Устройство для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах
Предлагаемая полезная модель относится к области измерений физических величин, в частности к устройствам для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах. Устройство для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов, содержащее газовакуумную рабочую камеру со смотровым окном и систему ее откачки и заполнения инертным газом, а также установленный в камере в специальном держателе образец в форме тонкой пластины толщиной H из изотропного материала, вне камеры установлены два лазера непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью с возможностью наведения лазерных лучей через смотровое окно камеры на поверхность образца, а также модулятор излучения второго лазера, который создает периодический закон изменения мощности потока энергии, датчики измерения постоянной и модулированной мощности, средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева, микропирометр с возможностью наведения в пятно нагрева и ЭВМ с программным обеспечением для определения времени тепловой релаксации. Ил. 1.
Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов, которые применяются в машиностроительной, авиационной, радиотехнической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для определения времени релаксации температурного поля в точке контроля температуры, возникающей в результате воздействия теплового импульса, содержащее плоский источник теплоты и термоприемник, размещенный на противоположной поверхности образца, выполненного в виде пластины, теплоизолированной от окружающей среды. Недостатком данного устройства является то, что термоприемник находится в непосредственном контакте с поверхностью образца и влияет на поле температуры и, следовательно, на точность определения времени релаксации. Кроме того, температурный диапазон устройства для определения времени релаксации температурного поля ограничен температурой разрушения термоприемника, поэтому устройство не может быть использовано при высоких температурах (Способ определения теплоемкости и времени релаксации температурного поля капиллярно-пористых материалов. Авторское свидетельство СССР №1122955, кл. G01 №25/18, 1984 Тамбовский государственный технический университет, Муромцев Ю.Л., Чернышев В.Н., Сатина Е.В.).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по техническому решению является устройство, содержащее газовакуумную рабочую камеру со смотровым окном, систему ее откачки и заполнения инертным газом, вертикально установленный в камере соосно со смотровым окном в специальном держателе образец, выполненный в форме тонкой пластины из изотропного материала толщиной Н, вне камеры расположены заслонка, лазер непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью, при этом основная часть потока энергии сфокусирована на поверхность образца по нормали к ней в пятно радиуса R через последовательно установленные разделительное полупрозрачное стекло, линзу, поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а оставшаяся часть потока энергии от разделительного полупрозрачного стекла направлена на датчик измерения постоянной мощности, а также микропирометр, сфокусированный на поверхность образца в пятно нагрева R с радиусом r пятна
визирования при r/R<10 через поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а также ЭВМ, записывающую сигналы от датчика измерения постоянной мощности и микропирометра. (Костановский А.В., Костановская М.Е. Исследование фазового перехода «твердое тело-жидкость» высокотемпературных материалов методом бесконечно тонкой пластины. //Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. Приложение к спецвыпуску №10, стр.317, прототип).
Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет определять время тепловой релаксации изотропного материала из-за отсутствия конструктивных элементов, проявляющих релаксационные свойства материала.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах.
Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах, содержащее газовакуумную рабочую камеру со смотровым окном, систему ее откачки и заполнения инертным газом, вертикально установленный в центре камеры соосно со смотровым окном в специальном держателе образец, выполненный в форме тонкой пластины из изотропного материала толщиной Н, вне камеры расположены заслонка, первый лазер непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью, при этом основная часть потока энергии сфокусирована на поверхность образца по нормали в ней в пятно радиуса R через последовательно установленные первое разделительное полупрозрачное стекло, первую линзу, поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а оставшаяся часть потока энергии от первого разделительного полупрозрачного стекла направлена на датчик измерения постоянной мощности, а также вне камеры расположены микропирометр, сфокусированный на поверхность образца в пятно нагрева радиуса R с радиусом r пятна визирования при r/R<10 через поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а также ЭВМ, записывающую сигналы от датчика измерения постоянной мощности и микропирометра, при этом устройство дополнительно содержит второй лазер непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью, основная часть потока энергии которого сфокусирована в пятно нагрева радиуса R на поверхность образца в область нагрева первого лазера через модулятор излучения, второе разделительное полупрозрачное стекло, вторую линзу, открытую заслонку и смотровое окно, а оставшаяся часть потока энергии от второго лазера направлена после модулятора излучения через второе разделительное полупрозрачное стекло на датчик измерения модулированной мощности, при этом толщина
пластины Н и размер пятна нагрева R обоих лазеров выбраны такими, что температурное поле в образце максимально соответствует одномерному изменению по толщине пластины для чего должно выполняться неравенство H/R>10, а также вне камеры расположены средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева, наведенное на поверхность образца в область нагрева через зеркало, открытую общую заслонку и смотровое окно, кроме того ЭВМ связана с датчиком измерения модулированной мощности и средством наблюдения и измерения размера пятна нагрева, а также в ЭВМ введено программное обеспечение для численного моделирования нагрева образца при заданном времени тепловой релаксации.
Такое решение технической задачи в устройстве определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах позволяет решить поставленную задачу благодаря дополнительному использованию второго лазера непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью и модулятора излучения, обеспечивающего периодический, в том числе гармонический закон изменения мощности, с необходимыми оптическими элементами, а так же датчика измерения модулированной мощности и средства наблюдения и измерения размера пятна нагрева с записью их сигналов на ЭВМ, которая дополнительно содержит программное обеспечение для численного моделирования нагрева образца при заданном времени тепловой релаксации.
Введенные в устройство новые элементы создают в образце условия, которые в квазистационарном режиме позволяют регистрировать модулированную во времени термограмму Т(t) нагрева пластины из изотропного материала, постоянную W1 и модулированную W 2 мощности лазерного излучения, контролировать и измерять размеры пятна нагрева R, по которым затем определять время тепловой релаксации в результате численного решения одномерного гиперболического уравнения теплопроводности при сложных нелинейных граничных условиях, которыми являются граничные условия второго рода с модулированной плотностью теплового потока и потерями теплоты излучением.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Предлагаемое устройство содержит газовакуумную рабочую камеру 1 со смотровым окном 2, систему ее откачки и заполнения инертным газом 3, вертикально установленный в камере соосно со смотровым окном в специальном держателе 4 образец 5, выполненный в форме тонкой пластины из изотропного материала толщиной Н, вне камеры расположены заслонка 6, два лазера 7 и 8 непрерывного действия с заданной постоянной во времени
мощностью, при этом основная часть потока энергии первого лазера 7 сфокусирована на поверхность образца по нормали к ней в пятно радиуса R через последовательно установленные первое разделительное полупрозрачное стекло 9, первую линзу 10, поворотное полупрозрачное стекло 11, открытую заслонку 6 и смотровое окно 2, а оставшаяся часть потока энергии от первого разделительного полупрозрачного стекла 9 направлена на датчик измерения постоянной мощности 12. Основная часть потока энергии от второго лазера 8 сфокусирована в пятно нагрева радиуса R на поверхность образца в область нагрева первого лазера 7 через модулятор излучения 13, второе разделительное полупрозрачное стекло 14, вторую линзу 15, открытую заслонку 6 и смотровое окно 2, а оставшаяся часть потока энергии от второго лазера 8 направлена после модулятора излучения 13 через второе разделительное полупрозрачное стекло 14 на датчик измерения модулированной мощности 16. Устройство содержит средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева 17, наведенное на поверхность образца в область нагрева через зеркало 18, открытую заслонку 6 и смотровое окно 2, а так же микропирометр 19, сфокусированный на образец в пятно нагрева через поворотное полупрозрачное стекло 11, открытую заслонку 6 и смотровое окно 2, и ЭВМ 20, записывающую сигналы от датчика измерения постоянной мощности 12, датчика измерения модулированной мощности 16, от средства наблюдения и измерения размера пятна нагрева 17 и от микропирометра 19.
Устройство работает следующим образом.
В рабочую камеру 1 через смотровое окно 2 в специальный держатель 4 устанавливается образец 5 из изотропного материала в виде тонкой пластины толщиной Н. С помощью системы 3 камеру вакуумируют и, при необходимости, заполняют инертным газом. При открытой заслонке 6 на поверхность образца 5 в одну область через смотровое окно 2 фокусируют два лазерных луча от лазеров 7 и 8, один из которых имеет постоянную во времени мощность излучения, второй в результате действия модулятора излучения 13 имеет мощность падающего излучения, изменяющуюся по периодическому закону, а также средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева 17 и микропирометр 19. При закрытой заслонке и приведении в режим «работа» всех измерительных систем включаются лазеры 7 и 8, задается и измеряется мощность лазеров W 1 и W2 датчиками 12 и 16 измерения постоянной и модулированной мощности соответственно. Открывается заслонка 6, и в процессе нагрева образца в ЭВМ 20 передаются данные от средства наблюдения и измерения размера пятна нагрева 17 и микропирометра 19, который фиксирует изменение модулированной во времени яркостной температуры Тярк(t) или истинной температуры Т(t)
в квазистационарном режиме. При окончании измерений заслонка 6 закрывается, выключаются лазеры 7 и 8 и измерительные приборы.
Обработка полученных данных проводится по следующей схеме:
1. Определяется плотность постоянного во времени теплового потока энергии q 1=W1/pR2, измеренная датчиком 12 от лазера 7 постоянной мощности W 1, где радиус определяется по данным, которые фиксирует средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева 17.
2. Определяется плотность теплового потока для модулированной, в том числе гармонической составляющей q2 =W2 соs(wt)pR2, где w - круговая частота; при этом датчик модулированной мощности 16 измеряет W2 - мощность, которая создается постоянным во времени потоком W2 от лазера 8 и модулятором излучения 13.
3. Если микропирометром 19 измеряется яркостная температура, то значения яркостной температуры переводят в истинные значения и получают зависимость истинной температуры от времени Т(t).
4. С помощью программного продукта численным методом решается гиперболическое уравнение теплопроводности в одномерной постановке с граничными условиями, соответствующими падающему на одну плоскость тепловому потоку по закону q1+q2=[W 1+W2×cos(wt))/pR 2 и радиационными потерями теплоты по закону Стефана-Больцмана на обеих поверхностях образца в квазистационарном режиме. Совпадение результатов расчета изменения истинной температуры от времени Т(t)рас при заданным временем тепловой релаксации с измеренными данными Т(t) позволяет определить искомое время тепловой релаксации.
Работу устройства иллюстрирует следующий конкретный пример. Исследуемый материал - молибден чистотой 99,99%. Образец был выполнен из фольги толщиной 20 мкм. Были использовали лазеры ЛТН-103, с рабочей длиной волны l=1,06 мкм, диаметр пятна нагрева составлял 1 мм, измеренный с помощью средства наблюдения и измерения размера пятна нагрева. Для измерения мощности лазерного излучения использованы датчики LM-1000. Температура измерялась автоматическим микропирометром ПГ-1, рабочая длина волны которого 0,65 мкм, диаметр пятна визирования 0,3 мм, постоянная времени 10-5 сек. Перед измерениями камеру вакуумировали и заполняли аргоном высокой чистоты до давления Р=105 Ра. Частота колебаний гармонической составляющей была задана модулятором излучения 50 Гц. Суммарная плотность теплового потока изменялась по закону 1,8×10 6+1,5×106×cos(100pt) Вт/м 2. Время тепловой релаксации молибдена при
температуре, близкой к температуре плавления молибдена для средней температуры T˜2800 К составило - 7×10-9 сек.
Положительный эффект, достигаемый при использовании данного устройства, состоит в возможности определить время тепловой релаксации, причем в области высоких температур. Известные в литературе значения времени тепловой релаксации металлов определены при низких температурах и составляют 10-13-10-11 сек.
Определение времени тепловой релаксации в данном устройстве можно проводить, используя исключительно бесконтактный способ нагрева и бесконтактную температурную диагностику и как следствие находить время тепловой релаксации материалов без искажения результатов процедурами нагрева и измерения. Предлагаемое устройство характеризуется относительной экономичностью, так как не требуется нагревать большую массу исследуемого вещества.
Устройство для определения времени тепловой релаксации изотропных материалов при высоких температурах, содержащее газовакуумную рабочую камеру со смотровым окном, систему ее откачки и заполнения инертным газом, вертикально установленный в камере соосно со смотровым окном в специальном держателе образец, выполненный в форме тонкой пластины из исследуемого материала толщиной Н, вне камеры расположены заслонка, первый лазер непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью, при этом основная часть потока энергии сфокусирована на поверхность образца по нормали к ней в пятно радиуса R через последовательно установленные первое разделительное полупрозрачное стекло, первую линзу, поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а оставшаяся часть потока энергии от первого разделительного полупрозрачного стекла направлена на датчик измерения постоянной мощности, а также вне камеры расположены микропирометр, сфокусированный на поверхность образца в пятно нагрева радиуса R с радиусом r пятна визирования при r/R<10 через поворотное полупрозрачное стекло, открытую заслонку и смотровое окно, а также ЭВМ, записывающую сигналы от датчика измерения постоянной мощности и микропирометра, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй лазер непрерывного действия с заданной постоянной во времени мощностью, основная часть потока энергии которого сфокусирована в пятно нагрева радиуса R на поверхность образца в область нагрева первого лазера через модулятор излучения, второе разделительное полупрозрачное стекло, вторую линзу, открытую заслонку и смотровое окно, а оставшаяся часть потока энергии от второго лазера направлена после модулятора излучения через второе разделительное полупрозрачное стекло на датчик измерения модулированной мощности, при этом толщина пластины Н и размер пятна нагрева R обоих лазеров выбраны так, что температурное поле в пластине максимально соответствует одномерному изменению по толщине пластины, для чего должно выполняться неравенство H/R>10, а также вне камеры расположено средство наблюдения и измерения размера пятна нагрева, наведенное на поверхность образца в область нагрева через зеркало, открытую заслонку и смотровое окно, кроме того ЭВМ связана с датчиком измерения модулированной мощности и средством наблюдения и измерения размера пятна нагрева, а также в ЭВМ введено программное обеспечение для численного моделирования нагрева образца при заданном времени тепловой релаксации.
