Устройство для определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

жащее источник теплового потока круглого сечения, первый выход которого соединен с первым входом модулятора теплового потока, второй выход - с входом измерителя мощности теплового потока, блок управления модулятором, выход которого соединен со вторым входом модулятора теплового потока, вакуумную камеру с установленными в ней образцом,,и датчиком температуры, выход которого соединен с первым входом из- мерителя фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности теплового потока, первый выход - с первым входом регистратора, второй выход -с первым входом оптимизатора, первый выход оптимизатора соединен с входом блока управления модулятором, второй выход - со вторым входом регистратора, введен блок регулирования диаметра теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом модулятора теплового потока, второй вход - с третьим выходом оптимизатора, первый выход - С входом вакуумной камеры, второй выход - со вторым входом оптимизатора, второй выход модулятора теплового потока соединен с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, третий выход модулятора теплового потока соединен с четвертым входом измерителя фазы и амплитуды.

Введение блока регулирования диаметра теплового потока позволяет автоматически регулировать диаметр теплового потока при изменении толщины исследуемых об- разцой, что повышает точность определения теплофизических свойств материалов, образцов, расширяет функциональные возможности и улучшает энергетические и мас- согабаритные показатели устройства.

Отличительные от прототипа признаки определяют новизну устройства.

В науке и технике не обнаружены решения со сходными отличительными признаками. Следовательно, это решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения теплофизических свойств материалов.

На фиг, 2 представлены зависимости фазы и амплитуды от частоты для разной степени искажения температурной волны.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 теплового потока круглого сечения, первый выход которого соединен с первым входом модулятора 2 теплового потока, второй вход модулятора 2 теплового потока соединен с выходом блока управления 3 модулятором. Первый выход модулятора 2 теплового потока соединен с первым входом блока 4 регулирования диаметра теплового потока.

Первый выход блока 4 регулирования диаметра теплового потока 4 соединен с вакуумной камерой 5, в которой установлен образец 6,передняя сторона которого через

вход вакуумной камеры 5 связана (оптически) с первым выходом блока 4 регулирова- ния диаметра теплового потока 4, а обратная сторона - с датчиком 7 температуры, выход которого через разъем вакуумной

камеры 5 соединен с первым входом измерителя фазы и амплитуды 8, первый выход которого соединен с первым входом регистратора. Второй выход измерителя фазы и амплитуды 8 соединен с первым входом onтимизатора 10. Первый выход оптимизатора 10 соединен с входом блока управления модулятором 3, второй выход оптимизатора 10 соединен со вторым входом регистратора 9, третий выход оптимизатора 10 соединен со

вторым входом блока регулирования диаметра теплового потока 4, второй вход блока регулирования диаметра теплового потока 4, второй вход оптимизатора 10 соединен со вторым выходом блока регулирования диаметра теплового потока, 4,. Второй выход источника теплового потока круглого сечения 1 соединен с входом измерителя мощности теплового потока 11, выход которого соединен с вторым входом измерителя фазы и

амплитуды 8. Третий вход измерителя фазы и амплитуды 8 соединен с вторым выходом модулятора теплового потока 2, четвертый вход - с третьим выходом модулятора теплового потока 2.

В устройстве в качестве источника теплового потока круглого сечения 1 использован ОКГ непрерывного действия типа ИЛТН-708. Модулятор теплового потока 2 выполнен в виде дискового обтюратора, посаженного иа вал шагового двигателя, скорость вращения которого задает частоту модуляции теплового потока.

В состав модулятора теплового потока 2 входит шаговый двигатель с насаженным на

вал диском и два фотоэлектронных блока, один из которых вырабатывает на втором выходе модулятора теплового потока 2 непрерывно с частотой и логический сигнал, связанный с пропусканием или перекрыва

нием дисклм модулятора теплового потока

2 лазерного луча, другой формирует на третьем выходе модулятора теплового потока 2 счетные импульсы с частотой 256 м, жестко связанные с фазой положения диска

модулятора теплового потока 2. Счетные импульсы поступают на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды 8.

С второго выхода модулятора теплового потока 2 на третий вход измерителя фазы и

амплитуды 8 поступает .опорный сигнал, однозначно определяющий фазу теплового потока на выходе модулятора теплового потока 2, и является опорным колебанием, по отношению к которому отсчитывается фаза колебаний температуры обратной поверхности образца 6, регистрируемых датчиком температуры 7 и подаваемых на первый вход измерителя фазы и амплитуды 8.

Блок управления модулятором 3 содержит генератор кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер, распределитель импульсов и усилитель импульсов, соединенные последовательно в порядке перечисления (на чертеже не показаны) и обеспечивающие по первому выходу работу шагового двигателя в соответствии с требованиями к нему.

Блок регулирования диаметра теплового потока 4 представляет собой фокусирующую линзу из прозрачного для лазерного излучения материала, расположенную на расстоянии Г от образца 6, причем механизм, приводимый в движение шаговым двигателем, производит перемещение линзы вдоль оптической оси, изменяя тем самым расстояние I в соответствии с подаваемым на второй вход блока регулирования диаметра теплового потока А кодом. Изменение расстояния I приводит к.изме- нению диаметра лазерного луча, попадающего в плоскость образца Д, причем

„ - I - F I n F F 1

где n - отношение диаметра Д к диаметру лазерного луча на первом выходе блока регулирования диаметра теплового потока 4,

F - фокусное расстояние линзьк

Примененные в устройстве элементы имеют следующие параметры:

d 6 мм

F 107 мм

I - 150-400 мм.

следовательно, блок регулирования диаметра теплового потока 4 позволяет изменять величину Д в диапазоне от 3 до 18мм. Кроме линзы и механизма с шаговым двигателем в состав блока регулирования диаметра теплового потока 4 входит схема управления, преобразующая цифровой код, поступающий на второй вход, в соответствующее чис- ло импульсов движения шагового двигателя. После завершения выполнения команды на втором выходе схема управления формирует единичный логический уровень, сигнализирующий об этом передающийся на второй вход оптимизатора 10. Вакуумная камера 5 представляет собой вакуумную печь типа СШВА в комплексе с регулятором температуры типа ВРТ- 3 и с программным зддатчиком температуры. Исследуемый образец 6 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к ди- 5 аметру более, чем 1:10, В качестве датчика температуры 7 может быть использована термопара типа ВР5/20 или быстродействующий пирометр. Измеритель фазы и амплитуды 8 выполнен в виде цифрового прибора.

0 В качестве регистратора 9 использован диалоговый вычислительный комплекс ДВК- ЗМ с периферийным оборудованием для визуализации и документирования результатов исследования. Оптимизатор 10 реали5 зован в виде цифрового автомата, который производит вычисления по формулам и вырабатывает сигнал (цифровые коды), управляющие блоком регулирования диаметра теплового потока 4 и блоком управления

0 модулятором 3 з соответствии с алгоритмом измерений так, чтобы минимизировать погрешности измерения тепло- и температуропроводности. Коды, соответствующие минимальной частоте колебаний теплового

5 потока и максимальному диаметру теплового потока, хранятся в памяти автомата.

Измеритель мощности теплового потока 11 представляет собой прецизионное фотоприемное устройство, регистрирующее

0 долю излучения источника теплового потока 1. Относительные изменения теплового потока фиксируются измерителем мощности теплового потока 11 и передаются на второй вход измерителя фазы и амплитуды 8 для

5 коррекции результатов измерения.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

После достижения требуемых условий эксперимента (необходимой степени разре0 жения в вакуумной камере 5 и температуры образца 6) в порядке подготовки к проведению измерений оператор с помощью клавиатуры вводит в память оптимизатора 10 ориентировочные значения начальной час5 тоты модуляции («нач. и диаметра теплового потока. Днач. По команде Пуск оптимизатор 10 на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру тепло.вого потока. При отсутствии заданно0 го значения Днач, устанавливается код, соответствующий максимально возможному значению Д, что может несколько увеличить время измерений. Этот код поступает на второй вход:блока регулирования диаметра

5 теплового потока 4, где с помощью схемы управления приводится в действие шаговый двигатель, передвигающий фокусирующую линзу с помощью механизма в положение, обеспечивающее заданный кодом диаметр - теплового потока. После завершения этого

движения на втором выходе блока регулирования диаметра теплового потока 4 формируется логический уровень 1, поступающий на второй вход оптимизатора 10. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора 10 в первом также вырабатывается код, пропорциональный , посту- пающий на вход блока управления модулятором 3, а именно на вход программирующего таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов, приводящих во вращение со строго постоянной скоростью шаговый двигатель модулятора теплового потока 2. Диск модулятора теплового потока 2 обеспечивает путем периодического перекрытия пучка излучения ОКГ единичную модуляцию теплового потока по амплитуде с заданной частотой и скважностью. Кроме того, первый Фотоэлектронный блок на чертеже не показан, входящий в состав модулятора теплового потока

2, обеспечивает на третьем выходе модулятора теплового потока 2 равномерную последовательность счетных импульсов, причем на один период колебаний мощности теплового потока приходится 256 импульсов. Счетные импульсы подаются на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды 8, производящего отсчет значения сигнала, поступающего на его первый входе датчика температуры 7, при появлении каждого счетного импульса. Со второго выхода модулятора теплового потока 2 поступает логический сигнал, сформированный вторым фотоэлектронным блоком, и подается на третий вход измерителя фазы и амплитуды 8, где используется в качестве опорного сигнала. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодействуя с передней поверхностью исследуемого образца 6, возбуждает в нем колебания температуры, которые при помощи датчика температуры 7 преобразуются в электрические сигналы, поступающие на первый вход измерителя фазы и амплитуды 8, где определяется амплитуда О и фаза pie.. первой гармоники по отношению к логическому сигналу, а также средняя температура Тобразца 6, Кроме того, измеритель фазы и амплитуды 8, принимая через второй вход сигнал с выхода измерителя мощности теплового потока 11, на основании известных параметров закона модуляции и частоты модуляции определяет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока О. Измеренные указанным образом значения величин pjeic. О, Т и Q передаются в память регистратора 9, а значение . передается, кроме , с зторегс выходя измерителя фазы и амплитуды на первый вход оптимизатора 10,

Во втором такте оптимизатор 10 заново производит установку частоты:

+

где Ло 5,76

-.- 1 } (Инач

V7,3 чр-11.46 -0,112

Частота устанавливается до тех пор, пока не выполнится условие:

15

Дш ш

S0,t

Обычно для выполнения этого условия требуется не более 3 итераций. 20 В третьем такте определяется диапазон изменения частоты по формуле

25

юцвч. - ftJD 0.6234 «Окон. - сао -2,329,

где too - установившаяся во втором такте частота модуляции.

В пределах этого диапазона производят измерение на гГ частотах, причем величина п устанавливается оператором. Обычно п 4-8.

На этих частотах опрёделеятся амплитуда и фаза поступающего с датчика темпера- туры 7 на первый вход измерителя фазы и амплитуды 8 сигнала температуры обратной поверхности образца 6.

После завершения измерений во всем заданном диапазоне частот модуляции при начальном диаметре теплового потока оптимизатор Ю проводит сравнение зависимостей фазы и амплитуды от частоты с расчетными зависимостями $ ш)ибЦ о).

Предполагается, что температуропро- водность - а - не зависит от частоты (ш).

Тогда получаем:

#ю) Ь -vT+450,

(1)

где f - частота модуляции, Гц; в свою очередь:

д- 180

ь

(2)

55 еде 3 - толщина образца, м;

а - температуропроводность, м2/с;

(«)

е-Р

с р О-о)

(3)

в свою очередь:

К

Ср р 5

(4)

где д - плотность мощности теплового потока,

Ср - теплоемкость образца, кад/м ;

р- плотность образца, кг/м3. В том случае, если зависимости р(а) и в(а)) подчиняются законам (1), (3) и амплитуда колебаний температуры обратной поверхности образца меньше заданной, оптимизатор 10 в соответствии с алгоритмом работы формирует на своем третьем выходе код, соответствующий уменьшению диаметра теплового потока. После завершения исполнения команды вновь проводятся измерения на тех же частотах с оценкой вида зависимостей фазы и амплитуды от частоты и сравнением уровня сигнала с заданным значением. Процесс уменьшения диаметра теплового потока прекращается после выполнения одного из двух условий:

1.Амплитуда колебаний температуры на обратной поверхности образца больше или равна заданной, (Обычно амплитуда колебаний температуры выбирается так, чтобы в 5-10 раз пре.восходить шум регистрирующего тракта и составляет, как правило 1-10К. При необходимости могут быть использованы иные критерии).

2.Диаметр теплового потока мал настолько, что происходит заметное искажение изотермической поверхности за счет бокового теплоотвода. В этом случае наибольшим искажением подвергаются длинные волны, т.е. возбуждаемые на нижних частотах модуляции, причем наличие искажений за счет бокового теплоотвода приводит к уменьшению фазового запаздывания по сравнению с неискаженным значением, определяемым ло формуле (1). Характерные зависимости фазы и амплитуды от частоты для разной степени искажения температурной волны представлены на фиг. 2.

Алгоритм оценки оптимизатором 10 степени искажения зависимостей фазы и амплитуды от частоты построен так, чтобы процесс выбора диаметра теплового потока заканчивался при достижении зависимостями р(а) и в(со) вида 2 (фиг. 2). Эти зависимости характерны тем, что в пределах погрешности измерения отсутствуют отклонения от законов (1), (3) на оптимальных частотах и выше, т.е.р 140°. Оптимальные измерения осуществляются при р 140°. На частотах ниже оптимальных присутствуют искажения температурной волны, что выражается в отклонении зависимостей f(o и в(ш) от законов (1), (3). При этом в рогистра- тор 9 дня расчета теплофизических характеристик передаются только неискаженные 5 значения, т.е. от tp - 140° и выше.

Если по какой-либо причине происходит недопустимое искажение температурной волны (например, слишком малый диаметр теплового потока, изменение свойств об- 0 разца), зависимости ip (а) и О (о)} будут иметь отклонения от законов (1), (3) на частотах ftfcpt и выше. В этом случае, а также в случае превышения величиной заданного значения, оптимизатор 10 формирует команду на

5 увеличение диаметра теплового потока и производит измерения после приведения зависимостей р (а) и &(ш) к виду 1 или 2.

Начальный процесс выбора диаметра теплового потока обычно не превышает 3-4

0 шага, на что требуется 5-15 мин в зависимости от частоты. Дальнейшая корректировка, компенсирующая изменение свойства образца во время эксперимента, обычно осуществляется на 1 шаг.

5 После завершения выбора диаметра теплового потока оптимизатор 10 переходит в режим измерений и производит заданное число измерений на частоте OJbpt или нескольких частотах в диапазоне + 2 ufept

0 в зависимости от программы эксперимента, осуществляемой оператором. После завершения этих измерений результаты измерения фазы, амплитуды, а также значения частот, на которых были произведены эти

5 измерения, передаются в регистратор 9. Оптимизатор 10 переходит к выполнению измерений в следующей точке, начиная с уже установленного значения диаметра теплового потока.

0Измерения ТФС образцов показали

следующее. При определении ТФС TL-ПИИХ образцов (толщиной 0,1 мм) с высокой отражающей способностью ( F. 50,1) и теплопроводностью более 60 Вт/м К (вольфрам,

5 молибден) путем уменьшения диаметра теплового потока до 1 мм достигается выигрыш по точности в сравнении с известной установкой (мощность лазера 100 Вт. диаметр теплового потока 12 мм) более; чем на поря0 док. Кроме того, изобретение позволяет определять ТФС материалов с высокой теплопроводностью (до 300 8т/м.к).

При измерении образцов из композиционных материалов (толщина 3-5 мм, Ј 0,6,

5 Д, 1 Вт/м-к) достигается выигрыш поточности в 2 раза по сравнению с известной уста- ноакой за счет увеличения диаметра теплового потока до максимального. Кроме того, по виду частотной зависимости фазы и

амплитуды при максимальном диаметре теплового потока можно судить о наличии или отсутствии погрешности измерения, обусловленной искажением температурной волны из-за конечного размера теплового потока.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность определений теплофизических свойств материалов.

Формула изобретения Устройство для определения теплофи- зических свойств материалов, содержащее источник теплового потока, первый выход которого соединен с первым входом модулятора теплового потока, второй выход - с входом измерителя мощности теплового потока, блок управления модулятором, выход которого соединен с вторым входом модулятора теплового потока, вакуумную камеру с установленными в ней последовательно соединенными образцом и датчиком температуры, выход которого соединен с первым

входом измерителя фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности теплового потока, первый выход - с первым входом регистратора, второй выход - с первым входом оптимизатора, первый выход оптимизатора соединен с входом блока управления модулятором, второй выход - с вторым входом регистратора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,

с целью повышения точности определения теплофизических свойств материалов, в него введен блок регулирования диаметра теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом модулятора

теплового потока, второй вход - с третьим выходом оптимизатора, первый выход - с входом вакуумной камеры, второй выход - с вторым входом оптимизатора, второй выход модулятора теплового потока соединен с

третьим входом измерителя фазы и амплитуды, третий выход модулятора теплового потока - с четвертым входом измерителя фазы и амплитуды.

Область использования: техническая физика для комплексных измерений тепло- физических свойств материалов в широком диапазоне температур. Сущность изобретения: для повышения точности определения теплофизических свойств материалов в устройство, содержащее источник теплового потока круглого сечения, модулятор теплового потока, блок управления модулятором, вакуумную камеру с установленными в ней образцом и датчиком температуры, измеритель фазы и амплитуды, регистратор, оптиИзобретение относится к технической физике и может быть использовано для комплексных измерений теплофизических свойств (ТФС) материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. мизатор, измеритель мощности теплового потока, введен блок регулирования диаметра теплового потока. По команде Пуск оптимизатор на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру теплового потока. При отсутствии заданного значения Днач устанавливается код, соответствующий максимально возможному значению Д. Этот код поступает на второй вход блока регулирования диаметра теплового потока. На втором выходе блока регулирования диаметра теплового потока формируется логический уровень 1, поступающий на второй вход оптимизатора. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора в первом такте вырабатывается код, пропорциональный Онач, поступающий на вход блока управления модулятором. На третьем выходе модулятора теплового потока обеспечивается равномерная последовательность счетных импульсов, которые подаются на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды, производящего отсчет значения сигнала, поступающего на его первый вход с датчика температуры, при появлении каждого счетного импульса. 1 с.п. ф-лы. 2 ил. Целью изобретения является повышение точности определения теплофизических свойств материалов. Указанная цель достигается тем, что р известное устройство для определения теплофизических свойств материалов, содерОС СА О Оч ы N СО

Фиг. 1

tf,qnte,K

16 ь),рад/с