УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ ИЛИ ИХ СМЕСЕЙ
DEVICE FOR RESEARCHING THE PROCESS OF COMBUSTION OF METAL POWDERS OR THEIR MIXTURES

Изобретение относится к области исследования материалов путем определения их физических характеристик с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для исследования процессов высокотемпературного горения порошков металлов, а также процессов взаимодействия акустического излучения с веществом.
G02B21/00
Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [RU 2685040 C1, МПК  (2006.01), опубл. 16.04.2019], выбранное в качестве прототипа, которое содержит лазерный усилитель яркости на основе активного элемента на парах бромида меди, связанный с высоковольтным источником импульсов. С одной стороны от усилителя яркости вдоль его оптической оси расположены первый объектив и объект исследования. Цифровая камера установлена соосно с лазерным усилителем и связана с персональным компьютером. На оптической оси инициирующего лазера последовательно расположены механический затвор, первая светоделительная пластина, первая двояковыпуклая линза и объект исследования, установленный на линейном трансляторе. Первый фотодиод установлен напротив первой фотоделительной пластины под углом к оптической оси лазера, равным углу отражения первой светоделительной пластины. С другой стороны усилителя яркости на его оптической оси последовательно установлены вторая светоделительная пластина, нейтральный фильтр, второй объектив, полосовой фильтр и цифровая камера. На оптической оси второго фотодиода последовательно расположены диффузор, вторая двояковыпуклая линза, нейтральный светофильтр, вторая светоделительная пластина. Вход синхроимпульсов цифровой камеры подключен к формирователю импульсов, который соединен с оптическим преобразователем. Вход включения записи цифровой камеры соединен с контроллером, который соединен с механическим затвором. Первый и второй фотодиоды соединены с цифровым осциллографом, который связан с персональным компьютером. Задающий генератор подключен к оптическому преобразователю, который соединен с источником высоковольтных импульсов.
Однако задымление, возникающее при горении объекта исследования, не позволяет получать полную информацию об отражательной способности поверхности объекта исследования и о временных параметрах процесса его горения.
Техническим результатом предложенного устройства является расширение арсенала технических средств, позволяющих проводить исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей, также как в прототипе, содержит инициирующий лазер, на оптической оси которого последовательно размещены механический затвор, светоделительная пластина, двояковыпуклая линза и объект исследования, расположенный на  линейном трансляторе, фотодиод, установленный напротив светотоделительной пластины под углом к оптической оси инициирующего лазера, равным углу отражения светоделительной пластины, механический затвор, соединенный с контроллером, персональный компьютер.
Согласно изобретению напротив объекта исследования установлены излучатель и  приемник, расположенные рядом друг с другом. Излучатель соединен с генератором ультразвуковых импульсов. Приемник соединен с усилителем, который связан с аналого-цифровым преобразователем. Фотодиод, генератор ультразвуковых импульсов и аналого-цифровой преобразователь соединены с контроллером, который подключен к персональному компьютеру.
В процессе горения порошков металлов или их смесей происходит изменение их химического состава, изменение фаз и морфологии продуктов горения. Это приводит к изменению размеров объекта исследования и его поверхности, в частности коэффициента отражения, вследствие чего изменяется амплитуда отраженного сигнала.
Предложенное устройство позволяет судить об отражательной способности поверхности объекта исследования по амплитуде отраженных ультразвуковых волн, а  по времени распространения ультразвуковых волн – об изменении размера объекта исследования. Задымление, возникающее при горении порошков металлов или их смесей, не препятствует получению этой информации.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей.
На фиг. 2 представлены кривые изменения амплитуды ультразвукового эхо-сигнала.
Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей (фиг. 1) содержит инициирующий лазер 1, на оптической оси которого расположены механический затвор 2, светоделительная пластина 3, фокусирующая линза 4, объект исследования 5, установленный на линейном трансляторе 6. Фотодиод 7 установлен напротив светоделительной пластины 3 под углом к оптической оси лазера, равном углу отражения первой светоделительной пластины 3. Фотодиод 7 соединен с микроконтроллером 8 (МК), который связан с механическим затвором 2. Микроконтроллер 8 (МК) соединен с ультразвуковым генератором 9 (УЗГ), который связан с излучателем 10. Излучатель 10 и приемник 11 установлены рядом друг с другом, напротив объекта исследования 5, так чтобы ультразвуковая волна генерируемая излучателем 10 достигала объекта исследования 5, а отраженная ультразвуковая волна попадала на приемник 11. К приемнику 11 последовательно подключены усилитель 12 (У), аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП), микроконтроллер 8 (МК) и персональный компьютер 14 (ПК).
В качестве инициирующего лазера 1 может быть использован, например, твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны излучения 532 нм. Механическим затвором 2 может быть затвор фирмы Thorlabs SHB1. Использован линейный транслятор 6, обеспечивающий линейное перемещение с ручной регулировкой, например, 7T173-25 фирмы Standa. В качестве фотодиода 7 может быть использован быстродействующий фотодиод Thorlabs DET10A/M с временем отклика 1 нс. В качестве микроконтроллера 8 (МК) может быть использован контроллер затвора фирмы Thorlabs. Ультразвуковой генератор 9 (УЗГ) собран на  транзисторе, работающем в ключевом режиме, например, КТ603. Использованы ультразвуковые излучатель 10 и приемник 11 MA40S4S фирмы MURATA. Усилитель 12 (У) может быть широкого применения, например, КР140УД6. Аналого-цифровой преобразователь 13 (АЦП) должен иметь не менее 10 разрядов и время преобразования не более 1 мкс, например, 1108ПВ1.
Объект исследования 5 помещают на линейный транслятор 6, с помощью которого размещают его в фокусе линзы 4. Затем настраивают положение инициирующего лазера 1 при его минимальной мощности в 5 мВт и открытом механическом затворе 2. При настройке луч инициирующего лазера 1 направляют в  область инициирования горения – на объект исследования 5. После настройки механический затвор 2 закрывают. При закрытом механическом затворе 2 устанавливают мощность инициирующего лазера 1 на уровне, достаточном для инициирования процесса горения, например, 100–200 мВт. Затем при открытом затворе 2 и установленной мощности определяют длительность воздействия инициирующего лазера 1, при которой происходит поджиг объекта исследования 5, например, 1–5 сек.
В начале исследования с помощью микроконтроллера 8 (МК) формируют импульс, который открывает механический затвор 2. После этого излучение инициирующего лазера 1 с помощью линзы 4 фокусируют на объекте исследования 5. Светоделительная пластина 3 отражает часть излучения лазера 1, которое поступает на фотодиод 7, сигнал от которого поступает на микроконтроллер 8 (МК), а от него – на персональный компьютер 14 (ПК). Таким образом регистрируют начало воздействия инициирующего излучения на объект исследования 5.
По сигналу от фотодиода 7 микроконтроллер 8 (МК) включает генератор ультразвуковых импульсов 9 (УЗГ), который выдает электрические сигналы на  излучатель 10. Излучатель 10 излучает ультразвуковые волны в направлении объекта исследования 5, которые отражаются от него и принимаются приемником 11. Спустя 5 секунд после начала воздействия инициирующим излучением лазера 1 образец порошка 5 загорается.
При горении образца порошка 5 происходит уменьшение его размеров, что приводит к изменению времени t распространения ультразвуковой волны от излучателя 10 до объекта исследования 5 и от объекта исследования 5 до приемника 11, а также амплитуды отраженного сигнала из-за изменения формы образца 5. Приемник 11 преобразовывает ультразвуковые волны в электрические сигналы, которые усиливаются усилителем 12 (У), преобразовываются в цифровой вид аналого-цифровым преобразователем 13 (АЦП) и поступают в микроконтроллер 8 (МК). Микроконтроллер 8 (МК) передает данные в персональный компьютер 14 (ПК) для последующего хранения и обработки.
На фиг. 2 представлена зависимость изменения длины объекта исследования 5 – образца нанопорошка алюминия весом 3 г, спрессованного в форме прямоугольного параллелепипеда размерами 20×8×3 мм, от времени горения. Первые 5 секунд происходило воспламенение образца и его размер не изменялся. Затем в процессе горения происходило плавное уменьшение размеров образца 5 от первоначального значения 20 мм до нуля на 45 секунде. На графике видны флуктуации, вызванные неравномерностью горения исследуемого образца 5.
Таким образом, данные, полученные с помощью предложенного устройства, позволяют проводить оценку длительности горения объекта исследования 5, а также анализировать монотонность горения, наличие максимумов и минимумов.