Устройство для исследования фазовых переходов веществ в разреженной среде

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАН1Ш ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЕЩЕСТВ В РАЗРЕЖЕННОЙ СРЕДЕ, содержащее камеру формирования образца с электронагревателем , термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкои и источник постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью изучения динамики испарения исследуемых образцов, катушка электромагнитного привода выполнена в виде трех обмоток , две из которых образуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему измерения, а третья соединена последовательно с одной из обмоток и подключена совместно с ней к источнику постоянного тока, при этом камера формирования образца выполнена в виде вертикально установленного цилиндра, закрытого с обоих концов затворами в виде пробок, имеющих на наружной W поверхности упругие кольцевые герметизирующие выступы, и прикреплена нижней пробкой к подпружиненному плунжеру, а верхняя пробка соединена с противовесом.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Н9)80(и) 1 1 2 2

С О1 N 25/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTHA

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "

Н АВТОБУСНОМУ СВИДЕТВЪСТВМ (21) 3581149/24-,25 (22) 11.04.83 (46) 23.10.84. Бюл. Р 39 (72) М.И.Ильин, В.И.Алексеев, В.И.Игнатенко, В.Д.Малыгин и В.Л.Рогинский (71) Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения (53) 543.27(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 406152, кл. С 01 И 25/58, !973.

2. Авторское свидетельство СССР

11 515979, кл. G 01 И 25/08, 1976 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВЕЩЕСТВ В РАЗPEEEhH0A СРЕДЕ, содержащее камеру формирования образца с электронагревателем, термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкой и источник постоянного тока, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью изучения динамики испарения исследуемых образцов, катушка электромагнитного привода выполнена в виде трех обмоток, две из которых образуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему измерения, а третья соединена последовательно с одной из обмоток и подключена совместно с ней к источнику постоянного тока, при этом камера формирования образца выполнена в виде вертикально установленного цилиндра, закрытого с обоих концов затворами в виде пробок, имеющих на наружной поверхности упругие кольцевые герметизирующие выступы, и прикреплена нижней пробкой к подпружиненному плунжеру,.а верхняя пробка соединена с противовесом.

) 120228

I) 10

30

50

Изобретение относится к исследованию процессов тепло- и массообмена при фазовых превращениях веществ в вакууме и может быть использовано при исследованиях процессов сублимации различных веществ в условиях пониженных давлений и низких температур.

Известно устройство для изучения фазовых превращений веществ в вакууме, содержащее вакуумплотную прозрачную камеру с расположенным внутри испарителем и средства регистрации фазовых превращений вещества. В испаритель помещают навеску исследуемого вещества и из камеры выкачивают воздух. Происходящие при этом фазовые превращения вещества регистрируют с помощью оптических средств через прозрачные стенки камеры, а температурный режим внутри камеры фиксируют с помощью термопар (11..

Данное устройство не позволяет обеспечить определенные, заранее заданные начальные параметры вещества на момент начала эксперимента, так как процесс подготовки среды в камере сопровождается одновременно тепло- и массообменом вещества с окружающей средой, что приводит к изменению его температуры и массы до создания начальных условий среды.

Указанный нецостаток устраняетея в устройствах, в которых навески испытуемого вещества с известными начальными параметрами мгновенно помещается в заранее подготовленную вакуумироваиную среду с заданными исходными параметрами.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для исследования фазовых переходов вещества в разреженной среде, содержащее камеру формирования образца с электронагревателем термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкой и источник постоянного тока.

В известном устройстве подготавливают исследуемый образец вещества в камере формирования, при этом с помощью электронагревателя устанав.ливают начальные параметры образца.

Затворы отделяют внутреннюю полость

Камеры формирования от среды термобарокамеры. С помощью быстродействующего электромагнитного привода камеру формирования вскрывают, и образец вещества оказывается в той среде, которая была заранее подготовлена в объеме термобарокамеры. Процесс, фазовых превращений вещества регистрируют визуально, а температуру — с помощью термопары (2) .

Недостатком известного устройства является то, что о динамике процесса испарения исследуемого образца — капли можно судить лишь по изменению ее внешней формы, например, визуальным наблюдением через про. эрачную стенку камеры формирования.

К тому же данное устройство формирует исследуемый образец вещества в жидком виде, только сферической фор.мы и небольшого объема. Полученные результаты исследований трудно распространить на исследуемые вещества больших объемов, а также на случаи, когда они заключены в упаковки, откуда испаряются, т.е. на реальные образцы, используемые для создания искусственных образований в атмосфере. !

Цель изобретения — излучение динамики испарения исследуемых образцов, максимально приближенных к натурным.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для исследования фазовых переходов веществ в разреженной среде, содержащем камеру формирования образца с электронагревателем, термопарой, затворами, электромагнитный привод с подпружиненным плунжером и катушкой и источник постоянного тока, катушка электромагнитного привода выполнена в виде трех обмоток, две из которых образуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему измерения, а третья соединена последовательно с одной из обмоток и подключена совместно с ней к источнику постоянного тока, при этом камера формирования образца выполнена в виде вертикально установленного цилиндра, закрытого с обоих концов затворами в виде пробок, имеющих на наружной поверхности упругие кольцевые герметизирующие выступы, и прикреплена нижней пробкой к подпружиненному а плунжеру, а верхняя пробка соединена с противовесом.

Предлагаемое устройство позволяет фиксировать не только время полного испарения образца и регистрировать динамику процесса уноса вещества с поверхности испарения. В камере формирования подготавливают исследуемый образец, близкий по фор1120228

2S ме и объему к натурному образцу, используемому для созданий искусственных образований в атмосфере. Процесс испарения из капсул исследуют с учетом влияния материала, из которого изготовлеМЬ1 капсулы.

На чертеже схематически представлено предлагаемое устройство.

Устройство содержит термобарокамеру 1, подставку-штатив 2 с формирователем образца исследуемого вещества, выполненным в виде камеры формирования, состоящей иэ вертикально установленной цилиндрической трубки 3 с входящими внутрь нее с обоих концов нижним 4 и верхним 5 затворами. Внутри камеры формирования помещено исследуемое вещество 6, которое занимает часть внутреннего объема камеры, а в остальной частисвободный объем 7. Для герметичной посадки затворов-пробок 4 и 5 на их цилиндрических поверхностях выполнены упругие концентрические выступы 8. На концах цилиндрической трубки 3 выполнены винтовые зажимы

9, фиксирующие пробки 4 и 5. На внешней поверхности трубки 3, в зоне посадки нижней пробки 4 и в зоне формирования образца исследуемого вещества размещен электронагрева30 тель 10. На площадке 11 штатива 2 размещен электромагнитный привод, состоящий из подпружиненного плунжера 12 и катушки 13. Подпружиненный плунжер 12 содержит площадку 14, 35 на которой закреплен нижней пробкой

4 формирователь образца. Верхняя пробка 5 соединена посредством гибкой связи 15 с противовесом 16, масса которого превышает суммарную мас- 40 су трубки 3 и верхней пробки 5. Гибкая связь 15 перекинута через блоки 17, закрепленные на штативе 2.

Через отверстия в нижней пробке 4 для измерения температуры исследу- 45 емого вещества 6 введены термопары

18. Герметичность ввода проводов термопар 18 обеспечивается клеем-герметиком. Катушка 13 электромагнитного привода состоит из трех обмо- 50 ток 19-21, две из которых 19 и 20 образуют индуктивный датчик перемещений и включены в мостовую схему 22 измерения. Третья же обмотка 2! соединена последовательно с одной иэ обмоток, например 20, и подключена совместно с ней переключателем 23 к источнику постоянного тока. Это подключение исполыуют для вскрытия камеры формирования в контролируемый момент времени, а также для демпфирования колебаний подпружиненного плунжера 12 после вскрытия. Перемещение противовеса !6 вверх ограничивается упором 24, закрепленным на подставке-штативе 2, Устройство работает следующим образом.

В камеру формирования с установленной нижней пробкой 4 при давлении 1 атм помещают исследуемое вещество 6, устанавливают верхнюю пробку 5, герметично отделяя камеру формирования от остального объема термобарокамеры 1, и приводят тем самым устройство в исходное положение, как показано на чертеже.

При этом в камере формирования оставляют рассчитанный свободный объем ?, а одну из пробок 4 или 5 фиксируют винтовым зажимом 9, например, в случае исследования интенсивности испарения вещества, находящегося в жидком состоянии, фиксируют нижнюю пробку 4, предоставляя этим возможность открыться верхней пробке 5.

Вскрытие камеры формирования производят путем понижения давления среды в термобарокамере. Благодаря избыточному давлению газов, находяшихся в свободном объеме 7, верхняя пробка 5 выталкивается. При исследованиях вещества, находящегося в замороженном виде, замораживание его можно произвести понижением температуры среды в термобарокамере. При этом исследуемое вещество примет форму цилиндра у нижней пробки 4. Для изучения интенсивности испарения замороженного образца 6 не только с торцовой, но и с цилиндрической поверхности, вскрытие камеры формирования производят при скрепленных между собой зажимом 9 трубке 3 и верхней пробке 5, осуществляя этим разъем только по нижней пробке 4.

Перед вскрытием включают электронагреватель 10 и в полости камеры устанавливают начальную температуру..

В процессе замораживания образца возможно его примерзание к стенкам трубки 3 и поэтому для исключения

"заедания" при вскрытии камеры производят электронагревателем 10 подтаивание образца в местах контакта его с трубкой 3.

1120228

В контролируемый момент времени,. когда давление в термобарокамере в процессе откачки буцет подходить к расчетному для вскрытия, нижняя обмотка 20 катушки датчика вместе 5 с обмоткой 21 переключателем 23 подключаются к источнику постоянного тока. Создаваемое катушкой 13 электромагнитное поле. втягивает плунжер !2, который заставляет дви- >0 гаться вниз площадку 14 с нижней пробкой 4 и скрепленное с ней замороженное вещество 6. Упор 24 не позволяет перемещаться вниз трубке 3, формирующей образец. В процессе !5 вскрытия камеры цилиндрическая трубка 3 оттягивается вверх от исследуемого образца 6 под действием противовеса 16. Обмртки 20-и 21, работая в режиме "электромагнитный при- 20 вод", кроме вскрытия камеры участвуют и в электромагнитном демпфировании колебаний подпружиненной площадки 14. Эти колебания могут возникать в результате резкого вскры- 25 тия камеры формирования. После вскрытия камеры и осуществления демпфирования колебаний исследуемого вещества работу катушки 13 переводят в режим "измерение",отключив обмотки 20 и 2! от источника постоянного тока.

По мере испарения вещества 6 и уменьшения его первоначального веса подпружиненная площадка 14 нереме— 35 щается вверх.. Величина перемещения площадки за время измерения (а значит и интенсивность испарения вещества) фиксируется прибором, включенным в мостовую схему измерения.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем. Предлагаемое устройство позволяет исследовать количественно ди намику процесса испарения 1сублима\ 45 ции) вещества в условиях низких давлений и температур. Конструкция камеры формирования позволяет подготовить испытуемый образец, близкий по форме и объему к натурному, предназначенному для создания искусственных образований в атмосфере. Устройство позволяет ворьировать количеством вещества, подвергающегося испарению, и подбирать наилучшие конструктивные характеристики моделей образцов, предназначенных для летных испытаний. Измерение тех или иных параметров среды метеоприборами, как правило, проводится на различных высотах. Вскрытие капсул для создания искусственных образований в атмосфере можно осуществлять различным способом. Без дополнитель.ных энергозатрат можно вскрывать капсулы в том случае, если использовать перепад между давлениями внутри капсулы и атмосферным на соответствующей высоте. Вскрытие капсулы на заданной высоте требует строго определенного усилия, приложенного к запирающему устройству каждой капсулы. Для вскрытия камеры формирования в предлагаемом устройстве также используется наличие перепада давпения между газом в свободном объеме камеры и объемом термобарокамеры. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет моделировать механизм вскрытия, ампул с реагентом, находящихся на борту летательного аппарата, для любой высоты полета. Возможность оперативного моделирования реальных условий в термобарокамере позволяет легко имитировать величины разрежений, соот- . ветствующие определенным высотам под поверхностью Земли, и для этих условий подбирать усилия вскрытия затворов.

Это повышает достоверность проводимых экспериментов, а также сокращает количество ракет, необходимых для доставки капсул с реагентом на строго определенную высоту, l i2О228

14

73

Составитель С.Беловодченко

Техред М.Тепер

Редактор А.Хозориз

Корректор О.Билак

Подгисное

Заказ 773l/31 Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по. делам изобретений и открытий

Il3О35, Москва, Ж-35, Раужская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

12

Ю

Р7