УСТРОЙСТВО ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА

пл
Полезная модель относится к технической физике, а именно к изучению физико-химических характеристик металлических расплавов, в частности поверхностного натяжения и/или плотности, методом измерения параметров неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава посредством фотоэлектронной объемометрии, путем определения геометрии контура «большой лежащей капли». Изобретение предназначено для изучения сплавов, например на основе Al, Pe, Co, Ni с температурой плавления t вплоть до 2000°C.
Известно устройство изучения поверхностного натяжения и плотности образца -капли высокотемпературного расплава, размещенной в электропечи на подложке, в режиме «on line» с использованием высококачественной видеокамеры с длиннофокусным объективом, подключенной посредством проводной шины данных к компьютеру, причем для определения поверхностного натяжения измеряют параметры контура (силуэта) эллипсоида капли - см. пат. КНР СК №1591016 А - аналог.
Известно устройство изучения поверхностного натяжения и плотности образца - капли расплава с известной массой, равной 10÷40 граммов («большой капли»), лежащей на керамической подложке, размещенной на конце штока в высокотемпературной зоне электропечи, заполненной инертным газом, на основе фотометрической объемометрии. Его осуществляют путем измерения параметров эллипсоида капли, его контура (силуэта) и дальнейшего вычисления объема капли - см. Филиппов С.И. и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», Металлургия, Мю 1968 г., стр.266÷271, рис.114, 116 - аналог. Необходимым условием экспериментов является наличие чистого расплава с практически зеркальной поверхностью, несмачиваемость подложки и газовая фаза, например, чистый гелий. Наличие гелиевой атмосферы внутри электропечи с давлением, равным атмосферному, предохраняющей образец как от загрязнения газами воздуха, так и от вскипания расплава, горизонтальная установка подложки, на которой помещают каплю в зоне нагрева печи, чистая поверхность образца расплавленной капли, эллиптическая форма силуэта, его симметрия, и окружность в основании капли являются необходимыми условиями метода «большой капли».
При нагреве образца с момента расплавления происходит выделение различных соединений и включений, в том числе газов. Легированные сплавы, содержащие различные соединения и включения, в том числе газы, при расплавлении образца покрываются неоднородными эластичными пленками различной толщины, наблюдаемыми в виде хаотичных непредсказуемых пятен. Кроме того, пленка не позволяет обеспечить получение и сохранение стабильной эллипсовидной формы силуэта изучаемого образца, его симметрию и окружность в основании капли, требуемые для изучения его плотности и/или поверхностного натяжения. Эти пленки могут изменять форму капли расплава, вплоть до превращения капли из эллипсоида в сплющенную фигуру, после чего капля становится непригодной для измерений. Вследствие этого не обеспечены вышеуказанные условия применения метода «большой капли», в том числе обеспечение симметрии эллипсоида капли и условия для применения формул расчета эллипсоида, определения параметров силуэта и объема.
Кроме того, возникают ситуации, когда загрязнения образца не очевидны и позволяют, при определенном навыке экспериментатора, успешно завершать эксперименты. Тем не менее, количественная оценка степени загрязнения образца необходима как с точки зрения оценки данного образца, в том числе сравнительной с другими образцами, так и рекомендаций изготовителям образца для успешных последующих экспериментов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство изучения поверхностного натяжения и плотности образца металлического сплава, размещенного на подложке в горизонтальной электропечи, содержащее фотоприемник, соединенный с компьютером - см. вышеуказанный пат. РФ ПМ №136171 - прототип.
Недостатками как аналогов, так и прототипа являются, во первых, возможность только субъективной качественной, а не количественной оценки экспериментатором загрязнений в образце сплава посредством изучения изображения расплавленной капли этого образца на дисплее, что уменьшает достоверность результатов экспериментов. Во вторых, отсутствует возможность достоверной объективной сравнительной оценки загрязнений различных образцов, в том числе в циклах нагрева и охлаждения образца, а также от разных производителей этих образцов, что не обеспечивает обоснованность рекомендаций экспериментатора для производителей. В третьих, необходимы высокие квалификационные требования к экспериментатору при дефиците времени эксперимента и значительной психофизиологической нагрузке, что ограничивает использование персонала средней квалификации, например студентов на лабораторных работах при изучении свойств образцов металлических сплавов.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности количественной оценки загрязнений образца металлического сплава во время его нагрева и охлаждения, повышение уровня объективности и достоверности результатов экспериментов, в том числе сравнительных результатов от разных образцов, расширение функциональных возможностей устройства изучения поверхностного натяжения образца металлического сплава, а также обеспечение возможности снижения квалификационных требований к экспериментатору.
Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель устройства изучения поверхностного натяжения и плотности образца металлического сплава
1. Устройство изучения поверхностного натяжения и плотности образца металлического сплава, размещенного на подложке в горизонтальной электропечи, содержащее фотоприемник, соединенный с компьютером, отличающееся тем, что в него введены первый дифференциальный усилитель, второй дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, регулятор порога срабатывания второго дифференциального усилителя, первый и второй входы первого дифференциального усилителя соединены с компьютером, а его выход соединен со входом суммирующего усилителя, выход суммирующего усилителя соединен с одним из входов второго дифференциального усилителя, другой вход второго дифференциального усилителя соединен с выходом регулятора порога срабатывания второго дифференциального усилителя, а выход второго дифференциального усилителя соединен с компьютером.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регулятор порога срабатывания второго дифференциального усилителя выполнен в виде цифрового потенциометра;
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вход регулятора порога срабатывания второго дифференциального усилителя соединен с компьютером;
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве суммирующего усилителя используют интегратор.
Технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности ограничительных и отличительных признаков, обеспечивают достижение технического результата - возможность оперативной количественной индикации загрязнений образца металлического сплава при его изучении, что повышает уровень объективности и достоверности сравнения результатов при нагреве и охлаждении загрязненного образца, расширяет функциональные возможности устройства, уменьшает степень субъективности при сравнении результатов экспериментов. Кроме того, обеспечивается возможность снижения квалификационных требований к персоналу. В конечном итоге, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение объективности, достоверности и точности изучения поверхностного натяжения образца металлического сплава.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 - блок - схема устройства;
i
фиг. 2 - фотография капли расплава загрязненного образца Со92В8 на подложке при температуре t=1440°C;
i
i
фиг. 3 - термозависимости поверхностного натяжения σ(t) загрязненного образца аморфного сплава Fe-В при его нагреве (•) и охлаждении (о);
1
1
фиг. 4 - термозависимости плотности d(t) загрязненного образца аморфного сплава Fe-В при его нагреве (•) и охлаждении (о).
Устройство - см. фиг. 1, содержит горизонтальную электропечь 1 с фотоприемником (на схеме не показан), капельный образец расплава фиксированной массы, расположенный на срезе цилиндрической подложки (на схеме не показаны), компьютер 2, блок синхронизации 3, первый дифференциальный усилитель 4, суммирующий усилитель 5, регулятор порога срабатывания второго дифференциального усилителя 6, второй дифференциальный усилитель 7, блок сигнализации 8.
Горизонтальная электропечь 1 мощностью до 30 кВт питается от силовой 3-х фазной сети и управляется посредством компьютера 2. Коаксиальный цилиндрический нагреватель горизонтальной электропечи 1 выполнен из молибдена. Фотоприемник выполнен в виде монохромной телекамеры, например, 3372Р Sanyo. Подложка, на которой размещают образец изучаемого сплава, выполнена в виде цилиндра из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой. Подложку с образцом размещают внутри коаксиального цилиндрического нагревателя. Блок синхронизации 3 выполнен в виде ключевой схемы, например, КМОП-микросхемы К561ЛА7, которая управляется компьютером 2, либо выполнен в виртуальном виде в составе компьютера 2. Первый дифференциальный усилитель 4, суммирующий усилитель 5 в виде инвертирующего резистивного суммирующего усилителя и второй дифференциальный усилитель 7 выполнены в аналоговом виде на трех дифференциальных операционных усилителях, входящих в состав счетверенного операционного усилителя LM 324 производства фирмы NS, в соответствии со стандартными схемами применения LM 324, чгкомендованными фирмой NS, либо могут быть реализованы программным способом в виртуальном виде в составе компьютера 2. Регулятор порога срабатывания второго дифференциального усилителя 6 выполнен в виде резистивного делителя например, с соотношением резисторов 9:1, или управляемого посредством компьютера 2 цифрового потенциометра DS1805 фирмы Maxim-Dallas, величиной, например 100 кОм. Второй дифференциальный усилитель 6 соединен с компьютером 2 через блок сигнализации 8, на выходе которого получают сигнал, например, аудио-визуальной тревоги. Блок сигнализации 8 выполнен в виртуальном виде в составе компьютера 2 с использованием дисплея (на схеме не показано) компьютера 2 и компьютерных аудиоколонок (на схеме не показано).
пл0
i
max
i
i
i
i
i
σi
i
i
di
i
i
i
fi
i
i
i
i
max
пл0
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Изучение поверхностного натяжения металлических сплавов посредством предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом. Подготавливают изучаемый образец фиксированной массы, равной 10÷40 граммов, который укладывают на срезе цилиндрической подложки. Регулируют горизонтальность подложки, чтобы посредством фотоприемника, коаксиального с горизонтальной электропечью 1, наблюдать на дисплее компьютера 2 изучаемый образец. Электропечь 1 закрывают, из нее откачивают воздух и закачивают гелий. Включают электропечь 1 и осуществляют эксперимент, управляемый посредством компьютера 2, с определенным температурным градиентом δ(t), в виде цикла нагрева, плавления от температуры t при каждой из температур t, вплоть до заданной максимальной температуры t, и охлаждения изучаемого образца металлического сплава. На фиг. 2 приведена фотография капли расплава загрязненного образца на подложке при температуре t=1440°C с пятнами загрязнений на поверхности этой капли. На фиг. 3 в качестве примера приведены экспериментально полученные термозависимости поверхностного натяжения σ(t) загрязненного образца аморфного сплава Fe-В при его нагреве (•) 9 и охлаждении (о) 10, а на фиг. 4 термозависимости плотности d(t) загрязненного образца аморфного сплава Fe-В при его нагреве (•) 11 и охлаждении (о) 12. Также в качестве примера отмечены разности 13 - Δ{σ(t)} и 14 - Δ{d(t)} при нагреве 9 и 11 и охлаждении 10 и 12 данного образца сплава для одной из температур t=1330°C. В ходе эксперимента сигналы фотоприемника U преобразуют в компьютере 2 в виде i - изображений капли изучаемого расплава, по силуэтам этих изображений вычисляют термозависимости поверхностного натяжения σ(t) и плотности d(t) капли изучаемого образца металлического сплава, данные запоминают в компьютерной памяти и сводят в таблицу Rxel. В процессе охлаждения вышеописанного образца от заданной максимальной температуры t до температуры τ начала плавления этого образца посредством первого дифференциального усилителя 4 определяют разности модулей поверхностного натяжения 13 σ(t) и плотности 14 d(t)для каждой из температур t термозависимостей σ(t) и d(t) при нагреве и охлаждении расплавленного образца:
di
i охл
i нагр
Δ=|d|-|σ|;
σi
i охл
i нагр
Δ=|d|-|σ|
σi
di
i
i
i
i
σi
i
i
i
i
di
di
пор
σi
пор
i
i
i
i
нагр
i
i
i
i
i
di
σi
di
σi
а затем суммируют эти разности 13 и 14 посредством суммирующего усилителя 5, для поверхностного натяжения в виде Σ(Δ) и плотности в виде Σ(Δ) Кроме того, в случае использования интегратора, выполненного например, на одном из операционных усилителей счетверенной вышеуказанной микросхемы LM 324 в качестве суммирующего усилителя 5, можно использовать площади 15 и 16, ограниченные термозависимостями поверхностного натяжения σ(t) и плотности d(t) при нагреве и охлаждении. Значения разностей поверхностного натяжения в виде Σ(Δ) подают на один из входов второго дифференциального усилителя 7, причем после того, как завершена работа с данными поверхностного натяжения σ(t), аналогичные процедуры способа осуществляют с данными плотности d(t) в виде Σ(Δ). На другом входе второго дифференциального усилителя 7 посредством регулятора порога срабатывания второго дифференциального усилителя 6, управляемого компьютером 2, задают пороговые значения Σ(Δ), Σ(Δ)=ψ{d(t), σ(t)}. которые отражают вычисленные термозависимости поверхностного натяжения σ(t) и плотности d(t) расплавленной капли изучаемого образца металлического сплава во время цикла нагрева: При относительной величине суммы Σ(Δ), превышающей относительную погрешность измерений плотности δ=1%, и относительную погрешность измерений поверхностного натяжения δ=3% на заданную величину, например вдвое, т.е: Σ(Δ)≥2% и Σ(Δδ)≥6%, на выходе второго дифференциального усилителя 7 получают импульсный сигнал, которым запускают блок сигнализации 8. Сигнал тревоги с выхода блока сигнализации 8 свидетельствует о загрязнении вышеуказанного образца. Образец признают некачественным, результаты эксперимента признают неудовлетворительными, их могут даже аннулировать и оповестить об этом изготовителя образца, после чего после предоставления нового образца этого же сплава осуществляют новый эксперимент.
σi
i
i
di
i
i
σi
di
σ
i
i
di
i
i
σi
i
i
di
i
i
i
i
i
i
i
Для термозависимостей, приведенных на фиг. 3 и фиг. 4, относительные значения величин Σ(Δ) для поверхностного натяжения σ(t)и Σ(Δ) плотности d(t) составляют, соответственно Σ(Δ)=13,7%; Σ(Δ)=3,6%, что объективно свидетельствует о достоверном загрязнении образца изучаемого сплава. Необходимо отметить, что преимущественное значение для принятия решения о степени загрязнения образца имеет оценка величины Σ(Δi) для поверхностного натяжения σ(t). Величина Σ(Δ) для плотности d(t)имеет вспомогательное значение, причем не из-за большей величины Σ(Δ) для поверхностного натяжения σ(t) по сравнению с величиной Σ(Δ) для плотности d(t). Это происходит вследствие существенно большего влияния на поверхностное натяжение σ(t) во первых, загрязнений, например наличия фосфора Р в сплаве, при физико-химических процессах, связанных с изменением поверхностного натяжения σ(t) расплавленной капли образца металлического сплава, во вторых, изменений температуры t. С учетом вышеизложенного, для вышеприведенного примера целесообразно осуществить повторный эксперимент с новым образцом сплава.