СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области определения теплофизических свойств материалов, а именно к определению температуропроводности материалов бесконтактным методом. Она может быть использована в различных отраслях промышленности, для определения значения температуропроводности материалов, а также конструкций изготовленных из этих материалов.
В настоящее время для изготовления деталей широко используются многокомпонентные материалы (композиционные материалы, многослойные материалы с различными покрытиями и т.п.), которые, как правило, представляют собой сочетания нескольких материалов с различными теплофизическими характеристиками. Решение задачи по определению температуропроводнности таких материалов с использованием систем основанных на разрушающих методах определения теплофизических характеристик, в силу ряда причин становится невозможным, поэтому для решения подобных задач используют системы бесконтактного определения теплофизических характеристик материалов, основанные на неразрушающих методах.
Известна система для определения температуропроводности материалов из описания к изобретению под названием «Способ определения теплофизических характеристик материалов» [Патент РФ № 2224245, МПК G01N 25/18, Опубл. 20.02.2004]. Известная система содержит электронно-вычислительное устройство, которое подключено к бесконтактному датчику температуры и импульсный тепловой источник.
В известной системе импульсный тепловой источник расположен на торце образца. Также известная система содержит зеркальный отражатель, расположенный напротив бесконтактного датчика температуры с противоположной стороны объекта исследования.
Наличие в системе зеркального отражателя позволяет одновременно измерять температуры передней и задней поверхности образца, тем самым, повышая точность определения коэффициента температуропроводности. Однако применение данной системы для определения температуропроводности в труднодоступных местах (например, объекты исследования сложной конфигурации) может быть ограничено, так как не всегда представляется возможным обеспечить взаимное расположение бесконтактного датчика температуры и зеркального отражателя таким образом, чтобы осуществлялось одновременное измерение температуры передней и задней поверхности объекта исследования.
Известна система для определения температуропроводности материала из описания технического решения под названием «Способ измерения температуропроводности при высоких температурах» [Патент Японии № JPS 64086049, МПК G01N 25/18, опубл. 30.03.1989]. Известная система содержит электронно-вычислительное устройство, которое подключено к бесконтактному датчику температуры, импульсный тепловой источник, коллиматор, снабженный оптической системой.
Система представляет собой блок записи и анализа информации в состав, которого входит электронно-вычислительное устройство и измерительный блок, включающий вакуумную камеру, бесконтактные датчики температуры, импульсный тепловой источник, связанный с оптической системой, зеркальные отражатели и размещенный между ними объект исследования.
В отличие от предыдущего аналога данная система позволяет исключить операции по установке зеркального отражателя за счет использования измерительного блока со стационарно расположенными отражателями и бесконтактными датчиками температуры, позволяющими одновременно измерять температуру передней и задней поверхности объекта исследования. Однако наличие вакуумной камеры ограничивает область применения системы тем, что размеры исследуемых объектов будут ограничены размерами вакуумной камеры. Также применение системы будет ограничено для объектов сложной конфигурации, поскольку конструктивное исполнение системы со стационарно установленными зеркальными отражателями не всегда будет обеспечивать одновременное измерение температуры передней и задней поверхности объекта исследования.
Известна система для определения температуропроводности материала из описания технического решения под названием: «Способ определения температуропроводности и система для его реализации» [Патент Китая № CN 103884737, МПК G01N 25/18, Опубл. 25.06.2014]. Известная система содержит электронно-вычислительное устройство, которое подключено к бесконтактному датчику температуры и импульсному тепловому источнику, который соединен оптоволоконным кабелем с коллиматором, снабженным оптической системой и расположенным напротив бесконтактного датчика температуры с противоположной стороны объекта исследования.
Также система содержит вакуумную камеру и установленный в ней кронштейн для установки объекта исследования.
Известная система позволяет повысить точность определения коэффициента температуропроводности за счет более точного измерения температуры объекта исследования производимого в вакуумной среде.
Данная система выбрана в качестве прототипа, так как она имеет наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемой системой.
Недостатком данной системы является наличие вакуумной камеры ограничивающей мобильность системы по отношению к объектам исследования в виде стационарных конструкций (конструкций, нарушение целостности которых невозможно), а также ограничения по отношению к объектам исследования, имеющим сложную конфигурацию и превышающим габариты вакуумной камеры.
Анализ известных систем для определения температуропроводности материала позволяет сделать вывод, что известный уровень техники не обеспечивает создания системы, позволяющей с высокой точностью определять значение температуропроводности материала, не снижая при этом ее мобильности.
Задачей полезной модели является создание мобильной системы позволяющей с высокой точностью определять значение температуропроводности материала.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности определения температуропроводности материала и мобильности системы, достигаемые за счет исключения эффекта флуктуации при тепловом воздействии источника лазерного излучения на объект исследования.
Указанный технический результат достигается тем, что система для определения температуропроводности материалов содержит электронно-вычислительное устройство, которое подключено к бесконтактному датчику температуры и импульсному тепловому источнику, который соединен оптоволоконным кабелем с коллиматором, снабженным оптической системой и расположенным напротив бесконтактного датчика температуры с противоположной стороны объекта исследования, согласно полезной модели, система снабжена затвором, установленным между импульсным тепловым источником и объектом исследования с возможностью открывания в момент набора импульсным тепловым источником заданной мощности.
Заявляемая полезная модель содержит признаки, отличающие ее от наиболее близких аналогов, что позволяет считать ее соответствующей условию «новизна».
На фиг. 1 показана конструктивная схема системы для определения температуропроводности материалов.
На фиг. 2 показана конструктивная схема лазерного модуля ЛТИ-100.
На фиг. 3 показан коллиматор с затвором и оптической системой.
На фиг. 4 показан график изменения температуры во времени.
Система для определения температуропроводности материалов (фиг. 1) содержит компьютер 1, который с помощью USB-кабеля 2 подключен к тепловизору 3 и источнику лазерного излучения 4. Источник лазерного излучения 4 соединен оптоволоконным кабелем 5 с коллиматором 6. Коллиматор 6 снабжен оптической системой 7 и затвором 8, и расположен напротив тепловизора 3 с противоположной стороны объекта исследования 9.
На компьютере 1 установлено программное обеспечение для управления тепловизором 3 и специальное программное обеспечение для синхронизации процессов тепловизионной съемки и подачи лазерного импульса.
Для тепловизионной съемки в данной системе был использован тепловизор 3 марки ThermoPro ТР-8 с частотой записи 50 Гц.
В качестве источника лазерного излучения 4 был использован лазерный модуль ЛТИ-100 (фиг. 2) снабженный оптоволоконным кабелем 5, включателем 10, дисплеем 11, блоком настройки параметров лазерного излучения 12 и выводом синхронизации 13. Вывод синхронизации 13 соединен USB-кабелем 2 с компьютером 1. Оптоволоконный кабель 5 соединяет источник лазерного излучения 4 с коллиматором 6.
Коллиматор 6 фиг. 3 выполнен в виде двух цилиндров разного диаметра 14 и 15 общей длиной L, соединенных между собой резьбовым соединением 16 и состоит из затвора 8 и оптической системы 7. Оптическая система 7 состоит из коллиматорной линзы 17, линзы 18 с фокусным расстоянием 25.5 мм, линзы 19 с фокусным расстоянием 29.5 мм.
Система работает следующим образом.
Тепловизор 3 и коллиматор 6 располагают с противоположных сторон объекта исследования 9, таким образом, чтобы направление тепловизионной съемки тепловизора 3 и лазерного излучения было направлено по нормали к объекту исследования 9 и навстречу друг другу. После установки тепловизора 3 и коллиматора 6, производят измерение толщины объекта исследования 9 в предполагаемой точке воздействия лазерного излучения.
Далее при помощи включателя 10 подают электропитание на источник лазерного излучения 4, в результате чего происходит отображение параметров настройки лазерного излучения на дисплее 11. При помощи блока настройки параметров лазерного излучения 12 выставляются необходимые время и мощность лазерного излучения.
После этого при помощи коллиматора 6 выставляется фокус диаметра пятна лазерного излучения воздействующего на объект исследования 9. Регулировка фокуса диаметра пятна лазерного излучения воздействующего на объект исследования обеспечивается оптической системой 7 изменением положения линзы 19 относительно линз 17 и 18. Для этого с помощью резьбового соединения 16 изменяют взаимное положение цилиндров 14 и 15 обеспечивающих общую длину L коллиматора 6.
Затем на компьютере запускают программу управления тепловизором 3 и программу синхронизации процесса тепловизионной съемки с подачей лазерного импульса. После чего нажатием комбинации клавиш на клавиатуре компьютера 1 программа синхронизации одновременно подает сигнал запуска тепловизионной съемки на тепловизор 3, и сигнал запуска подачи лазерного излучения на вывод синхронизации 14. При поступлении сигнала на вывод синхронизации 14 источника лазерного излучения 4, происходит запуск процесса набора мощности лазерного излучения. Электрическая схема источника лазерного излучения 4 фиксирует момент набора заданной мощности лазерного излучения и подает по оптоволоконному кабелю 5 сигнал на открытие затвора 8. Тем временем на тепловизор 3 приходит сигнал с компьютера 1, в результате чего происходит одновременное начало тепловизионной съемки и открытие затвора 8. При открытии затвора 8 лазерное излучение с заданной, и набранной до заданного значения, мощностью начинает воздействовать на поверхность объекта исследования 9. В этот момент с помощью тепловизора 3 ведется тепловизионная съемка на противоположной поверхности объекта исследования 9.
0
max
В результате проделанных операций получают термограмму, по которой строят график изменения температуры во времени (фиг. 4). Началом графика является время начала съемки термограммы и время подачи на поверхность объекта исследования 9 лазерного излучения, при этом лазерное излучение достигает заданного значения непосредственно перед воздействием на объект исследования, а не в момент воздействия на объект исследования, тем самым позволяя более точно (исключая эффект флуктуации) определить значение периода времени т.5 между началом воздействия на объект исследования и достижением половинного значения to,5 максимума температуры t.
Далее используя полученное значение, т.е., определяют коэффициент температуропроводности по формуле:
,
где Δ - известная толщина объекта исследования, (мм);
0,5
τ - время «половинного» сигнала (время достижения половинного значения максимума температуры, сек);
o
0
5
F* - критерий Фурье (для τ, - Fo*=0,1388).
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- система для определения температуропроводности материалов, воплощая заявленную полезную модель, предназначена для определения теплофизических характеристик материалов, а именно для определения температуропроводности (неразрушающим) бесконтактным методом.
- для заявленной системы в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте изложенной формулы полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- система для определения температуропроводности материалов, воплощая заявленную полезную модель, способна обеспечить повышение точности определения температуропроводности материала и мобильности системы.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».