Устройство для определения теплофизических свойств материалов

(53)5 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕН Целью изобретения я ние точности определения свойств материалов. Указанная цель дости известное устройство для о лофизических свойств ма(71) Институт теплофизики Уральского отделения АН СССР(73) Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии(56) 1 Авторское свидетельство СССР М 693196, кл, 6 01 й 25/18, 1976.2. Авторское свидетельство СССР М 1286976, кл, 6 01 й 25/18, 1984.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ(57) Область использования: техническая физика для комплексных измерений тепло- физических свойств материалов в широком диапазоне температур, Сущность изобретения: для повышения точности определения теплофизических свойств материалов в устройство, содержащее источник теплового потока круглого сечения, модулятор теплового потока, блок управления модулятором, вакуумную камеру с установленными в ней образцом и датчиком температуры, измеритель фазы и амплитуды, регистратор, оптиИзобретение относится к технической физике и может быть использовано для комплексных измерений теплофизических свойств (ТФС) материалов (теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности) в широком диапазоне температур. 2мизатор, измеритель мощности теплового потока, введен блок регулирования диаметра теплового потока, По команде "Пуск" оптимизатор на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру теплового потока. При отсутствии заданного значения Днч устанавливается код, соответствующий максимальнб возможному значению Д. Этот код поступает на второй .вход блока регулирования диаметра теплового потока. На втором выходе блока регулирования диаметра теплового потока формируется логический уровень "1", посту-, пающий на второй вход оптимизатора. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора в первом такте вырабатывается код, пропорциональный анч, поступающий на вход блока управления модулятором, На третьем выходе модулятора теплового потока обеспечивается равномерная последовательность счетных импульсов, которые подаются на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды, производящего отсчет значения сигнала, поступающего на его первый вход с датчика температуры, при появлении каждого счетного импульса, 1 с.п, ф-лы, 2 ил.жащее источник теплового потока круглого сечения, первый выход которого соединен с первым входом модулятора теплового потока, второй выход - с входом измерителя мощности теплового потока, блок управле ния модулятором, выход которого соединен со вторым входом модулятора теплового потока, вакуумную камеру с установленными в ней обрззцрм,и датчиком температуры, вы-ход которого соединен с первым входом иэ мерйтеля фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности теплового потока, первый выход - . с первым входом регистратора, второй выход - с первым входом оптимизатора, пер . вый выход оптимизатора соединен с входом блока управления модулятором, второй вы. ход - со вторым входом регистратора, введен блок регулирования диаметратеплового потока, первый вход которого со единен с первым выходом модулятора теплового потока, второй вход - с третьим выходом оптимизатора, первый выход - С входом вакуумной камеры, второй выход - со вторым входом оптимизатора, второй вы ход модулятора теплового потока соединен . с третьим входом измерителя фазы и амплитуды, третий выход модулятора теплового потока соединен с четвертым входом измерителя фазы и амплитуды. 30Введение блока регулирования диаметра теплового потока позволяет автоматически регулировзть диаметр теплового потока при изменении толщины исследуемых образцов, что повышает точность определе ния теплофизических свойств материалов, образцов, расширяет функциональные возможности и улучшает энергетические и массогабаритные показатели устройства.Отличительные от прототипа признаки 40 определяют новизну устройства.В науке и технике не обнаружены решения со сходными отличительными признаками. Следовательно, зто решение обладает существенными отличиями, 45На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения теплофизических свойств материалов.На Фиг, 2 представлены зависимости фазы и амплитуды от частоты для разной 50 степени искажения температурной волны.Устройство (фиг, 1) содержит источник 1 теплового потока круглого сечения, первый выход которого соединен с первым входом модулятора 2 теплового потока, второй вход 55 модулятора 2 теплового потока соединен с выходом блока управления 3 модулятором.Первый выход модулятора 2 теплового потока соединен с первым входом блока 4 регулирования диаметра теплового потока. Первый выход блока 4 регулирования диаметра теплового потока 4 соединен с вакуумной камерой 5, в которой установленобразец 6, передняя сторона которого черезвход вакуумной камеры 5 связана (оптически) с первым выходом блока 4 регулирования диаметра теплового потока 4, аобратнзя сторона - с датчиком 7 температуры, выход которого через разъем вакуумной камеры Б соединен с первым входом измерителя фазы и амплитуды 8, первый выход которого соединен с первым входом регистратора; Второй выход измерителя фазы иамплитуды 8 соединен с первым входом оп. тимизатора 10. Первый выход оптимизатора 10 соединен с входом блока управления модулятором 3, второй выход оптимизатора 10 соединен со вторым входом регистратора 9,третий выход оптимизатора 10 соединен совторым входом блокз регулирования диаметра теплового потока 4, второй вход блокарегулирования диаметра теплового потока4, второй вход оптимизатора 10 соединен совторым выходом блока регулирования диаметра теплового потока.4. Второй выход источника теплового потока. круглого сечения1 соединен с входом измерителя мощноститеплового потока 11, выход которого соединен с вторым входом измерителя фазы иамплитуды 8. Третий вход измерителя фазыи амплитуды 8 соединен с вторым выходоммодулятора теплового потока 2, четвертыйвход - с третьим выходом модулятора теплового потока 2.В устройстве в качестве источника теплового потока круглого сечения 1 использован ОКГ непрерывного действия типаИЛТН. Модулятор теплового потока 2выполнен в виде дискового обтюратора, посаженного на вал шагового двигателя, скорость вращения которого задает частотумодуляции теплового потока,В состав модулятора теплового потока 2входит шаговый двигатель с насаженным навал дискам и два Фотоэлектронных блока,один из которых вырабатывает на второмвыходе модулятора теплового потока 2 непрерывно с частотой и логический сигнал,связанный с пропусканием или перекрыванием дискзм модулятора теплового потока2 лазерного луча, другой Формирует натретьем выходе модулятора теплового потока 2 счетные импульсы с частотой 256 м,жестко связанные с фазой положения дискамодулятора теплового потока 2, Счетные им.пульсы поступают на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды 8.С второго выхода модулятора тепловогопотока 2 на третий вход измерителя фазы иамплитуды 8 поступает. опорный сигнал, од 1836632= -- 1,где и - отношение диаметра Д к диаметрулазерного луча на первом выходе блока регулирования диаметра теплового потока 4,Р - фокусное расстояние линзы.Примененные в устройстве элементыимеют следующие параметры;д 6 ммЕ 107 мм- 150-400 мм,следовательно, блок регулирования диаметра теплового потока 4 позволяет изменятьвеличину Д в диапазоне от 3 до 18 мм. Кромелинзы и механизма с шаговым двигателем всостав блока регулирования диаметра теплового потока 4 входит схема управления; 5преобразующая цифровой код, поступающий на второй вход, в соответствующее число импульсов движения шаговогодвигателя. После завершения выполнениякоманды на втором выходе схема управления формирует единичный логический уровень, сигналиэирующий об этомпередающийся на второй вход оптимизатора 10. Вакуумная камера 5 представляетсобой вакуумную печь типа СШВАв комп 40 ориентировочные значения начальной час 45 тоты модуляции апач. и диаметра теплового потока, Драч. По команде. "Пуск" оптимиэаноэначно определяющий фазу теплового потока на выходе модулятора теплового потока 2, и является опорным колебанием, по отношению к которому отсчитывается фаза колебаний температуры обратной поверхности образца 6, регистрируемых датчиком температуры 7 и подаваемых на первый вход измерителя фазы и амплитуды 8.Блок управления модулятором 3 содержит генератор кварцованной частоты, программируемый цифровым кодом таймер, распределитель импульсов и усилитель импульсов, соединенные последовательно в порядке перечисления (на чертеже не показаны) и обеспечивающие по первому выходу работу шагового двигателя в соответствии с требованиями к нему.Блок регулирования диаметра теплового потока 4 представляет собой фокусирующую линзу из прозрачного для лазерного излучения материала. расположенную на расстоянии "Г от образца 6, причем механизм, приводимый в движение шаговым двигателем, производит перемещение линзы вдоль оптической оси, изменяя тем самым расстояние в. соответствии с подаваемым на второй вход блока регулирования диаметра теплового потока 4 кодом. Изменение расстояния "Г приводит к.изменению диаметра лазерного луча, попадающего в плоскость образца Д, причем 5 10 15 20 25 30 35 лексе с регулятором температуры типа ВРТ и с программным эадатчиком температуры. Исследуемый образец 6 имеет форму тонкого диска с отношением толщины к диаметру более, чем 1;10, В качестве датчика температуры 7 может быть использована термопара типа ВР 5/20 или быстродействующий пирометр. Измеритель фазы и амплитуды 8 выполнен в виде цифрового прибора. В качестве регистратора 9 использован диалоговый вычислительный комплекс ДВКЗМ с периферийным оборудованием для визуализации и документирования результатов исследования. Оптимизатор 10 реализован в виде цифрового. автомата, который производит вычисления по формулам и вырабатывает сигнал (цифровые коды), управляющие блоком регулирования диаметра теплового потока 4 и блоком управления модулятором 3 в соответствии с алгоритмом измерений так, чтобы минимизировать погрешности измерения тепло- и температуропроводности, Коды, соответствующие минимальной частоте колебаний теплового потока и максимальному диаметру теплового потока, хранятся в памяти автомата.Измеритель мощности теплового потока 11 представляет собой прецизионное фотоприемное устройство, регистрирующее долю излучения источника теплового потока 1, Относительные изменения теплового потока фиксируются измерителем мощности теплового потока 11 и передаются на второй вход измерителя фазы и амплитуды 8 для коррекции результатов измерения.Устройство(фиг. 1) работает следующим образом.После достижения требуемых условий эксперимента (необходимой степени разрежения в вакуумной камере 5 и температуры образца 6) в порядке подготовки к проведению измерений оператор с помощью клавиатуры вводит в память оптимизатора 10 тор 10 на третьем выходе вырабатывает код, соответствующий начальному диаметру теплового потока, При отсутствии заданного значения Д,ач, устанавливается код, соответствующий максимально возможному значению Д, что может несколько увеличить время измерений, Этот код поступает на второй вход. блока регулирования диаметра теплового потока 4, где с помощью схемы управления приводится в действие шаговый двигатель, передвигающий фокусирующуо линзу с помощью механизма в положение,обеспечивающее заданный кодом диаметр теплового потока, После завершения этогодвижения на втором выходе блока регулирования диаметра теплового потока 4 формируется логический уровень "1", поступающий на второй вход оптимизатора 10. Одновременно с установлением кода диаметра теплового потока на первом выходе оптимизатора 10 в первом также вырабатывается код, пропорциональный йЪач посту пающий на вход блока управления модулятором 3, а именно на вход программирующего таймера, который по данному сигналу формирует последовательность импульсов, приводящих во вращение со,строго постоянной скоростью шаговый двигатель модулятора теплового потока 2, Диск модулятора теплового потока 2 обеспечивает путем периодического перекрытия пучка излучения ОКГ единичную модуляцию теплового потока по амплитуде с заданной частотой и скважностью. Кроме того, первый фотоэлектронный блок на чертеже не показан, входящий в состав модулятора теплового потока2, обеспечивает на третьем выходе модулятора теплового потока 2 равномерную последовательность счетных импульсов, причем на один период колебаний мощности теплового потока приходится 256 импульсов. Счетные импульсы подаются на четвертый вход измерителя фазы и амплитуды 8, производящего отсчет значения сигнала, поступающего на его первый входс датчика температуры 7, при появлении каждого счетного импульса. Со второго выхода модулятора теплового потока 2 поступает логический сигнал. сформированный вторым фотоэлектронным блоком, и подается на третий вход измерителя фазы и амплитуды 8, где используется в качестве опорного сигнала. Модулированный поток лучистой энергии, взаимодействуя с передней поверхностью исследуемого образца 6, возбуждает в нем колебания температуры, которые при помощи датчика температуры 7 преобразуются в электрические сигналы, поступающие на первый вход измерителя фазы и амплитуды 8, где определяется амплитуда О и фаза утек, первой гармоники по отношению к логическому сигналу, а также средняя температура Т образца 6, Кроме того. измеритель фазы и амплитуды 8, принимая через второй вход сигнал с выхода измерителя мощности теплового потока 11, на основании известных параметров закона модуляции и частоты модуляции определяет амплитуду первой гармоники колебаний теплового потока О, Измеренные указанным образом значеы 1 л выл,;1 н рек, О, Т и 0 передаются в память ре истратоа 9, а значение рек. передается, кр.:е т "о, с вто.: выхода измерителя фа эы и амплитуды на первый вход оптимизатора 10,Во втором такте оптимизатор 10 зановопроизводит установку частоты: 5 М =йЪач + ЬИ гдеЬа--1) ан107,3 р - 11,46 - 0,11гЧастота устанавливается до тех пор, пока нввыполнится условие: 50,1 Обычно для выполнения этого условиятребуется не более 3 итераций,20 В третьем такте определяется диапазонизменения частоты по формуле йЪвч. ЖО0.6234 й)кон. йФ 2,.329,ф й) ) = Ь4+ 45 50 где 1 - частота модуляции, Гц;в свою очередь:Ь -л 2 а55 где д - толщина образца, м;а - температуропроводность, м /с;г(3) срди где юо - установившаяся во втором такте частота модуляции.В пределах этого диапазона производят 30 измерение на "и" частотах, причем величина"и" устанавливается оператором, Обычно и = 4-8.На этих частотах определеятся амплитуда и фаза поступающего с датчика темпера туры 7 на первый вход измерителя фазы иамплитуды 8 сигнала температуры обратной поверхности образца 6.После завершения измерений во всемзаданном.диапазоне частот модуляции при 40 начальном диаметре теплового потока оптимизатор 10 проводит сравнение зависимостей фазы.и амплитуды от частоты с расчетными зависимостями ф а) и О( й,Предполагается, что температуропро водность - а - не зависит от частоты (а).Тогда получаем.(4)с,рЗ5 где д - плотность мощности теплового потока, Вт/м;з.Ср - теплоемкость образца, кад/м;р- плотность образца, кг/м .В том случае, если зависимости р(в) и 0(в) 10 подчиняются 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, 15 соответствующий уменьшению диаметра теплового потока, После завершения исполнения команды вновь проводятся измерения на тех же частотах с оценкой вида зависимостей фазы и амплитуды от частоты 20 и сравнением уровня сигнала с заданным значением. Процесс уменьшения диаметра теплового потока прекращается после выполнения одного из двух условий:1, Амплитуда колебаний температуры 25 на обратной поверхности образца больше или равна заданной, (Обычно амплитуда колебаний температуры выбирается так, чтобы в 5-10 раэ превосходить шум регистрирующего тракта и составляет, как 30 правило 1 - 10 К. При необходимости могут быть использованы иные критерии).2, Диаметр теплового потока мал настолько, что происходит заметное искажение иэотермической поверхности за счет 35 бокового теплоотвода. В этом случае наибольшим искажением подвергаются длинные волны, т.е, возбуждаемые на нижних частотах модуляции, причем наличие искажений эа счет бокового теплоотвода приво дит к уменьшению фазового запаздывания по сравнению с неискаженным значением, определяемым по формуле (1). Характерные зависимости фазы и амплитуды От частоты для разной степени искажения температур ной волны представлены на фиг. 2.Алгоритм оценки оптимизатором 10 степени искажения зависимостей фазы и амплитуды от частоты построен так, чтобы процесс выбора диаметра теплового потока 50 заканчивался при достижении зависимостями р(в) и О(го) вида 2 (фиг, 2). Эти зависимости характерны тем, что в пределах погрешности измерения отсутствуют отклонения от законов (1), (3) на оптимальных 55 частотах и выше, т,е. р 140. Оптимальные измерения осуществляются при р = 140 О. На частотах ниже оптимальных присутствуют искажения температурной волны, что выражается в отклонении зависимостей,/ (а 1 и О(щ) от законов (1), (3). При этом в регистратор 9 для расчета теплофизических характеристик передаются только неискаженные значения, т.е. От р =- 140 и выше,Если по какой-либо причине происходит недопустимое искажение температурной волны (например, слишком малый диаметр теплового потока, изменение свойств образца), зависимости р (о и 0 (в) будут иметь отклонения от законов (1). (3) на частотах вьр и выше, В этом случае, а также в случае превышения величиной заданного значения, оптимизатор 1 О формирует команду на увеличение диаметра теплового потока и производит измерения после приведения зависимостей р(в) и О(а) к виду 1 или 2.Начальный процесс выбора диаметра теплового потока обычно не превышает 3 - 4 шага, на что требуется 5 - 15 мин в зависимости от частоты, Дальнейшая корректировка, компенсирующая изменение свойства образца во время эксперимента, обычно осуществляется на 1 шаг,После завершения выбора диаметра теплового потока оптимизатор 10 переходит в режим измерений и производит заданное число измерений на частоте оьр 1 или нескольких частотах в диапазоне иьр+ 2 йЬр в зависимости от программы эксперимента, осуществляемой оператором. После завершения этих измерений результаты измерения фазы, амплитуды, а также значения частот, на которых были произведены эти измерения, передаются в регистратор 9. Оптимизатор 10 переходит к выполнению измерений в следующей точке, начиная с уже установленного значения диаметра теплового потока,Измерения ТФС образцов показали следующее. При определении ТФС " ких образцов (толщиной 0,1 мм) с высокой отражающей способностью(г 0,1) и теплопроводностью более 60 Вт/м К (вольфрам, молибден) путем уменьшения диаметра теплового потока,цо 1 мм достигается выигрыш по точности в сравнении с известной установкой.(мощность лазера 100 Вт, диаметр теплового потока 12 мм) более; чем на порядок. Кроме того, изобретение позволяет определять ТФС материалов с высокой теплопроводностью (до 300 Вт/м.к),При измерении образцов иэ композиционных материалов (толщина 3 - 5 мм, е 0,6, 1 1 Вт/м к) достигается выигрыш по точности в 2 раза по сравнению с известной установкой за счет увеличения диаметра теплового потока до максимального, Кроме того, по виду частотной зависимости фазы иамплитуды при максимальном диаметре теплового потока можно судить о наличии или отсутствии погрешности измерения, обусловленной искажением температурной волны из-за конечного размера теплового потока.Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность опредепению теплофизических свойств материалов.Формула изобретения Устройство для определения теплофизических свойств материалов, содержащее источник теплового потока,. первый выход которого соединен с первым входом модулятора теплового потока, второй выход - с входом измерителя мощности теплового потока, блок управления модулятором, выход которого соединен с вторым входом модуляторе теплового потока, вакуумную камеру с установленными в ней последовательно соединенными образцом и датчиком температуры, вцход которого соединен с первым входом измерителя фазы и амплитуды, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности теплового потока, первый выход - с первым входом регистра тора, второй выход - с первым входом оптимизатора, первый выход оптимизатора соединен с входом блока управления модулятором, второй выход - с вторым входом регистратора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 10 .с целью повышения точности определениятеплофиэических свойств материалов, в него введен блок регулирования диаметра теплового потока, первый вход которого соединен с первым выходом модулятора 15 теплового потока, второй вход - с третьимвыходом оптимизатора, первый выход - с входом Вакуумной камеры, второй Выход с вторым входом оптимизатора, второй выход модулятора теплового потока соединен с 20 третьим входом измерителя фазы и амплитуды, третий выход модулятора теплового потока - с четвертым входом измерителя фазы и амплитуды.,Милюкова ивводственно-издательский комбинат, "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 1 Закаэ 3018 Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5