Импульсная экспериментальная установка для измерения теплофизических свойств пластин контактных соединений с использованием лазерного нагрева

Загребин Л.Д.; Уланов А.В.

ИМПУЛЬСНАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИН КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА

Для создания импульса тепла в измерительной системе (ИС) по измерению теплофизических свойств (ТФС) пластин, полусферических, сферических и массивных образцов может быть использован твердотельный оптический квантовый генератор (ОКГ), который имеет заметные преимущества по сравнению с другими источниками, связанные с возможностью создания хорошо сфокусированных тепловых потоков малой длительности.

Блок-схема созданной установки, использующая импульсный ОКГ, описанная в наших работах [1, 2, 3, 4,

5, 6, 7, 8, 9-12] имеет следующую структуру измерения ТФС.

Общая структура автоматизированной системы измерения теплофизических свойств металлов и сплавов при высоких температурах

Для измерения температуропроводности и теплоемкости металлов и сплавов контактным способом в диапазоне температур 300-1200 К и температуропроводности бесконтактным способом в диапазоне температур 8002000 К была разработана и изготовлена экспериментальная измерительная установка для работы под управлением ПК типа 1ВМ РС.

Структурная схема установки для контактных и бесконтактных измерений показана на рис. 1. Световой импульс, вырабатываемый импульсным рубиновым лазером Г0Р-100М (Х=0,69мкм, т «1мс) (2) фокусируется с помощью линзы (3) и попадает на образец (5), помещенный в вакуумную печь (6). Подсветка и юстировка на нагреваемой нужной точке обеспечивается Ие-Ые лазером (1). Температура перегрева обратной поверхности образца преобразуется в электрический сигнал в контактном эксперименте с помощью термопары (9) ( в этом случае она устанавливается в середине

образца), а в бесконтактном эксперименте - с помощью фотодатчика (8). Термопара (9) регистрирует также температуру образца (при бесконтактном эксперименте термопара устанавливается на периферии образца). Сигналы с датчиков далее усиливаются соответствующими каналами (14, 15) и с помощью АЦП (17) преобразуются и вводятся в ПК типа 1ВМ РС (18). Точка начала отсчета определяется с помощью кривой, регистрируемой вспомогательным фотодатчиком (12), сигнал с которого усиливается каналом вспомогательного фотодатчика (13) и также вводится в компьютер. Энергия теплового импульса определяется с помощью оптического ответвителя (4) и калориметра ИМО-2Н (11), выход которого подключен к каналу измерения энергии теплового импульса (16). Питание печи осуществляется постоянным током, вырабатываемым регулятором температуры с выпрямителем и фильтром (10), что резко сокращает уровень сетевых помех. Комплекс работает под управлением программы ПК. В процессе эксперимента управляющая программа осуществляет визуализацию входных сигналов (вспомогательного фотодатчика и сигнала перегрева с различными коэффициентами усиления), измерение температуры образца и его светимости.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированного измерения ТФС металлов и сплавов 1 - юстировочный лазер; 2 -

импульсный лазер ГОР-100М; 3 - фокусирующая линза; 4 - оптический ответвитель; 5 - образец; 6 - вакуумная

печь; 7 - экран-диафрагма; 8 - основной фотодатчик; 9 - термопара; 10 - регулятор температуры с выпрямителем и фильтром; 11 - калориметр ИМО-2Н; 12 - вспомогательный фотодатчик; 13 - канал вспомогательного фотодатчика; 14

- канал измерения температуры; 15 - канал измерения теплового излучения; 16 - канал измерения энергии теплового импульса; 17 - АЦП; 18 - ПК типа ІВМ РС; 19 - блок предварительных усилителей

По команде оператора производится ввод и запись в файлы 4-х сигнальных кривых (сигнала со вспомогательного фотодатчика и 3-х кривых, соответствующих температуре перегрева с различными коэффициентами усиления), значений температуры образца, энергии импульса и величины потока теплового излучения от образца. Затем из сигнальных кривых (после их предварительной обработки - фильтрации и выравнивания) определяются параметры ^тах и Ту2 , на основе введенных ранее параметров образца определяются критерии

и РО\[2 . Далее на основе полученных таким образом величин вычисляются температуропроводность и теплоемкость материала образца.

Частота отсчетов задается программно и может достигать 8-10 КГц. Размер буфера отсчетов составляет 32 тысячи выборок на канал. Разрядность АЦП - 12 разрядов.

Структура и работа блока предварительных усилителей

Структурная схема блока предварительных усилителей и преобразователя сигналов показана на рис. 2. При контактном эксперименте (переключатель S1 в положении "к") сигнал с термопары (1) поступает на предварительный усилитель (3) . Сигнал с него поступает через аналоговый коммутатор (9) на АЦП (10) и далее в компьютер для определения абсолютной температуры образца. Кроме того через переключатель типа эксперимента Б1 сигнал поступает на дифференциальный усилитель (4), где из него вычитается постоянная составляющая сигнала, запомненная на интеграторе (6) перед проведением эксперимента. Выделенная таким образом переменная компонента сигнала, соответствующая температуре перегрева образца, усиливается каскадами (5), поступает через аналоговый коммутатор на вход АЦП, преобразуется и вводится в компьютер. Для определения момента вспышки лазера служит вспомогательный фотодатчик (11), сигнал с которого через усилитель (12), аналоговый коммутатор и АЦП также поступает в компьютер.

При проведении бесконтактного эксперимента переключатель типа эксперимента Б1 ставится в положение б/к. При этом сигнал с фотодатчика (7) через предварительный усилитель (8) поступает на аналоговый коммутатор (канал абсолютной светимости образца) и через переключатель Б1 на дифференциальный усилитель (4),

выделяющий переменную составляющую сигнала, соответствующую температуре перегрева образца, аналогично случаю контактного эксперимента. Абсолютная температура также определяется по сигналу, поступающему в компьютер с термопары (1) через усилитель (3), аналоговый коммутатор и АЦП. Сигнал с калориметра через схему сопряжения (13) (представляющую собой амплитудный пиковый детектор) также вводится в компьютер.

Рис. 2. Структурная схема блока предварительных усилителей экспериментальной установки 1 - горячий спай термопары; 2 - холодный спай термопары; 3 - предварительный усилитель сигнала с термопары; 4 - дифференциальный каскад; 5 - усилительный каскад; 6 - интегратор; 7 - фотодатчик теплового излучения образца; 8 -предварительный усилитель сигнала с фотодатчика теплового излучения образца; 9 - аналоговый мультиплексор; 10 - АЦП; 11 - вспомогательный фотодатчик; 12 - усилитель вспомогательного фотодатчика; 13 - схема сопряжения с калориметром. 51 - переключатель типа эксперимента

Основные параметры элементов схем предварительных усилитлей

Получение приемлемых точностных характеристик измерительной системы сопровождается необходимым обеспечением оптимальных значений параметров составных частей системы. В качестве датчиков температуры применяются хромель-алюмелевые термопары при контактном и вольфрам-рениевые - при бесконтактном способах измерений. При этом тер-моэдс термопар, соответствующих максимальным рабочим температурам составляет соответственно 52 и 33 мв [13].

Для диапазона входного сигнала АЦП -5...+5В оптимальный коэффициент предварительного усилителя составляет около 100. С целью достижения высокой помехозащищенности усилитель собран по классической схеме измерительного усилителя [14, 15]. Для получения минимального уровня шумов и высокой помехоустойчивости в нем применены малошумящие прецизионные операционные усилители типа 140УД17 [16]. Коэффициент

усиления равен 100. С целью достижения максимального коэффициента подавления синфазных помех и точной установки коэффициента усиления в схеме используются прецизионные резисторы типа С2-29В с допуском менее 0,5% [17].

При бесконтактных экспериментах источником сигнала служит фотодиод, включенный в режиме источника тока. Ток фотодиода можно вычислить по формуле [18-20]

(^л )0

где т

Ш(Л) -

спектральная плотность энергетической светимости,

тральная характеристика чувствительности фотодатчика, Ь - расстояние от площадки излучения до приемной площадки.

Функцию абсолютной спектральной чувствительности фотодиода можно представить в виде [19]

Ш(Л) = Шм?(Л) ,

где w(Л) - нормированная спектральная характеристика фотодиода ( ^тах(Л) = і ), Ш - абсолютное значение

спектральной чувствительности фотоприемника в максимуме спектральной характеристики приемника. Вид функции

^(Л~) , как правило, слабо меняется у одного типа датчиков. Обычно характеристики чувствительности даются в

световых единицах (для фотодиода ФД-7К значение чувствительности по освещенности 5=0,47 мка/лк [21]), и для нахождения коэффициента № необходимо пересчитать характеристики перехода от световых величин к энергетическим. Световые характеристики фотодатчиков определяются по эталонному источнику типа А (лампа накаливания с температурой источника 2855,6 К) [18].

При этих условиях световую чувствительность фотодиода можно записать как [19]

І п(Л) Ел (Л,2855,6) йЛ

683 | у(Л)Ел(Л,2855,6)йЛ

где У - выходной сигнал фотодатчика, Е - освещенность фотодатчика, */(Л') - кривая видности [18] . Исхо-

дя из этого выражения можно определить значение N.

Функцию w(Л) можно аппроксимировать кусочно-линейной функцией.

/

0,

л-л

Л-Лі

Л4 - Л

Л4 Л

при Л<Л при л < л< Л

при л < л< Л

при Л < Л

0,76

0,4

Для кремниевого фотодиода можно принять Х = 0,5 мкм, Х = 0,85 мкм, Х = 0,9 мкм, Х = 1,1 мкм. Вид функции w

показан на рис. 3. Вычисления дают значение Ш равно 4,4 *10 5 . Подставив в (1) значение Ш(ХХ и взяв в качестве площадки визирования круг радиусом Я получим

І(Т) = ]>(Л)т(Л,Т)ал .

0.2 и.4 и.Ь и.К 1 А>мкм

Рис. 3. Нормированная функция спектральной чувствительности кремниевого фотодиода w

В практических вычислениях (при условии ХТ <3000 мкм*град (1), пренебрегая единицей) можно упростить выражение для т(Х,Т) и (5) запишется в виде ,2

р2 /Л

І(Т) = |г^'(Л)СіЛ-5ехр (-dл ,

где V(л) - аппроксимация функции спектральной чувствительности датчика.

На рис. 4 приведены теоретические (формула 6) и полученные нами

экспериментальная зависимости і(Т) для некоторых значений К,Р и характеристик фотодатчика ФД-7К. Из рисунка видно, что эта зависимость нелинейная.

В рабочем диапазоне температур значение самой функции и ее производной - коэффициента преобразования при определении температуры перегрева - меняется на 5-6 порядков. Это может привести к искажениям температурного сигнала, вызванным нелинейностью зависимости излучательной способности образца от температуры. К тому же это делает необходимым либо применение в системе усилителя и АЦП с большим динамическим диапазоном (до 22х разрядов) , либо введение многодиапазонного усилителя. Первое в настоящее время нереально, второе значительно усложняет систему. Для решения этих проблем в состав предварительного усилителя вводится логарифмирующее устройство

[22] . На рис. 5а показана эквивалентная схема входного логарифмирующего усилителя. Как видно из рис. 4 (лога-

рифмический масштаб) зависимость коэффициента преобразования от температуры после прохождения логарифматора

остается нелинейной (4- аі (т)/ат).

Для уменьшения этой нелинейности в классическую схему логарифматора введены элементы R1 и R2. Резистор R1 снижает коэффициент преобразования в нижней части диапазона рабочих температур, а R2 увеличивает его в верхней части. Ток фотодиода Ітм поступает на вход логарифмирующего усилителя. Напряжение на

логарифмическом элементе равно

кТ 1п (І2 +1

и2

где к - постоянная Больцмана, д - заряд электрона, Т2 - температура логарифмирующего элемента, Is -обратный ток насыщения транзистора [14]. Для нахождения выходного напряжения и составим систему уравнений

и = — 1п | 1-2 +1 |+ Щ,

ч У І*

І2 = іф - ищ

0

Рис. 4. Зависимость выходного тока і(Т) и коэффициента преобразования (И(Т)/<$Т фотодатчика от температуры образца 1,2 - экспериментальная и теоретическая зависимости і (Т) (£=4,5 мм; !=110мм.); 3,4 -

теоретические зависимости і

Решением этой системы уравнений будет служить функция

( ( Т (О Т) \ \ Т Т) Ґ п т лЛЛ

где А = кТ/д , ^ (х ) - функция Ламберта.

Подставляя в (7) выражение для выходного тока фотодиода (6) получаем зависимость выходного сигнала предварительного усилителя-логарифматора от температуры образца (рис. 5б). Как видно из рисунка имеется влияние температуры логарифмирующего элемента на передаточную характеристику, из чего следует необходимость термостабилизации его.

Рис. 5. Логарифмирующий усилитель а) Эквивалентная схема логарифмирующего устройства. б) Теоретическая зависимость выходного сигнала логарифмирующего устройства от температуры образца при различных температурах логарифмирующего элемента. Характеристики логарифмирующего элемента (КТ3107Е) и их температурные зависимости взяты из [27].

Схема предварительного усилителя показана на рис. 2 [23]. Ток, вырабатываемый фотодиодом У1 при его

освещении поступает на вход логарифмирующего усилителя с токовым входом Д1, У2, R7, R8. Резистор R7

введен для уменьшения коэффициента усиления на нижнем участке рабочего диапазона температур, R8 - для увеличения коэффициента на верхнем участке. Для достижения стабильности характеристик усилителя логарифмический элемент У2 термостабилизирован [24]. Схема термостабилизации состоит из датчика температуры У3, нагревательного элемента Я6 и усилителя А3, включенного в цепь обратной связи системы термостабилизации.

Сигнал с выхода логарифмирующего элемента поступает на масштабирующий усилитель Д2. Далее сигнал, соответствующий светимости образца поступает на один из каналов АЦП и на устройство выделения переменной составляющей. Схема блока выделения переменной составляющей сигнала (соответствующей температуре перегрева образца) показана на рис. 6 [23].

Сигнал с предварительного усилителя через преддискретизационный фильтр-цепочку R1C1 поступает на один из входов дифференциального усилителя Д1. Сигнал на выходе фильтра можно представить [25]

ро

в'

0

где Н (Ро) - импульсная характеристика фильтра в безразмерном виде.

Для фильтра низких частот первого порядка ^^цепочки) она запишется н

где роКС - безразмерная постоянная времени фильтра. На рис. 7 для примера показаны кривые безразмерной температуры на выходе преддискретизационного фильтра низких частот первого порядка и зависимости относительных изменений ро^2 и #тах от ро#с (вставка), характеризующие искажения сигнала, вносимые

фильтром [26]. Как видно преддискретизационный фильтр может серьезно исказить результаты измерений временных параметров кривой.

Представляется наиболее целесообразным, исходя из допустимой погрешности и предполагаемых характеристик образцов, определить параметры фильтра, а затем из полученной верхней частоты среза фильтра определить необходимую частоту дискретизации. Исходя из этого анализа определена частота среза фильтра (1 кГц) и частота дискретизации АЦП (4 кГц).

Рис. 6. Схема преддискретизационного фильтра и блока выделения переменной составляющей сигнала A1 -

14 0УД17, A2...A4 - КР140УД608, A5 - 544УД1, C1 - 0,015 мкФ, C2 - 25 мкФ (5x4,7 мкФ), R1 - 10 кОм, R2 -6,81 кОм, R3, R7, R9 - 208 кОм, R4, R6 - 13 кОм, R5, R8 - 41,2 кОм, R10 - 5,1 кОм

На второй вход дифференциального усилителя (рис. 6) поступает с интегратора A5C2 сигнал постоянного уровня, соответствующий постоянной составляющей входного сигнала. Выделенная на выходе дифференциального каскада переменная составляющая усиливается каскадами усиления на A2, A3 и поступает через аналоговый коммутатор на АЦП и далее вводится в компьютер. Таким образом в компьютер вводятся 3 сигнала, соответствующих температуре перегрева с различными коэффициентами усиления. Коэффициенты усиления данного блока на первом, втором и третьем выходах составляют соответственно 31,5; 184,8; 1118,0. Перед проведением эксперимента тумблер S замыкается, в результате чего через интегратор A5C2 замыкается цепь обратной связи и на конденсаторе C2 устанавливается напряжение, соответствующее постоянной составляющей входного сигнала. Затем тумблер размыкается и на выходах устройства появляется сигнал, соответствующий переменной составляющей температурного сигнала. С целью обеспечения минимального дрейфа усилителя в рабочем режиме в качестве C2 используются конденсаторы с высококачественным полиэтилентерефталатным диэлектриком типа К73-16, характеризующиеся малыми токами утечки.

Для опроса и преобразования в цифровую форму аналоговых сигналов, поступающих с усилителей, служит блок АЦП [12] с коммутатором аналоговых сигналов. Цифровой код с его выходов через мультиплексор DD3, DD4 поступает на вход компьютера. Управление аналоговым коммутатором, АЦП, а также считывание кода, полученного в результате преобразования происходит через стандартный интерфейс Centronics под управлением программы.

e

Рис. 7. Зависимости 4 / при различных значениях постоянной времени преддискретизационного фильтра для = 1 и зависимости относительного изменения Отх ) и ^Оу2 (^Окс) при различных значе-

a - = 0 ; Ь - к/<Л = 1,0 ; c -

ниях параметра k/d 1 - FoRC = 0

k/d = 5,0 .

2 - FoRC = 0,005 ;

3 - FoRC = 0,025 ;

ЛИТЕРАТУРА

1. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Измерение температуро-проводности массивных металлических образцов импульсным методом. // ИФЖ, 1978. - Т.35, №3. - С.450-454.

2. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Столович Н.Н. О метрологических возможностях импульсных методов измерения теплофизичкских свойств материалов, использующих нагрев электрическим током большой плотности и лучом лазера. // Гидродинамика и теплообмен в неоднородных средах. Сб. научн. тр., ИТМО АН БССР, 1983.

- С. 72-103.

3. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Импульсный метод определения теплофизических характеристик массивных металлических образцов. // Деп. в ВИНИТИ, рег.№3163-79 -ИФЖ, 1980. - Т.38, №4. -

С.728.

4. Перевозчиков С.М., Загребин Л.Д. Автоматизированная система измерения теплофизических параметров

металлов и сплавов // ПТЭ, 1998. - № 3. - С. 155-158.

5. Загребин Л.Д., Байметов А.И. Измерение температуропроводности твердых тел с осесимметрично расположенным источником теплового импульса. // ИФЖ, 2001. - т. 74, №3. - С. 75-80.

6. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Определение импульсным методом температуропроводности и теплопроводности полусферических образцов. Никель. // ИФЖ, 1981. - т. 40, № 5. - С. 864-869.

7. Бузилов С.В., Загребин Л.Д. Импульсный метод измерения температуропроводности сферических образцов. // ИФЖ, 1999. - Т. 72, № 2. - С. 234-237.

8. Загребин Л.Д., Бузилов С.В. Измерение температуропроводности металлов и сплавов вблизи точки фа-

зового перехода первого рода. // ПТЭ, 2003. - № 1. - С. 153-157.

9. Загребин Л.Д, Бузилов С.В. Импульсный метод измерения температуропроводности твердых и жидких металлов // Тез. 4-ой Межд. теплофиз. шк./ Тамбов, ТГТУ, 2001.-Ч.2 .- С.45.

10. Quasistationary measurment of termophysical properties at high temperatures and high pressure / Zinov'ev V.E., Ivliev A.D., Zagrbin L.D. and oth.// High Temp.-High Press, 1989. - V.21. - P. 431-435.

11. Камашев М.Г., Загребин Л.Д., Казаков В.С. и др. Автоматизированная установка для исследования температуропроводности твердых материалов импульсным методом. // Измерительная техника, 1990.- № 5.- С. 49.

12. Перевозчиков С.М., Загребин Л.Д. Простой аналого-цифровой преобразователь, сопряженный с персональным компьютером для системы теплофизического эксперимента. // ПТЭ, 2002. - № 4. - С. 161-162.

13. Сплавы для термопар. Справоч. Рогельберг И.А., Бейлин В.М. - М.: Металлургия, 1983. - 360 с.

14. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979. -

368 с.

15. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

- 320 с.

16. Интегральные схемы. Операционные усилители. Том 1. - М.: Физматлит, 1993. - 240 с.

17. Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич М.Я. и др. Резисторы: Справочник. - M.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

18. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983. -696 с.

19. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. - М.: Советское Радио, 1971.

- 336 с.

20. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники и приемники излучения. - Спб.: Политехника, 1991. - 240 с.

21. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение. Справочник. - М.: Радио и связь, 1995.

- 120 с.

22. Пейтон А.Дж., Волош В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994. -

352 с.

23. Загребин Л.Л., Перевозчиков С.М., Лялин В.Е. Высокотемпературное пирометрическое измерение температуропроводности импульсным методом. ^стемы Co-Si, Co-Ge. // ТВТ, 2002. - Т. 40, № 5. - С. 795-801.

24. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Тех-

н^а, 1983. - 213 с.

25. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. Кривицкого Б.Х. / В 2-х томах. Т.2. - М.: Энергия, 1977. - 437 с.

26. Перевозчиков С.М., Загребин Л.Д. Анализ погрешностей измерения теплофизических характеристик неограниченной пластины импульсным методом // Измерительная техника, 2001. - №12. - С. 39-43.

27. Разевич В.Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. ВЫП.2: Модели компонентов аналоговых устройств. - М.: Радио и связь, 1992. - 64 с.