Устройство для определения характеристик материалов

 

Устройство относится к техническим средствам измерения теплофизических характеристик твердых материалов. Сущность изобретения: устройство содержит источник импульсного нагрева, синхронизатор, термопару, измеряющую температуру поверхности образца, усилитель, дифференциатор, экстрематор, источник опорного напряжения, три интегратора, два компаратора, масштабный усилитель, блок памяти, переключатель, триггер, датчик длительности импульса нагрева. Срабатывание датчика фиксируется с помощью триггера. Первый компаратор срабатывает при равенстве сигнала на выходе масштабного усилителя, пропорционального интервалу времени от срабатывания датчика до момента времени, соответствующего точке перегиба температурной кривой, и сигнала на выходе интегратора, пропорционального интервалу времени от срабатывания датчика до текущего момента времени. Второй компаратор срабатывает при равенстве сигнала на выходе блока памяти, пропорционального температуре поверхности образца, измеряемой с помощью термопары, в момент времени срабатывания первого компаратора, и сигнала на выходе усилителя, пропорционального температуре поверхности образца после срабатывания первого компаратора. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счет определения характеристик образцов материалов, тонких в термическом отношении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известны устройства [1-5] для определения теплофизических характеристик твердых материалов. Устройства [1-5] предназначены для определения теплофизических характеристик образцов твердых материалов с помощью методов, не имеющих временных ограничений, вытекающих из соотношения между постоянной времени измерительной системы и характеристическим временем исследуемого объекта [6]: 4T=4,43•10^-3L²/a, где Т- постоянная времени измерительной системы; L - толщина исследуемого образца; a - коэффициент температуропроводности материала образца.

Если для исследуемых образцов, тонких в термическом отношении, т.е. имеющих малую толщину и (или) высокую температуропроводность (защитные покрытия и др.), соотношение (1) не выполняется, известные устройства не могут использоваться для определения теплофизических характеристик, что ограничивает их применение.

Известны устройства [7,8] для определения теплофизических характеристик твердых материалов, при использовании которых измерение температуры производится на той же стороне поверхности образца, на которую поступает тепловой поток источника импульсного нагрева. Устройства [7,8] при определении характеристик образцов материалов, тонких в термическом отношении, имеют малую чувствительность и малую величину отношения сигнал/шум вследствие невысокого уровня сигнала измерительной информации [9,10].

Известно устройство для прецизионного определения характеристик материалов [11], наиболее близкое по структуре к предлагаемому устройству, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, а также первый и второй интеграторы, источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом масштабного усилителя, а вход масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого компаратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов, выходом усилителя и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом экстрематора, а выход экстрематора соединен с вторыми входами управления первого, второго и третьего интеграторов, причем выходы масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

Для образцов материалов, тонких в термическом отношении, параметры которых не отвечают соотношению (1), применение устройства [11] невозможно.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для определения характеристик материалов за счет возможности определения характеристик образцов, тонких в термическом отношении, параметры которых не отвечают соотношению (1).

Для достижения поставленной цели из устройства [11] исключены четыре интегратора и компаратор, и дополнительно введены датчик длительности импульса нагрева, триггер, блок памяти и переключатель.

Предлагаемое устройство для определения характеристик материалов содержит источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, экстрематор, три интегратора, два компаратора, масштабный усилитель, источник опорного напряжения, при этом информационные входы первого и второго интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход второго компаратора соединен с первым входом управления третьего интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, пусковая клемма соединена с входом синхронизатора, выход которого соединен с первым входом управления переключателя и первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, а выход - с входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и вторым входом управления третьего интегратора, информационный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый информационный вход переключателя соединен с нулевой шиной, а второй информационный вход переключателя соединен с выходом усилителя и информационным входом блока памяти, вход управления которого соединен с выходом первого компаратора и вторым входом управления переключателя, а выход - с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с выходом переключателя.

Источник импульсного нагрева в предлагаемом устройстве содержит оптическую систему, которая фокусирует тепловой поток в форме кольца на поверхности исследуемого образца.

На фиг. 1 изображены схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, синхронизатор 2, термопару 3, измеряющую температуру поверхности образца 4, усилитель 5, дифференциатор 6, экстрематор 7, источник 8 опорного напряжения, интеграторы 9-11, компараторы 12, 13, масштабный усилитель 14, блок 15 памяти, переключатель 16, триггер 17, датчик 18 длительности импульса нагрева.

Источник 1 оптически связан с датчиком 18 и образцом 4, температура поверхности которого на тыльной стороне поверхности образца 4 в центре кольца, на котором фокусируется излучение источника 1, измеряется термопарой 3. Вход источника 1 соединен с выходом синхронизатора 2, первым входом управления переключателя 16 и первым входом триггера 17. Выход датчика 18 соединен с вторым входом триггера 17. Вход синхронизатора 2 соединен с пусковой клеммой. Термопара 3 соединена с входом усилителя 5. Выход усилителя 5 соединен с входом дифференциатора 6, информационным входом блока 15 и вторым информационным входом переключателя 16. Первый информационный вход переключателя 16 соединен с нулевой шиной. Выход триггера 17 соединен с входом управления первого 9 интегратора, вторым входом управления второго 10 интегратора и вторым входом управления третьего 11 интегратора. Второй вход управления переключателя 16 соединен с выходом первого 12 компаратора и входом управления блока 15. Выход блока 15 соединен с первым входом второго 13 компаратора. Второй вход второго 13 компаратора соединен с выходом переключателя 16. Информационные входы интеграторов 9-11 соединены с выходом источника 8 опорного напряжения. Выход дифференциатора 6 соединен с входом экстрематора 7. Выход экстрематора 7 соединен с первым входом управления второго 10 интегратора. Выход второго 10 интегратора соединен с входом масштабного усилителя 14. Выход масштабного усилителя 14 соединен с первым В1 выходом устройства и первым входом первого 12 компаратора. Второй вход первого 12 компаратора соединен с выходом первого 9 интегратора. Выход второго 13 компаратора соединен с первым входом управления третьего 11 интегратора. Выход третьего 11 интегратора соединен с вторым В2 выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала на пусковую клемму в момент времени t₀ (фиг.2) на вход источника 1 импульсного нагрева поступает сигнал с выхода синхронизатора 2. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток источника 1 фокусируется в форме кольца на поверхности образца 4. Одновременно сигнал с выхода синхронизатора 2 поступает на первый вход триггера 17 и первый вход управления переключателя 16. Триггер 17 устанавливается в такое состояние, при котором на его выходе, соединенном с входом управления первого 9 интегратора, вторым входом управления второго 10 интегратора и вторым входом управления третьего 11 интегратора, сигнал отсутствует. Интеграторы 9-11 находятся в режиме хранения, при этом сигналы на их выходах отсутствуют. Переключатель 16 устанавливается в такое состояние, при котором на втором входе второго 13 компаратора, соединенном с выходом переключателя 16, уровень сигнала равен нулю. На выходе второго 13 компаратора сигнал отсутствует.

Температура поверхности образца 4 измеряется термопарой 3, сигнал которой усиливается усилителем 5 и поступает на вход дифференциатора 6, второй информационный вход переключателя 16 и информационный вход блока 15. Блок 15 находится в режиме записи величины входного сигнала. На выходе блока 15 величина сигнала соответствует величине сигнала на выходе усилителя 5. С выхода дифференциатора 6 сигнал, пропорциональный производной по времени температуры Т поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, поступает на вход экстрематора 7. На выходе первого 12 компаратора сигнал отсутствует.

При срабатывании датчика 18 в момент времени t₁ сигнал с его выхода поступает на второй вход триггера 17, переводя триггер 17 в такое состояние, при котором появляется сигнал на его выходе. Сигнал с выхода триггера 17 поступает на вход управления первого 9 интегратора, второй вход управления второго 10 интегратора и второй вход управления третьего 11 интегратора, переводя интеграторы 9-11 в режим интегрирования сигнала, поступающего на их информационные входы с выхода источника 8. Величины сигналов на выходах интеграторов 9-11 пропорциональны интервалам времени, в течение которых интеграторы 9-11 находятся в режиме интегрирования.

Сигнал с выхода второго 10 интегратора через масштабный усилитель 14, коэффициент усиления которого k= 2, поступает на первый вход первого 12 компаратора. На второй вход первого 12 компаратора поступает сигнал с выхода первого 9 интегратора.

При срабатывании в момент времени t₂ экстрематора 7 сигнал с его выхода поступает на первый вход управления второго 10 интегратора, переводя второй 10 интегратор в режим хранения. С выхода второго 10 интегратора сигнал, величина которого U₁ пропорциональна интервалу времени τ₀ = t₂-t₁, поступает на вход масштабного усилителя 14. С выхода масштабного усилителя 14 на первый В1 выход устройства и первый вход первого 12 компаратора поступает сигнал, величина которого U₂ пропорциональна интервалу времени τ₁ = kτ₀ = 2(t₂-t₁). На второй вход первого 12 компаратора с выхода первого 9 интегратора поступает сигнал, величина которого U₃ пропорциональна текущему интервалу времени τ = t-t₁ где t - текущий момент времени.

В момент времени t₃, при котором τ = τ₁, величины U₂ и U₃ сигналов на входах первого 12 компаратора равны - U₂=U₃. Первый 12 компаратор срабатывает и на его выходе появляется сигнал, поступающий на вход управления блока 15 и второй вход переключателя 16. Блок 15 переводится в режим хранения. Переключатель 16 переводится в такое состояние, при котором сигнал, величина которого U₄ пропорциональна температуре Т поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, с выхода усилителя 5 через переключатель 16 поступает на второй вход второго 13 компаратора. На первый вход второго 13 компаратора с выхода блока 15 поступает сигнал, величина которого U₅ пропорциональна величине T₁ температуры поверхности образца 4, измеренной в момент времени t₃.

После срабатывания первого 12 компаратора в момент времени ₄, при котором Т=T₁, величины U₄ и U₅ сигналов на входах второго 13 компаратора равны - U₄=U₅. Второй 13 компаратор срабатывает и на его выходе появляется сигнал, поступающий на первый вход управления третьего 11 интегратора. Третий 11 интегратор переводится в режим хранения. С выхода третьего 11 интегратора сигнал, величина U₆ которого пропорциональна интервалу времени τ₂ = t₄-t₁, поступает на второй В2 выход устройства. Следовательно, после завершения работы устройства величина U₂ сигнала на первом В 1 выходе пропорциональна интервалу времени τ₁ = 2(t₂-t₁) = t₃-t₁, а величина U₆ сигнала на втором В2 выходе устройства пропорциональна интервалу времени τ₂ = t₄-t₁.

На фиг. 2 сверху вниз показаны временные диаграммы сигналов на выходах усилителя 5, датчика 18 длительности импульса нагрева, триггера 17, компаратора 12, интегратора 9, интегратора 10, компаратора 13, интегратора 11.

С помощью предлагаемого устройства при импульсном нагреве излучением от источника 1 импульсного нагрева части поверхности, имеющей форму кольца, плоского непрозрачного или полупрозрачного для излучения заданного диапазона длин волн источника импульсного нагрева 1 тонкопленочного с высокой температуропроводностью образца 4, можно определить интервалы времени τ₁ и τ₂, используемые для вычисления коэффициента температуропроводности материала образца 4 по формуле где R - средний радиус части поверхности образца 4 в форме кольца, на которой фокусируется тепловой поток источника 1.

Относительная погрешность определения величины коэффициента температуропроводности материала образца с помощью метода, реализованного предлагаемым устройством, не превышает 0,5-1,0% [12].

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять характеристики тонких в термическом отношении, т.е. имеющих малую толщину и (или) высокую температуропроводность, образцов твердых материалов, с приемлемой для практических целей точностью.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. А.с.СССР 694805, кл. G 01 N 25/18, 1979.

2. А.с.СССР 913196, кл. G 01 N 25/18, 1982.

3. А.с. СССР 1557499, кл. G 01 N 25/18, 1990.

4. А.с. СССР 2090872, кл. G 01 N 25/18, 1997.

5. А.с. СССР 2132548, кл. G 01 N 25/18, 1999.

6. Troitsky O.Yu. A new approach to the flash technique tor the remote sensing ot lauered materials //Mech. Compos. Mater. 1999. Vol. 35. N.3. P. 271 -276.

7. А.с. СССР 2108568, кл. G 01 N 25/18, 1998.

8. Патент РФ 2154268, кл. G 01 N 25/18, 2000.

9. Cielo P., Utracki L.A. and Lamontagne M. Thermal dittusivity measurements by converging thermal wave technique. Can. J. Phys., v.64, 1172 - 1177 (1986).

10. Womer E., Wild С., Muller - Sebert W., Funer M., Jehle M. and Koidl P. Electrically induced thermal transient experiments tor thermal dittusivity measurements on chemical vapor deposited diamond films. Rev. Sci. Instrum, vol. 69, 5, 2105-2109 (1998).

11. А.с. СССР 1755150, кл. G 01 N 25/18, 1992.

12. Troitsky O. Yu, Kirn S.W. et al. One - level two points method for estimation of thermal diftusivity by the converging thermal wave method. Proc. of the 4-th Korea - Russian Int. Symp. on Science and Technology, Part 3, June 27 - July 1,2000, Ulsan, Korea; pp. 184-189.

Формула изобретения

1. Устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, экстрематор, три интегратора, два компаратора, масштабный усилитель и источник опорного напряжения, при этом информационные входы первого и второго интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, выход которого соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора, выход второго компаратора соединен с первым входом управления третьего интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик длительности импульса нагрева, триггер, блок памяти и переключатель, при этом выход синхронизатора соединен с первым входом управления переключателя и первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, а выход - с входом управления первого интегратора, вторым входом управления второго интегратора и вторым входом управления третьего интегратора, информационный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый информационный вход переключателя соединен с нулевой шиной, а второй информационный вход - с выходом усилителя и информационным входом блока памяти, вход управления которого соединен с выходом первого компаратора и вторым входом управления переключателя, а выход - с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с выходом переключателя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник импульсного нагрева содержит оптическую систему, которая фиксирует тепловой поток источника импульсного нагрева в форме кольца на поверхности исследуемого образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2