Способ определения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЗФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ь Изобретение относится к измеритеЛЪной технике иможет быть использованопри определении температурного коэффициента линейного расширения (т.к.л.р.)деталей различной конфигурации,Известен способ определения т.к,л,р.твердых тел путем сравнения относительных удлинений двух одинаковых образцовпри последовательном изменении их температуры и измерении их теплового расширения ЩОднако этот способ не позволяет производить измерения на конкрет;ных деталях,так кактребуется изготавливать одинаковые образцы иэ одного итого же материала, Образцы должны бытопределенных размеров и конструкции.Бпижайшим техническим решением является способ определения т.к,л,р, твердых тел, основанный на измерении периодасвободных колебаний твердого тел.", подвешенного на струне 21Однако этот способ но пригоцен дляизмерения т.к.л.р. материалов миниатюрных деталей из-за большой погрешности,неизбежно возникающей при измерении изменения малых интервалов времени" и неизохронности свободных колебаний при малых количествах. движения, Ограниченное применение способа связано с низкой точностью измерения; а также со сложностью измерительного тракта устройства, основанного на нем (сложная оптичес кая система индикации, оптический умно- житель). Для обеспечения приемлемой точности необходимо произвести 1000 и более измерений.Цель изобретения - повышение точности определения т,к.л.р. миниатюрных деталей сложной конфигурации и снижение трудоемкости процесса измерения.Поставленная цель достигается тем, что телусообщают вынужденные крутильные колебания на резонансной частоте при фиксированной амплитуде, затем снимают частотные сигналы при двух заданных температурах и по частотной зависимости т,к,л.р. определяют искомый параметр.з 69319Эта зависимость вытекает из следующего.При изменении температуры твердого тела вследствие теплового расширения изменяется его момент инерции относительно фиксированной оси. Это изменение может быть определено по формуле 2 4Устройство работает по следующемупринципу,Система ротор 4 вибратора - планшайба 2 - исследуемое тело 1 из-за наличия механических возмущений окружающей среды совершает затухающие колебания на собственной частоте. При включении усилителя 6 усиливаются воспрянимаемые обмоткой датчика 7 колебаниясистемы. Усиленный сигнал подается наобмотку вибратора крутильных колебаний,5, который возбуждает в системе вынужденные крутильные колебания на собственной частоте.фазовое соотношение сигнала от даччикаи сигнала, подаваемого на обмоткувибратора, а также коэффициент усиления усилителя 6 подобраны так, чтобысистема ротор 4 вибратора - планшайба2 - исследуемое тело 1 совершала незатухающие крутильные. колебания на"собственной частоте, т. е, при помощи усилителя 6 осуществляется положительная обратная связь,. между датчиком 7 и вибратором 5. Из-эа наличия ограниченного коэффициента усиления в системе устанавливаются вынужденные колебания с соответствующей постояннойамплитудой.Способ осуществляется в: следующей; послеидовательяостиИсслеауемое тело 1 устанавливаетсяи зйкрейлияетсяи на планшайбе 2. Устанавливается температура исследуемоготела 61 . Включается усилитель, и система совершает вынужденные колебанйяна собственной частоте Г При по.,мощи контрольно-измерительного прибора10 измеряется соответствующая амплитуда крутильных колебаний системы. Измеряется частота 1 иподается навычислительный блок 9. Изменяетсятемпература до 8 . Устанавливается таже сймаяи амплйтуда крутальных колебанйй, как и при частоте 6 и измеряет-: .ся частота , Данные частоты 1 подаются йа вычислительный блок, вкотором цо -расчетной формуле вычисляется т.к.л.р. Ь 1, .: 2 тпрр (6 - 6,).-гпр. 2 сс(Е -Е,.), (1) где 1, и 1полярные моменты инерции тела относительно фиксированной оси при значениях температурьг тела, соответственно 2 и 1:гпи - цасса тела,Р - радиус инерции тела при 1;Ж - т,к.л;р. тела.Из выражения (1)20Резонансные частоты вынужденных круи1 ильных колебаний прй температурах8 и 8 к связаны с моментами инер-,"ции тела следующими зависимостями: ЗО ипРи би =2 У/1, ф..2 Из выражений (2), (3) и (4) опре деляется расчетная формула для т.к.л,р. 40Способ реализуется с помощьюуст-,ройства, -схематично показанного на чер-теже. Исследуемое тело Х устианавггивает-ся и закрепляется напланшайбе 2,"кото 45рая жестко соединена с ротором 4 вибратора крутильных колебаний. При этомпланшайба.2 соединена при помощиуйругих элементов 3 с неподвижным основа-нием, Обмотка вибратора крутильных ко 50лебаний б соединена с обмоткой датчика7 при помощи усилителя 6, на один вы.ход которого подключен частотомер 8, ана другой-контрольно-измерительный прибор, например осциллограф 10. На вьгходе частотомера подключен вычислительный блок 9, при помощи которого вычисляется температурный коэффициент линейного расширения,Для исключения погрешности, вызванной изменением жесткости подвеса при вариациях температуры, в качестве упругого элемента используют пластины из материала, размеры и модуль упругости . которого не изменяются с изменением температуры (например, инвар). С этой же целью испольэуни тарировку схемы с69319эталоном, выполненным из однородного материала, т.к.л.р. которого известен.Таким образом, измеряя резонансную частоту вынужденных крутильных колбаний (при фиксированной амплитуде) испытуемой детали, жестко закрепленной на упругом подвесе, определяют"г.к.л.р. материала детали.П р н м е р, Пусть требуется измерить т.к,л.р, материала ротора малогабаритного электродвигателя. Момент инерции ротора относительно оси вращения 10,8 Гсм/с", угловая жесткость подвеса стенда С:788, 77 х 10 ф Гсм/рад. Прн измерении резонансной .частоты крутнльных колебаний при комнатной температуре получено 1, = 500 Гц. После нагрева н выдержки при температуре +120 С д= 499,38 Гц. По формуие (5) определяем т.к.л,р. материала ротора=124 Ю1/фс.25 Используя для измерейня частоты крутиль- ных копебаний частотомер-,хронометр типа Ф, погрешность которого в заданном диапазоне частот не превышает0,01 Гц, и фиксируя температуру ротора с помощью датчика 11 с точностью не6хуже 0,1 С, погрешность определения т.к.л.р. составит не более 1,6%.Использование предлагаемого способа определения т;к.л.р. материалов обеспечивает воэможность измерения т.к.л.р. материала деталей сложной конфигурации и малых. габаритов без их разрушения, так как не требуется изготавливать спе 2 6циальные образцы, возможность измерять эквивалентный т.к,л.р. деталей и узлов выполненных из различных материалов, высокую точность, низкую трудоемкость, а также возможность автоматизации процесса измерения, Это обеспечивает повышение качества и надежности контроля материалов, используемых в деталях и узлах точных приборов, прн исследованиях н в условиях производства.Формула изобретенияСпособ опредепения температурного коэффициента линейного расширения твердых тел, основанный на определении изменений частот при изменении температуры исследуемого тела, о т л н ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения тоЧности определения температурногокоэффициента линейного расширения миниатюрйых деталей сложной конфигурации и снижения трудоемкости процесса измерения, телу сообщают вынужденные крутильные колебания на резонансной частоте при фиксированйой амплитуде, затем снимают частотные сигналы при двух заданных температурах и по частотной зависимости температурного,коэффициента линейного расширения определяют искомый параметр,Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССРтавит,ель А. Вол аров Заказ 6065/12 Тираж 1073 Под ЦНИИПИ Государственного комитента ССС по делам изобретений и открьггий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., сно и. 4 филиал Г 1 ПП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Редактор Л. Алексеенко Техред Н. Бабурка Корректор Р