Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов

 

Изобретение относится к техническим средствам для определения теплофизических характеристик твердых материалов и может использоваться при исследовании свойств новых материалов, а также в тепловом неразрушающем контроле. Устройство содержит источник импульсного нагрева, два устройства измерения температуры, дифференциатор, фиксатор максимального сигнала, три устройства временной задержки, шесть запоминающих устройств, два интегратора, триггер, компаратор, переключатель и два логических элемента ИЛИ. Обеспечено повышение точности измерений. 2 ил.

Устройство относится к техническим средствам для определения теплофизических характеристик твердых материалов и может использоваться как при исследовании свойств новых материалов, так и в тепловом неразрушающем контроле.

Известны способы определения теплофизических характеристик твердых материалов, включающие импульсный нагрев образца в форме пластины и регистрацию температуры на поверхности, не совпадающей с поверхностью нагрева [1, 2] . Устройства для реализации известных способов измерения теплофизических характеристик твердых материалов включают источник импульсного нагрева (лазер, ксеноновую лампу и др.), средства измерения температуры поверхности исследуемого материала (термопары, оптические пирометры, ИК-детекторы), средства регистрации величины температуры поверхности (запоминающие осциллографы, самопишущие приборы, цифровые регистраторы и др.) [1,3].

Основным недостатком известных способов и устройств является невозможность создания строго поверхностного и мгновенного источника нагрева, что приводит к существенным погрешностям измерений и требует проведения дополнительных экспериментов для определения поправок на длительность импульса источника нагрева [4] , но не учитывающих глубину поглощения подводимой энергии, или нанесения специальных покрытий, в которых поглощается подводимая энергия [5] , реализующих условие поверхностного нагрева, но требующих учета влияния наносимого покрытия на измеряемые теплофизические характеристики и не исключающих погрешности, вносимые конечной длительностью импульса нагрева. Кроме того, для материалов с низким значением коэффициента температуропроводности нагрев образца короткими импульсами излучения не обеспечивает подвода такого количества энергии, которое необходимо для создания на обратной стороне образца величины температуры, достаточной для надежной регистрации. Увеличение количества подводимой энергии за счет увеличения плотности потока энергии приводит к разрушению материалов [6], что, в свою очередь, требует применения низкоинтенсивных источников энергии в течение конечного интервала времени с последующим введением поправок на длительность этого интервала времени.

Известен импульсный способ определения теплофизических характеристик [7] , в котором высокоинтенсивный световой импульс малой продолжительности поглощается фронтальной поверхностью термически изолированного образца известной толщины L, покрытого камфорной сажей, причем результирующая температурная кривая на обратной стороне образца записывается с помощью термопары на осциллографе; температуропроводность определяется по форме кривой в координатах температура-время на обратной стороне образца и рассчитывается по формуле где a - коэффициент температуропроводности; τ_0,5 - время, необходимое для достижения половины значения максимальной температуры на обратной стороне образца; теплоемкость находится по максимуму температуры, определенной с помощью термопары, а коэффициент теплопроводности - комбинацией теплоемкости, плотности и температуропроводности материала образца.

Известно устройство для измерения коэффициента температуропроводности методом оптической вспышки [8]. Известные способ и устройство имеют низкую производительность и точность измерения теплофизических свойств материалов, обусловленные конечностью длительности импульса нагрева, конечностью глубины поглощения подводимой энергии и приближенным характером формулы (1), которой эти факторы не учтены. Невозможно применение известного устройства к широкому классу материалов, в частности, к материалам с низкой температуропроводностью и к материалам, полупрозрачным для излучения источника нагрева.

Таким образом, известные устройства не обеспечивают высокую точность определения теплофизических характеристик твердых материалов.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение устройства для комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов.

Для получения необходимого технического результата в устройство для комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов, содержащее источник импульсного нагрева, два устройства измерения температуры, первое из которых измеряет температуру поверхности образца из материала с неизвестными теплофизическими характеристиками, противоположной поверхности нагрева, а второе - температуру поверхности эталона из материала с известными теплофизическими и оптическими характеристиками, нанесенного на поверхность образца со стороны поверхности нагрева, дифференциатор, фиксатор максимального сигнала, три устройства временной задержки, шесть запоминающих устройств, два интегратора, триггер и компаратор, причем входы первого и второго запоминающих устройств объединены и подключены к входу дифференциатора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого запоминающих устройств и входу фиксатора максимального сигнала, выход которого подключен к входу первого устройства временной задержки, выход первого запоминающего устройства подключен к первому входу первого интегратора, второй вход которого подключен к выходу третьего запоминающего устройства, а выход - к первому входу компаратора, выход второго запоминающего устройства подключен к первому входу второго интегратора, второй вход которого подключен к выходу четвертого запоминающего устройства, а выход - к первому выходу устройства и второму входу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, второй вход которого подключен к первым управляющим входам первого и второго интеграторов и управляющим входам второго и четвертого запоминающих устройств, а выход - к вторым управляющим входам первого и второго интеграторов, выход второго устройства временной задержки подключен к входу третьего устройства временной задержки, управляющий вход первого запоминающего устройства соединен с управляющим входом третьего запоминающего устройства, дополнительно введены переключатель и два логических элемента ИЛИ, причем выход первого устройства измерения температуры подключен к первому входу переключателя, второй вход которого подключен к выходу второго устройства измерения температуры, а выход - к входу дифференциатора, выход фиксатора максимального сигнала подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго устройства временной задержки, а выход - к управляющему входу первого запоминающего устройства, выход первого устройства временной задержки подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего устройства временной задержки, а выход - к второму входу триггера, выход второго интегратора подключен к входу пятого запоминающего устройства, первый управляющий вход которого подключен к входам источника импульсного нагрева и второго устройства временной задержки, первому управляющему входу переключателя, третьему входу триггера и пусковой клемме, выход компаратора подключен к второму управляющему входу пятого запоминающего устройства, выход которого подключен к второму выходу устройства, вход шестого запоминающего устройства подключен к выходу триггера, а выход - к третьему выходу устройства, выход второго логического элемента ИЛИ подключен к второму управляющему входу переключателя.

На чертежах (фиг. 1, фиг. 2) изображены: фиг. 1 - схема устройства; фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, устройства 2,3 измерения температуры образца 4 и эталона 5, переключатель 6, дифференциатор 7, фиксатор 8 максимального сигнала, устройства временной задержки 9-11, логические элементы ИЛИ 12, 13, запоминающие устройства 14 - 19, интеграторы 20, 21, триггер 22, компаратор 23.

Источник 1 оптически связан с эталоном 5 из материала с известными теплофизическими и оптическими характеристиками, температура поверхности которого измеряется устройством 3. Температура поверхности образца 4, на другой поверхности которого закреплен эталон 5, измеряется устройством 2. Вход источника 1 соединен с входом устройства временной задержки 10, первым управляющим входом запоминающего устройства 19, первым управляющим входом переключателя 6, третьим входом триггера 22 и пусковой клеммой "ПУСК". Выход устройства 2 соединен с первым входом переключателя 6. Выход устройства 3 соединен с вторым входом переключателя 6. Второй управляющий вход переключателя 6 соединен с управляющими входами запоминающих устройств 16, 17, первыми управляющими входами интеграторов 20, 21, вторым входом триггера 22 и выходом логического элемента ИЛИ 13. Выход переключателя 6 соединен с входом дифференциатора 7 и входами запоминающих устройств 14, 16. Выход дифференциатора 7 соединен с входом фиксатора 8 максимального сигнала и входами запоминающих устройств 15, 17. Выход фиксатора 8 соединен с входом устройства временной задержки 9 и с первым входом логического элемента ИЛИ 12. Выход устройства временной задержки 10 соединен с входом устройства временной задержки 11 и с вторым входом логического элемента ИЛИ 12. Выход логического элемента ИЛИ 12 соединен с управляющими входами запоминающих устройств 14, 15. Выход запоминающего устройства 14 соединен с первым входом интегратора 20. Выход запоминающего устройства 15 соединен с вторым входом интегратора 20. Выход запоминающего устройства 16 соединен с первым входом интегратора 21. Выход запоминающего устройства 17 соединен с вторым входом интегратора 21. Выход устройства временной задержки 9 соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 13. Выход устройства временной задержки 11 соединен с вторым входом второго логического элемента 13. Выход триггера 22 соединен с вторыми управляющими входами интеграторов 20, 21 и входом запоминающего устройства 18. Выход запоминающего устройства 18 соединен с третьим выходом устройства. Выход интегратора 20 соединен с первым входом компаратора 23. Выход интегратора 21 соединен с вторым входом компаратора 23, входом запоминающего устройства 19 и первым выходом устройства. Выход компаратора 23 соединен с вторым управляющим входом запоминающего устройства 19 и первым входом триггера 22. Выход запоминающего устройства 19 соединен с вторым выходом устройства.

Процесс определения теплофизических характеристик твердых материалов с помощью предлагаемого устройства включает три этапа. На первом этапе осуществляется определение количества тепла Q, поглощенного образцом при нагреве его с помощью источника импульсного нагрева. Для определения количества поглощенного тепла необходимо выполнить следующие операции (фиг. 2): измерение избыточной температуры с лицевой стороны образца, на которую нанесен эталон известной толщины из материала с известными теплофизическими и оптическими свойствами и которая нагревается источником импульсного нагрева, задание временного интервала (0-t₁) после включения источника импульсного нагрева, запоминание значения температуры и скорости изменения температуры в момент времени t₁ (точка A₁), формирование промежутка времени t₂-t₁; запоминание значения температуры и скорости изменения температуры в момент времени t₂ (точка B₁), формирование касательных к температурной кривой в точках A₁ и B₁, фиксация момента времени t_m1 сравнения касательных и определение минимальной избыточной температуры T_m1. На втором этапе осуществляется определение величин, необходимых для вычисления теплофизических характеристик. С этой целью необходимо выполнить следующие операции (фиг. 2): измерение избыточной температуры тыльной стороны исследуемого образца, нагреваемого с лицевой стороны источником импульсного нагрева, определение точки перегиба (точка A₂) температурной кривой; запоминание значения температуры и скорости изменения температуры в точке перегиба, которой соответствует момент времени t_n, формирование промежутка времени τ_c= t_c-t_n ; запоминание значения температуры в момент времени t_c (точка B₂); формирование касательных к температурной кривой в точках A₂ и B₂ фиксация момента времени t_m2 сравнения касательных, определение промежутка времени τ = t_m2-t_c и максимальной избыточной температуры T_m2. На третьем этапе производится вычисление по известным соотношениям количества тепла, поглощенного образцом, и теплофизических характеристик образца на основе измеренных значений τ , T_m1, T_m2.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 4 толщиной L₁, на который предварительно нанесен эталон 5 толщиной L₂ из материала с известными теплофизическими и оптическими свойствами, непрозрачный для излучения нагрева, нагревают со стороны эталона 5 с помощью источника 1 импульсного нагрева. При подаче сигнала на клемму "ПУСК" устанавливаются в исходное состояние переключатель 6 и триггер 22, устанавливается в режим записи запоминающее устройство 19 и производится запуск источника 1. Исходному состоянию переключателя 6 соответствует такое состояние, при котором выход устройства 3 подключается через переключатель 6 к входам дифференциатора 7 и запоминающих устройств 14, 16. Исходному состоянию триггера 22 соответствует такое состояние, при котором сигнал на его выходе отсутствует. Со стороны поверхности нагрева эталона 5 избыточная температура измеряется устройством 3. Сигнал с выхода устройства 3 поступает через переключатель 6 на входы запоминающих устройств 14 и 16, а также на вход дифференциатора 7. На выходе дифференциатора 7 формируется сигнал по скорости изменения температуры поверхности эталона 5, который подается на входы запоминающих устройств 15 и 17. В момент запуска устройства сигнал с клеммы "ПУСК" поступает также на устройство временной задержки 10, которое выполнено на базе одновибратора с триггером, запускаемым с одновибратора задним фронтом импульса длительностью τ₁ . На выходе устройства временной задержки 10 фиксируется момент времени t₁> τ₁ . Импульс с устройства временной задержки 10 через логический элемент ИЛИ 12 поступает на управляющие входы запоминающих устройств 14,15, разрешая своим задним фронтом запоминание сигналов по температуре поверхности эталона 5 и скорости изменения этой температуры соответственно в момент времени t₁. Одновременно импульс с устройства временной задержки 10 запускает устройство временной задержки 11, выполненное аналогично устройству временной задержки 10. На выходе устройства временной задержки 11 формируется импульс длительностью τ₂= t₂-t₁ причем где a₂ - температуропроводность материала эталона 5. Импульс с выхода устройства временной задержки 11 через логический элемент ИЛИ 13 поступает на управляющие входы запоминающих устройств 16,17, первые управляющие входы интеграторов 20, 21, второй вход триггера 22 и второй управляющий вход переключателя 6. При поступлении на управляющие входы запоминающих устройств 16, 17 с выхода устройства временной задержки 11 через логический элемент ИЛИ 13 заднего фронта импульса в запоминающих устройствах 16, 17 производится запоминание сигналов по температуре поверхности эталона 5 и скорости изменения этой температуры соответственно в момент времени t₂. Интеграторы 20, 21 в момент времени t₂ переводятся в режим интегрирования. Переключатель 6 при поступлении сигнала на его второй управляющий вход устанавливается в такое состояние, при котором выход устройства измерения температуры 2 подключается через переключатель 6 к входу дифференциатора 7 и к входам запоминающих устройств 14, 16. Триггер 22 перебрасывается в такое состояние, при котором появляется сигнал на его выходе. Этот сигнал поступает на вход запоминающего устройства 18, сбрасывая его в исходное (нулевое) состояние и переводя в режим определения длительности интервалов времени.

На входы интеграторов 20 и 21 подаются сигналы по скорости изменения температуры поверхности эталона 5 в моменты времени t₁ и t₂ с запоминающих устройств 15 и 17 соответственно, а на входы начальных условий интеграторов 20 и 21 - сигналы по температуре поверхности эталона с запоминающих устройств 14 и 16 в те же моменты времени. На выходах интеграторов 20 и 21 появляются линейно падающие напряжения, отображающие касательные к температурной кривой в моменты времени t₁ и t₂ (фиг. 2), которые поступают на входы компаратора 23. При равенстве этих напряжений на выходе компаратора 23 появляется сигнал, который поступает на первый вход триггера 22, перебрасывая его в исходное состояние. Одновременно сигнал с выхода компаратора 23 поступает на второй управляющий вход запоминающего устройства 19, переводя его в режим хранения ("память"). Задним фронтом импульса с триггера 22, поступающего на вторые управляющие входы интеграторов 20, 21, интеграторы 20 и 21 переводятся в режим "память". Напряжения на выходах интеграторов 20 и 21 после срабатывания компаратора 23 соответствуют величине T_m1, которая сохраняется в запоминающем устройстве 19. Задним фронтом импульса с триггера 22, поступающего на вход запоминающего устройства 18, осуществляется перевод запоминающего устройства 18 в режим хранения. В запоминающем устройстве 18 сохраняется значение длительности временного интервала τ_m= t_m1-t₂ .

Избыточная температура поверхности образца 4 со стороны, на которой эталон 5 отсутствует, измеряется устройством 2. Сигнал с устройства 2 после срабатывания переключателя 6 поступает на входы запоминающих устройств 14 и 16, а также на вход дифференциатора 7. На выходе дифференциатора 7 формируется сигнал по скорости изменения температуры поверхности образца 4, который подается на входы запоминающих устройств 15 и 17 и на вход фиксатора 8 максимального сигнала. Фиксатор 8, предназначенный для определения момента времени появления максимального сигнала, реализован на базе дифференциатора и нуль-индикатора с триггером, работающим по раздельному входу. Импульс с выхода фиксатора 8 поступает через первый логический элемент ИЛИ 12 на управляющие входы запоминающих устройств 14, 15, разрешая запоминание сигналов по температуре поверхности образца 4 и скорости изменения этой температуры соответственно в момент времени t_n, соответствующий точке перегиба (точка A₂) температурной кривой. Одновременно импульс с фиксатора 8 поступает на вход устройства временной задержки 9, выполненное аналогично устройству 10. На выходе устройства временной задержки 9 формируется импульс длительностью τ_c≅ 0,1t_n, который через логический элемент ИЛИ 13 поступает на управляющие входы запоминающих устройств 16, 17, первые управляющие входы интеграторов 20, 21 и второй вход триггера 22. При поступлении на управляющие входы запоминающих устройств 16, 17 с выхода устройства временной задержки 9 через логический элемент ИЛИ 13 заднего фронта импульса в запоминающих устройствах 16, 17 производится запоминание сигналов по температуре поверхности образца 4 и скорости изменения этой температуры соответственно в момент времени t_c. Интеграторы 20, 21 переводятся в момент времени t_c в режим интегрирования. Триггер 22 перебрасывается в такое состояние, при котором появляется сигнал на его выходе. Этот сигнал поступает на вход запоминающего устройства 18, сбрасывая его в исходное состояние и переводя в режим определения длительности интервалов времени.

На входы интеграторов 20 и 21 подаются сигналы по скорости изменения температуры поверхности образца 4 в моменты времени t_n и t_c (фиг. 2) с запоминающих устройств 15 и 17 соответственно, а на входы начальных условий интеграторов 20 и 21 - сигналы по температуре поверхности образца 4 с запоминающих устройств 14 и 16 в те же моменты времени. На выходах интеграторов 20 и 21 появляются линейно возрастающие напряжения, отображающие касательные к температурной кривой в моменты времени t_n и t_c (фиг. 2), которые поступают на входы компаратора 23. При равенстве этих напряжений на выходе компаратора 23 появляется сигнал, который поступает на первый вход триггера 22, перебрасывая его в исходное состояние. Задним фронтом импульса с триггера 22, поступающего на вторые управляющие входы интеграторов 20, 21, интеграторы 20 и 21 переводятся в режим "память". Напряжения на выходах интеграторов 20 и 21 после срабатывания компаратора 23 соответствуют величине T_m2, которая поступает на второй выход устройства. Задним фронтом импульса с триггера 22, поступающего на вход запоминающего устройства 18, осуществляется фиксация момента времени t_m2, соответствующего окончанию временного интервала τ = t_m2-t_c . В запоминающем устройстве 18 сохраняется значение, соответствующее длительности временного интервала τ .

После второго срабатывания компаратора 23 и переброса триггера 22 на выходы устройства поступают сигналы, соответствующие по величине измеренным значениям τ , T_m1, T_m2, которые используют для вычисления теплофизических характеристик материала образца 4 по известным соотношениям.

Таким образом, устройство, имея упрощенную структуру, производит измерение необходимых для вычисления теплофизических характеристик материала образца величин с повышенной точностью, обусловленной наличием одного измерительного тракта.

Источники информации 1. Taylor R. E., Maglic K.D. Pulse method for thermal diffusivity measurement. - Compendium of Thermophysical PropertyMeasurement Methods. V.1.: Survey of Measurement Techniques. New York; London: Plenum Press, 1984, pp. 305-336.

2. А.с. СССР N 911278, МКИ G 01 N 25/18, 1980.

3. А.с. СССР N 785702, МКИ G 01 N 25/18, 1979.

4. Cape J. A., Lehman G.W. Temperature and finite pulsetime effects in the flash method for measuring thermal diffusivity. -J.Appl.Phys., v.34, N 7, 1963, pp.1909-1913.

5. А.с. СССР N 873088, МКИ G 01 N 25/20, 1980.

6. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1975, с. 24-38.

7. Parker W.J. а.о. Flash method of defermiming thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity. -J. Appl. Phys., v.32, N 9, 1961, pp. 1679-1684.

8. Пат. Японии N 59-22172, МКИ G 01 N 25/18, 1984.

Формула изобретения

Устройство для комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов, содержащее источник импульсного нагрева, два устройства измерения температуры, первое из которых измеряет температуру поверхности образца из материала с неизвестными теплофизическими характеристиками, противоположной поверхности нагрева, а второе измеряет температуру поверхности эталона из материала с известными теплофизическими и оптическими характеристиками, нанесенного на поверхность образца со стороны поверхности нагрева, дифференциатор, фиксатор максимального сигнала, три устройства временной задержки, шесть запоминающих устройств, два интегратора, триггер и компаратор, причем входы первого и второго запоминающих устройств объединены и подключены к входу дифференциатора, выход которого подключен к входам третьего и четвертого запоминающих устройств и входу фиксатора максимального сигнала, выход которого подключен к входу первого устройства временной задержки, выход первого запоминающего устройства подключен к первому входу первого интегратора, второй вход которого подключен к выходу третьего запоминающего устройства, а выход - к первому входу компаратора, выход второго запоминающего устройства подключен к первому входу второго интегратора, второй вход которого подключен к выходу четвертого запоминающего устройства, а выход - к первому выходу устройства и второму входу компаратора, выход которого подключен к первому входу триггера, второй вход которого подключен к первым управляющим входам первого и второго интеграторов и управляющим входам второго и четвертого запоминающих устройств, а выход - к вторым управляющим входам первого и второго интеграторов, выход второго устройства временной задержки подключен к входу третьего устройства временной задержки, управляющий вход первого запоминающего устройства соединен с управляющим входом третьего запоминающего устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит переключатель и два логических элемента ИЛИ, причем выход первого устройства измерения температуры подключен к первому входу переключателя, второй вход которого подключен к выходу второго устройства измерения температуры, а выход - к входу дифференциатора, выход фиксатора максимального сигнала подключен к первому входу первого логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу второго устройства временной задержки, а выход - к управляющему входу первого запоминающего устройства, выход первого устройства временной задержки подключен к первому входу второго логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего устройства временной задержки, а выход - к второму входу триггера, выход второго интегратора подключен к входу пятого запоминающего устройства, первый управляющий вход которого подключен к входам источника импульсного нагрева и второго устройства временной задержки, первому управляющему входу переключателя, третьему входу триггера и пусковой клемме, выход компаратора подключен к второму управляющему входу пятого запоминающего устройства, выход которого подключен к второму выходу устройства, вход шестого запоминающего устройства подключен к выходу триггера, а выход - к третьему выходу устройства, выход второго логического элемента ИЛИ подключен к второму управляющему входу переключателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2