Устройство для индикации фазового перехода
DEVICE FOR PHASE TRANSITION INDICATION

Предлагаемое устройство относится к обучающим системам, физике и металлургии, а именно к способам и устройствам, используемым в вузовских лабораторных и исследовательских работах, и предназначены для сигнализации и определения момента фазового перехода при изучении кинематической вязкости образца высокотемпературных металлов и сплавов. Оно может быть использовано для бесконтактного измерения кинематической вязкости металлических расплавов фотометрическим методом на основе измерения затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с образцом металлического расплава, подвешенного в элпектропечи.
3
i
i
i
i
i
Измерение физических параметров металлических жидкостей и расплавов, в частности, вискозиметрия, а именно определение вязкости ν высокотемпературного расплава образца объемом нескольких см, позволяет наглядно демонстрировать структурно - чувствительные характеристики расплава, проводить прогностический анализ и давать рекомендации для получения сплавов с заданными параметрами. В частности, зависимость вязкости ν от температуры позволяет выделять критические температурные точки и гистерезисные характеристики цикла нагрева - охлаждения. Однако, для высокотемпературных исследований лишь немногие методы измерения вязкости ν и, соответственно, устройства для их реализации используют на практике. В частности, известны устройства, предназначенные для выполнения студентами лабораторных работ, в которых используют фотометрический метод определения кинематической вязкости ν на основе предварительного определения логарифмического декремента затухания δ. Определение δ производят путем измерения амплитуд экспоненциально затухающих свободных колебаний А, периодов T, временных значений t, длительностей временных отрезков τ, числа n крутильных колебаний тигля с расплавом:
i
i
o
i
o
В штатном режиме используют число n амплитуд А затухающих колебаний для определения δ путем измерения амплитудно-временных параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити в зоне нагрева электропечи. При этом принудительно закручивают упругую нить для начала свободных затухающих крутильных колебаний, выбирают начальный момент измерения параметров (t= 0, A= A)., окончание измерения параметров, начало нового цикла измерений и нового закручивания упругой нити. Осуществляют непрерывный контроль и коррекцию хода экспериментов, однако без индикации, в качестве одного из характерных моментов а именно, фазового перехода, посредством сигнализации - см. Вьюхин В. В. и др.- «Изучение кинематической вязкости расплавов» - методические указания к лабораторной работе по физике, Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2006 г., с. 5 - аналог.
Известно устройство для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов с вискозиметрическим модулем в вакуумируемой и водоохлаждаемой цилиндрической камере, вдоль оси которой, в зоне нагрева электронагревателя, размещена подвесная система с тиглем, имеется блок разгона подвесной системы на заданный угол для запуска крутильные колебания, который включает блок разгона, при этом имеется зеркало, источник света, фотоприемное устройство, компьютер - см. патент на ПМ РФ № 69249 - аналог.
Прототипом предлагаемого устройства является устройство для индикации фазового перехода при изучении кинематической вязкости ν металлов и сплавов посредством крутильных колебаний образца, содержащее вискозиметрический модуль в вакуумируемой и водоохлаждаемой камере, вдоль оси которой, в зоне нагрева электронагревателя, размещена подвесная система с тиглем, блок разгона подвесной системы с выключателем, зеркало, источник света, фотоприемное устройство, блок визуальной и звуковой сигнализации с регулируемыми параметрами, соединенный с компьютером - см. пат. РФ № 2434222.
Недостатком прототипа, а также вышеуказанных аналогов, является отсутствие в них индикации и сигнализации о фазовом переходе при изучении кинематической вязкости металлов и сплавов методом крутильных колебаний образца. Это особенно важно при выполнении студентами лабораторных работ по данной тематике, поскольку фазовый переход является одной из важных характеристик динамики экспериментов. Его обнаружение требует повышенного внимания непрерывно в процессе исследования и может не позволить осуществить самостоятельное проведение экспериментов персоналом невысокой квалификации, прежде всего студентами. Отсутствие индикации и сигнализации о фазовом переходе и привлечения внимания именно к этому моменту чревато, во-первых, отсутствием понимания студентами сути процедуры вискозиметрии расплавов. Во-вторых, существует опасность неверных действий и возникновения нештатных ситуаций, вплоть до срыва исследования. В-третьих, возможна ложная или неправильная трактовка фазового перехода. В конечном итоге, вышеизложенное не позволяет упростить и, в ряде случаев, ускорить эксперимент, а проведение экспериментов и лабораторных работ требует повышенного внимания непрерывно в процессе исследования и не позволяет осуществить самостоятельное проведение экспериментов и лабораторных работ персоналом невысокой квалификации, прежде всего, студентами.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической проблемы, а именно, обеспечение осуществления возможности индикации и сигнализации о фазовом переходе при изучении кинематической вязкости металлов и сплавов методом крутильных колебаний образца, привлечения внимания именно к этому моменту, а в конечном итоге, возможности самостоятельного проведения экспериментов и лабораторных работ персоналом невысокой квалификации, прежде всего, студентами, и повышения качества их обучения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение осуществления индикации и сигнализации о фазовом переходе при изучении кинематической вязкости металлов и сплавов методом крутильных колебаний образца, и привлечения внимания экспериментаторов, в том числе группы студентов, именно к этому моменту.
В конечном итоге, обеспечивается проведение экспериментов и лабораторных работ персоналом невысокой квалификации, прежде всего, студентами, и повышение качества их обучения.
При осуществлении заявляемого устройства решается проблема отсутствия устройства данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации устройства.
Указанная проблема решается с помощью предлагаемого изобретения, а именно, устройства для индикации фазового перехода.
Заявляется устройство для индикации фазового перехода, содержащее вискозиметрический модуль в вакуумируемой и водоохлаждаемой камере, вдоль оси которой, в зоне нагрева электронагревателя, размещена подвесная система с тиглем, блок разгона подвесной системы с выключателем, зеркало, источник света, фотоприемное устройство, блок визуальной и звуковой сигнализации с регулируемыми параметрами, соединенный с компьютером. От прототипа устройствоотличается тем, что в него введен пороговый блок с регулируемым опорным уровнем порога, вход и выход которого соединен посредством первой шины данных и управляющих сигналов с компьютером, одновременно выход порогового блока соединен с входом вышеуказанного блока визуальной и звуковой сигнализации посредством второй шины данных и управляющих сигналов.
Кроме того,пороговое устройство выполнено в виде двухпорогового компаратора с регулируемыми параметрами;
Кроме того,пороговые входы порогового блока соединены с регулятором уровня порога, расположенным вне измерительного комплекса, например, на рабочем месте преподавателя.
Технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности отличительных признаков, а также совокупности ограничительных и отличительных признаков, не выявлены в известном уровне техники, что при достижении вышеописанного технического результата позволяет считать предложенные технические решения имеющими изобретательский уровень.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - блок - схема устройства;
Фиг. 2 - иллюстративные осциллограммы δ осуществления индикации фазового перехода при изучении кинематической вязкости ν для технического Al;
Фиг. 3 - температурная зависимость логарифмического декремента затухания δ лигатуры Al-Cu-Fe при ее нагревании и последующем охлаждении.
Индикацию фазового перехода при изучении кинематической вязкости ν металлов и сплавов посредством крутильных колебаний образца реализуют посредством предлагаемого устройства - см. фиг.1. Оно содержит вискозиметрический модуль 1, с вертикальной электропечью, а в зоне нагрева нагревателя размещена подвесная система (на схеме не показаны), фотоприемное устройство 2 блок сигнализации 3, первая шина данных и управляющих сигналов 4, пороговый блок 5, вторую шину данных и управляющих сигналов 6, компьютер 7, регулятор уровня верхнего и нижнего порогов 8, который может быть расположен, например, на рабочем месте преподавателя.
3
Устройство выполнено на следующих элементах: вискозиметрический модуль 1 представляет собой оригинальную конструкцию, с вертикальной электропечью, мощностью 30 кВА. Он представляет собой оригинальную конструкцию, с вакуумируемой и водоохлаждаемой камерой, вдоль оси которой, в зоне нагрева молибденового электронагревателя, подвешена на упругой нихромовой проволоке подвесная система с тиглем из высокотемпературной бериллиевой керамики, объемом до 10 см, блок разгона подвесной системы (на схеме не показан) в виде малогабаритного электродвигателя с выключателем, светодиодный - фирмы Kingbright - источник видимого света, фотоприемное устройство 2 оптосенсорное - TSL250 с твердотельными оптореле PVG612, зеркало (на схеме не показано). Блок 3 визуальной - дисплейной и светодиодной, и звуковой сигнализации с регулируемыми параметрами, соединенный с компьютером 7. Первая 4 и вторая 6 шины данных и управляющих сигналов выполнены в виде многопроводного шлейфа. Пороговый блок 5 выполнено в виде сдвоенного двухпорогового компаратора на микросхеме NE522 - см. «Современные линейные интегргальные микросхемы и их применение», М., Энергия, 1980, с.184, рис.12.6. Регулятор уровня верхнего и нижнего порогов 8 выполнен в виде двух переменных резисторов, как вариант цифровых, включенных между источником постоянного напряжения питания (на схеме на показано) порогового блока 5 и одним из входов каждого сдвоенного двухпорогового компаратора - см. вышеуказанное «Современные линейные интегральные микросхемы и их применение»… рис.12.6. Этот регулятор 8 соединен посредством первой шины данных и управляющих сигналов 4 компьютером 7, причем может быть вынесен на определенное расстояние, например на 10 метров, посредством проводов и размещен на рабочем столе преподавателя. Кроме того, данный регулятор 8 может быть выполнен беспроводным дистанционным на основе мобильного телефона, например с использованием Wi-Fi канала. Кроме того, блоки сигнализации 3, пороговый блок 5, регуляторы уровня верхнего и нижнего порогов 8, а также первая 4, и вторая 6 шины данных и управляющих сигналов могут быть выполнены в виртуальном виде посредством компьютера 7 .При этом дисплей компьютера 7 служит, кроме прочего, визуальным сигнализатором блока сигнализации 3, а звуковая сигнализация воспроизводится акустическими излучателями компьютера 7 - см. вышеотмеченное «маломощной динамической головкой 0,25ГД».
Индикацию фазового перехода при изучении кинематической вязкости ν металлов и сплавов посредством крутильных колебаний образца реализуют посредством предлагаемого устройства следующим образом.
i
пор
пор
пор
i
пор
пор
Проводят штатный эксперимент с регистрацией температурных и временных зависимостей кинематической вязкости ν изучаемого образца металла или сплава. Электрические сигналы фотоприемного устройства 2 посредством первой шины данных и управляющих сигналов 4, в виде значений текущей величины декремента затухания δ изучаемого образца для каждой из задаваемых температур t образца, подают на вход порогового блока 5. С его выхода снимают надпороговый импульсный сигнал 9 U, начинающийся с момента достижения значением текущей величины декремента затухания δ, величины уровня нижнего или верхнего порогов δ, которые задают посредством внешнего регулятора 8 или виртуального регулятора, входящего в состав компьютера 7. Сигнал 9 передают посредством второй шины данных 6 и управляющих сигналов в компьютер 7 и блок сигнализации 3. Величина 10 порога δ с некоторым запасом составляет не меньше 1,5 значения предыдущего текущего значения декремента затухания δ изучаемого образца 11 в твердом, еще не расплавленном состоянии образца при нагреве. Величина 12 порога δ меньше на эту же величину при охлаждении образца и начале его кристаллизации 13. Посредством второй шины данных и управляющих сигналов 6, надпороговый импульсный сигнал 9 U, при продолжающемся нагреве образца, используют в качестве стартового для временного включения сигнализации, производимой соответствующим блоком 3. Появление визуальной и/или звуковой сигнализации считают синхронизированным с проявлением фазового перехода.
Требований к точности определения начала сигнализации фазового перехода не выдвигают, поскольку задачей этой сигнализации является привлечение особого внимания студентов к явлению фазового перехода в ходе лабораторной работы, а также чтобы эта характерная область при изучении δ(t°) стала выделенной.
2
о
i
пор
i
пор
пор
i
+
+
В качестве примера, на вышеотмеченной фиг 2 приведены иллюстративные осциллограммы δ процесса осуществления индикации фазового перехода при изучении кинематической вязкости ν образца технического Al в градуировочных экспериментах, выполненные при определении значений декремента затухания Δδ/Δt°. При этом определяют значение 10 декремента затухания δ, величина которого не менее чем в 1,5 раза превышает предыдущее 11 значение δ, соответствующее все еще твердому состоянию изучаемого образца чистого Al. Величину δ декремента затухания 10 определяют как пороговую δ, регулируют и устанавливают, посредством регуляторов уровня верхнего и нижнего порогов 8, например, выполненного в виде двух цифровых потенциометров, посредством программных методов от компьютера 7. Кроме того, могут использовать ручную регулировку посредством изменения, например, сопротивления переменных резисторов при их использовании в качестве регуляторов уровня верхнего и нижнего порогов 8. В момент достижения значением текущей величины декремента затухания δ нижнего порога 10 автоматически включают пороговый блок 5. Блок сигнализации 3 выполнен обладающим свойством срабатывать как от сигналов компьютера 7, так и от порогового блока 5. Варианты длительности 14 надпорогового импульсного сигнала 9 U  исследователи могут регулировать, например, в пределах до 10 минут, в том числе в самом блоке сигнализации 3, имеющем выходной сигнал 15, независимо от длительности фазового перехода. Кроме того, импульсный сигнал 9 U могут также выключать автоматически при достижении значением текущей величины декремента затухания δ верхнего порогового уровня 12 регулятора уровня верхнего и нижнего порогов 8. В первом приближении считают, что время изменения декремента затухания δ между порогами 10 нижнего и 12 верхнего уровня соответствует времени индикации фазового перехода.
s
L
s
L
i
i
Кроме того, необходимо учесть количественные различия фазового перехода в зависимости от плотности изучаемого образца. Например, для вышеприведенного Al при нагреве образца перепад значений декремента затухания Δδ практически двукратный: от 0,02 до 0,045 - см. фиг. 2. При 10 значениях δ, в диапазоне температур Δt°=t=665°C; t=680°C образец Al демонстрирует относительно невысокую скорость нарастания Δδ(t°)=0,025/15°С. В то же время, для более тяжелой чистой меди Cu: t= 1080°С, t= 1081°С. Величина декремента затухания Δδ демонстрирует пятикратный перепад значений Δδ. Этот эксперимент демонстрирует более высокую скорость, в сравнении с Al, нарастания Δδ(t°)=0,08/1°С. Быстродействие ΔU/Δt порогового устройства 5, как сдвоенного двухпорогового компаратора, так и виртуального порогового устройства 5, многократно превышает скорость изменения значений декремента затухания Δδ/Δt°, поэтому его работоспособность обеспечивают при кратных разбросах величин плотности образцов.
+
+
пор
s
L
пор н
пор в
пор
пор н
пор в
s
L
В качестве примера, на фиг. 3 приведены данные эксперимента, выполненного в одной из лабораторий УрФУ Екатеринбурга, по определению величины логарифмического декремента затухания δ лигатуры Al-Cu-Fe при ее нагревании и последующем охлаждении. Из графиков, иллюстрирующих данный эксперимент (опыт №2) видно, что при нагревании образца лигатуры выше 1330°С наблюдают интенсивный рост δ, что отражает нарастание в образце доли жидкой фазы. Полное расплавление лигатуры завершают при 1350°С. Следовательно, плавление лигатуры происходит в сравнительно узком температурном интервале. Без сигнализации о фазовом переходе этот момент может быть не отмечен. Значение сигналов 9 U порогового блока 5 выбирают в точке 10 для t=1330°С, а сигналов в точке 12 для t=1350°С, Δt°=20°С. Охлаждение расплавленной лигатуры ниже 1350°С вызывает интенсивное уменьшение δ, и свидетельствует о резком уменьшении доли жидкой фазы, т. е. о начале процесса затвердевания лигатуры. Нижний порог декремента затухания δ равен 0,015, верхний порог U равен 0,040. Для выходных значений 9 U сигнала порогового блока 5 скорость нарастания между величиной 9 нижнего U и верхнего порогов U близка к δ(t°)=0,035/15°С. Фазовый переход считают состоявшимся при пороговых температурах образца в точке 10 графика δ(t°) для t=1330°С, и в точке 12 для t=1350 °С. После появления сигналов индикации фазового перехода в блоке сигнализации 3 продолжают дальнейшие операции способа.
Эксплуатация заявляемого устройства в одной из университетских лабораторий УрФУ г. Екатеринбурга, при индикации фазового перехода посредством выделения характерных пороговых значений логарифмического декремента затухания при исследованиях термозависимостей кинематической вязкости металлов и сплавов посредством крутильных колебаний образца, подтвердила его заявляемые преимущества перед прототипом.