Автоматизированная система измерения теплофизических свойств твердых тел импульсным методом при использовании расфокусированного луча лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

УДИУРТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Иа правах рукописи

УДК 681.2-52: 530.МВ.023

КЛИЛШЕВ Михаил Геннадьевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАСФОКУСИРОВАННОГО ЛУЧА ЛАЗЕРА

Специальность: 01.04.01 - техника физического эксперимента,

Физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание ученой степени кандидата физико-математических на/к

Ихопск - 1993

ГаСота выполнена в Ижевском механическом институте

Научные рукопадитехи - доктор технических наук, профессор

(В. А.СИПДЙЛОВ|

кандидат Физико-математических наук, доцент Д.Д.ЗАГРЕБКВ

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Д.Д.ИШ1ИЩ1 кандидат технических наук, доцент О.Д.КУЛИКОВ

Ведущая организация - Институт проблем механики УрО РАН

Защита диссертации состоится * " 1003 г.

в 'ТТ_часов на заседании Специализированного сове-

та K0G4.47.07 прн Удмуртском государственном университету^ро адресу 42*>034, г. Ижевск, :д. Красногеройская,

шом университете по I, 71, ауд. 216

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Удмуртского государственного университета.

Автореферат разведан

-¿Г

1093 г.

Л.Г.К0Ш1КР

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современных отраслей народного хозяйства требует создания материалов и изделий с наперед заданными с вой ст нами, контроля этих свойств втеченио всего технологического процесса. Важное место в ряду технологических свойств материалов занимают теплофизичзские свойства (ТФС): температуропроводность, теплоемкость к теплопроводность.

Получение данных о ТФС материалов, готовых изделий и их частей невозможно без совераеиствования старцу, и создания попик методов н средств измерения ТФС материалов о оироком интервале температур. Все измерительные системы теглофизических спойсти (ИС ТФС) в зависимости от используемых методов делятся на три класса: стационарные, квазистационарные и нестаичоиарныо.

Нестационарные (импульсные) системы измерения ТФС в настоящее время получили иирокоо распрост. оненио на практике, благодаря тому, что они выгодно отличаются от первых двух классов КС ТФС но производительности, возможности определения за один эксперимент всех ТФС, простоте реализации, хотя и уступают стационарным и кпазистациопарнмм НС ТФС в точности. Появление импульсных ИС ТФС с открытой поверхности, не требующих изготовления образцов определенной геометрической форма, существенно расширило диапазон использования импульсных ИС ТФС (измерение ТФС материалов а жидкой фазе, изнеронио ТФС готовых изделий и даже их частей).

Одной из основных проблем, сдержизаюцих дальнейшее практическое использование импульсных ИС Т'ГС с открытой поверхности, является проблема, связанная с юысокоинтенсивним тепловым воздействием источника тепла на материал (чаще всего это луч оптического квантового генератора <ОХГ)). Такое воздействие на матерках приводит к нарушению целостности его поверхности в результате плавления и резкому снижению точности определения ТФС.

Кроме того,' широкому пнедрени» в практику импульсных ИС ТФС с открытой поверхности препятствует.тот Факт, что данные измерительные устройства не автоматизированы.

Имеющиеся в настоящее время ИС ТФС с открытой поверхности с использованием высокоинтенсионого точечного источника тепла при определении ТФС рассматривают тепловую задачу.без учета записи-

мости от температуры теплофизических коэффициентов, что противоречит условиям эксперимента.

Таким образом, актуальным является созданио иеразруяаюцих импульсных измерительных систем для определения ТФС с открытой поверхности, использующих источники топ да с пониженной интенсивностью, обладающих достаточной точностью и простотой в реализации.

целью исследований является разработка и созданио импульсной ароматизированной норазрупапцей системы измерения ТФС твердых материалов п широком интервале температур при использовании расфокусированного луча ОКГ. •

Для достижении указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать импульсный метод измерения ТФС твердых тол с открытой поверхности при использовании расфокусирован!.-)Го луча ОКГ, определить основ»! -) требования к КС ТФС, реализующей данный метод.

2. Исследовать влияние температурной зависимости теплофизичес-кнх коэффициентов на точность измерения тепловых свойств при использовании ИС ТФС с открытой поверхности.

3. Создать аппаратно-программный комплекс для реализации импул сного метода измерения ТФС с использованием рассредоточенного ис точника тепла.

4. Провести анализ точности спроектированной ИС ТФС с открытой поверхности при использовании расфокусированного луча ОКГ.

5. Провести испытания разработанных метода и средств измерения ТФС на твердых материалах в широком температурной интервале.

Методика исследований. При решении поставленных задач использовались метод ниточников (Функций Грина), численные методы, методы теории информационно-измерительных систем.

Научная новизна. Впервые получоны следующие научные результаты:

1) разработан импульсный метол измерения комплекса ТФС (температуропроводность, удельная теплоемкость, теплопроводность) материалов с использованием в качество источника тепла луча лазера при измерении теплового сигнала с передней поверхности с учетом пространственно-нренешюго распределения онер- " гии по сечению источника тепла:

- получены расчетные формулы Ti-C л ли КС ТФС при импульсном расфокусированное* теплопом воздействии;

- определена основные требования к импульсной ИС ТФС с открытой поверхности; ,

- показано, что импульсный метод измерения ТФС с использованием точечного источника топла является частным случаем предложенного метода, определены границы применимости импульсного метода измерения ТФС;

2> с учетом пысокого градиента температуры на поверхности материала, зависимости ТФС от температуры, вызванных пысокоинтен-:ивним тепловым воздействием:

- исследованы диапазоны ошибок, в пределах которых возможно использовать а ИС ТФС мотодику расчета ТФС, основанную на решении линейной, тепловой задачи с коэффициентами, но зависящими от температуры;

- определены наиболее оптимальные положения датчика температуры в КС ТФС и интенсивности источника тепла' с точки зрения ошибок и морении ТФС в НС ТФС;

3) создан аппаратно-программный комплекс дли измерения ТФС •пердых материалов с открытой поверхности при использовании иеточ- . !кка тепла, интенсивность которого подчиняется нормальному закону;

4) предложена методика расчета характеристик основных блоков. I узлов- ИС ТФС с открытой поверхности при использовании импуль-:иого расфокусированного источника тзпла.

Практическая ценность. Предлбхешпю метод и средства изме-юнип ТФС положены в основу системы измерения-ТФС твердых lia-ериалоп в интервале температур 300-1300 К при измерении теп-10В0Г0 сигнала с передней поверхности исследуемого образца, а основе полигонных данных при измерении ТФС известных мото-|цалов исследованы точностные характеристики созданной ИС ТФС.

Основные принципы построения автоматизированной ИС ТФС с отрытой поверхности положены » основу устройства-автомата для изме-ения температуропроводности твердых материалов.

Апробация работ». Основное содержание выполненных исследова-ий докладывалось на XII Всесоюзной научно-технической конвенции "Петрологическое обеспечение температурных и тоалофизи-ескнх измерений в области высоких температур" (Харьков, 1036), а Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и сродства еплофиэичссхих измерений" (Севастополь, 1Э87), на VIII Всесо-

изной конференции по теплофнзическим свойствам веществ" (Новосибирск, 1988), на XII Всесоюзной конференции по химической термодинамике и халориметрии (Горький, 1998), на IV Всосовзной науч.ю-техничоской конференции "Текпература-80" (Харьков,1990), на научно-технической конференции "Учение Ижевского механического института - производству" (Ихооск, 1980).

Структура и объем диссертации. Работа иэлохона на 144 диетах маяииолисного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 38 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 72 наименований, 4 приложений на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и зьдачи, дано краткое описание работы и полученных результатов.

В первой главе выделены основные критерии оценки эффективности использования метода и средств манерен«« ТФС, как метода наиболее применимого в производственных условиях: строгая математичссхая обоснованность метода, достаточная точность, быстрота проведения . эксперимента, абсолютный характер измерений, комплексность (воз-мохность измерения нескольких теплофизнчсских констант одповрсмен но).

Все ИС Т$С материалов о зависимости от того, какая тепловая за дача лехит о их основа, делятся на стационарные, крааистациопар-ниц и нестационарные.

Стационарные н квазистацнонарныс ИС ТФС, обладая высокой точность», требуют большого времени проведения .эксперимента, дорого-стонцего оборудования, критичны к геометрической форме образца и не удовлетворяют условии комплексности при определении ТФС. Указанные недостатки сухают область их практического использования до лабораторных исследований.

В работе выделены нестационарнио (инпульсные) НС ТФС н ирисе-. Лона их сравнительная оценка, как ИС ТфС наиболеа удоплогпеоряю-«их всем тробовашшн эффективности. Автоматизированная иинульскап КС ТФС, использующая паоский импульсный метод (метод Паркора), обладая рядом преимуществ по сравнение с другими ЯС ТФС, требует изготовлении образца в вида "тонкой пластины", что ограничивает.

его практическое использование при измерении ТФС готовых изделий.

Для создания неразрувакщих ис ТФС твердых материалов рассмотрены методы и сродства измерения топловых свойств некритичные к геометрическим формам и размерам материала. В результате проведенных исследований показано, что импульсный ме -од измерения ТФС материалов с открытой поверхности с использованием в качестве точечного источника тепла ОКГ и ИС ТФС на ого основе выгодно отличаете« от рассмотренных выше методов и средств измерения ТФС практически по всем критериям. ИС ТМЗ с открытой поверхности с использованием точечного источника тепла позволяет расчитывать сразу несколько теплофизичсских коэффициентов, ннеет высокое быстродействие и позволяет измерять ТФС готовых изделий и nai.j ого пастой. Основной недостаток данной ИС ТФС связан с'высокой интенсивность» источника тепла, что приводит к нарушению качества поверхности и дополнительным ояибкам при проведении измерений. Кроме тох-о, метод не ав~ , томатизирован.

Из сказанного пыие следуют основные направления исследований. Ото дадыюЯтзо сопоркснстлопзшю методов к средств измерения Tic с открытой поверхности при импульсном тспяоиом воздействии понн--хонной интенсивности (расфокусироваичиЛ луч ОКГ), разработка и создание автоматизированной 1!С ТФС с открытой поверхности при использовании в качества ис. .'очника тепла расфокусированного луча ОКГ.

По птороД глппо для нахождения расчетных формуя Tiü н определения основных требований к !iw ТФС рассматривается репешн; уравнения т п.топроподпостн при импульсном тепловом воздействии на иатерклл. Проведена оценка влияния ¡штенсшзпости псточшгка л сила на точность ИС ТФС,

При построения математической кодоян .распространения тепла ¡; похубссконсчнан образце предполагается, что система находится в изотермическое равновесии со средой. В подели учитывается характер распространения анергии,по сочспшз импульсного расфзкусиро-пашшого яу:а ОКГ..

В больиинстпе случаев тепловая мощность расфокусированного луча лазора подчиняется нормальному закону распределения

^(Х у АХ)=Cj^exp (-Wz)

где к - коэффициент, характоразух^ий сосредоточенность источника тепла," *!/ — - координата теплового импульса.

В первом случло, рассматривается решение уравнения тогслопро-

водности, когда тепло выделяется за Бесконечно малый промежуток времени (мгновенный источник тепла). Полученное решение

т-_гку ( -г- \

5СрУГ(4аг4кг)-Й5ь 'V 4ат.+кг )

описывает распределение избыточной температуры на поверхности полубесконечного обра:да. где ^ - плотность, С. - температуропроводность, Ср - удельная теплоемкость, к»» \f\p4\ ~ имеет смысл расстояния, на котором (^(Т») убываот. в С раз.

Представив избыточную темнератру в безразмерном виде 5=4 ("

гдо ^--- '

получены расчетные Формулы для нахождении ТФС материала

* о ^ 2дА,к* . яадДЧ»

где Од ~ максимальное значение безразмерной температуры,

^ - коэффициент Фурье, соответствующий безразмерному времени достижения половины значении (Э/п , Тдо - максимальная избыточная температура в точке измерения на поверхности образца, ■ - время достижения половины значении Т^ п точке измерения.

Вид зависимости , положение и величины экстремальных

значений .

определяются степенью сосредоточенности источника тепла.

Согласно предлагаемому в работе подходу, тепяов.ш задача в зависимости от степени Фокусировки источника тепла < отношение ) может существенно отличаться от плоской (' т/К-^О ) и точечной

С г/к'-Э-ОО

) тепловых задач. Гасснатриваотся случаи, когда импульсный метод не применим для определении ТФС ( < 1,95 ), так как зависимость 0(1о

но имеет экстремального значения, и когда импульсный метод с -расфокусированным источником тепла практически но отличаете»

о Рис. 1

Тн "Ujj, "Cm X

Обобщенный вид записи-

сгнТ^/^О^).

-г ,_ Я^

'"луг

от импульсного метода с точечным источником тепла < 7/1< > 4 > -

Во втором случае, решение уравнения теплопроводности рассматривается для источника тепла конечной длительности Хц

Полученное распределение тем пературы на поверхности для интервала времени с учетом того, что за время "С^ • тепло но успело распространиться вглубь образца

(/? - т/ъ-г,;)

предполагает наличие на переднем Фронта теплового сигнала температурного "вспяоска", связанного с воздействием источника ю-п.тг» непосредственно ¡га датчик температуры, которой суцесг~всш;о аидоигксшяет зависимость Т(т) - Дайну» особенность ¡¡осбходм.а учитывать при построении НС Т-к:. Дли врсмини X>"C(t распрс-до-. жан-ле температуры идет за счет теплопроводности н не стлнчаегсн от описанного л первом случае. Кл рис.1. приведен обобщенны!! ЗЗШ!С1ШОСТИ Т(тО 1!Л ilOIiOpKIlOCDt при рпссрсдо/очиьнои Üitliyi.ü-сном тепловом воздействии.

Асслрдопйлия кодами л*я различных аиачшшЛ сосрсдоз o;ieiiuocv<i источники покпзцппют, что поучет. етечепк Фокусировки д: ¡¡С T-PU ¡¡о тге-.т пппчите^ьно увеличить /¡ада могодичсских оапбок (до 27 X.) прл определении TI'C кагернгигов.

Тлями образом,прод.-отзппмй метод омродидоикя 7ч С о?;ичлстс.1 иг нзкпетмих гит«! ст.-дюни ^«".усировки источи»лп тонга п ого дль-тяльчост;1. Такой под>.од позволил объодашпь импульсные теилоыл.-' додачи измерен«« Т<П с открытой попопхнести и одину» тепловая дачу с использованием источника тепла, конечной длительности, an • токсичность которого подчиняется нормальному закону реенр^долонкн.

Ил основе анализа расчетных Сюрмул определены осиозиыз '¡т-сСю-ьанпя к сг.стсие йзмерепи-л т:с. Для о;;редол'аг;и.,т Tic творднх иатор;-, • плои ИО ТФС должна:

1) определять вид зависимости ТС"в} ;

2) измерять значение гсоглоцеипой энергии;

3) определять степень фокусировки источника тепла;

4) определять координаты датчика температуры относительно центра источника тепла.

При импульсном высохоинтснсиппон тепловом воздействии lia материал на поверхности создается высокий градиент температуры, что предполагает необходимость решении тепловой задачи с учетом зависимости от температуры геплофизических коэффициентов., Использование при расчете ТФС в ИС ТФС с открытой поверхности нелинейной ■'еаловoft задачи значительно увеличивает время нахождения теплофн-зичсскнх коэффициентов.

При численном реоеинк нелинейной тепловой задачи рассматривается возможность перехода от нелинейной тепловой задачи к линейно! и диапазон возможных ошибок, связанный с этим переходом. Оценка ошибок производится для значений и Тщ , используемых для

расчета ТФС, при различных значениях интенсивности луча ОКГ (То температура в центре расфокусированного луча). Результаты иссдедо вашш на численной модели появляющихся ошибок и Sin дд

различных положений датчика температуры на поверхности приведены в таблице 1.

Таблица 1

Онибка, X То, К Расстояние до датчика, им

1.5 2 » 5 3,5

1500 17,0 10,0 5,5

10'Ю 15,0 12.5 3,Ь

720 12,0 4.5 1,0

1S0Û 12,4 13,0 14,2

ôTm J 00 J С,0 7,6 0,1

720 1,5 2.5 3,2

Из анализа слудуот, что снижение интенсивности источника тепла примерно в 2 раза я удаление датчика на расеттоание X > 3 им, приводит к снижению ошибок в 5-10 раз при переходе от нелинейной задачи к линейной и позвйляот свести уровень ошибок ИС ТФС к величине но превышающей общих ошибок эксперимента.

Исследования на численной модели показали, что и ИС ТФС более предпочтительно использование расфокусированного луча ОКГ, а правильный выбор положения датчика^темлературы на поверхности пра-

?ио. 2. Структурная cxc.'.n авго.\а.тиз11ровши1оЯ импульсной установки. "

С-юстлровсгпшИ лазор; 2-импульсний лазор ГОР-IQQ!.'; З-отракшдэо зтокло;• 4-Зчжусиругаиая-линза; 5-лсслздуошн образец; 6-такуугшал !аг,:ощ ; 7-процпэгошшп рогулотор токпоратуры ; 0-калоршлетр ÍLM0-[Н; З-агллогсщм'ц коммутатор; Ю-прецизиог.пиП усилитель тормо-}.д.с. ; И-агалого-цифропоГ! нрообра-зоватоль; 12-нрограшируошП юточнш; опорного наппяшиня: ГЗ-управлякиия микро-э.п.м.; 14-здтчнк температур»; la-ycrpoiicrao запуска.

кгичоски исключает влияние нелинейного эффекта на точность ИС ТФС, что позволяет использовать при расчете ТФС тепловую задачу в линейной постановке, существенно упрощая алгоритм нахождения ТФС.

В третьей главе рассматривается аппаратно-программный комплекс для измерения ТФС твердых материалов в интерпало температур 3001300 к. разработана не* >дика расчета параметров основных блоков и узлов НС ТФС, общая методика проведения эксперимента, приводен расчет и анализ ошибок определения ТФС при использовании расфокусированного источника тепла с учетом условий эксперимента.

На основе требований, предъявляемых к ИС ТФС, предложена структурная схема автоматизированной импульсной установки для измерения ТФС твердых материалов при использовании расфокусированного луча окг, которая приведена на рис. 2. В структуре установки можно выделить два аналоговых канала: канал измерения температуры и канал измерения поглощенной энергии. Управление всей работой установки осуществляет микро-ЭВН по программе. Согласование аппаратуры аналоговых каналов и микро-ЭВН производится с помощью стандартного . устройства сопряжения с объектом.

в работе приводится методика расчета основных характеристик блохой и узлов аналоговых каналов ИС ТФС с учетом основных характеристик теплового сигнала (иаксимальная избыточная тенпература в точке измерения - не более 5 градусов, длительность теплового сигнала "Ьмо&\. - не более 300 мс, частотный диапазон теплового сигнала 0-1000 Гц).

Особенности иипул! -:ного метода при измерении ТФС с передней поверхности требуют: ®

1) на фоне собствопнрй температуры 300-1300 К измерять перепад температуры в точке измерения 1-5 градусов;

2) обеспечения высокого коэффициента подавления синфазной помехи (КПСП) ввиду малого сигнала с датчика температуры.

С учетом требований приведены используемые в ИС ТФС технические репения для обеспечения изнеренин температуры и падающей энергии в НС ТФС. •

На примере сконструированной МС ТФС при использовании в качестве источника тепла импульсного лазера ГОР-1С0 (длина полны -0,09 мки, длительность импульса "Ьц - 1 мс) определены параметры н-лшрнтельного усилителя (динамический диапазон - 0-1000 Гц, коэффициент усиления К = 10 000, КПСП = -ВО дБ/дек) и амплитуд- „ ного детектора (требуемое время хранения аналогового сигнала ка-

лориметра"Ьд^УЪ^д^г 300 мс).

D работе определяются основные требования к ислользусиим в ИС ТФС цифровым устройствам: АЦП, источник опорного напряжения (МОИ), микро- ЭВМ.

Расчитаны: „ ^

для АЦП: разрядность а~ 8 Pa3Pfl^OB,

время одного преобразования "Ьдад^ "Ьдвл^ мс<

где - верхняя граница динамического диапазона сигнала Т("с') ;

для ИОН: -

разрядность - 10 разрядов; для микро-ЭВМ:

требуемый объем памяти Меп^Ьщй^/^Ь/ия . Won = 600 байт» чпстота опроса АЦП V^xull • ~ 2 кГц.

Полученные результаты показывают, что разработанная методики не ставит особых требований перед измерительными приборами и вычислительным устройством и молот быть реализовано, используя простое н лошоооо оборудование.

Предложенная в работе методика позволяет для каждого конкретного случая, в зависимости от параметров температурного сигнала, сформулировать основные требования к измерительной аппаратуре и используемой в ИС ТФС микро-ЭВМ.

Измерение ТФС твердых материалов при средних и высоких температурах трас/от создания специального высокотемпературного вакуумного оборудования. Разработана высокотемпературная вакуумная почь (ВВП) для измерения тепяопЬх свойств и конструк-

оврдакц

MAfpEtUTBAb

К |1Э»!Ер|ГГЕЛЫ!0«у усилителю

лшрференцлальиая термопара

Рис. 3. вхема рабочей ячейки рабочей зоны ВВП.

. 1 ' ". ' "" t." X ' о.

<

■

. ^^ , . $

. . ..... i ó

Bs ° __Г.......i'_____i___ * j

. ? ,:í4

í

i, •

о со

Vi

О

«

ы

. ш

о

в

■ о

Я &

•

в

а «>

■ о> **• о

о H

И

ч к

Оч О Ю Г)

'is

и:

о

м

О! «

Ф

S*

О

а

о

. M

'у 'И

о

.; -к Рч

[ия рабочей ячейки рабочей зонн ГЮП для температур ЗП0-1ГЮП К, емпература на поперхиости образца в которой измеряется с иомо |ьо дифференциальной термопары. На рис.3, приведена схема рабо-юЯ ячейки рабочей зоии ВВП.

Алгоритм обраб >тки результатов эксперимента разбит на два тлпа:ппод сигналов с датчиков я вычисление"ГФС. Приводятся алгоритмы и тексти програнн ввода и обработки результатов эксперине.ч-я. Расширение динамического диапазона сигнала с датчика темпера-

ури из-за высокочастотного импульса ла переднем фронте теплового

о

игпала (рис.1.) значительно усложняет использование п канале нл-юрения температуры аналоговых ЛЧ-Фильтрол с частотой-среза них» астоты Г = 1/ tu = 1000 Гц. Л*я снижения влияния высокочастотных юмех используется алгоритм линейной цифровой Фильтрации тепло-ого сигнала (Гсрозп = 400 Гц). Полученная пос-е фильтрации кри-1ая имеет практически гладкий вид, что значительно упрощает ее ахьнейоую обработку с попинает точность НС ТФС.

Вычисление ТФС спязано с опредолением степени расфокусиро-анности луча ОКГ. Пахохдеиие распределения знергик по сечеии» уча и дальнейшее определение значения г/к осуществляется с омоцью термочувствительной бумаги, цвет которой изменяется в аписимости от томператури. Определение значения т/к произпо-ится нахохдением размеров изотермических зон пятна луча ОКГ : учетом градуирогччноЛ теплицы цвет/температура (рис.4.). Ид основе общего подхода к расчету ошибок косвенных измере-

1ИЙ

I используя расчетные формулы ТФС, а такхи основные характо-истики ИС ТФС, получены результирующие значения ошибок и их оставляющие по кахдону теп л офи энное кому коэффициенту. Гезуль-ати расчета ошибок определения ТФС, используя расфокусирований источник (РАСФ), припадет« н таблице 2 в сравнении с ин-ульелым методом, использующим точечный источник тепла (Т0Ч).

Анализ результатов таблицы показывает, что основной вклад. 1 ошибку измороння ТФС шюстится огаибкой определения степени ¡асфокусировкн луча ОКГ и снизанными с ной ошибками опредоле-ия и ©т . В таблице припеданм значении ошибок вычислений

'ФС, при использовании разработанной ИС 'ГФС с открытой ловерхпо-ти, когда точно известны параметры расфокусиропаниого луча

Таблица 2

Составляющие оиибкн, X

1. Методическая

2. (З^ц,

3. 8х

5.

§1

п. со

V 8Тт

Р/.СТ точ

1,0

13,0 3,0 1,8

1,0

3,0 5, 6

Ср

РЛСФ точ

1.0 13,0 3,0

3,5

о,е

3,5

1,0

3,0

10,0 о,с 10,0

РЛСФ

точ

расчитываот-ся из термодинамического тождества

итого

13,5 (3,0)

0,4

14,3 (5.0)

14,5

19,0 (0.0)

15,9

(значения в скобках). Полученные резулш'аты доказывают необходимость |;ско.я1,зоиапни » ПС ТФС пространствотю Щдсокоетаби-дьпих источников топлс!, что позволит снизить ошибки определения Т»<С более чем п 3 раза.

^паяиз состлшш»г,нк оенСох определении "Ш в пс 1ЧС с открытой погорхности указывает на пути дальиеп-ззго поышошш точности разработанной КС ТФС. Это:

- уионигошю оппбкн определения !;оо|>;;ш:а-г;.; дптч::ка тсн;иратурь за счет ого удаления от источника тепла н использования ьысс кочудк:гш:толы1ых дптчиког- -

- унсиьконио оапСок определении и:;С;.;гоч;юл температуры ¡¡а поверхности нсследгчного материала и поглощенней энергии за счет использования п аналоговых калачах И" Т'.'-с бо-с^с точпол нзнорнтьлыюй аппаратуры.

Спиггои:;« результирующих значсп;:й список изнуренна ТФС до урош методических опглСок, позволит приблизит» разработанную КС ТФС с отг.рт-сй поверхности ко точности до высокоточных ¡1С аЧ'С, нсподьза иг,их стационарные и киагшетаг'.копарппс методы измерения ТФС.

н ц^тгоотой рдл.->» приводится данные о ¡Фактическом использовании разработанной ИС Т£С твердых-материалов.

Представлены данные об измерении 7<1>С чистых материалов (Си, ИЗ Ро) и сраш:егг.'.:1 с данными других авторов. Эти материалы хориоио. изучены и часто рекомендуются как материалы для тарировочных иск

а)

аю',иУо 15»

£5 hpx*<ciri&»vt Ззащ 2-ton: TuhaHialS. . i-MSM ¿auwei Ч 4'¡жлп Sesst f.D. Юоа - •>

Ю да тх

О . 5 309 ico Boo 1Ш

10 Tt-KMK Рн"!180К

1

5 i i Т,К

tos Ьм 100Ö • isas

6)

ю

апу/с »3C0

Ст<!5 fea ■ • JL'

T^v. . i — • tu

— Sao s» ¡oto . . cea

\P С-Ю60К

l-f*xe?ti*í¿3>Avc ! , . ' .1 ,

ъх> ко

50

35

335 300

ÏOO saa !ооо ßoo

Рис. 5. Поллтеэлы теллсклзипзсхж сзглстэ чистого гслка

coo

TOCO

Л, -

г Cm45

Kr

\ i

• \ x ¡'рсьсмаЗЖмпе ¿»кие г- «lar ¿-яяв.

i\ T0-IOÍOK

* Т,к

(aï л о--

ю •

питаний ис тфс. Кроне того. Их и Но имеют аноналышо изменения ТФС II диапазоне температур 300-1500 К, связанные с фазовыми переходами .

/

и результате пропеченных экспериментальных исследований полу-чони точностные характеристики ИС ТФС. В таблице 3 приведены экспериментальные значения ошибок измерения ТФС в диапазоне температур 300-1300 К для чистых металлов в сравнении с реконендуе-мыми данными и данными других наиболее цитируемых авторов.

Таблица 3

Т с Описка, а с.к.о., X

температуропроводность 2-14 . 4-13

удельная тсилгемкость 2-18 4-14

• теплопроводность 2-20 С-10

Анализ аксперимептальних окибок показывает нх хорошее ¿ответствие тсорстичски расчитаннии значениям (таблица 2). Большой разброс значений ошибок определения тсплофизических коэффициентов завне'ит от того, что приводимые разлнчниин авторами дшшие о ТФС ¡югадоп нередко отличаются друг от друга на 10-30 2. Созданная система позволяет определять аномальные изменения ТФС, что также подтверждается экспериментальными данными.

Сложный механизм теплового рассеяния, влияние на него примессй I! на"ер::алс, корреляция ТФС с другими свойствами (электропроводность, магнитные сиоЛстна, механические'свойства) позволяют, используя данные о ТФС, давать качественную характеристику другим вахнин свойствам материалов. Газревоючая способность разработанной ис ТФС оценивается при измерении *М>С сталрй Ст45 и У8Л, которое рассматриваются как лрлкесьсодсрхащее чистое железо. Зксперн-нептплыше политорки ТФС обоях сталей позволяют. в пределах ошибок выбраковать примссьсодсржацие материалы»от чистого железа практически по осей теплофизическин коэффициентам. На рис.С. приведены экспериментальные подитерми ТФС чистого железа и стали Ст45.

Используя основные элементы спроектированной ИС;ТФС, алгоритм взаимодействия между этими элементами,. разработано устройство-автомат для измерения температуропроводности твердых'н'атсриадов при использовании квазалинойной зависимости на переднем фронте температурного сищгсла. Структурная схема автомата и временные диаграи-

ми ег" работы приведены на рис.П.

Рис.в. Структурная схема и временные диаграммы работы автомата для измерения тоипературопроводиости.

Принцип работы устройства состоит в нахокдении квазилинейного участка на зависимости Т("С) , лехацам мехду нулевим и максимальным зиачег юм сип >ла с датчика. Фиксирование значений лре-

V

меии начала н конца сигнала, а такхв/соответствующие им значения амплитуды, позволяет вычислить

значение коэффициента температуропроводности, гд' X - расстояние от центра источника тепла до датчика температуры.

Таким образом, при измерении Т4>С в диапазоне 300-1300 К созданная ИС ТФС позволяет элективно определять ТФС материалов; анализ экспериментальных нолктарм 1'РС показипзаг, что предложенный метод'н средства измерения, обладая достаточной точность» и чувстпительностья, позволяот определять некоторые структурные иг» ноношш 'в материале, а также оценивать свойства материалов, корродирующие с ТФС. Практическая реализации осиошшх блокопн узяоп п Пнтокото измерения тсшпорптуропроподг.ости говорит о возможности построения на основе разработанного метода и сродс-га измерения простой, бистродейс'гпуюцой и дековой аппаратуры контроля за ТФС и другими свойствами материалов, связанных с ТФС. •

0C1I0BIIUK ВЫВОДЫ

1. Проведены теоретические расчеты параметров распространяющегося теплового сигнала в полубесконечном массиве при услопии, что тепловой поток гю сечению луча ОКГ подчинен нормальному закону распределения. Показано, что импульсный метод в данном варианте позволяет одновременно определять коэффициент температуропроводности, удельную теплоемкость и коэффициент теплопроводности, что импульсный метод определения ТФС имеет границы применимости, которые поределяются степенью сосредоточенности источника тепла.

2. Получены расчетные формулы для нахождения температуропроводности, удельной теплоемкости и теплопроводности исследуемого материала, используемые в ИС ТФС. Указаны основные требования х ' импульсной ИС ТФС с открытой поверхности с использованием расфокусированного луча ОКГ. '

3. Исследовано влияние зависимости ТФС от температуры на точность определения тепловых свойств материала. Определены условии; при кс 'орых мохно использовать а основе ИС ТФС линейную тепловую задачу вместо нелинейной, существенно упроцая и ускоряя расчет ТФС. Расчитаны ошибки, возникающие при таком,переходе.

4. создана автоматизированная импульсная система измерения ТФС твердых материалов с открытой ловархностнс учетом пространственного распределения энергии по сечению луча ОХГ в интервале температур 300-1300 к. • .

Г). Разработано программное обеспечение, позволявшее проводить автоматический лвод и обработку, результатов эксперимента, документировать полученные в результате эксперимента значения ТФС.

0. Сравнение экспериментальных данных, полученных с помощью разработанной ИС ТФС с открытой поверхности в широком интервале температур, показывает, что погреиность измерения температуропроводности составляет 2-14 2 при с.к.о 4-13 Z, удельной теплоемкости 2-1В X ups! с.к.о. 4-14 5! и теплопроводности 2-£0 % при с.к.о.

Ii - 1 Ii л . •

ОСНОВНОЕ ^ДКраднИК m,.

В СЛЕДУЯЩИХ-ПУБЛИКАЦИЯХ . /»r.jv.j.L.í í ! . ! .. ,

9 ь - - \ 1

■ ЧУ.ГЦ-Л', , .Л.0 ¡¡oxii.Mitií) ,.'<.!', ,¡;-:¡', ..i ( ''

1. Хамааоп M.Г., Казац^В^.* ^ОДайОД &,Л->1,31»РРобин ,*.Л--, Автоматизированная установка,ддц.исследования «тоупордтуропровод-ности твордих маториаловинпульсним методом //.Измерительная техника,- 1990," Н5.- с. 49.:« ;г;;:Г.i ) "'x,¡ '¡w -и-.»..

2. Канатов Н.Г., Сипайлоп В.Д., Загреби» Л.Д. Влияние нелинейного эффекта на измерение температуропроводности цилиндрических обраэцоп импульсным методом // ИФЖ.- Минск, 1991.- Доп. в ВИНИТИ 07.12.90» N 6167-80.

3. А. С. 1387711 СССР, МКИ4 0 00 К 9/00. Устройстпо для солек ции признаков при распознавании образов / ''араов P.M., Лялин B.R., Загребин Л.П., Канатов И.Г. (СССР).- )1 4007250/24-24; Заявлено 07.04.86; Опубликовано 00.12.87, Бюл. Н 47.

V

4. Л.Д.Загребин, В.С.Казаков, В.Е.Зииопьев, Н.Г.Камаиев. Автоматизированная импульсная установка "измерения температуропроводности материалов с использованием лазера // Тез. докл. III Всосоюз. научно-технической конф.. "Метрологическое обеспечение . температурных и теплофизичоских измерений в Сласти высоких температур" ( 10; 1085; Харьков ).- Харьков: Метрология, 1Q8B.-

C.2B7-2GB.

5. Загробим Л.Д., Казаков B.C., Xafianen Н.Г. Автоматизированная импульсная установка для измерении температуропроводности материалов на основе микро-ЭВМ // Тез. докл. Всосоюз. научно-технической конференции "Методы и средства теплофизичоских измерений" { 0; 1907; Севастополь ).- Москва, 1987.- часть 2.- 222.

6. Л.Д.Загробин, В.Л.Сипайлоп, Н.Г.Канашав, Е.Л.Иванова. Измерение импульсным методом теплофизичоских характеристик материалов с открытой поверхности // Тез. докл. VIII Всосоюз. конференции ло теплофизичоскям свойствам пецес;ги ( 0; 19СЗ; Новосибирск ).- Новосибирск: "п-т теплофизики, lüßß.--.часть 1..-.. с. 232.

7. Загребин Л.Д., Канатов М.Г. Tj>;ikfiHoMiHO -микро-ЭЛМ при измерении теплоемкости импульсным > мотодоДО/У- Тоз! "докЖ..г'Х11 tic'oco-юзной конференции по химической термодинамике и калориметрии

< 10, 1000, Горький ).- Горький: ГГУ, 1Я0С.- часть 2,- с. 220..

0. Канате» Н.Г., Сипайлоп H.A., Загребин Д.Д., Казаков П.С. Экспериментальная импульсная установка для измерения теплоемкости твердых материалоп при температурах до 1500 К // Том. докл.

IV Всасочзной научно-техии^еской конференции "Текпература-ОО" ( Ь; 1030; Харьков).- Харьков: Метрология, 1990,- с. 240.

Канашев ИЛ-., Силайлоп В.Д., Загребин Л.Д. Влияние температурной зависимости температуропроводности на точность определения тсплофнзнческих коэффициентов в импульсном нотоде // Тез. долл. научно-технической копф. " Учение Ижевского механического института - 11роизвдетву" ( 3; 1900; Ижевск).- Ижевск: ИМИ, 1030.т с. &Ь.

Рьдакццошю-издатвйьский отдел Ижавского механического института

Ротапринт? Ш ЗПЫ Адрес института к ротапринта:426059,Ижевск,ул.Студенческая, 7.

О