в состояние накопления сигнала с выхода усилителя 5.

В момент времени ti совпадения уровней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и третьего интегратора 11 (сиг- нал 24) срабатывает первый компаратор 16 (сигнал 25) и переводит второй 10 и третий 11 интеграторы в режим хранения, четвертый 12 и шестой 14 интеграторы в режим накопления сигналов с выхода источника 8 опорного напряжения и соответственно усилителя 5.

В момент времени t2 совпадения уровней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и четвертого интегратора 12 (сигнал 26) срабатывает второй компаратор 17 (сигнал 27) и переводит интеграторы четвертый 12 и шестой 14 в режим хранения, Одновременно в режим накопления сигналов с выхода источника 8 опорного напря- жения и усилителя 5 соответственно переводится пятый 13 и седьмой 15 интеграторы,

В момент времени t3 совпадения уров- ней напряжения на выходах масштабного усилителя 19 и пятого интегратора 13 (сигнал 28) срабатывает третий компаратор 18 (сигнал 29), по которому пятый 13 и седьмой 15 переводятся в режим хранения.

Таким образом при импульсном нагреве излучением от источника 2 импульсного нагрева поверхности плоского теплоизолированного непрозрачного или полупрозрачного для излучения нагрева исследуемого образца 3 конечной толщины через количество поглощенной энергии Q кусочным интегрированием температурной кривой с заданным самим устройством постоянным шагом по времени Дг 0,1 тт , где t - to, начиная с момента времени t минимума второй производной от температуры Т по времени t, теплофизические характеристики исследуемого образца определяют по формулам:

а

п

Дг

In

12-И I3-I2

Q . (2 12 -11 -1 з) Ar

У Г

где 11 / Tdt - величина сигнде второго интегратора 10;

12

-

Jti

Tdt - величина сигнала на выходе шестого интегратора 14;

з

г

Jt2

Tdt- величина сигнала на выходе седьмого интегратора 15;

Аг- величина сигнала на выходе масштабного усилителя 19;

a, b, A - соответственно коэффициенты температуропроводности, теплоусвояемо- сти и теплопроводности материала исследуемого объекта 3;

у- объемная теплоемкость материала, исследуемого образца 3.

Соотношения (1) -(4) вытекают из решения задачи о распределении температуры Т в термически изолированной пластине конечной толщины L при подводе к одной из поверхностей энергии импульсом конечной длительности U, причем энергия Q поглощается в слое конечной толщины g исследуемого образца 3.

Решение для поверхности пластины, противоположной поверхности нагрева, получается с помощью импульсного коэффициента в виде

т &с «,- ет л Р-нИ )-

где m - натуральное число 1, 2, 3 ...

Опуская в этом ряду все члейы с m S2, что справедливо, начиная с точки минимума второй производной от температуры по времени, получаем усеченный до первого члена (т - 1) ряд

Т - K2exp(-t/ (6)

для идентификации теплофизических характеристик, причем

Q yt

2 sin fcu./L) . ехр(л:2аи/12)-1

Ki

К2

yig/L

яг2аи/12

г (л:2а).

Интегрируя (6) с шагом по времени Аг 0,1 tm, начиная с момента времени t. и проведя элементарные преобразования, получают расчетные формулы (1)-(4), в которых И. la, 1з, Аг определяются с помощью предлагаемого устройства.

Вычисление коэффициентов а, у. A, b по формулам (1) - (4) не представляет технической сложности и реализуется стандартными алгоритмами.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерений теплофизических характеристик материалов За счет устранения ошибок, вносимых длительностью импульса нагрева и глубиной поглощения излучения нагрева, сохранив преимущество известного устройства - помехозащищенность. Так, для исследованных при температуре Т 300 К образцов из вольфрама в виде дисков диаметром 20 - 32 мм и толщиной 1 - 2,03 мм, нагреваемым ла мпой-вспышкой ИФК-120 (длительность импульса 3 мс), имеющих значение коэффициента температуропроводности а 6,27 10 (м/с),получены следующие результаты. С помощью известного устройства, использующего интегрирование всей термограммы, значение измеряемого коэффициента, полученные как среднее из десяти измерений при надежности доверительного интервала, равной 0,997, составило а - (4,2 ±0,02) (м2/с) при толщине образца L 1,07 мм (т. е. отклонение от табличного значения равно 33 %) и а (6,41 ±0,02) (м2/с) при толщине образца L « 2,03 мм (отклонение от табличного равно 2,24 %).

Изморённое с помощью предлагаемого устройства соответствующее значение а

(6,38 ±0,02) (м2/с), т. е. отклонение от табличного значения равно 1,75 %, независимо от толщины образца.

Формула изобретения

Устройство для прецизионного определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, а также первый и второй интеграторы и источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений,

оно дополнительно Содержит экстрематор, пять интеграторов, масштабный усилитель и три компаратора, при этом информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника

опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом масштабного усилителя, а вход

масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго

компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход

управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого компаратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов,

выходом усилителя и входом дифференциа тора, выход которого соединен с входом экстрематора, а выход экстрематора соединен

с вторыми входами управления первого,

второго и третьего интеграторов, причем

выходы масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

и

20