RU2154268C2

RU2154268C2 - Device for complex determination of thermal and physical characteristics of hard materials

Info

Publication number: RU2154268C2
Application number: RU98119820A
Authority: RU
Inventors: О.Ю. Троицкий; В.В. Медведев
Original assignee: Томский политехнический университет
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2000-08-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device is related to equipment for determination of thermal and physical characteristics of hard materials, for investigation of properties of new materials and for heat nondestructive testing. It has source of pulse heating, two units measuring temperature, differentiator, maximum signal latching circuit, three time delay units, six storages, two integrators, flip-flop, comparator, switch and two logic OR gates. EFFECT: increased measurement accuracy. 2 dwg

Description

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. The device relates to technical means for determining the thermophysical characteristics of solid materials and can be used both in the study of the properties of new materials and in thermal non-destructive testing.

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]. Known methods for determining the thermophysical characteristics of solid materials, including pulsed heating of a sample in the form of a plate and registration of temperature on a surface that does not coincide with the heating surface [1, 2]. Devices for implementing the known methods for measuring the thermophysical characteristics of solid materials include a pulse heating source (laser, xenon lamp, etc.), means for measuring the surface temperature of the material under study (thermocouples, optical pyrometers, IR detectors), means for recording surface temperature (storage oscilloscopes, recorders, digital recorders, etc.) [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. The main disadvantage of the known methods and devices is the impossibility of creating a strictly superficial and instantaneous heating source, which leads to significant measurement errors and requires additional experiments to determine corrections for the pulse duration of the heating source [4], but not taking into account the depth of absorption of the supplied energy, or applying special coatings in which the input energy is absorbed [5], realizing the condition of surface heating, but requiring taking into account the effect of the applied on the covering of the measured thermal characteristics and does not exclude errors introduced by the finite duration of the heating pulse. In addition, for materials with a low coefficient of thermal diffusivity, heating the sample with short pulses of radiation does not provide the supply of such an amount of energy that is necessary to create a temperature sufficient on the back side of the sample for reliable recording. An increase in the amount of energy supplied due to an increase in the energy flux density leads to the destruction of materials [6], which, in turn, requires the use of low-intensity energy sources for a finite time interval, followed by corrections for the duration of this time interval.

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.A known pulsed method for determining thermophysical characteristics [7], in which a high-intensity light pulse of short duration is absorbed by the front surface of a thermally insulated sample of known thickness L, coated with camphor soot, and the resulting temperature curve on the back of the sample is recorded using a thermocouple on an oscilloscope; thermal diffusivity is determined by the shape of the curve in the temperature-time coordinates on the back of the sample and is calculated by the formula

where a is the coefficient of thermal diffusivity;
τ _0,5 - the time required to reach half the maximum temperature on the back of the sample;
the heat capacity is found at the maximum temperature determined using a thermocouple, and the thermal conductivity is determined by the combination of the heat capacity, density and thermal diffusivity of the sample material.

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. A device for measuring the coefficient of thermal diffusivity by the method of optical flash [8]. The known method and device have low productivity and accuracy of measuring the thermophysical properties of materials, due to the finiteness of the duration of the heating pulse, the finiteness of the absorption depth of the supplied energy and the approximate nature of formula (1), which these factors are not taken into account. It is impossible to apply the known device to a wide class of materials, in particular, to materials with low thermal diffusivity and to materials translucent for radiation from a heating source.

Таким образом, известные устройства не обеспечивают высокую точность определения теплофизических характеристик твердых материалов. Thus, the known devices do not provide high accuracy in determining the thermophysical characteristics of solid materials.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение устройства для комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов. The purpose of the invention is to improve the accuracy and simplification of the device for the integrated determination of the thermophysical characteristics of solid materials.

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. To obtain the required technical result, a device for the complex determination of the thermophysical characteristics of solid materials containing a source of pulsed heating, two temperature measuring devices, the first of which measures the surface temperature of a sample of material with unknown thermophysical characteristics, opposite the heating surface, and the second - the temperature of the reference surface from material with known thermophysical and optical characteristics deposited on the surface of the image on the heating surface side, a differentiator, a maximum signal lock, three time delay devices, six memory devices, two integrators, a trigger and a comparator, the inputs of the first and second memory devices are combined and connected to the input of the differentiator, the output of which is connected to the inputs of the third and fourth storage devices and the input of the maximum signal latch, the output of which is connected to the input of the first time delay device, the output of the first storage device is connected to the first the input of the first integrator, the second input of which is connected to the output of the third storage device, and the output is connected to the first input of the comparator, the output of the second storage device is connected to the first input of the second integrator, the second input of which is connected to the output of the fourth storage device, and the output to the first output device and the second input of the comparator, the output of which is connected to the first input of the trigger, the second input of which is connected to the first control inputs of the first and second integrators and control inputs of the WTO of the second and fourth storage devices, and the output to the second control inputs of the first and second integrators, the output of the second time delay device is connected to the input of the third time delay device, the control input of the first memory device is connected to the control input of the third storage device, an additional switch and two logical OR element, and the output of the first temperature measuring device is connected to the first input of the switch, the second input of which is connected to the output of the second about a temperature measuring device, and the output is to the input of the differentiator, the output of the maximum signal lock is connected to the first input of the first logical OR element, the second input of which is connected to the output of the second time delay device, and the output to the control input of the first storage device, the output of the first temporary device the delay is connected to the first input of the second logical element OR, the second input of which is connected to the output of the third time delay device, and the output to the second input of the trigger, w output The second integrator is connected to the input of the fifth storage device, the first control input of which is connected to the inputs of the pulse heating source and the second time delay device, the first control input of the switch, the third trigger input and the trigger terminal, the comparator output is connected to the second control input of the fifth storage device, the output of which connected to the second output of the device, the input of the sixth storage device is connected to the output of the trigger, and the output to the third output of the device, the output is WTO st of the OR gate is connected to the second control input of the switch.

На чертежах (фиг. 1, фиг. 2) изображены:
фиг. 1 - схема устройства;
фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.In the drawings (Fig. 1, Fig. 2) are shown:
FIG. 1 is a diagram of a device;
FIG. 2 is a timing diagram explaining its operation.

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. The device contains a source 1 of pulsed heating, a device 2.3 for measuring the temperature of sample 4 and reference 5, a switch 6, a differentiator 7, a maximum signal lock 8, a time delay device 9-11, OR gates 12, 13, memory devices 14 - 19, integrators 20, 21, trigger 22, comparator 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. Source 1 is optically coupled to a reference 5 of a material with known thermophysical and optical characteristics, the surface temperature of which is measured by device 3. The surface temperature of sample 4, on which another surface 5 is attached, is measured by device 2. The input of source 1 is connected to the input of the time delay device 10 , the first control input of the storage device 19, the first control input of the switch 6, the third input of the trigger 22 and the start terminal "START". The output of the device 2 is connected to the first input of the switch 6. The output of the device 3 is connected to the second input of the switch 6. The second control input of the switch 6 is connected to the control inputs of the storage devices 16, 17, the first control inputs of the integrators 20, 21, the second input of the trigger 22 and the output of the logical element OR 13. The output of switch 6 is connected to the input of the differentiator 7 and the inputs of the storage devices 14, 16. The output of the differentiator 7 is connected to the input of the clamp 8 of the maximum signal and the inputs of the storage devices 15, 17. You One latch 8 is connected to the input of the time delay device 9 and to the first input of the OR logic element 12. The output of the time delay device 10 is connected to the input of the time delay device 11 and to the second input of the logic element OR 12. The output of the logic element OR 12 is connected to the control memory inputs devices 14, 15. The output of the storage device 14 is connected to the first input of the integrator 20. The output of the storage device 15 is connected to the second input of the integrator 20. The output of the storage device 16 is connected to the first input integrator 21. The output of the storage device 17 is connected to the second input of the integrator 21. The output of the time delay device 9 is connected to the first input of the OR gate 13. The output of the time delay device 11 is connected to the second input of the second logic element 13. The output of the trigger 22 is connected to the second control inputs integrators 20, 21 and the input of the storage device 18. The output of the storage device 18 is connected to the third output of the device. The output of the integrator 20 is connected to the first input of the comparator 23. The output of the integrator 21 is connected to the second input of the comparator 23, the input of the storage device 19 and the first output of the device. The output of the comparator 23 is connected to the second control input of the storage device 19 and the first input of the trigger 22. The output of the storage device 19 is connected to the second output of the device.

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.The process of determining the thermophysical characteristics of solid materials using the proposed device includes three stages. At the first stage, the amount of heat Q absorbed by the sample when it is heated using a pulse heating source is determined. To determine the amount of absorbed heat, it is necessary to perform the following operations (Fig. 2): measurement of excess temperature on the front side of the sample, on which a standard of known thickness from a material with known thermophysical and optical properties is applied and which is heated by a pulse heating source, setting the time interval (0- t ₁ ) after switching on the source of pulsed heating, storing the temperature and the rate of temperature change at time t ₁ (point A ₁ ), the formation of the time interval t ₂ -t ₁ ; storing the temperature value and the rate of temperature change at time t ₂ (point B ₁ ), the formation of tangents to the temperature curve at points A ₁ and B ₁ , fixing the time moment t _{m1 of the} comparison of the tangents and determining the minimum excess temperature T _m1 . At the second stage, the quantities necessary for calculating the thermophysical characteristics are determined. To this end, it is necessary to perform the following operations (Fig. 2): measuring the excess temperature of the back side of the test sample heated from the front side by a pulse heating source, determining the inflection point (point A ₂ ) of the temperature curve; storing the temperature value and the rate of temperature change at the inflection point, which corresponds to the moment of time t _n , the formation of the time interval τ _c = t _c -t _n ; storing the temperature at the time t _c (point B ₂ ); the formation of tangents to the temperature curve at points A ₂ and B _{2, the} fixation of the moment of time t _{m2 of the} comparison of the tangents, the determination of the time interval τ = t _m2 -t _c and the maximum excess temperature T _m2 . At the third stage, the calculation is carried out using known ratios of the amount of heat absorbed by the sample and the thermophysical characteristics of the sample based on the measured values of τ, T _m1 , T _m2 .

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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.The test sample 4 of thickness L ₁ , on which a standard 5 of thickness L ₂ is preliminarily applied from a material with known thermophysical and optical properties, which is opaque to heat radiation, is heated from the side of standard 5 using a pulse heating source 1. When a signal is applied to the “START” terminal, the switch 6 and trigger 22 are set to the initial state, the memory device 19 is set to the recording mode, and the source 1 is started. The initial state of the switch 6 corresponds to the state in which the output of the device 3 is connected through the switch 6 to the inputs differentiator 7 and storage devices 14, 16. The initial state of the trigger 22 corresponds to a state in which there is no signal at its output. From the side of the heating surface of reference 5, the excess temperature is measured by the device 3. The signal from the output of the device 3 is fed through a switch 6 to the inputs of the storage devices 14 and 16, as well as to the input of the differentiator 7. At the output of the differentiator 7, a signal is generated according to the rate of change of the temperature of the surface of the standard 5, which is fed to the inputs of the storage devices 15 and 17. At the time of starting the device, the signal from the "START" terminal also arrives at the time delay device 10, which is made on the basis of a one-shot with a trigger; aemym a monostable rear edge of the pulse of duration τ _1. At the output of the time delay device 10, the time t ₁ > τ ₁ is fixed. The pulse from the time delay device 10 through the OR gate 12 is fed to the control inputs of the memory devices 14,15, allowing its trailing edge to store signals according to the surface temperature of reference 5 and the rate of change of this temperature, respectively, at time t ₁ . At the same time, the pulse from the time delay device 10 starts the time delay device 11, which is similar to the time delay device 10. At the output of the time delay device 11, a pulse is generated with the duration τ ₂ = t ₂ -t ₁ and

where a ₂ is the thermal diffusivity of the reference material 5. The pulse from the output of the time delay device 11 through the OR 13 logic element is supplied to the control inputs of the storage devices 16.17, the first control inputs of the integrators 20, 21, the second input of the trigger 22 and the second control input of the switch 6. Upon receipt at the control inputs of the storage devices 16, 17 from the output of the time delay device 11 through the logic element OR 13 of the trailing edge of the pulse in the storage devices 16, 17, the signals are stored by temperature the surface of reference 5 and the rate of change of this temperature, respectively, at time t ₂ . The integrators 20, 21 at time t _{2 are} transferred to the integration mode. Switch 6, upon receipt of a signal at its second control input, is set in a state in which the output of the temperature measuring device 2 is connected through a switch 6 to the input of the differentiator 7 and to the inputs of the storage devices 14, 16. The trigger 22 is reset to a state in which a signal appears at its exit. This signal is input to the storage device 18, resetting it to its original (zero) state and transferring it to the mode for determining the duration of time intervals.

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 .The inputs of the integrators 20 and 21 are fed with signals at the rate of change of the surface temperature of the reference 5 at time t ₁ and t ₂ from the storage devices 15 and 17, respectively, and the inputs of the initial conditions of the integrators 20 and 21 are fed with the signals from the temperature of the surface of the reference from the storage 14 and 16 at the same time. At the outputs of the integrators 20 and 21, linearly incident voltages appear, showing the tangents to the temperature curve at time t ₁ and t ₂ (Fig. 2), which are fed to the inputs of the comparator 23. When these voltages are equal, the signal appears at the output of the comparator 23 to the first input of the trigger 22, transferring it to its original state. At the same time, the signal from the output of the comparator 23 enters the second control input of the storage device 19, translating it into storage mode ("memory"). The trailing edge of the pulse from the trigger 22, arriving at the second control inputs of the integrators 20, 21, the integrators 20 and 21 are transferred to the "memory" mode. The voltages at the outputs of the integrators 20 and 21 after the comparator 23 is activated correspond to the value of T _m1 , which is stored in the storage device 19. The trailing edge of the pulse from the trigger 22, which is input to the storage device 18, transfers the storage device 18 to storage mode. The storage device 18 stores the value of the duration of the time interval τ _m = t _m1 -t ₂ .

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.The excess surface temperature of the sample 4 from the side on which the reference 5 is absent is measured by the device 2. The signal from the device 2 after the switch 6 is activated is fed to the inputs of the storage devices 14 and 16, as well as to the input of the differentiator 7. At the output of the differentiator 7, a speed signal is generated changes in the surface temperature of the sample 4, which is fed to the inputs of the storage devices 15 and 17 and to the input of the latch 8 of the maximum signal. The latch 8, designed to determine the time of occurrence of the maximum signal, is implemented on the basis of a differentiator and a null indicator with a trigger operating on a separate input. The pulse from the output of the latch 8 passes through the first logical element OR 12 to the control inputs of the storage devices 14, 15, allowing the storage of signals according to the surface temperature of the sample 4 and the rate of change of this temperature, respectively, at time t _n corresponding to the inflection point (point A ₂ ) temperature crooked. At the same time, the pulse from the latch 8 is fed to the input of the time delay device 9, made similarly to the device 10. At the output of the time delay device 9, a pulse is generated with a duration of τ _c ≤ 0.1t _n , which is fed to the control inputs of the storage devices 16, 17 through the logic element OR 13 , the first control inputs of the integrators 20, 21 and the second input of the trigger 22. Upon receipt of the control inputs of the storage devices 16, 17 from the output of the time delay device 9 through the logic element OR 13 of the trailing edge of the pulse memory you devices 16, 17 storing signals produced by the surface temperature of the sample 4 and the rate of change of the temperature, respectively, at time t _c. The integrators 20, 21 are transferred at time t _c to the integration mode. The trigger 22 is thrown into a state in which a signal appears at its output. This signal is fed to the input of the storage device 18, resetting it to its original state and transferring it to the mode for determining the duration of time intervals.

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 .The inputs of the integrators 20 and 21 are fed with signals at the rate of change of the surface temperature of the sample 4 at times t _n and t _c (Fig. 2) from the storage devices 15 and 17, respectively, and the signals with the surface temperature are sent to the inputs of the initial conditions of the integrators 20 and 21 sample 4 from the storage devices 14 and 16 at the same time. At the outputs of the integrators 20 and 21, linearly increasing voltages appear, displaying the tangents to the temperature curve at the times t _n and t _c (Fig. 2), which are fed to the inputs of the comparator 23. If these voltages are equal, a signal appears at the output of the comparator 23 to the first input of the trigger 22, transferring it to its original state. The trailing edge of the pulse from the trigger 22, arriving at the second control inputs of the integrators 20, 21, the integrators 20 and 21 are transferred to the "memory" mode. The voltage at the outputs of the integrators 20 and 21 after the operation of the comparator 23 correspond to the value of T _m2 , which is supplied to the second output of the device. The trailing edge of the pulse from the trigger 22, arriving at the input of the storage device 18, fixes the time t _m2 corresponding to the end of the time interval τ = t _m2 -t _c . In the storage device 18, a value corresponding to the duration of the time interval τ is stored.

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.After the second operation of the comparator 23 and the flip-flop of the trigger 22, the outputs of the device receive signals corresponding to the measured values of τ, T _m1 , T _m2 , which are used to calculate the thermophysical characteristics of the material of sample 4 by known ratios.

Таким образом, устройство, имея упрощенную структуру, производит измерение необходимых для вычисления теплофизических характеристик материала образца величин с повышенной точностью, обусловленной наличием одного измерительного тракта. Thus, the device, having a simplified structure, measures the values necessary for calculating the thermophysical characteristics of the material of the sample with increased accuracy due to the presence of one measuring path.

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.Sources of information
1. Taylor RE, Maglic KD Pulse method for thermal diffusivity measurement. - Compendium of Thermophysical Property Measurement 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. 2. A.S. USSR N 911278, MKI G 01 N 25/18, 1980.

3. А.с. СССР N 785702, МКИ G 01 N 25/18, 1979. 3. A.S. USSR N 785702, MKI 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. 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, No. 7, 1963, pp. 1909-1913.

5. А.с. СССР N 873088, МКИ G 01 N 25/20, 1980. 5. A.S. USSR N 873088, MKI 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. 6. Rykalin N.N., Uglov A.A., Kokora A.N. Laser processing of materials. - M.: Mechanical Engineering, 1975, p. 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. 7. Parker W.J. A.O. 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. 8. Pat. Japan N 59-22172, MKI G 01 N 25/18, 1984.

Claims

A device for the complex determination of the thermophysical characteristics of solid materials, containing a source of pulsed heating, two temperature measuring devices, the first of which measures the surface temperature of a sample of a material with unknown thermophysical characteristics, opposite the heating surface, and the second measures the surface temperature of a reference from a material with known thermophysical and optical characteristics applied to the surface of the sample from the side of the heating surface, different a torus, a maximum signal lock, three time delay devices, six storage devices, two integrators, a trigger and a comparator, the inputs of the first and second storage devices being combined and connected to the input of the differentiator, the output of which is connected to the inputs of the third and fourth storage devices and the input of the maximum lock a signal whose output is connected to the input of the first time delay device, the output of the first storage device is connected to the first input of the first integrator, the second input is The second is connected to the output of the third storage device, and the output is connected to the first input of the comparator, the output of the second storage device is connected to the first input of the second integrator, the second input of which is connected to the output of the fourth storage device, and the output to the first output of the device and the second input of the comparator which is connected to the first input of the trigger, the second input of which is connected to the first control inputs of the first and second integrators and the control inputs of the second and fourth storage devices, and you one - to the second control inputs of the first and second integrators, the output of the second time delay device is connected to the input of the third time delay device, the control input of the first memory device is connected to the control input of the third memory device, characterized in that it further comprises a switch and two logical elements OR moreover, the output of the first temperature measuring device is connected to the first input of the switch, the second input of which is connected to the output of the second measuring device temperature, and the output is to the input of the differentiator, the output of the maximum signal latch is connected to the first input of the first OR gate, the second input of which is connected to the output of the second time delay device, and the output to the control input of the first storage device, the output of the first time delay device is connected to the first input of the second OR gate, the second input of which is connected to the output of the third time delay device, and the output to the second input of the trigger, the output of the second integrator connected to the input of the fifth storage device, the first control input of which is connected to the inputs of the pulse heating source and the second time delay device, the first control input of the switch, the third trigger input and the trigger terminal, the comparator output is connected to the second control input of the fifth memory device, the output of which is connected to the second output of the device, the input of the sixth storage device is connected to the output of the trigger, and the output is to the third output of the device, the output of the second logical ment or connected to the second control input of the switch.