RU1836632C - Устройство дл определени теплофизических свойств материалов - Google Patents

Abstract

Область использовани : техническа  физика дл  комплексных измерений тепло- физических свойств материалов в широком диапазоне температур. Сущность изобретени : дл  повышени  точности определени  теплофизических свойств материалов в устройство , содержащее источник теплового потока круглого сечени , модул тор теплового потока, блок управлени  модул тором, вакуумную камеру с установленными в ней образцом и датчиком температуры, измеритель фазы и амплитуды, регистратор, оптиИзобретение относитс  к технической физике и может быть использовано дл  комплексных измерений теплофизических свойств (ТФС) материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности ) в широком диапазоне температур. мизатор, измеритель мощности теплового потока, введен блок регулировани  диаметра теплового потока. По команде Пуск оптимизатор на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру теплового потока. При отсутствии заданного значени  Днач устанавливаетс  код, соответствующий максимально возможному значению Д. Этот код поступает на второй вход блока регулировани  диаметра теплового потока. На втором выходе блока регулировани  диаметра теплового потока формируетс  логический уровень 1, поступающий на второй вход оптимизатора. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора в первом такте вырабатываетс  код, пропорциональный Онач, поступающий на вход блока управлени  модул тором . На третьем выходе модул тора теплового потока обеспечиваетс  равномерна  последовательность счетных импульсов, которые подаютс  на четвертый вход измерител  фазы и амплитуды, производ щего отсчет значени  сигнала, поступающего на его первый вход с датчика температуры, при по влении каждого счетного импульса. 1 с.п. ф-лы. 2 ил. Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  теплофизических свойств материалов. Указанна  цель достигаетс  тем, что р известное устройство дл  определени  теплофизических свойств материалов, содерОС СА О Оч ы N СО

Description

жащее источник теплового потока круглого сечени , первый выход которого соединен с первым входом модул тора теплового потока , второй выход - с входом измерител  мощности теплового потока, блок управлени  модул тором, выход которого соединен со вторым входом модул тора теплового потока , вакуумную камеру с установленными в ней образцом,,и датчиком температуры, выход которого соединен с первым входом из- мерител  фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерител  мощности теплового потока, первый выход - с первым входом регистратора, второй выход -с первым входом оптимизатора, первый выход оптимизатора соединен с входом блока управлени  модул тором, второй выход - со вторым входом регистратора, введен блок регулировани  диаметра теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом модул тора теплового потока, второй вход - с третьим выходом оптимизатора, первый выход - С входом вакуумной камеры, второй выход - со вторым входом оптимизатора, второй выход модул тора теплового потока соединен с третьим входом измерител  фазы и амплитуды , третий выход модул тора теплового потока соединен с четвертым входом измерител  фазы и амплитуды.

Введение блока регулировани  диаметра теплового потока позвол ет автоматически регулировать диаметр теплового потока при изменении толщины исследуемых об- разцой, что повышает точность определени  теплофизических свойств материалов, образцов, расшир ет функциональные возможности и улучшает энергетические и мас- согабаритные показатели устройства.

Отличительные от прототипа признаки определ ют новизну устройства.

В науке и технике не обнаружены решени  со сходными отличительными признаками . Следовательно, это решение обладает существенными отличи ми.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл  определени  теплофизических свойств материалов.

На фиг, 2 представлены зависимости фазы и амплитуды от частоты дл  разной степени искажени  температурной волны.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 теплового потока круглого сечени , первый выход которого соединен с первым входом модул тора 2 теплового потока, второй вход модул тора 2 теплового потока соединен с выходом блока управлени  3 модул тором. Первый выход модул тора 2 теплового потока соединен с первым входом блока 4 регулировани  диаметра теплового потока.

Первый выход блока 4 регулировани  диаметра теплового потока 4 соединен с вакуумной камерой 5, в которой установлен образец 6,передн   сторона которого через

вход вакуумной камеры 5 св зана (оптически ) с первым выходом блока 4 регулирова- ни  диаметра теплового потока 4, а обратна  сторона - с датчиком 7 температуры , выход которого через разъем вакуумной

камеры 5 соединен с первым входом измерител  фазы и амплитуды 8, первый выход которого соединен с первым входом регистратора . Второй выход измерител  фазы и амплитуды 8 соединен с первым входом onтимизатора 10. Первый выход оптимизатора 10 соединен с входом блока управлени  модул тором 3, второй выход оптимизатора 10 соединен со вторым входом регистратора 9, третий выход оптимизатора 10 соединен со

вторым входом блока регулировани  диаметра теплового потока 4, второй вход блока регулировани  диаметра теплового потока 4, второй вход оптимизатора 10 соединен со вторым выходом блока регулировани  диаметра теплового потока, 4,. Второй выход источника теплового потока круглого сечени  1 соединен с входом измерител  мощности теплового потока 11, выход которого соединен с вторым входом измерител  фазы и

амплитуды 8. Третий вход измерител  фазы и амплитуды 8 соединен с вторым выходом модул тора теплового потока 2, четвертый вход - с третьим выходом модул тора теплового потока 2.

В устройстве в качестве источника теплового потока круглого сечени  1 использован ОКГ непрерывного действи  типа ИЛТН-708. Модул тор теплового потока 2 выполнен в виде дискового обтюратора, посаженного иа вал шагового двигател , скорость вращени  которого задает частоту модул ции теплового потока.

В состав модул тора теплового потока 2 входит шаговый двигатель с насаженным на

вал диском и два фотоэлектронных блока, один из которых вырабатывает на втором выходе модул тора теплового потока 2 непрерывно с частотой и логический сигнал, св занный с пропусканием или перекрыва

нием дисклм модул тора теплового потока

2 лазерного луча, другой формирует на третьем выходе модул тора теплового потока 2 счетные импульсы с частотой 256 м, жестко св занные с фазой положени  диска

модул тора теплового потока 2. Счетные импульсы поступают на четвертый вход измерител  фазы и амплитуды 8.

С второго выхода модул тора теплового потока 2 на третий вход измерител  фазы и

амплитуды 8 поступает .опорный сигнал, однозначно определ ющий фазу теплового потока на выходе модул тора теплового потока 2, и  вл етс  опорным колебанием, по отношению к которому отсчитываетс  фаза колебаний температуры обратной поверхности образца 6, регистрируемых датчиком температуры 7 и подаваемых на первый вход измерител  фазы и амплитуды 8.

Блок управлени  модул тором 3 содержит генератор кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер, распределитель импульсов и усилитель импульсов , соединенные последовательно в пор дке перечислени  (на чертеже не показаны ) и обеспечивающие по первому выходу работу шагового двигател  в соответствии с требовани ми к нему.

Блок регулировани  диаметра теплового потока 4 представл ет собой фокусирующую линзу из прозрачного дл  лазерного излучени  материала, расположенную на рассто нии Г от образца 6, причем механизм , приводимый в движение шаговым двигателем, производит перемещение линзы вдоль оптической оси, измен   тем самым рассто ние I в соответствии с подаваемым на второй вход блока регулировани  диаметра теплового потока А кодом. Изменение рассто ни  I приводит к.изме- нению диаметра лазерного луча, попадающего в плоскость образца Д, причем

„ - I - F I n F F 1

где n - отношение диаметра Д к диаметру лазерного луча на первом выходе блока регулировани  диаметра теплового потока 4,

F - фокусное рассто ние линзьк

Примененные в устройстве элементы имеют следующие параметры:

d 6 мм

F 107 мм

I - 150-400 мм.

следовательно, блок регулировани  диаметра теплового потока 4 позвол ет измен ть величину Д в диапазоне от 3 до 18мм. Кроме линзы и механизма с шаговым двигателем в состав блока регулировани  диаметра теплового потока 4 входит схема управлени , преобразующа  цифровой код, поступающий на второй вход, в соответствующее чис- ло импульсов движени  шагового двигател . После завершени  выполнени  команды на втором выходе схема управлени  формирует единичный логический уровень , сигнализирующий об этом передающийс  на второй вход оптимизатора 10. Вакуумна  камера 5 представл ет собой вакуумную печь типа СШВА в комплексе с регул тором температуры типа ВРТ- 3 и с программным зддатчиком температуры . Исследуемый образец 6 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к ди- 5 аметру более, чем 1:10, В качестве датчика температуры 7 может быть использована термопара типа ВР5/20 или быстродействующий пирометр. Измеритель фазы и амплитуды 8 выполнен в виде цифрового прибора.

0 В качестве регистратора 9 использован диалоговый вычислительный комплекс ДВК- ЗМ с периферийным оборудованием дл  визуализации и документировани  результатов исследовани . Оптимизатор 10 реали5 зован в виде цифрового автомата, который производит вычислени  по формулам и вырабатывает сигнал (цифровые коды), управл ющие блоком регулировани  диаметра теплового потока 4 и блоком управлени 

0 модул тором 3 з соответствии с алгоритмом измерений так, чтобы минимизировать погрешности измерени  тепло- и температуропроводности . Коды, соответствующие минимальной частоте колебаний теплового

5 потока и максимальному диаметру теплового потока, хран тс  в пам ти автомата.

Измеритель мощности теплового потока 11 представл ет собой прецизионное фотоприемное устройство, регистрирующее

0 долю излучени  источника теплового потока 1. Относительные изменени  теплового потока фиксируютс  измерителем мощности теплового потока 11 и передаютс  на второй вход измерител  фазы и амплитуды 8 дл 

5 коррекции результатов измерени .

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

После достижени  требуемых условий эксперимента (необходимой степени разре0 жени  в вакуумной камере 5 и температуры образца 6) в пор дке подготовки к проведению измерений оператор с помощью клавиатуры вводит в пам ть оптимизатора 10 ориентировочные значени  начальной час5 тоты модул ции («нач. и диаметра теплового потока. Днач. По команде Пуск оптимизатор 10 на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру тепло.вого потока. При отсутствии заданно0 го значени  Днач, устанавливаетс  код, соответствующий максимально возможному значению Д, что может несколько увеличить врем  измерений. Этот код поступает на второй вход:блока регулировани  диаметра

5 теплового потока 4, где с помощью схемы управлени  приводитс  в действие шаговый двигатель, передвигающий фокусирующую линзу с помощью механизма в положение, обеспечивающее заданный кодом диаметр - теплового потока. После завершени  этого

движени  на втором выходе блока регулировани  диаметра теплового потока 4 формируетс  логический уровень 1, поступающий на второй вход оптимизатора 10. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора 10 в первом также вырабатываетс  код, пропорциональный , посту- пающий на вход блока управлени  модул тором 3, а именно на вход программирующего таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов , привод щих во вращение со строго посто нной скоростью шаговый двигатель модул тора теплового потока 2. Диск модул тора теплового потока 2 обеспечивает путем периодического перекрыти  пучка излучени  ОКГ единичную модул цию теплового потока по амплитуде с заданной частотой и скважностью. Кроме того, первый Фотоэлектронный блок на чертеже не показан , вход щий в состав модул тора теплового потока

2, обеспечивает на третьем выходе модул тора теплового потока 2 равномерную последовательность счетных импульсов, причем на один период колебаний мощности теплового потока приходитс  256 импульсов. Счетные импульсы подаютс  на четвертый вход измерител  фазы и амплитуды 8, производ щего отсчет значени  сигнала, поступающего на его первый входе датчика температуры 7, при по влении каждого счетного импульса. Со второго выхода модул тора теплового потока 2 поступает логический сигнал, сформированный вторым фотоэлектронным блоком, и подаетс  на третий вход измерител  фазы и амплитуды 8, где используетс  в качестве опорного сигнала. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодейству  с передней поверхностью исследуемого образца 6, возбуждает в нем колебани  температуры, которые при помощи датчика температуры 7 преобразуютс  в электрические сигналы, поступающие на первый вход измерител  фазы и амплитуды 8, где определ етс  амплитуда О и фаза pie.. первой гармоники по отношению к логическому сигналу, а также средн   температура Тобразца 6, Кроме того, измеритель фазы и амплитуды 8, принима  через второй вход сигнал с выхода измерител  мощности теплового потока 11, на основании известных параметров закона модул ции и частоты модул ции определ ет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока О. Измеренные указанным образом значени  величин pjeic. О, Т и Q передаютс  в пам ть регистратора 9, а значение . передаетс , кроме , с зторегс выход  измерител  фазы и амплитуды на первый вход оптимизатора 10,

Во втором такте оптимизатор 10 заново производит установку частоты:

+

где Ло 5 ,76

-.- 1 } (Инач

V7,3 чр-11.46 -0,112

Частота устанавливаетс  до тех пор, пока не выполнитс  условие:

15

Дш ш

S0,t

Обычно дл  выполнени  этого услови  требуетс  не более 3 итераций. 20 В третьем такте определ етс  диапазон изменени  частоты по формуле

25

юцвч. - ftJD 0.6234 «Окон. - сао -2,329,

где too - установивша с  во втором такте частота модул ции.

В пределах этого диапазона производ т измерение на гГ частотах, причем величина п устанавливаетс  оператором. Обычно п 4-8.

На этих частотах опрёделе тс  амплитуда и фаза поступающего с датчика темпера- туры 7 на первый вход измерител  фазы и амплитуды 8 сигнала температуры обратной поверхности образца 6.

После завершени  измерений во всем заданном диапазоне частот модул ции при начальном диаметре теплового потока оптимизатор Ю проводит сравнение зависимостей фазы и амплитуды от частоты с расчетными зависимост ми $ ш)ибЦ о).

Предполагаетс , что температуропро- водность - а - не зависит от частоты (ш).

Тогда получаем:

#ю) Ь -vT+450,

(1)

где f - частота модул ции, Гц; в свою очередь:

д- 180

ь

(2)

55 еде 3 - толщина образца, м;

а - температуропроводность, м2/с;

(«)

е-Р

с р О-о)

(3)

в свою очередь:

К

Ср р 5

(4)

где д - плотность мощности теплового потока ,

Ср - теплоемкость образца, кад/м ;

р- плотность образца, кг/м3. В том случае, если зависимости р(а) и в(а)) подчин ютс  законам (1), (3) и амплитуда колебаний температуры обратной поверхности образца меньше заданной, оптимизатор 10 в соответствии с алгоритмом работы формирует на своем третьем выходе код, соответствующий уменьшению диаметра теплового потока. После завершени  исполнени  команды вновь провод тс  измерени  на тех же частотах с оценкой вида зависимостей фазы и амплитуды от частоты и сравнением уровн  сигнала с заданным значением. Процесс уменьшени  диаметра теплового потока прекращаетс  после выполнени  одного из двух условий:

1.Амплитуда колебаний температуры на обратной поверхности образца больше или равна заданной, (Обычно амплитуда колебаний температуры выбираетс  так, чтобы в 5-10 раз пре.восходить шум регистрирующего тракта и составл ет, как правило 1-10К. При необходимости могут быть использованы иные критерии).

2.Диаметр теплового потока мал настолько , что происходит заметное искажение изотермической поверхности за счет бокового теплоотвода. В этом случае наибольшим искажением подвергаютс  длинные волны, т.е. возбуждаемые на нижних частотах модул ции, причем наличие искажений за счет бокового теплоотвода приводит к уменьшению фазового запаздывани  по сравнению с неискаженным значением, определ емым ло формуле (1). Характерные зависимости фазы и амплитуды от частоты дл  разной степени искажени  температурной волны представлены на фиг. 2.

Алгоритм оценки оптимизатором 10 степени искажени  зависимостей фазы и амплитуды от частоты построен так, чтобы процесс выбора диаметра теплового потока заканчивалс  при достижении зависимост ми р(а) и в(со) вида 2 (фиг. 2). Эти зависимости характерны тем, что в пределах погрешности измерени  отсутствуют отклонени  от законов (1), (3) на оптимальных частотах и выше, т.е.р 140°. Оптимальные измерени  осуществл ютс  при р 140°. На частотах ниже оптимальных присутствуют искажени  температурной волны, что выражаетс  в отклонении зависимостей f(o и в(ш) от законов (1), (3). При этом в рогистра- тор 9 дн  расчета теплофизических характеристик передаютс  только неискаженные 5 значени , т.е. от tp - 140° и выше.

Если по какой-либо причине происходит недопустимое искажение температурной волны (например, слишком малый диаметр теплового потока, изменение свойств об- 0 разца), зависимости ip (а) и О (о)} будут иметь отклонени  от законов (1), (3) на частотах ftfcpt и выше. В этом случае, а также в случае превышени  величиной заданного значени , оптимизатор 10 формирует команду на

5 увеличение диаметра теплового потока и производит измерени  после приведени  зависимостей р (а) и &(ш) к виду 1 или 2.

Начальный процесс выбора диаметра теплового потока обычно не превышает 3-4

0 шага, на что требуетс  5-15 мин в зависимости от частоты. Дальнейша  корректировка, компенсирующа  изменение свойства образца во врем  эксперимента, обычно осуществл етс  на 1 шаг.

5 После завершени  выбора диаметра теплового потока оптимизатор 10 переходит в режим измерений и производит заданное число измерений на частоте OJbpt или нескольких частотах в диапазоне + 2 ufept

0 в зависимости от программы эксперимента, осуществл емой оператором. После завершени  этих измерений результаты измерени  фазы, амплитуды, а также значени  частот, на которых были произведены эти

5 измерени , передаютс  в регистратор 9. Оптимизатор 10 переходит к выполнению измерений в следующей точке, начина  с уже установленного значени  диаметра теплового потока.

0Измерени  ТФС образцов показали

следующее. При определении ТФС TL-ПИИХ образцов (толщиной 0,1 мм) с высокой отражающей способностью ( F. 50,1) и теплопроводностью более 60 Вт/м К (вольфрам,

5 молибден) путем уменьшени  диаметра теплового потока до 1 мм достигаетс  выигрыш по точности в сравнении с известной установкой (мощность лазера 100 Вт. диаметр теплового потока 12 мм) более; чем на пор 0 док. Кроме того, изобретение позвол ет определ ть ТФС материалов с высокой теплопроводностью (до 300 8т/м.к).

При измерении образцов из композиционных материалов (толщина 3-5 мм, Ј 0,6,

5 Д, 1 Вт/м-к) достигаетс  выигрыш поточности в 2 раза по сравнению с известной уста- ноакой за счет увеличени  диаметра теплового потока до максимального. Кроме того, по виду частотной зависимости фазы и

амплитуды при максимальном диаметре теплового потока можно судить о наличии или отсутствии погрешности измерени , обусловленной искажением температурной волны из-за конечного размера теплового потока.

Таким образом, предлагаемое изобретение позвол ет повысить точность определений теплофизических свойств материалов .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  определени  теплофи- зических свойств материалов, содержащее источник теплового потока, первый выход которого соединен с первым входом модул тора теплового потока, второй выход - с входом измерител  мощности теплового потока , блок управлени  модул тором, выход которого соединен с вторым входом модул тора теплового потока, вакуумную камеру с установленными в ней последовательно соединенными образцом и датчиком температуры , выход которого соединен с первым

   входом измерител  фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерител  мощности теплового потока, первый выход - с первым входом регистратора , второй выход - с первым входом оптимизатора , первый выход оптимизатора соединен с входом блока управлени  модул тором , второй выход - с вторым входом регистратора, о т л и ч а ю щ е е с   тем, что,

   с целью повышени  точности определени  теплофизических свойств материалов, в него введен блок регулировани  диаметра теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом модул тора

   теплового потока, второй вход - с третьим выходом оптимизатора, первый выход - с входом вакуумной камеры, второй выход - с вторым входом оптимизатора, второй выход модул тора теплового потока соединен с

   третьим входом измерител  фазы и амплитуды , третий выход модул тора теплового потока - с четвертым входом измерител  фазы и амплитуды.

   Фиг. 1

   tf,qnte,K

   16 ь),рад/с