Оптический дилатометр Советский патент 1992 года по МПК G01N25/16 

Изобретение относится к приборам для теплофизических испытаний и может быть использовано для исследования коэффициента теплового линейного расширения твердых материалов.

Известен оптический дилатометр, содержащий осветитель, нагревательное устройство, эталонную диафрагму, лазерный сканатор, частотомеры для съема промежуточных результатов.

При этом в качестве осветителя используется лазер, а в качестве нагревательного устройства - специальная печь.

Недостатками известного дилатометра . являются высокая стоимость за счет использования лазера и частотомеров, необходимость дополнительного расчета и точного измерения диафрагмы.

Наиболее близким по технической сущности является оптический дилатометр, содержащий последовательно связанные

между собой осветитель концов образца, нагревательное устройство с температурным датчиком, оптический блок, блок управления и устройство отображения. При этом осветитель выполнен на основе ртутной лампы высокого давления, нагревательное устройство представляет собой электропечь сопротивления для высоких температур или криостат для низких, микроскоп-компаратор МГ-1 используется в сочетании с фильтром и фотонасадкой МФН-1, блок управления представляет собой электроме- ханическую следящую систему, а устройство отображения выполнено в виде двухкоординатного самописца.

Недостатками известного устройства являются низкая надежность эксплуатации, недостаточная точность измерения КТЛР. небольшой диапазон рабочих температур.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих температур, повыXI

О 00

о

k

ГчЭ

СО

шения надежности в эксплуатации и точности измерений коэффициента температурного линейного расширения.

Указанная цель достигается тем, что оптический дилатометр, содержащий последовательно связанные между собой осветитель концов образца, нагревательное устройство с температурным датчиком, микроскоп-компаратор, блок управления и устройство отображения, дополнительно содержит две поворотные призмы и фотодиодную линейку, жестко установленные в микроскопе, и вычислительный блок, при этом блок, управления включает счетчик, мультиплексор, распределительное устройство, дешифратор, схему синхронизации и исполнительное устройство, при этом один вход фотодиодной линейки связан посредством двух поворотных призм через нагревательное устройство с осветителем, а другой - с мультиплексором, входы которого соединены со счетчиком и через дешифратор со схемой синхронизации, выход которой связан с входом распределительного устройства, другой вход которого связан со счетчиком, соединенным своим входом с фотодиодной линейкой; выход фотодиодной линейки связан с вычислительным блоком, другой выход которого подключен к исполнительному устройству, вход которого связан с распределительным устройством, а выход - со схемой синхронизации и осветителем, выход вычислительного блока связан с устройством отображения, другой вход которого связан с температурным датчиком.

В предлагаемом устройстве осуществляется регулирование временем задержки управляющих сигналов, подаваемых в определенной последовательности, а именно, сначала подают импульс на вывод стирания, .а затем импульс на вывод считывания. При таком порядке подачи управляющих импульсов путем измен-ения длительности временного интервала между ними можно регулировать чувствительность ФДЛ, что значительно расширяет динамический диапазон линейки, а следовательно, расширяет температурный диапазон измерений КТЛР.

Работой оптического дилатометра управляет блок управления, содержащий схему синхронизации, дешифратор, мультиплексор, счетчик, исполнительное устройство.

Все подблоки блока управления имеют между собой непосредственную электронную связь. Такое выполнение блока управления, в отличие от прототипа, где блок управления представляет собой усилитель и исполнительный механизм с механической

связью, дает возможность расширить пределы рабочих температур и повысить точность измерения.

В предлагаемом оптическом дилатометре микроскоп-компаратор устроен таким образом, что часть светового потока с помощью двух дополнительно установленных в микроскопе поворотных призм отводят на фотодиодную линейку, помещенную внутри

микроскопа, в котором с помощью микрофо- тонасадки изображение проецируется на фотоприемное устройство, находящееся вне микроскопа. Необходимость установки именно двух поворотных призм обусловлена законами оптики отображения предмета. Такое выполнение микроскопа-компаратора в дилатометре позволило производить визуальный контроль, не прерывая измерений КТЛР.

Вычислительный комплекс осуществляет оцифровку поступающих с исполнитель- ного устройства и ФДЛ данных и последующие вычисления по полученным отсчетам геометрических параметров образца, а также статистическую обработку результатов измерений Кроме того, на него возлагаются некоторые функции управления устройством при измерении КТЛР, например выдача управляющих сигналов на

блок управления, а также выдача результатов на устройство отображения.

На фиг. 1 схематически изображен

предлагаемый оптический дилатометр; на

фиг, 2 - изображение краев образца, формируемое на фотодиодной линейке.

В основу принципа устройства прибора положен теневой метод измерений, который предполагает оптическое проецирование изображения образца в плоскость

фотодиодной линейки.

Дилатометр содержит (фиг. 1) нагревательное устройство 1, представляющее собой, например, электропечь для высоких температур или криостат для низких; осветитель 2 конца образца для подсветки смот- ровых окон в виде обычных ламп накаливания; горизонтальный микроскоп- компаратор 3, например МГ-1, содержащий призмы 4, 5 и 6, телескоп 7, две дополнительно жестко установленные поворотные призмы 8 и 9 для проецирования изображения образца на фотодиодную линейку 10 в качестве фотоприемного устройства на основе интегральных многоэлементных фотоприемников, окуляров 11, блок управления 12, содержащий мультиплексор 13, счетчик 14, дешифратор 15, схему синхронизации 16, распределительное устройство 17 и исполнительное устройство 18; вычислительн ый блок 19, представляющий собой набор

цифроаналоговых элементов; устройство 20 отображения в виде осциллографа или самописца; температурный датчик 21.

Оптический дилатометр работает следующим образом.

Образец 22 исследуемого материала помещают в нагревательное устройство 1 таким образом, чтобы концы образца находились напротив сквозных смотровых окон. Образец освещают осветителем 2, состоящим из двух ламп накаливания по 20 Вт. Микроскоп-компаратор 3 наводят на концы образца.

Световой поток, преломленный призмами 4-6,попадает через телескоп 7 на допол- нительно установленную поворотную призму 8, которую предварительно юстируют, затем жестко закрепляют для проецирования части светового потока через призму 9 на фотодиодную линейку 10, а часть - в окуляр 11. Фотодиодная линейка 10 преобразует оптические сигналы в электрические оцифровки, В случае нагрева образца до температуры, при которой интенсивность излучения нагретого тела приближается к интенсивности излучения осветителей, исполнительное устройство 18, получив сигнал с фотидиодной линейки 10 через счетчик 14, распределительное устройство 17,автоматически отключает осветитель 2. При его отклонении исполнительное устройство 18 однвременно посылает сигналы на вычислительный блок 19 для перестройки работы дилатометра не по освещенной свободной области 23 (фиг. 2), а по нагретым, начавшим светиться концам образца 22, В том случае, когда температура образца достигает величины, при которой появляется свечение свободной области 23,v вследствие переотражения излучения концов образца от ограничивающих элементов и стенок печки, блок управления через счетчик 14, распределительное устройство 17 исполнительное устройство 18 схему синхронизации 16, дешифратор 15, мультиплексор 13 изменяет время при заданной температуре. Вычислительный блок 19 производит вычисления относительно изменения длины образца и выдачу результата как в цифровой форме, что позволяет производить дальнейшую машинную обработку результата, так и в аналоговой для непосредственного наблюдения относительного измерения длины образца на осциллографе или самописце.

Таким образом, изобретение обладает

рядом преимуществ по сравнению с известными, а именно

расширение диапазона рабочих температур от 0 до 2700 К;

надежность в эксплуатации;

повышение точности измерений 100- 200 нм.

15

Формула изобретения

Оптический дилатометр, содержащий последовательно связанные между собой осветитель концов образца, нагревательное устройство с температурным датчиком, микроскоп-компаратор, блок управления и устройство отображения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, повышения надежности в эксплуатации и точности измерения,

он дополнительно содержит две поворотные призмы и фотодиодную линейку, жестко установленные в микроскопе-компараторе, и вычислительный блок, при этом блок управления включает счетчик, мультиплексор

распределительное устройство, дешифратор, схему синхронизации и исполнительное устройство, при этом один вход фотодиодной линейки связан посредством двух поворотных призм через нагревательное устройство с осветителем, а другой - с мультиплексором, входы которого соединены со счетчиком и через дешифратор - со схемой синхронизации, выход которой связан с входом распределительного устройства, другой вход которого связан со счетчиком, соединенным своим входом с фотодиодной линейкой; выход фотодиодной линейки связан с вычислительным блоком, другой вход которого подключен к исполнительному устройству, вход которого связан с распределительным устройством, а выход - со схемой синхронизации и осветителем, выход вычислительного блока связан с устройством отображения, другой вход которого связан с температурный датчиком

j

2Ј

--1 н

&i

-FYS

(. V

Использование: исследование коэффициента теплового линейного расширения твердых материалов. Сущность изобретения: часть светового потока с помощью двух дополнительно установленных в микроскопе поворотных призм отводят на фотодиодную линейку, помещенную внутри микроскопа. Вычислительный комплекс осуществляет оцифровку поступающих с исполнительного устройства и фотодиодной линейки данных и последующие вычисления по полученным отсчетам геометрических параметров образца, статистическую обработку результатов измерений, функции управления устройством при измерении, например выдача управляющих сигналов на блок управления, а также выдача результатов на устройство отображения. 2 ил.

Ф«лг /