Устройство для определения характеристик материалов
Использование: относится к техническим средствам для определения теплофизических характеристик и может использоваться при исследовании свойств новых материалов и в тепловом неразрушающем контроле. Сущность: устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, синхронизатор 2, термопару 3, измеряющую температуру поверхности образца. Термопара подключена через усилитель 5 к входу дифференциатора 6. На выходе интеграторов 8-12 формируются сигналы, пропорциональные длительности импульса нагрева, интервалам времени с момента запуска устройства и от момента окончания импульса нагрева до момента начала интегрирования. Логика работы устройства обеспечивается управляемыми ключами 20,21, триггерами 22,23, логическими элементами ИЛИ 24,25, делителями частоты 26-28. Величина сигналов, пропорциональных вычисленным интегралом и шагу интегрирования, фиксируется запоминающим устройством 30. Установка начальных условий в каждом цикле вычислений и управление работой устройства осуществляется с помощью блока управления 29. Устройство позволяет определять теплофизические характеристики материалов однослойных и многослойных объектов при одностороннем доступе. 2 ил.
Устройство относится к техническим средствам для определения теплофизических характеристик и может быть использоваться как при исследовании свойств новых материалов, так и в тепловом неразрушающем контроле.
Известны способы определения теплофизических характеристик многослойных материалов [1, 2], основанные на измерении температуры поверхности образцов, нагретых с помощью импульсных источников, и обработке результатов измерений, полученных в течение определенного интервала времени. Указанные способы позволяют определить теплофизические характеристики многослойных материалов в том случае, когда известны заранее характеристики одного из слоев. Для послойного определения теплофизических характеристик перечисленные выше способы неприемлемы. Известно устройство для определения теплофизических параметров материалов [3], содержащее источник импульсного нагрева, термопару, усилитель, повторитель, интеграторы, дифференциатор, нуль-орган, триггер, умножитель, вычитатель, измеритель и источник опорного напряжения. Недостатками известного устройства [3] являются невысокая точность вследствие невозможности учета тепловых потерь и искажения помехами начального участка термограммы, а также невозможность послойного определения характеристик многослойных образцов. Известно устройство для прецизионного определения характеристик материалов [4], наиболее близкое по структуре к предлагаемому устройству, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого соединен с выходом синхронизатора, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, а также первый и второй интеграторы, источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора соединен с выходом синхронизатора, а информационный вход - с выходом источника опорного напряжения, информационный вход второго интегратора соединен с выходом усилителя, информационные входы третьего, четвертого и пятого интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, а выходы каждого из них соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом масштабного усилителя, а вход масштабного усилителя соединен с выходом первого интегратора, выход первого компаратора соединен с первыми входами управления второго, третьего, четвертого и шестого интеграторов, выход второго компаратора соединен с вторыми входами управления четвертого и шестого интеграторов, входом управления пятого интегратора и первым входом управления седьмого интегратора, второй вход управления которого соединен с выходом третьего компаратора и вторым входом управления пятого компаратора, а информационный вход - с информационными входами второго и шестого интеграторов, выходом усилителя и входом дифференциатора, выход которого соединен с входом экстрематора, а выход экстрематора соединен с вторыми входами управления первого, второго и третьего интеграторов, причем выходы масштабного усилителя, второго, шестого и седьмого интеграторов являются первым, вторым, третьим и четвертым выходами устройства соответственно. Известное устройство предназначено для определения теплофизических характеристик однослойных образцов, что ограничивает его функциональные возможности. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет способности определения характеристик материалов многослойных объектов при одностороннем доступе. В устройство, содержащее источник импульсного нагрева, вход которого через синхронизатор соединен с пусковой клеммой, термопару, подключенную через усилитель к входу дифференциатора, два компаратора, пять интеграторов и источник опорного напряжения, при этом первый вход управления первого интегратора и вход управления второго интегратора соединены с выходом синхронизатора, информационные входы с первого по четвертый интеграторов соединены с выходом источника опорного напряжения, информационный вход пятого интегратора соединен с выходом усилителя, выход первого интегратора соединен с первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен через масштабный усилитель с выходом третьего интегратора, выход масштабного усилителя соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого соединен с выходом четвертого интегратора, а выход соединен с первым входом управления четвертого интегратора, дополнительно введены датчик длительности импульса, сумматор, блок умножения, нуль-орган, три делителя частоты, два триггера, два управляемых ключа, два логических элемента ИЛИ, запоминающее устройство и блок управления, при этом выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя, а выход соединен через нуль-орган с первым входом первого делителя частоты, второй вход которого соединен с выходом датчика длительности импульса нагрева, вторым входом управления первого интегратора, первым входом первого логического элемента ИЛИ и первым входом первого триггера, а выход соединен с первым входом первого управляемого ключа, второй вход которого соединен с первым выходом второго триггера, а выход соединен с вторым входом первого триггера, первый выход которого является первым выходом устройства, а второй выход соединен с первым входом второго управляемого ключа, второй и третий входы которого соединены с выходом первого делителя частоты и вторым выходом второго триггера соответственно, а выход соединен с первыми входами управления третьего и пятого интегратора, вторым входом управления четвертого интегратора и первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора и первым входом второго делителя частоты, второй вход которого соединен с первым входом третьего делителя частоты, выходом синхронизатора и первым входом второго логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом третьего делителя частоты, третьим входом управления четвертого интегратора и вторым входом первого логического элемента ИЛИ, а выход соединен с первым входом второго триггера, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора, выход первого логического элемента ИЛИ соединен с вторым входом управления третьего интегратора и третьим входом блока управления третьего интегратора и третьим входом блока управления, четвертый вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, вторым входом управления пятого интегратора и вторым входом третьего делителя частоты, первый выход блока управления соединен с третьим входом управления пятого интегратора, второй выход блока управления соединен с первым входом запоминающего устройства второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом пятого интегратора и выходом масштабного усилителя, а выход является вторым выходом устройства. На фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит источник 1 импульсного нагрева, синхронизатор 2, термопару 3, измеряющую температуру поверхности образца 4, усилитель 5, дифференциатор 6, источник 7 опорного напряжения, интеграторы 8-12, компараторы 13, 14, масштабный усилитель 15, датчик 16 длительности импульса нагрева, блок 17 умножения, сумматор 18, нуль-орган 19, управляемые ключи 20, 21, триггеры 22, 23, логические элементы ИЛИ 24, 25, делители 26-28 частоты, блок 29 управления, запоминающее устройство 30. Источник 1 импульсного нагрева оптически связан с датчиком 16 длительности импульса нагрева и многослойным образом 4, температура поверхности которого измеряется термопарой 3. Вход источника 1 соединен с выходом синхронизатора 2. Вход синхронизатора 2 соединен с пусковой клеммой. Термопара 3 соединена с входом усилителя 5. Выход усилителя 5 соединен с входом дифференциатора 6, информационным входом интегратора 12 и вторым входом сумматора 18. Выход дифференциатора 6 соединен с первым входом блока 17 умножения. Второй вход блока 17 соединен с выходом интегратора 9. Выход блока 17 соединен с первым входом сумматора 18. Выход сумматора 18 соединен с входом нуль-органа 19. Выход нуль-органа 19 соединен с первым входом делителя 26 частоты. Второй вход делителя 26 соединен с выходом датчика 16, вторым входом управления интегратора 8, первым входом логического элемента ИЛИ 24 и первым входом триггера 22. Выход делителя 26 соединен с первым входом управляемого ключа 20 и вторым входом управляемого ключа 21. Второй вход управляемого ключа 20 соединен с первым выходом триггера 23. Выход управляемого ключа 20 соединен с вторым входом триггер 22. первый выход триггера 22 соединен с первым выходом устройства. Второй выход триггера 22 соединен с первым входом управляемого ключа 21. Третий вход управляемого ключа 21 соединен с вторым выходом триггера 23. Выход управляемого ключа 21 соединен с первым входом управления интегратора 12, первым входом блока 29 управления, вторым входом управления интегратора 11 и первым входом управления интегратора 10. Второй вход управления интегратора 10 соединен с выходом логического элемента ИЛИ 24 и третьим входом блока 29. Информационный вход интегратора 10 соединен с выходом источника 7 опорного напряжения, информационным входом интегратора 11, информационным входом интегратора 8 и информационным входом интегратора 9. Вход управления интегратора 9 соединен с выходом синхронизатора 2, первым входом логического элемента ИЛИ 25, первым входом делителя 28 частоты, вторым входом делителя 27 частоты и первым входом управления интегратора 8. Выход интегратора 8 соединен с первым входом компаратора 13. Второй вход компаратора 13 соединен через масштабный усилитель 15 с выходом интегратора 10, третьим входом запоминающего устройства 30 и первым входом компаратора 14. Второй вход компаратора 14 соединен с выходом интегратора 11. Выход компаратора 14 соединен с первым входом управления интегратора 11, вторым входом блока 29 и первым входом делителя 27. Выход делителя 27 соединен с четвертым входом блока 29, вторым входом управления интегратора 12 и вторым входом делителя 28. Выход делителя 28 соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ 24, третьим входом управления интегратора 11 и вторым входом логического элемента ИЛИ 25. Выход логического элемента ИЛИ 25 соединен с первым входом триггера 23. Второй вход триггера 23 соединен с выходом компаратора 13. Первый выход блока 29 соединен с третьим входом управления интегратора 12. Второй выход блока 29 соединен с первым входом запоминающего устройства 30. Второй вход запоминающего устройства 30 соединен с выходом интегратора 12. Выход запоминающего устройства 30 соединен с вторым выходом устройства. Устройство работает следующим образом. В момент времени t0 с выхода синхронизатора 2 поступает сигнал на вход источника 1 импульсного нагрева. Источник 1 запускается, при этом тепловой поток поступает на поверхность исследуемого образца 4. Одновременно сигнал с выхода синхронизатора 2 поступает на управляющие входы интеграторов 8 и 9, входы установки исходного состояния делителя 27, 28 и первый вход логического элемента ИЛИ 25. Интеграторы 8 и 9 переводятся в режим интегрирования напряжения с выхода источника 7. Делители 27 и 28 устанавливаются в исходное (нулевое) состояние. Сигнал с выхода логического элемента ИЛИ 25 поступает на вход установки исходного состояния триггера 23. Триггер 23 устанавливается в исходное состояние. Исходному состоянию триггера 23 соответствует такое состояние, при котором на втором выходе триггера 23 сигнал отсутствует. Управляемый ключ 20 открыт сигналом с первого выхода триггера 23. Управляемый ключ 21 закрыт вследствие отсутствия сигнала на его третьем входе. Температура поверхности образца 4 измеряется термопарой 3, сигнал с выхода которой усиливается усилителем 5 и поступает на вход дифференциатора 6, информационный вход интегратора 12 и второй вход сумматора 18. С выхода дифференциатора 6 сигнал, пропорциональный производной температуры T поверхности образца 4, поступает на первый вход блока 17. На второй вход блока 17 с выхода интегратора 9 поступает сигнал, величина которого пропорциональна интервалу времени, в течение которого интегратор 9 находится в режиме интегрирования. Сигнал с выхода блока 17, пропорциональный произведению дифференциала сигнала на выходе усилителя 5 и сигнала, пропорционального интервалу времени с момента пуска устройства, поступает на вход сумматора 18. На второй вход сумматора 18 поступает сигнал с выхода усилителя 5. Сигнал с выхода сумматора 18, пропорциональный сумме сигналов на его входах, поступает на вход нуль-органа 19. В момент времени окончания импульса нагрева срабатывает датчик 16. Сигнал с выхода датчика 16 поступает на входы установки исходного состояния триггера 22 и делителя 26, второй вход управления интегратора 8 и первый вход логического элемента ИЛИ 2. Триггер 22 и делитель 26 устанавливаются в исходное состояние. Исходному состоянию триггера 22 соответствует такое состояние, при котором сигнал на его первом выходе отсутствует. Исходному состоянию делителя 26, коэффициент деления которого KI=2, соответствует такое состояние, при котором делитель 26 срабатывает в момент поступления на его первый вход сигнала с выхода нуль-органа 19. Интегратор 8 переводится в режим хранения. Величина сигнала на выходе интегратора 8 пропорциональна длительности импульса нагрева. С выхода логического элемента ИЛИ 24 сигнал поступает на третий вход блока 29 управления и второй вход управления интегратора 10. Блок 29 устанавливается в исходное состояние. Интегратор 10 переводится в режим интегрирования. Сигнал с выхода интегратора 10 поступает на вход масштабного усилителя 15, коэффициент усиления которого K=1/16. Сигнал с выхода масштабного усилителя 15 поступает на второй вход компаратора 13, на первый вход которого поступает сигнал с выхода интегратора 8. При равенстве сигналов на входах срабатывает компаратор 13 и сигнал с его выхода перебрасывает триггер 23. Триггер 23 устанавливается в таком состоянии, при котором появляется сигнал на его втором выходе. Открывается управляемый ключ 21 закрывается управляемый ключ 20. Если делитель 26 срабатывает ранее компаратора 13, сигнал с выхода делителя 26 через управляемый ключ 20 поступает на второй вход триггера 22. Триггер 22 перебрасывается в такое состояние, при котором появляется сигнал на его первом выходе. Управляемый ключ 21 закрывается, так как на его первом входе, соединенном с вторым выходом триггера 22, сигнал отсутствует, и определение характеристик образца 4 становится невозможным. Если компаратор 13 срабатывает ранее делителя 26, сигнал с выхода компаратора 13 перебросит триггер 23 в такое состояние, при котором на его втором выходе появится сигнал, открывающий управляемый ключ 21. Управляемый ключ 20 закрывается, так как на первом выходе триггера 23 сигнал отсутствует. Сигнал с выхода делителя 26 через управляемый ключ 21 поступает на первые входы управления интеграторов 10 и 12, второй вход управления интегратора 11 и первый вход блока 29. Интегратор 10 переводится в режим хранения. Интеграторы 11 и 12 переводятся в режим интегрирования. Сигнал с второго выхода блока 29 поступает на первый вход запоминающего устройства 30. В запоминающее устройство 30 записывается величина сигнала, поступающего на третий вход запоминающего устройства 30 с выхода масштабного усилителя 15. Так как на информационные входы интеграторов 8-11 поступает сигнал с выхода источника 7 опорного напряжения, величины сигналов на выходах интеграторов 8-11 пропорциональны интервалам времени, в течение которых интеграторы 8-11 находятся в режиме интегрирования. На первый вход компаратора 14 поступает сигнал с выхода масштабного усилителя 15. Величина этого сигнала пропорциональна интервалу времени












где
t1 - момент времени окончания импульса нагрева;
t01 - момент времени, соответствующий равенству нулю функции F = T+2T




























шаг интегрирования





где
a12 - коэффициент эффективной температуропроводнисти материалов первого и второго слоев образца 4;




где
t02 - момент времени, соответствующий равенству нулю функции F=T+2T'


где

a2 - коэффициент температуропроводности материала второго слоя образца 4;


Теплофизические характеристики материалов третьего и последующих слоев образца 4 определяют аналогичным образом, используя теплофизические характеристики материалов трех слоев образца 4, для которых они определены. Вычисления по формулам (1)-(9) и им подобным (для второго и третьего слоев совместно, третьего слоя и т.д.) не представляют сложности и реализуются стандартными алгоритмами. Если в i-ом цикле вычислений определяемая устройством величина

меньше длительности




1. Блохин С. П. и др. Определение отношения тепловых активностей слоев двухслойной системы бесконтактным методом. - В сб. "Теплофизика ядерно-энергетических установок". М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 20-24. 2. Balageas D.L, Kraper J.C, Cielo P. Pulsed photothermal modelling of layered materials.- J.Appl.Phys, 1986, v. 59, N 2. 3. А.с. СССР N 1557499, G 01 N 25/18, 1990. 4. А.с. СССР N 1755150, G 01 N 25/18, 1992. 5. Троицкий О.Ю. Импульсный тепловой неразрушающий контроль слоистых материалов. - Механика композитных материалов, 1992, N 4, с. 534-538.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2