Устройство для определения характеристик материалов
Использование: для определения характеристик материалов. Сущность: заключается в том, что устройство для определения характеристик материалов дополнительно содержит второй экстрематор, при этом второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора. Технический результат: упрощение конструкции устройства, повышение точности измерений, надежности работы и удобства использования. 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. 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. Патент РФ №2090872, кл. G 01 N 25/18, 1997.
5. Патент РФ №2132548, кл. G 01 N 25/18, 1999.] 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. Troitsky O.Yu. A new approach to the flash technique for the remote sensing of layered materials // Mech. Соmр. Mat., vol.35, №3, pp.271-276 (1999).]:
где Т - постоянная времени измерительной системы,
L - толщина исследуемого образца,
а - 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 [1-5] не могут использоваться для определения теплофизических характеристик материалов, что ограничивает их применение.
Известны устройства [7. Патент РФ №2108568, кл. G 01 N 25/18, 1998. 8. Патент РФ №2154268, кл. G 01 N 25/18, 2000] для определения теплофизических характеристик твердых материалов, при использовании которых измерение температуры производится на той же стороне поверхности образца, на которую поступает тепловой поток от источника импульсного нагрева. Устройства [7, 8] при определении характеристик образцов твердых материалов, тонких в термическом отношении, имеют малую чувствительность и малую величину отношения сигнал/шум вследствие невысокого уровня сигнала измерительной информации
[9. Cielo P., Utracki L.A., Lamontagne M. Thermal diffusivity measurements by converging thermal wave technique. Can. J. Phys., vol.64, pp.1172-1177 (1986).
10. Worner E., Wild С., Muller-Sebert W., Funer M,, Jehle M. and Koidl P. Electrically induced thermal transient experiments for thermal diffusivity measurements on chemical vapor deposited diamond films. Rev. Sci. Instr., vol.69, №5, pp.2105-2109 (1998)].
Известно устройство для прецизионного определения характеристик материалов
[11. А.с. СССР №1755150, кл. G 01 N 25/18, 1992], при использовании которого измерение температуры производится на поверхности образца, противоположной поверхности, на которую поступает тепловой поток от источника импульсного нагрева. Для образцов материалов, тонких в термическом отношении, применение устройства [11] невозможно.
Известно устройство для определения характеристик материалов
[12. Патент РФ №2184955, кл. G 01 N 25/18, 2002], наиболее близкое по структуре к предлагаемому устройству, 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, источник импульсного нагрева содержит оптическую систему, которая фиксирует тепловой поток источника импульсного нагрева в форме кольца на поверхности исследуемого образца.
Устройство [12] имеет определенные недостатки, ограничивающие его применение, в частности, с его помощью реализуется двусторонний импульсный метод определения теплофизических характеристик материалов, что не всегда является удобным, например в тех случаях, в которых ограничен доступ к тыльной стороне образца или изделия. Определение теплофизических характеристик материалов образцов с помощью устройства [12] сопровождается появлением погрешности, обусловленной ограничениями, накладываемыми параметрами оптической системы источника импульсного нагрева. Световое кольцо, формируемое оптической системой, должно иметь идеальную форму, а распределение энергии импульса излучения должно быть равномерным по площади кольца, при этом ширина кольца должна быть очень малой по сравнению с его диаметром. Теоретически отношение диаметра кольца к его ширине должно быть равно бесконечности [13. Troitsky O.Yu., Kim S.W. et al. One - level two points method for estimation of thermal diffusivity by the converging thermal ware 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.]. В устройстве [12] непосредственно после срабатывания первого компаратора 12 при наличии помех возможно срабатывание второго компаратора 13, что приводит к сбоям в работе устройства. Устройство [12] имеет определенную структурную избыточность, наличие которой обусловливает работу интеграторов 9 и 11 в течение одного и того же временного интервала (от срабатывания датчика 18 до момента времени t4).
Задачей изобретения является упрощение устройства для определения характеристик материалов, повышение его точности, надежности работы и удобства использования.
Для решения поставленной задачи из устройства [12] исключены интегратор, триггер и оптическая система и дополнительно введен второй экстрематор.
Предлагаемое устройство для определения характеристик материалов содержит источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора и первым входом управления переключателя, первый информационный вход которого соединен с нулевой шиной, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, два интегратора, два компаратора, два экстрематора, масштабный усилитель, источник опорного напряжения, датчик длительности импульса нагрева и блок памяти, при этом информационный вход первого интегратора и информационный вход второго интегратора соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом первого экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления первого интегратора, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом управления блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, выход переключателя соединен с первым входом второго компаратора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора.
На чертежах изображены:
фиг.1 - схема устройства;
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, экстрематоры 7, 8, блок 9 памяти, переключатель 10, интеграторы 11, 12, масштабный усилитель 13, компараторы 14, 15, источник 16 опорного напряжения, датчик 17 длительности импульса нагрева.
Источник 1 оптически связан с датчиком 17 и образцом 4, температура поверхности которого измеряется термопарой 3. Вход источника 1 соединен с выходом синхронизатора 2 и первым входом управления переключателя 10. 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 9, вторым входом компаратора 15 и входом второго экстрематора 8. Выход второго экстрематора 8 соединен с вторым входом управления переключателя 10. Первый информационный вход переключателя 10 соединен с нулевой шиной. Второй информационный вход переключателя 10 соединен с выходом блока памяти 9. Выход переключателя 10 соединен с первым входом компаратора 15. Выход источника 16 соединен с информационным входом первого интегратора 11 и информационным входом второго интегратора 12. Выход дифференциатора 6 соединен с входом первого экстрематора 7. Выход первого экстрематора 7 соединен с первым входом управления первого интегратора 11. Выход датчика 17 соединен с вторым входом управления первого интегратора 11, вторым входом управления второго интегратора 12 и вторым входом управления блока 9. Выход первого интегратора 11 соединен с входом масштабного усилителя 13. Выход масштабного усилителя 13 соединен с первым выходом В1 устройства и первым входом первого компаратора 14. Выход второго компаратора 15 соединен с первым входом управления второго интегратора 12. Выход второго интегратора 12 соединен с вторым выходом В2 устройства и вторым входом первого компаратора 14. Выход первого компаратора 14 соединен с первым входом управления блока 9.
Устройство работает следующим образом.
При подаче сигнала на пусковую клемму в момент времени t0 (фиг.2) на вход источника 1 импульсного нагрева и первый вход управления переключателя 10 поступает сигнал с выхода синхронизатора 2. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток источника 1 фиксируется на поверхности образца 4. Переключатель 10 устанавливается в такое состояние, при котором первый вход второго компаратора 15 соединен через переключатель 10 с нулевой шиной. Температура поверхности образца 4 измеряется термопарой 3, сигнал которой усиливается усилителем 5 и поступает на вход дифференциатора 6, информационный вход блока 9, второй вход второго компаратора 15 и вход второго экстрематора 8. Величина сигнала на выходе усилителя 5 соответствует температуре Т поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3.
При срабатывании датчика 17 в момент времени tи сигнал с его выхода поступает на второй вход управления первого интегратора, второй вход управления второго интегратора и второй вход управления блока 9. Интеграторы 11, 12 устанавливаются в режим интегрирования сигнала, поступающего на их информационные входы с выхода источника 16. Величины сигналов на выходах интеграторов 11, 12 пропорциональны интервалам времени, в течение которых интеграторы 11, 12 находятся в режиме интегрирования. Блок 9 устанавливается в режим записи величины сигнала, поступающего на его информационный вход с выхода усилителя 5. Величины сигналов на выходах компараторов 14, 15 и выходах B1, B2 устройства равны нулю. С выхода дифференциатора 6 сигнал, величина которого пропорциональна первой производной по времени от величины Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, поступает на вход первого экстрематора 7. При достижении в момент времени tп первой производной от величины Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, максимального значения первый экстрематор 7 срабатывает. На выходе экстрематора 7 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления первого интегратора 11, переводя интегратор 11 в режим хранения. С выхода первого интегратора 11 сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ1=tп-tи, поступает на вход масштабного усилителя 13. С выхода масштабного усилителя 13 сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ2=1,5(tп-tи), поступает на первый B1 выход устройства и на первый вход первого компаратора 14. На второй B2 выход устройства и на второй вход первого компаратора 14 поступает сигнал с выхода второго интегратора 12.
В момент времени t1 при равенстве величин сигналов на входах срабатывает первый компаратор 14. На выходе компаратора 14 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления блока 9. Блок 9 переводится в режим хранения. Величина сигнала на выходе блока 9 соответствует величине T1 температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, в момент времени t1.
В момент времени tм при достижении величиной Т температуры поверхности образца 4, измеряемой термопарой 3, максимального значения срабатывает второй экстрематор 8. На выходе второго экстрематора 8 появляется сигнал, который поступает на второй вход управления переключателя 10. Переключатель 10 переводится в такое состояние, при котором сигнал с выхода блока 9 через переключатель 10 поступает на первый вход второго компаратора 15.
В момент времени t2 при равенстве величин сигналов на входах срабатывает второй компаратор 15. На выходе второго компаратора 15 появляется сигнал, который поступает на первый вход управления второго интегратора 12. Интегратор 12 переводится в режим хранения. С выхода второго интегратора 12 на второй выход B2 устройства поступает сигнал, величина которого соответствует интервалу времени τ3=t2-tи.
На фиг.2 показаны временные диаграммы сигналов на выходах усилителя 5, датчика 17 длительности импульса нагрева, экстрематора 7, интегратора 11, компаратора 14, экстрематора 8, компаратора 15, интегратора 12.
С помощью предлагаемого устройства при импульсном нагреве излучением от источника 1 импульсного точечного нагрева поверхности плоского непрозрачного или полупрозрачного для излучения заданного диапазона длин волн источника 1 импульсного нагрева тонкого в термическом отношении образца 4 можно определить интервалы времени τ2 и τ3, используемые для вычисления коэффициента температуропроводности материала образца 4 по формуле
где r - расстояние от точки на поверхности образца 4, в которой фиксируется тепловой поток от источника 1 импульсного нагрева, до точки на поверхности образца 4, в которой измеряется температура.
Погрешность определения коэффициента температуропроводности материала образца 4 предлагаемым устройством не превышает 0,5% [14. Troitsky O.Yu., Reiss H. Estimation of Thermal diffusivity of thin film materials by one - level, two - point “diverging” thermal wave technique // The 16 - th European Conf. on Thermophysical Properties (ECTP-2002), Book of Abstracts, Imperial College, London, Sept.1-4, 2002. – London, 2002, - pp.287-288.].
Таким образом, предлагаемое устройство, упрощенное по сравнению с устройством [12], позволяет определять характеристики тонких в термическом отношении, т.е. имеющих малую толщину и (или) высокую температуропроводность, образцов твердых материалов удобным, с точки зрения практического применения, односторонним импульсным методом с повышенной по сравнению с устройством [12] точностью. Надежность работы устройства повышается за счет исключения сбоев, обусловленных одновременным срабатыванием первого 14 и второго 15 компараторов.
Устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора и первым входом управления переключателя, первый информационный вход которого соединен с нулевой шиной, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, два интегратора, два компаратора, экстрематор, масштабный усилитель, источник опорного напряжения, датчик длительности импульса нагрева и блок памяти, при этом информационный вход первого интегратора и информационный вход второго интегратора соединены с выходом источника опорного напряжения, выход дифференциатора соединен с входом первого экстрематора, выход которого соединен с первым входом управления первого интегратора, выход которого через масштабный усилитель соединен с первым выходом устройства и первым входом первого компаратора, выход которого соединен с первым входом управления блока памяти, информационный вход которого соединен с выходом усилителя, выход переключателя соединен с первым входом второго компаратора, выход которого соединен с первым входом управления второго интегратора, выход которого соединен с вторым выходом устройства, вход синхронизатора соединен с пусковой клеммой, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй экстрематор, при этом второй вход первого компаратора соединен с выходом второго интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора и вторым входом управления блока памяти, выход которого соединен с вторым информационным входом переключателя, второй вход управления которого соединен с выходом второго экстрематора, вход которого соединен с выходом усилителя и вторым входом второго компаратора.
