Способ измерения коэффициента температуропроводности

Способ измерения коэффициента температуропроводности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам измерения коэффициента температуропроводности веществ и материалов с использованием лазерного сьема информации. Сущность изобретения: к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондируют материал л азерным лучом, отраженный от материала луч ; - делят на два и формируют с помощью интер-01 1 ферометра Майкельсона интерференционную3 ш картину, а по смещению интерференционных 0 полос относительно точки наблюдения опрЪ- г деляют запаздывание по фазе температурной волны. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 N 25/18

МММ йл!. ((s,.,..., (dl а— (1 41 hp — 1,1 1) ГОСУДАРСТВЕ HHOE ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4835526/25 (22) 07.07.90 (46) 23.06.93, Бюл, (Ф 23 (71) Свердловский горный институт им.

В.В. Вахрушева (72) B.Å.ÇèíoBüåâ, И,Г,Коршунов, В.В.Докучаев, Ю,А.Шихов и А,С.Баиров (56) Загребин Л.Д. и др. Определение импульсным методом коэффициентов температуропроводности и теплопроводности полусферических образцов ИФЖ, 1981, т.

15. М 5, с. 864 — 869, Филиппов Л,Л. Исследование тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах М, МГУ, 1968, с, 99, Изобретение относится к области экспериментальной техники измерения теплофизических свойств веществ и материалов с использованием лазерного съема информации.

Известны способы измерения температуропроводности твердых тел с помощью температурных волн. Сущность этих способов состоит в том, что, если в образце создать температурные волны с частотой со, то по сдвигу фаз колебаний температурной волны hp на противоположной поверхности однородного образца толщиной i ìîæíî определить температуропроводность такового образца а по формуле

„„ Ы„„1822958 А1 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИцИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ (57) Изобретение относится к способам измерения коэффициента температуроп роводности веществ и материалов с использованием лазерного съема информации. Сущность изобретения: к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отража-" ющей поверхностью, зондируют материал,азерным лучом, отраженный от материала луч делят на два и формируют с помощью интер нн ферометра Майкельсона интерференционну у картину, а по смещению интерференционныхко полос относительно точки наблюдения апра деляют запаздывание по фазе температурной волны. 1 ил, D

В качестве источни .06, создающих температурные волны. наиболее часто используются модулированные электронные или лазерные лучи. При этом в качестве регист- < р рирующих устройств применяются термо электрические либо фотоэлектрические преобразователи.

Малая чувствительность термопар при"- 4D водит к тому. что к образцу необходимо под- I Ql водить большие тепловые мощности. Кроме Q() того, необходимо учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Необходимость надежного контакта термопары с образцом исключает применение этого типо датчиков для методов нераэрушающего контроля (например, при исследовании теплофизических свойств тонких пленок в радиоэлектронной промышленности и т. и.).

Для регистрации температурных волн на поверхности твердых тел широко испог,.—

1822958 (2) I = Ip+ !и сов в t, облучает переднюю поверхность образца (выполненного в виде плоскопараллельной пластины). К противоположной поверхности температурная волна приходит со сдвигом по фазе hp, который и позволяет по соотношению (1) определить коэффициент температуропроводности образца. При этом колебания температуры регистрируются фотоприемником и через усилитель поступают на амплитудно-фазовый измеритель, работающий по принципу синхронного детектирования. Сигнал, пропорциональный сдвигу фаз, регистрируется и обрабатывается устройство, в качестве которого используется микро-ЭВМ.

Существенным недостатком изложенного способа является зависимость величины теплового импульса от температуры разогрева исследуемого материала, что диктуется параметрами чувствительности фотоприемника, что приводит к необходимости увеличения площади раэогревающего светового пятна, что приводит к снижениюточности, а подход к нижним границам чувствительности фотоприемника приводит к резкому снижению точности способа, поэтому погрешность подобных измерений, особенно вблизи нижней границы работы фотоприемника, может достигать десятков процентов (2).

Цель изобретения — повышение точности измерения и расширения класса исслезуются фотоэлектрические преобразователи (фотодиоды, фотосопротивления и т. и), Однако, этот бесконтактный способ регистрации температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувствительны к определенному спектру электромагнитных волн. Это не позволяет использОвать фотоприемники для регистрации температурных волн на поверхности вещества в широком интервале температур.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ определения температуропроводности твердых тел (2), основанный на создании температурной волны в плоскопараллельной пластинке толщиной и измерения сдвига фаз температурной волны на противоположной стороне, что позволяет определить коэффициент температуропроводности по формуле (1), Сущность способа состоит в следующем. Источником модулированного потока является лазер, модулированный модулятором и звуковым генератором. Энергия лазера, модулированная по закону:

Устройство состоит иэ теплового лазера

1, соединенного с обтюратором 2, насаженным на ось генератора-модулятора 3, и производящего нагрев материала 4 с прикрепленной к нему пленкой 5, иэ теплового лазера 6 испускающего сигнальные лучи, интерферометра 7, регистрирующего устройства 9, усилителя 10, который связан с амплитудно-фазовым измерителем 11. который соединен с ЭВМ 12. дуемых объектов при измерении коэффициента температуропроводности, Поставленная цель достигается тем, что в способе. включающем нагрев материала

5 лучом модулированной частоты, зондирование материала лазерным лучом со стороны, противоположной точке нагрева и регистрацию запаздывания по фазе температурной волны, что к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующий лазерный луч, отраженный от поверхности пленки, делят на два, формируют с помощью интерферометра Майкельсона ин15 терференционную картину, и по смещению интерференционных полос относительно точки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны.

Пропускание луча через интерферометр

20 позволит разделить его на два составляющих луча, один из которых направляют на тонкую пленку, прикрепленную к материалу. Тонкая пленка, воспринимая все изменения, происходящие в материале от теплового воздействия на него, начинает "дышать", т. е. как бы отделяясь или приближаясь к интерферометру, изменяя тем самым длину сигнального луча, отражающегося от пленки. Таким образом, сигнальный луч через тонкую пленку, получает всю информацию о тепловых изменениях в материале, которую несет в интерферометр, он объединяется с второй частью сигнального луча получаем интерференционную картину.

Использование тонкой пленки, как элемента, реагирующего на тепловые изменения в материале, позволяет испольэовать способ для материалов любой формы, т. к, не составит труда прикрепить тонкую плен4O,„.

Все выше сказанное позволяет сделать вывод, что применение предлагаемого способа позволит повысить точность измерения и расширить класс исследуемых ма45 териалов.

На чертеже изображено предлагаемое устройство для реализации предлагаемого способа, общий вид.

1822958

С помощью устройства способ осуществляется следующим образом. Излучение неи реры вного теплового лазера 1 модул ируется обтюратором 2, насаженным íà ось генератора-модулятора 3 так, что в точке (Х - Хо) создается периодическое тепловое воздействие:

Формула изобретения

Редактор Т. Шаговэ с авитель В. Зин

Техред М.Моргентал

Корректор С Патрушева

Заказ 2177 Тираж

ВНИИПИ Гос а стве н

Подписное осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35. Раушская нэб., 4/S

Произеодсгеенно-издательский камбинат Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина 1О г

q-qocose t (3)

Это периодическое тепловое воздействие приводит к распространению температурной волны по поверхности образца 4.

Сигнальный луч лазера, проходя через интерферометр 7, делится на две части луча одна из которых направляется на исследуемый материал и, попадая на тонкую пленку, воспринимает всю информацию о скорости еь прохождения тепловой волны через исследуемый материал, отражается и, "воссоединяясь" со второй частью сигнального луча, попадает в регистрирующее устройство 9, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается усилителем 10 и поступает в амплитудно-фазовый измеритель 11, в котором производится измерение сдвига фаз hip, после этого информация поступает в ЭВМ 12, где с использование формулы (1) вычисляется коэффициент температуропроводности, Предлагаемый способ позволяет измерять коэффициент температуропроводности для исследуемого тела любой конфигурации и в условиях бесконтактных измерений увеличивает точность определения коэффициента темперэтуропроводности

5 металлов, сплавов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок, элементов микроэлектронной техники в широком интервале температур (включая области низких и высоких температур).

Способ, измерения коэффициенте температ ропроводности, включающий нагрев

15 материала лучом модулированной частоты. зондирование материала лазерным лучом со стороны, противоположной точке нагрева, и регистрацию запаздывания по фазе температурной волны, о т л и ч а ю щ и Я с я

20 тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения класса исследуемых обьектов, к поверхности, противоположноф нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующий лазерный луч. отраженный от поверхности пленки, делят на два, формируют с помощью интерферометрэ Мэйкельсона интерференционную картину, и по смещению интерференционных полос относительно

30 точки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны.