SU1578520A1 - Способ измерени температурного пол - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к термометрии и позвол ет расширить функциональные возможности за счет обеспечени  измерени  пространственного распределени  неоднородных температурных полей сложного профил  и нестационарных температурных полей, повысить чувствительность, снизить трудоемкость процесса измерени . В звуководе 1, изготовленном из материала, параметр Грюнайзена которого зависит от температуры, возбуждают термоакустические колебани  источником 3 импульсного нагрева. По амплитуде термоакустических колебаний восстанавливают профиль температурного пол . 2 ил.

Description

Фиг.1

Изобретение касаетс  измерени  температурных полей, в частности измерени  пространственного распределени  температурного профил  тепловых полей различного происхождени .

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечени  измерени  прост1578520 . 4

новить профиль температурного пол  Т(х).

В области структурных фазовых переходов , не сопровождаемых изменением агрегатного состо ни , параметр Грюнайзена таких металлов, как газелинии , диспрозий, сплавов Сп - А1 - Ni, Ti, Ni, облучаемых импульсным ранственного распределени  неоднород- JQ пучком электронов с энергией 12 МэВ

15

20

25

длительностью импульса от Ю с до , числом частиц в импульсе 10t0- 101Э1/см2, сильно измен етс  с температурой. Температурный интервал изменени  параметра Грюнайзена дл  разных металлов и сплавов различен: дл  диспрози  - от 50 К до 120 К; гадолини  - от 180 К до 350 К. Дл  сплавов Сп - А1 - Ni, Ti, Ni температурный интервал в зависимости от процентного состава компонентов может измен тьс  от 80 К до 450 К дл  области температур 500 К - 1500 К можно использовать сплав Fe - Ni и сталь с мартенситным превращением в высокотемпературной области.

rfa фиг. 1 изображено устройство Д; измерени  температурного пол ; на фиг. 2 - устройство дл  измерени  тем пературного пол  с объемным звуково- дом.

Способ измерени  температурного пол  Т(х) осуществл ют следующим образом .

В контролируемом объеме с неоднородным по пространству температурным полем Т(х) (где х - пространственна  координата) размещают звуковод , изготовленный из материала, па

При изменении температуры материала Q раметр Грюнайзена которого известным температурна  зависимость термоакусти- образом зависит от температуры Г ческого сигнала 6(Т) будет определ тьс  температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поскольку величи45

ных температурных полей сложного профил  и нестационарных тепловых полей, э также повышение чувствительности и снижение трудоемкости процесса измерени .

Известно, что импульсный нагрев конденсированных сред приводит к возбуждению термоакустических колебаний , обусловленных термоакустическим механизмом. Амплитуда 6(г, t) воз- ( буждаемых термоакустических колебаний определ етс  генерационной способностью материала среды, мерой которой  вл етс  параметр Грюнайзена (Г) и плотностью Ј(r, t) энергии, поглощенной в материале в результате импульсного нагрева:

6(r, t) Г -E(r, t). (t) Параметр Грюнайзена (Г) св зан с тер30

Г --ъмодинамическими характеристиками ,материала соотношением оМС

коэффициент теплового расширени , модуль 35 всестороннего сжати , теплоемкость и плотность материала. I

где oLt К, С, j

на плотности 6 поглощенной энергии в большинстве случаев не зависит от температуры.

Из (1) следует, что

6 (Т) Г(Т)-Ј. (3)

Если вз ть материал с известной температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поместить его в неоднородное по пространству температурное поле Т(х) (где х - координата ) , возбудить в нем с помощью источника импульсного нагрева термоакустические колебани , то по амплитуде и форме этих колебаний можно восста50

55

Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучени  или импульса электрического тока ) осуществл ют ипульсный нагрев звуковода. В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаютс  термоакустические колебани . По амплитуде и форме регистрируемых термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного пол .

Предлагаемый способ измерени  температурного пол  осуществл ют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр

раметр Грюнайзена которого известным образом зависит от температуры Г

Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучени  или импульса электрического тока ) осуществл ют ипульсный нагрев звуковода. В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаютс  термоакустические колебани . По амплитуде и форме регистрируемых термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного пол .

Предлагаемый способ измерени  температурного пол  осуществл ют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.

Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр

Грюнайзена Г(Т) которого известным образом зависит от температуры, зву- ковод имеет квазиодномерную форму, т.е. выполнен в виде стержн  или проволоки , диаметр которых d значительно меньше их длины l(d « 1). К одному из торцов звуковода 1 через акустический контакт подсоединен акустический детектор 2. Акустический детектор, должен обладать широкой полосой пропускани , равной Af 10 МГц, чтобы без искажени  преобразовывать форму импульсного акустического сигнала в импульс электрического напр жени , и слабой зависимостью чувствительности от температуры. Такой акустический детектор может быть изготовлен из широкополосной пьезокерамики с высокотемпературной точкой Кюри (Тк), например типа ПКР-26. Источником 3 импульсного нагрева может служить ускоритель импульсных пучков ионизирующих частиц, лазерный генератор или генератор импульсов электрического тока. В случае использовани  ускорител  или лазерного генератора импульсный нагрев звуковода осуществл етс  бесконтактным способом (дистанционно ) с помощью потока 4 проникающего излучени . В случае использовани  генератора импульсов электрического тока св зь генератора со звуководом 1 осуществл етс  через электрический контакт подвод щими электродами 5. Регистрирующим устройством 6, подключенным к акустическому детектору 2 может служить любой прибор измер ющий без искажени  амплитуду и форму электрических импульсов в полосе частот Af -10 МГц, например осциллограф типа С1 - 65.

Устройство дл  измерени  температурного пол  работает следующим образом.

Пусть необходимо определить распределение температуры вдоль отрезка некоторой линии в пространстве. Координатна  ось х совмещаетс  с линией определени  температурного пол . Квазиодномерный звуковод 1, располагаетс  вдоль линии определени  температурного пол  Т(х)..

50 не только в виде пр мого стержн , но и искривленным вдоль определ емого температурного пол . В частности, звуковод может состо ть из двух или нескольких пр молинейных или криволи-

После того, как материал звуковода приобрел температуру окружающей среды, cj нейных отрезков, наход щихс  друг с и в нем установилось неоднородное другом в последовательном акустическом температурное поле Т(х), подлежащее соединении, например, иметь форму определению, осуществл ют импульсный меандра, плоской или объемной спи- нагрев звуковода, например, с помощью рали.

85206

импульсного пучка проникающего излучени  либо импульсом электрического тока, пропускаемого по провод щему звуководу между электродами 5. При этом в теле звуковода возникает одномерна  термоакустическа  волна на- .напр жений, равна 

6(x, t

где Г(х) 0) | Г(х) Ј(х),

значение параметра Грюнайзена вещества звуковода в точке х; Ј(х) - плотность выделившейс 

тепловой энергии.

В случае нагрева импульсным пучком проникающего излучени , Ј(х) равна

0

Ј(х)

где dE/dZ (-) V SZJ

п (х)

)

(4)

5

n(x) В случае fc.(x) равна

линейные потери энергии ионизирующих частиц излучени ;

перенос частиц излучени  в точке х. нагрева импульсом тока

г(х) J J2(t) j(x) dt,

где j(t) - плотность тока в импульсеf (х) - удельное сопротивление звуковода в точке х.

f(

5

Возникающа  термоакустическа  волна напр жений распростран етс  без изменени  величины и формы вдоль оси звуковода, попадает в акустический детектор, а из него - в виде пропор0 ционального электрического импульса попадает в регистратор 6 (например, осциллограф). Зна  распределение поглощенной энергии в звуководе, определ емой Ј(х), можно по измеренному

импульсу акустических напр жений, определ емых 6(х,0), определить функцию Г(х) параметра Грюнайзена и по ней восстановить температурное поле Т(х). Звуковод может быть выбран

0 не только в виде пр мого стержн , но и искривленным вдоль определ емого температурного пол . В частности, звуковод может состо ть из двух или нескольких пр молинейных или криволи-

j нейных отрезков, наход щихс  друг с другом в последовательном акустическом соединении, например, иметь форму меандра, плоской или объемной спи- рали.

На фиг. 2 изображен вариант устройства с объемным звуководом, состо щим из нескольких последовательно соединенных между собой с акустическим контактом меандров, с размерами равными размеру пространственного профил  температурного пол , чем достигаетс  перекрывание рабочим телом звуковода всей пространственной области, в KOTO-J рой необходимо измер ть температуру. Возбуждение термоакустических колебаний осуществл етс , например, импульсным потоком ионизирующего излучени , падающего перпендикул рно плоскости меандров, а их регистраци  осуществл етс  одним акустическим детектором, подсоединенным к одному из торцов звуковода. С помощью объемного эвуко- вода измерени  температурного пол  J можно проводить в жидкост х и газах, плоскими звуководами можно контролировать температурное распределение тепловых полей на поверхности твердых тел.2

В предлагаемом способе и устройстве измерени  температурного пол  Т(х) кажда  пространственна  координата х области взаимодействи  импульсного пучка проникающего излучени  со 3 звуководом преобразуетс  во временную координату tx регистрируемого термоакустического импульса напр жени , равного j(tx). Временное разрешение

измерительной системы At определ етс  полосой пропускани  акустического детектора и составл ет дл  полосы пропускани , равной df - 10 МГц, величину Л t ДЈ . Эквивалентное разрешение пространственной коор- динаты 4Х Дл  температурного пол  определ етс  величиной/)Х S-At a

сЗ-10 см. При необходимости пространственное разрешение 5Х можно еще улучшить как минимум на пор док, при- менив дл  регистрации термоакустических сигналов акустический детектор с полосой пропускани , равной uf. Ј100 МГц, при этом дхеЗ-10 3см.

В способе-прототипе кажда  пространственна  координата х температурного пол  определ етс  последовательным перемещением звуковода по измер емой траектории. В каждой фиксированной точке траектории производитс  измерение времени задержки отраженного от противоположного торца звуковода акустического импульса. При этом минимальна  длина звуковода,

Q Q 5

0

5

Q

0

5

определ юща  пространственное разрешение ьпрототипа, должна1 составл ть величину равную 1 см.

Таким образом, пространственное разрешение предлагаемого способа в

т, 102 раз больше по сравнению со способом-прототипом . Это обсто тельство позвол ет использовать предлагаемые способ и устройство дл  измерени  температурных полей сложного профил  с большими пространственными градиентами температур, а также неоднородных температурных полей, локализованных в малом пространственном объеме.

Врем  измерени  полного профил  температурного пол  зависит от размера траектории L съема, от времени установлени  температурного пол  в материале звуковода и временных характеристик Vh источника импульсного нагрева. Длительность импульса нагрева должна удовлетвор ть условию мгновенного нагрева, т.е.

1/8;

$ь « V& , (5) где s- врем  формировани  акустического сигнала;

1 - размер области импульсного нагрева звуковода, который равен либо диаметру импульсного пучка проникающего излучени , либо рассто нию между подвод щими электродами; S - скорость звука материала звуковода .

Дл  звуковода, имеющего квазиодномерную форму, врем  ж установлени  температурного пол  определ етс  поперечным размером звуковода и коэффициентом $ температуропроводности материала звуковода. Дл  цилиндрического звуковода радиусом г Ј определ етс  соотношением

1Х г2 Мае.

Например, если выбрать в качестве эвуковода проволоку из гадолини  или сппава TiNi диаметром d 10 м, то врем  установлени  температурного пол  будет составл ть величину, равную . f(s 10-3c.

При выполнении услови  (5) врем  сн ти  распределени  температурного пол  по всей траектории съема длиной L будет минимальным и равным- Ј -; j;L/S. Например, если выбрать в качестве материала звуковода гадолиний, позвол ющий проводить измерени  в

диапазоне температур от 180 К до 350 К, и измерить им распределение неоднородного температурного пол  по траектории размером L 100 см, то врем  сн ти  температурного распреде- лени  составит (дл  гадолини  S 3 -105 см/с).

Предлагаемый способ позвол ет сократить врем  измерени  Ct/ C eflO1 раз и существенно сократить трудоемкость процесса измерени . Осуществление возможности получени  пространственного распределени  температурного пол  за врем  позвол ет проводить измерени  как посто нных так и нестационарных температурных полей, измен ющихс  со временем с периодом - 10 с.

Чувствительность способа определ етс  температурной зависимостью генерационной способности материала зву- ковода, мерой которой служит параметр Грюнайэена. Относительное изменение параметра Грюнайэена исследованных веществ: диспрози , гадолини , сплавов Сп - Al - Ni, TiNi в температурном интервале фазовых превращений измен етс  на величину Л Г/Г а 200 - 1000%.

Предлагаемый способ (по сравнению со способом-прототипом) обладает расширенными функциональными возможност ми , поскольку позвол ет измер ть температурные пол  с большим пространственным градиентом в жидкост х и газах, на поверхности твердых тел, неоднородные пол , локализованные в малом объеме, в труднодоступных местах , в услови х мощных электромагнит

о е- ли1578520-Ю

ных пол х, нестационарные температурные пол , снижает трудоемкость процесса измерени  за счет импульсного нагрева звуковода.

Claims (2)

1.Способ измерени  температурного пол , включающий размещение в контролируемом пространстве звуковода, выполненного из материала с завис щим от температуры физическим параметром, возбуждение и регистрацию колебаний, отличающийс  тем, что,

с целью расширени  функциональных возможностей за счет обеспечени  измерени  пространственного распределени  неоднородных температурных полей сложного профил  и нестационарных тепловых полей, повышени  чувствительности и снижени  трудоемкости измерений , в качестве звуковода используют звуковод квазиодномерной формы

из материала с завис щим от температуры параметром Грюнайзена, располагают его в контролируемом пространстве по траектории, совпадающей с профилем температурного пол , осуществл ют импульсный нагрев звуковода и регистрируют возбуждаемые в нем тер- моакустические колебани , по амплитуде и форме которых измер ют пространственный профиль температурного

ПОЛЯ.

2.Способ по п. 1, отличающийс  тем, что нагрев звуковода осуществл ют импульсным пучком проникающего излучени  или импульсом электрического тока.

I

М егистратору

Фиг. 2

Редактор А.Ревин

Составитель В.Ярыч

Техред Л Сердюкова Корректор С.Черни

Заказ 1908

Тираж 498

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное