Способ измерения температурного поля

(51)5 С 01 К 1 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АНИЕ И ЗОБРЕТЕНИТЕЛЬСТВУ ы ударственГорькогоГ.Ф.Поп в 9 231568 гЭ аразвуковьике, М,: изметомиэ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОГ 1 АВТОРСКОМУ СЮ(57) Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности эа счет осуществления возможности измерения температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить точность измерения, снизитьтрудоемкость процесса измерения, В звуководе 1,.изготовленном из материала, параметр Грюнайзена которого зависит от температуры, возбуждают термоакустические колебания источником 3 импульсного нагрева. По ампли-туде термоакустических колебаний восстанавливают профиль температурного поля. 2 ил.Изобретение касается измерения температурных полей, в частности измерения пространственного распределения температурного профиля тепловых5 полей различного происхождения.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднород" 1 р ных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, а также повышение чувствительности и снижение трудоемкости процесса измерения, 15Известно, что импульсный нагрев конденсированных сред приводит к воз" буждению термоакустических колебаний, обусловленных термоакустическим механизмом. Амплитуда 6 (г, 1) воз- , 2 О буждаемых термоакустических колебаний определяется генерационной способность 5 материала среды, мерой которой является параметр Грюнайзена (Г) и плотностью Е(г, Т) энергии, 25 поглощенной в материале в результате импульсного нагрева: Параметр Грюнайзена (Г) связан с термодинамическими характеристиками ,материала соотношениемГЫ К(2)усгде в, К,.С,- коэффициент теплового расширения, модуль 35всестороннего сжатия,теплоемкость и плотность материала.1 При изменении температуры материала температурная зависимость термоакустического сигнала 6(Т) будет определяться температурной зависимостью параметра Грюнайзена Г(Т), поскольку величина плотностипоглощенной энергии 45 в большинстве случаев не зависит от температурыИэ (1) следует, что(3) 6 (Т) = Г(Т) Е 50Если взять материал с известной температурной зависимостью параметраГрюнайзена Г(Т), поместить его в неоднородное по пространству температурное поле Т(х) (где х - координата), возбудить в нем с помощью источника импульсного нагрева термоакустические колебания, то по амплитуде ,и форме этих колебаний можно восстановить профиль температурного поляТ(х),В области структурных фазовых переходов, не сопровождаемых изменением агрегатного состояния, параметрГрюнайзена таких металлов, как газалиний, диспрозий, сплавов Сп - А 1 -М 1, Т 1, И, облучаемых.импульснымпучком электронов с энергией 12 ИэВдлительностью импульса от 10 с до10 С, числом частиц в импульсе10 о в 10 1/см, сильно изменяетсяс температурой. Температурный интервал изменения параметра Грюнайзенадля разных металлов и сплавов различен: для диспрозия - от 50 К до120 К; гадолиния - от 180 К до 350 К,Для сплавов Сп - А 1 - Я 1, Т 1, И 1 темйературный интервал в зависимости отпроцентного состава компонентов может изменяться от 80 К до 450 К дляобласти температур 500 К - 1500 Кможно испольэовать сплав Ре - И 1 исталь с мартенситным превращением в высокотемпературной области.На фиг. 1 изображено устройство д . измерения температурного поля; на фиг, 2 - устройство для измерения тем пературного поля с объемным звуководом.Способ измерения температурного поля Т(х) осуществляют следующим образом.В контролируемом объеме с неоднородным по пространству температурьным полем Т(х) (где х - пространственная координата) размещают звуковод, изготовленный из материала, па" раметр Грюнайзена которого известным образом зависит от температуры Г= Г(Т). С помощью импульсного источника нагрева (импульсного пучка ионизирующих частиц, лазерного излучения или импульса электрического то" ка) осуществляют ипульсный нагрев звуковода, В результате импульсного нагрева в материале звуковода возбуждаются термоакустические колебания. По амплитуде и форме регистрируемых .термоакустических колебаний восстанавливают пространственный профиль температурного поля.Предлагаемый способ измерения температурного поля осуществляют при помощи устройства, изображенного на фиг. 1.Устройство содержит звуковод 1, изготовленный из материала, параметр(4) 20где 25 5 15Грюнайзена Г(Т) которого известнымобразом зависит от температуры, звуковод имеет квазиодномерную форму,т.е. выполнен в виде стержня или проволоки, диаметр которых Й значительноменьше их длины 1(Й ( 1). К одномуиз торцов звуковода 1 через акустический контакт подсоединен акустическийдетектор 2, Акустический детектор,должен обладать широкой полосой пропускания, равной ДГ " 10 ИГц, чтобыбез искажения преобразовывать формуимпульсного акустического сигнала вимпульс электрического напряжения,и слабой зависимостью чувствительности от температуры. Такой акустичес.кий детектор может быть изготовлениз широкополосной пьезокерамики с высокотемпературной точкой Кюри.(Тд),например типа ПКР. Источником 3импульсного нагрева может служитьускоритель импульсных пучков ионизирующих частиц, лазерный генератор илигенератор импульсов электрическоготока. В случае использования ускорителя или лазерного генератора импульсный нагрев звуковода осуществляется бесконтактным способом (дистанционно) с помощью потока 4 проникающего излучения. В случае использования генератора импульсов электрического тока связь генератора созвуководом 1 осуществляется черезэлектрический контакт подводящимиэлектродами 5. Регистрирующим устройством 6, подключенным к акустическому детектору 2 может служить любойприбор измеряющий без искажения амплитуду и форму электрических импульсов в полосе частот ДЙ - 10 МГц, например осциллограф типа С 1 - 65.Устройство для измерения температурного поля работает следующимобразом,Пусть необходимо определить распределение температуры вдоль отрезканекоторой линии в пространстве. Координатная ось х совмещается с линиейопределения температурного поля. Квазиодномерный звуковод 1, располагается вдоль линии определения температурного поля Т(х).,После того, как материал звуководаприобрел температуру окружающей среды,и в нем установилось неоднородноетемпературное поле Т(х), подлежащееопределению, осуществляют импульсныйнагрев звуковода, например, с помощью импульсного пучка проникающего излучения либо импульсом электрическоготока, пропускаемого по проводящемузвуководу между электродами 5, Приэтом в теле звуковода возникает одномерная термоакустическая волна на,напряжений, равная,(х, й = О) = - Г(х) Я (х),1102где Г(х) - значение параметра Грюнайзена вещества звуковода в точке х;Я(х) - плотность выделившейся15 тепловой энергии,В случае нагрева импульсным пучкомпроникающего излучения, Я(х) ранна дЕ/д 2 - линейные потери энергииионизирующих частиц излучения;п(х) - перенос частиц излучения в точке х,В случае нагрева импульсом тока (х) равна их) = 1 5(е) р (х) Йг.,30где 1(Т) - плотность тока в импульсе,"у(х) - удельное сопротивление эвуковода в точке х,35Возникающая термоакустическая волна напряжений распространяется безизменения величины и формы вдоль осизвуковода, попадает в акустическийдетектор, а из него - в виде пропор 40 ционального электрического импульсапопадает в регистратор 6 (например,осциллограф). Зная распределениепоглощенной энергии в звуководе, определяемой Е(х), можно по измеренному45 импульсу акустических напряжений,определяемых 6(х,0), определитьфункцию Г(х) параметра Грюнайзенаи по ней восстановить температурноеполе Т(х), Звуковод может быть выбран5 О не только в виде прямого стержня,но и искривленным вдоль определяемого температурного поля. В частности,звуковод может состоять из двух илинескольких прямолинейных или криволи-нейных отрезков, находящихся друг сдругом в последовательном акустическомсоединении, например, иметь формумеандра, плоской или объемной спирали, 1578520На фиг. 2 изображен вариант устройства с объемным звуководом, состоящим иэ нескольких последовательно соединенных между собой с акустическим кон 5 тактом меандров, с размерами равными размеру пространственного профиля температурного поля, чем достигается перекрывание рабочим телом звуковода всей пространственной области, в которой необходимо измерять температуру. Возбуждение термоакустических колебаний осуществляется, например, импульсным потоком ионизирующего излучения, падающего перпендикулярно плоскости меандров, а их регистрация осуществляется одним акустическим детектором, подсоединенным к одному из торцов звуковода. С помощью объемного эвуковода измерения температурного поля можно проводить в жидкостях и газах, плоскими звуководами можно контролировать температурное распределение тепловых полей на поверхности твердых тел. 25В предлагаемом способе и устройстве измерения температурного поля Т(х) каждая пространственная координата х области взаимодействия импульсного пучка проникающего излучения со З 0 звуководом преобразуется во временную координату 1 х регистрируемого термоакустического импульса напряжения, равного 6. Временное разрешение измерительной системы Ай определяется полосой пропускания акустического детектора и составляет для полосы пропускания, равной йЕ : 10 МГц, величину д= Л й Ф 10 с. Эквивалентное разрешение пространственной коор динаты ДХ для температурного поля определяется величиной дх = Б дТ й3 10 см. При необходимости пространственное разрешение ДХ можно еще улучшить как минимум на порядок, при менив для регистрации термоакустических сигналов акустический детектор с полосой пропускания, равной д 1100 ИГц, при этом ах ФЗ 10 см.В способе-прототипе каждая прост"50 ранственная координата х температурного поля определяется последовательным перемещением звуковода по измеряемой траектории. В каждой фиксированной точке траектории производится55 измерение времени задержки отраженного от противоположного торца звуковода акустического импульса. При .этом минимальная длина звуковода,определяющая пространственное разрешение прототипа, должна составлять величину равную м 1 см,Таким образом, пространственное разрешение предлагаемого способа в р 10 раз больше по сравнению со спо/фсобом-прототипом, Это обстоятельство позволяет использовать предлагаемые способ и устройство для измерения температурных полей сложного профиля с большими пространственными градиентами температур, а также неоднородных температурных полей, локализованных в малом пространственном объеме.Время измерения полного профиля температурного поля зависит от размера траектории Ь съема, от времени установления температурного поля в материале эвуковода и временных характеристикисточника импульсногоьнагрева. Длительность импульса нагрева должна удовлетворять условию "мгновенного нагрева", т.е.п "5 1 фл (5) где з время формирования акустического сигнала;1 - размер области импульсногонагрева звуковода, которыйравен либо диаметру импульсного пучка проникающего излучения, либо расстоянию междуподводящими электродами;Б - скорость звука материала звуковода.Для звуковода, имеющего кваэиодномерную форму, время С установления температурного поля ойределяется поперечным размером звуковода и коэффициентом у температуропроводности материала звуковода, Для цилиндрического звуковода радиусом гопределяется соотношениеми = г/4 Ж,Например, если выбрать в качествеэвуковода проволоку из гадолиния илисплава ТИ 1 диаметром О = 10 м, товремя установления температурногополя будет составлять величину, равную 2 (10- с,При выполнении условия (5) времяснятия распределения температурногополя по всей траектории съема длиноФЬ будет минимальным и равнымЬЕ,Я. Например, если выбрать в качестве материала звуковода гадолиний,позволяющий проводить измерения в1578520 ЗС диапазоне температур от 180 К до350 К, и измерить им распределениенеоднородного температурного поля потраектории размером 1. = 100 см, товремя снятия температурного распреде"ления составит С "10 с (для гадолиния Б = 3 10 см/с).Предлагаемый способ позволяет сократить время измерения 1 Ц ь , 10раз и существенно сократить трудоемкость процесса измерения. Осуществление возможности получения пространственного распределения температурного поля за время С ( 10- с позволяет проводить измерения как постоянных,так и нестационарных температурныхполей, изменяющихся со временем спериодом10 с,Чувствительность способа определяется температурной зависимостью генерационной способности материала эвуковода, мерой которой служит параметрГрюнайэена. Относительное изменениепараметра Грюнайэена исследованных 25веществ: диспрозия, гадолиния, сплавов Сп - А 1 - Ю 1, Тджх в температурном интервале фазовых превращенийизменяется на величину В Г/Г : 200 -1000 ,Предлагаемый способ (по сравнениюсо способом-прототипом) обладаетрасширенными функциональными возможностями, поскольку позволяет измерятьтемпературные поля с большим пространственным градиентом в жидкостяхи газах, на поверхности твердых тел,неоднородные поля, локализованные вмалом объеме, в труднодоступных местах, в условиях мощных электромагнит 10ных полях, нестационарные температурные поля, снижает трудоемкость процесса измерения за счет импульсного нагрева звуковода,формула изобретения 1. Способ измерения температурного поля, включающий размещение в контролируемом пространстве звуковода, выполненного из материала с зависящим от температуры физическим параметром, возбуждение и регистрацию колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных тепловых полей, повышения чувствительности и снижения трудоемкости измерений, в качестве звуковода используют звуковод квазиодномерной формы из материала с зависящим от температуры параметром Грюнайзена, располагают его .вконтролируемом пространстве по траектории, совпадающей с профилем температурного поля, осуществляют импульсный нагрев звуковода и регистрируют возбуждаемые в нем термоакустические колебания, по амплитуде и форме которых измеряют прост,ранственный профиль температурного поля.2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что,нагрев звуковода осуществляют импульсным пучком проникающего излучения или импульсом электрического тока.1578520 ль В.Ярыч Сердюкова Корректор С.Черни дактор А.Р Заказ 190 раж 49 сно о комитета по изобретени Москва, Ж, Раушская и а тент Производственно-издательский комбина НИИПИ Государственн 1130Состав Техред крытиям при ГКНТ ССРд. 4/5 Ужгород, ул. Гагарина, 101