Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии

Устройство предназначено для контроля температуры нагрева и охлаждения металлических поверхностей при лазерном или плазменном упрочнении. Лазер 1 оплавляет металлический образец 2, излучение которого проходит через световод 3, расположенный под углом 45° к оптической оси лазера 1 и регистрируется безинерционным фотодиодом 5 с PN-переходом в течении 10^-6 с, цифровой сигнал программно обрабатывается и на дисплее отображается кривая нагрева и охлаждения поверхности металла в течении 5·10 ^-3 c. 1 з.п. ф. 2 илл.

Полезная модель относится к области измерения температуры термометрами, действие которых основано на использовании термочувствительных элементов, в частности, с использованием полупроводниковых элементов с PN-переходом и может быть использована для контроля температуры при лазерном или плазменном упрочнении металлических поверхностей.

В настоящее время, несмотря на продолжительную историю развития лазерной техники и технологий, отсутствует надежное аппаратурное оснащение лазерных установок, позволяющее с высоким временным и пространственным разрешением исследовать процессы, протекающие в материале при воздействии на него концентрированного потока энергии (КПЭ). Описание процесса взаимодействия КПЭ с металлом затруднено отсутствием явных зависимостей оптических и теплофизических параметров от температуры, а знание динамики изменения температуры поверхности позволяет адекватно определять особенности тепло- и массопереноса, что необходимо для создания оптимальных режимов обработки материалов КПЭ.

Известна электронно-лучевая установка, в которой для идентификации стадий нагрева материла излучением исследовалась временная зависимость силы тока, протекающего через металлический образец (Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник - М.: Машиностроение, 1985, с.427-429) [1]. Установка содержит источник концентрированных потоков энергии, при попадании которых на

металлическую поверхность возникает пульсация тока, протекающего через образец. Сигнал, поступающий на вход, проходит через низкочастотный фильтр и регистрируется светолучевым осциллографом Н-117. В результате в моменты времени, соответствующие резкому изменению характера временной зависимости силы тока, расчетным путем выделяют стадии изменения температур в процессе нагрева металлов при обработке КПЭ. При этом процесс измерения температуры состоит из измерения амплитуды быстроизменяющегося тока осциллографом и вычисления температуры по формулам с точностью ±500°С, что не позволяет получить достоверные значения температуры.

Измерение температуры поверхности разогретого металла в диапазоне до 1500°С осуществлено в устройстве для измерения температуры (Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975, с.39-41) [2], которое содержит источник КПЭ, блок питания оптического квантового генератора (ОКГ), два приемника излучения, выполненные на коаксиальных фотоэлементах ФЭК-09 и Ф-2, интерферометр ИТ-28-30, осциллограф С1-17, калориметрический измеритель энергии и скоростной фоторегистратор СФР-1М, щель которого вырезает по диаметру участок картины светового поля, изображение которого разворачивается на фотопленках со скоростями до 500 об/с. По характеристической кривой фотопленки в относительных единицах строится диаграмма распределения температур в процессе нагрева металлической поверхности излучением ОКГ.

Известное устройство не позволяет проводить измерения с высокой точностью ввиду инерционности приемников излучения. Фоторегистратор наводят на облучаемую поверхность так, чтобы в фокусе была наибольшая часть светового поля, для определения масштаба съемки на облучаемую поверхность укрепляют масштабную ленту. Установив требуемую скорость вращения зеркала, производят импульсное лазерное облучение поверхности, свечение которой экспонируют на фотопленку, образуя кривую линию. Скорость изменения температуры W определяется путем нахождения

тангенса угла наклона касательной к кривой, запечатленной на фотопленке, и умножения его на скорость вращения зеркала фоторегистратора и масштаб съемки по формуле:

Wt=tg·М·w,

где М - масштаб съемки,

- угол наклона касательной к кривой,

w - скорость вращения зеркала фоторегистратора СФР-1М.

При высокой скорости нагрева и охлаждения свыше 1000°/с, что соответствует длительности воздействия импульса порядка 10^-3 с, угол близок к 90°, а tg стремится к бесконечности, и, следовательно, в этом временном интервале температуру нельзя измерить.

Кроме того, необходимость синхронизации механических и оптических элементов усложняет конструкцию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является устройство для измерения температуры поверхности металла, входящее в состав комплекса для исследования процессов нагрева при импульсном лазерном воздействии (Паркин А.А., Жаткин С.С. Особенности процессов нагрева и массопереноса в материале при импульсном лазерном воздействии. М: Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1998, №9, с.72-78) [3], принимаемое за прототип.

Устройство-прототип содержит лазерный импульсный генератор, оптическая ось которого перпендикулярна облучаемой поверхности металла, фотоэлектрический преобразователь-пирометр, с диафрагмой на входе, и световод, установленные в светонепроницаемом корпусе. При попадании КПЭ на поверхность металла, последняя нагревается до температур 700-2000°С и излучение видимого и инфракрасного спектров регистрируется запоминающим осциллографом. Таким образом получают зависимость поверхностной температуры от времени воздействия лазерного импульса. Разброс значений температур измерения составляет ±100°С. Недостатком устройства является то, что пирометр имеет низкое быстродействие и его

постоянная времени Р более 10^-2 с, в связи с чем происходит частичная потеря информации измерения. Кроме того, значения быстроменяющихся температур, не попадающие в диапазон измерения инерционного пирометра, рассчитывают методом экстраполяции с использованием формулы Вина, что уменьшает точность измерения температур.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности измерения температуры излучающей металлической поверхности при ее нагреве и охлаждении со скоростью свыше 1000°/с, что соответствует длительности воздействия импульса КПЭ менее 10^-3 с с точностью ±30°С.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии, содержащее источник излучения, оптическая ось которого перпендикулярна облучаемой поверхности металла, световод и фотоэлектрический преобразователь с диафрагмой на входе, установленные в светонепроницаемом корпусе, и регистрирующее устройство, согласно полезной модели, световод и фотоэлектрический преобразователь ориентированы под углом 45° к оптической оси источника излучения, в качестве фотоэлектрического преобразователя использован фотодиод с PN-переходом, корпус которого снабжен системой водяного охлаждения, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к компьютеру.

В отличие от устройства-прототипа, в заявляемой полезной модели использован безинерционный с PN-переходом фотодиод видимого и ИК-излучения с цифровой обработкой полученных сигналов, что позволяет проводить измерение температуры быстропротекающих процессов. Величина угла 45° между оптической осью и световодом обеспечивает минимальное расстояние между фотоэлектрическим преобразователем и излучающей поверхностью.

Другое отличие состоит в том, что фотодиод имеет постоянную времени Р, равную 10^-6 с.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства с цифровой обработкой, на фиг.2 приведена зависимость регистрируемой температуры Т, °С от длительности воздействия импульса , с.

Устройство для измерения температуры поверхности металлов при воздействии концентрированными потоками энергии (фиг.1) содержит источник излучения 1, металлический образец 2, световод 3, на входе которого размещена диафрагма 4, кремниевый фотодиод с PN-переходом 5, помещенные в светонепроницаемый водоохлаждаемый корпус 6 с системой охлаждения 7. Световод 3 и фотоэлектрический преобразователь 5 с диафрагмой 4 ориентированы под углом 45° к оптической оси источника излучения 1 вблизи, не менее 5 мм по нормали от поверхности металлического образца 2. Выход фотодиода 5 соединен со входом усилителя 8, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого подключен к шине USB персонального компьютера 10. Электрический сигнал с выхода фотодиода 5 усиливается усилителем 8 и цифровой сигнал с выхода АЦП 9, соответствующий значению выходного сигнала фотодиода 5 программно обрабатывается в компьютере 10.

В конкретном примере выполнения устройства на лазерных установках ГОС 30 и КВАНТ 16 в качестве фотоэлектрического преобразователя использован кремниевый фотодиод BPW24R имеющий постоянную времени Р, равную 10^-6 с, способный регистрировать световое излучение тела в как в видимом диапазоне спектра, так и в инфракрасной области, что особенно важно при анализе отпускных процессов, которые могут протекать в поверхностных слоях металлов при определенных режимах воздействия КПЭ.

Для защиты фотодиода от перегрева и уменьшения потерь в среднем ИК-диапазоне измерения использован световод из халькогенидного стекла. В

качестве АЦП 9 использован модуль E14-440D со стандартной последовательной шиной USB, предназначенный для построения многоканальных измерительных систем ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в составе персональных IBM-совместимых компьютеров. На модуле установлен цифровой сигнальный процессор ADSP-2185M с законченными управляющими программами для процессора, позволяющими осуществлять ввод-вывод с аналоговых каналов в самых различных режимах. Тактовая частота встроенного процессора модуля E14-440D позволяет обрабатывать результаты экспериментов без искажения временных характеристик сигнала, что является важными при обработке высокоскоростных аналоговых данных. Усилитель выполнен на микросхеме TL072, которая имеет постоянную времени Р, равную 3·10^-5 с, что не влияет на частоту пропускания сигнала и, следовательно, на быстродействие устройства.

В зависимости от уровня напряжений входного сигнала от времени, которая может быть представлена как в матричном, так и в графическом виде, весь массив входящих данных программно обрабатывается, путем последовательного считывания, преобразования с визуализацией на дисплее ПК 10. Как следует из графика полученной зависимости изменения температуры во времени (фиг.2) процессы нагрева, кривая 1 и охлаждения, кривая 2 подтверждают возможность регистрации температуры от 450 до 1600°С во временном интервале воздействия импульса , равном от 2·10^-3 c до 5·10 ^-3 с, что не достигалось известными ранее аналогами. При этом точность измерения температуры определяется техническими характеристиками безинерционного фотодиода с PN-переходом, а точность преобразования которого - его постоянной времени Р, и у фотодиода BPW24R составляет 10^-6 с. Это позволяет при цифровой обработке сигнала повысить точность измерения температуры до ±30°С.

Источники информации:

1. Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник - М.: Машиностроение, 1985, с.427-429

2. Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975, с.39-41

3. Паркин А.А., Жаткин С.С. Особенности процессов нагрева и массопереноса в материале при импульсном лазерном воздействии М: Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1998, №9, с.72-78

1. Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии, содержащее источник излучения, оптическая ось которого перпендикулярна облучаемой поверхности металла, световод и фотоэлектрический преобразователь с диафрагмой на входе, установленные в светонепроницаемом корпусе, и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что световод и фотоэлектрический преобразователь ориентированы под углом 45° к оптической оси источника излучения, в качестве фотоэлектрического преобразователя использован фотодиод с PN-переходом, корпус которого снабжен системой водяного охлаждения, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к компьютеру.

2. Устройство для измерения температуры поверхности металла при воздействии концентрированным потоком энергии по п.1, отличающееся тем, что фотодиод имеет постоянную времени, равную 10 ^-6 с.