Способ определения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел Советский патент 1979 года по МПК G01N25/16 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЮ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Изобретение относится к измерительной технике иможет быть использовано при определении температурного коэффициента линейного расширения (т.к.л.р.) ;.деталей различной конфигурации. Известен способ определения т.к.л.р. твердых тел путем сравнения относительных удлинений двух одинаковых образцов при последовательном изменении их температуры и измерении кх теплового расширенйя 1.Однако этот способ не позволяет производить измерения на конкрет , ных деталях, так как требуется изготав.пкватъ одинаковые образцы из одного и того же материала. Образцы должны бы определенных размеров и конструкции. Ближайшим техническим решением является способ определения т.к.л.р. твердых тел, основанный на измерении периода свободных колебаний твердого тел.:-, подвешенного на струне 2, Однако этот способ но пригоден для измерения т.к.л.р. материалов миниатюрных деталей из-за больиюй погрешности, неизбежно возникающей при измерении изменения мальгх интервалов времении неизохронности свободных колебаний при малых. количествах---движения. Ограниченное применение способа связано с низкой точностью измерения , а также со сложностью йЗМёритель1аЬго тракта устройства, основанного на нём (сложная оптическая система индикации, оптический y шoж{ГТель). Для обеспечения приемлемой точности необходимо произвести 1ООО и более измерений. Цель изобретения - повышение точноети определения т.к.л.р. миниатюрных деталей сложной конфигурации и снижение трудоемкости процесса измерения. Поставленная цель достигается тем, что телу сообщают вьгаужденные крутильные колебания на резонансной частоте при фиксировайной амплитуде, затем сни мают частотные сигналы при двух заданных температурах и по частотной зависнмости т.к.л.р. определяют искомый параметр. - . . Эта зависимость вытекает из следук .щего. При изменении температуры твердого теяа вследствие теплового расширения изменяется его момент инерции относи- тепьно фиксированной оси. Это изменение может быть определено по формуле AI 1а-Ii (©2-«i) тп/)2-2л(в2-в,), где Ij и 1 поййрные KfOMeftTbi инерции тела относительно фиксированной оси при значениях Тгемпературы тела, соответственно 2 и 1:- тп - масса тела; / - радиус инерции тела при 1} ot - т.к.л.р. тепа. .., Из выражения (1):,.;„ /Резонйнсныё частоты вынужценнйх крутильных колебаний при температурах : ®1 и Qg связаны с моментами инер ции тела следующими зависимостями: (3) - при ©ч V IT l Из выражений (2), (3) и (4) опредеяяется расчетная формула для т,к.. 2(в,-0.) Способ реализуется с помбшью устгройства, схематично показ йнного на Чертеже. Исследуемое тело I уста нав ЯйваеТ ся и закрепл яется на., гшаншайбе 2, Которая жестко соедин;ена с ротором 4 вибратора крутильных колебаний. При этом планшайба 2 соединена при помойй упрутх элементов 3с неподвижньтм основанием. Обмотка вибратора крутйльньпс колебаний 5 соединена с обмоткой датчика 7 при помо.щй усилителя 6, на один вы.ход кбторого подключен частотомер 8, а на другой-контрольно-измерительный прибор, например осциллограф 10. На вь1ходе частотомера подключен вычислительный блок 9, при помощи которого вьсчисляется температурный коэффициент линей ного расширения, .. . Устройство работает по следующему принципу. Система ротор 4 вибратора - планшайба 2 - исследуемое тело 1 из-за наличия механических возмущений окружаю- щей среды совершает затухающие колебания на собственной частоте. При включении усилителя 6 усиливаются восприни- маемьш обмоткой датчика 7 колебания системы. Усиленный сигнал подается на обмотку вибратора крутильных колебаний, 5, который возбуадает в системе вынужденные крутильные колебания на собственной частоте. Фазовое соотношение сигнала от датчика И сигнала, подаваемого на обмотку вибратора, а также коэффициёнт усиления усилителя 6 подобраны так, чтобы система ротор 4 вибратора - Планшайба 2 -: -исследуемое тело 1 совершала незатухающие крутильные колебания на собственной частоте т. е. при поМО 1ЦИ усилителя 6 осуществляется полбжитёлбная обратная Связь между датчиком 7 и вибратором 5, Из-за наличия огра ниченного коэффициента усиления в систегЛё устанавлива.ются вьтужденные ко- леб|анйя с соответствующей постоянной йкошйтудой,: : .V. Способ осуществляется В следующей посйёдъватгёльности. : : л Исследуемое .тело 1 устанавливается и ЭЙ1 рёпййё%я на планшайбе 2. Устанавпивается температура исследуемого тела. QI .Включается усилитель и система совершает вынужденные колебания на собственной частоте i, При по,мощи контрольно-измерительного прибора 10 измеряется соответствующая амплитуда крутильных колебаний системы. Измеряется частота fj и подается на В1МчйСлй ельньй блок 9. Изменяется температура до ©2. Устанавливается та же самая амппй уда крутвльньгх колеба нйй, как и при частоте Ли измеряет-:ся частота jf. Данные частоты fj, подаются на вычислительный блок, в котором до расчётной формуле вычисляется т..р. Для исключения погрешности, вызванной измейё.ййем жесткости подвеса при вариациях температуры, в качестве упругого элемента используют пластины из материала, размеры и модуль упругости которого не изменяются с изменением температуры {например, инвар). С этой же целью используют тарировку схемы с эталоном, выполненным из однородного материала, Т.К.Л.Р. которого известен. Таким образом, измеряя резонансную частоту вынужденных крутильных колебаний (при фиксированной амплитуде) испытуемой детали, жестко закрепленной на упругом подвесе, определяют т.кл.р. материала детали. Пример. Пусть требуется измерить Т.К.Л.Р. материала ротора малогабаритного эпектродвигатёля. Момент инерции ротора относительно оси вращения I ai 0,8 Гсм/с угловая жесткость подвесастенда С-7в8, 77к10 .Гсм/рад. При измерений резонансной .частоты крутильных колебаний при комнатной температуре получено t 500 Гц. После нагрева и выдержки при температуре +120С fjs 499,38 Гц. По формуле (5) определяем т.к.л.р. материала ротора .38 2(120-20) 499,38 ; я12,4-10-« Исполь;ууя для измерения частоты крутил ных колебаний чдстотомер-.хронометр типа Ф-5080, погрешность которого в заданном диапазоне частот не превышает 0,01 Гц, и фиксируя температуру ротора с помошью датчика 11 с точностью не хуже 0,1 С, погрешность определения т.к.л,р. составит не более 1,6%. Использование предлагаемого способа определений т.к.л. р. материалов обеспечивает возможность измерения т.к.л.р. материала деталей сложной конфигурации и малых, габаритов без их разрушений, так как не требуется изготавливать специальные образцы, возможность измерять эквивалентный т.к.л.р. деталей и у.злоЕ выполненных из различных материалов, высокою точность, низкую трудоемкость, а также возможность автоматизации процесса измерения. Это обеспечивает повышение качества и надежности контроля материалов, используемых в деталях и узлах точных приборов, при исследованиях и в условиях производств а. Формула изобретений Способ определения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел, основанный на определении изменений частот при изменении температуры исследуемого тела, о т Л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности;определения температурного коэффициента линейного расширения миниатюрных Деталей сложной конфигурации и снижения трудоёмкости процесса измерения, телу сообщают вынужденные крутильные колебания на резонансной частоте прв фиксированной амплитуде, затем снимают частотные сигналы при двух заданных температурах и по частотной зависимости температурного коэффициента линейного расширения определяют искомый параметр. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № , кл. Q dlN 25/16, 1971. 2.Патент США № 3.192.763, кл. 73-16, 1965 (прототип).

.j gE:iy.. ,.-.,;frci,

.ч. бЙЗгаСг

V - .. ,,у,-,.:,

, :«V