一種在線測試材料壓縮系數和膨脹系數的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一種在線表征材料壓縮系數和膨脹系數的測試方法和裝置：在PVT標定裝置的封閉料腔某一截面安裝溫度、壓強傳感器和超聲波探頭同步測試封閉材料體積、溫度T、壓強P和超聲波信號。超聲波穿過料腔內厚度l材料傳播時間Δt的聲速；維持溫度恒定，改變壓力測量體積得到恒溫壓縮系數；維持壓強恒定，改變溫度測量體積得到恒壓膨脹系數，建立材料比容、壓縮系數或膨脹系數~聲速對應曲線，回歸出對應方程；也可由和從比容曲線或狀態方程求出壓縮系數（α）和膨脹系數（β）。在一定溫度和壓力下，在線測試超聲波在材料中傳遞速度，由建立的對應曲線或對應方程可獲得該溫度和壓力下壓縮系數和膨脹系數。該方法具有無損、安裝簡便和易于在線表征優點。
【專利說明】一種在線測試材料壓縮系數和膨脹系數的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料熱力學性能測試領域，特別涉及到一種在線表征材料壓縮系數和膨脹系數的測試方法和裝置。
【背景技術】
[0002]材料壓縮系數和膨脹系數是材料受熱和力作用后體積變化的性能。對其進行快速檢測為精確設計和選擇模具、卡具、加工成型機械及確定加工工藝條件十分重要，特別是不拆卸，即在連續使用或生產過程有效控制其尺寸變化時就要求能在線檢測該性能。
[0003]現有材料壓縮系數和膨脹系數檢測方法是進行離線測試其尺寸或體積。一方面，使用或生產過程取樣可能干擾正常使用或生產，無法保證恢復原狀態；另一方面，線下樣品測試條件不容易與實際工況完全一致。理想的是在不干擾使用、生產或加工成型的情況下，直接進行原位測試獲取一些信號，并將其與壓縮系數和膨脹系數建立關系，即可用原位檢測的間接信號表征該性能。本發明提出在使用裝置或生產線上安裝超聲波系統，通過監測被測件材料中超聲波傳遞特性(如聲速或衰減系數)來在線測試其壓縮系數和膨脹系數。該方法具有無損、安裝簡便和易于操作等優點。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種在線表征材料材料壓縮系數和膨脹系數的測試方法和裝置。
[0005]該方法的基本原理是:在一定溫度和壓力下，一定頻率的超聲波在確定材料中傳遞速度是唯一的，此時材料比容是唯一的，即二者一一對應。改變溫度或壓力，材料被壓縮或膨脹，通過監測超聲波聲速計算比容(密度的倒數)變化即可得到材料壓縮系數和膨脹系數。這樣，在標定裝置上測試建立材料比容與超聲波聲速對應曲線后，在使用或加工成型中直接測定材料超聲波傳遞速度，即可對應出該溫度和壓力下材料壓縮系數和膨脹系數。
[0006]圖1示意一種建立材料壓縮系數和膨脹系數與超聲波聲速對應曲線的材料壓縮系數和膨脹系數標定裝置。傳感器和超聲波探頭按照圖2或圖3在同一橫截面布置安裝，通過信號線與檢測及控制系統測控溫度、壓力和超聲波并收集數據。該系統主要由料腔(I)、加熱/冷卻部件(2)、超聲波探頭、柱塞(4)、溫度/壓強傳感器(6)、堵頭(8)、螺栓(9)和固定板(10)、固定于柱塞桿的標桿(11)和標尺(12)組成，材料(5)密閉在料腔(I)中，堵頭用固定板(10)通過螺栓(9)與料腔體連接安置在料腔內部下端。傳感器和超聲波探頭平齊料腔內壁面通過螺紋固定，且應與料腔體安裝孔形成密封防止漏料；超聲波探頭后部通冷卻水保證信號線不被加熱到高溫而損壞。當采用超聲波透射模式時，安裝超聲波發射探頭
(3)和超聲波接受探頭(7);而采用反射模式時只安裝一個探頭既發射也接受超聲波。相對標尺監測標桿位置而得到柱塞桿位置，該位置測試還可以通過液位計等自動裝置進行，甚至將位移值直接讀入計算機測控系統計算材料體積。
[0007]在該裝置上進行材料壓縮系數和膨脹系數與超聲波聲速同步測試建立二者的對應曲線，在線測試方法為:如圖2和3所示，在圖1所示標定裝置的料腔某一截面安裝溫度傳感器和壓強傳感器測試溫度T、壓強P，同時通過超聲波發射檢測系統采用反射模式(圖2)或透射模式(圖3)測試超聲波的反射回波時間，即穿過厚度I材料的傳播時間At，便得到聲速。同時，加載裝置通過疊加砝碼、重物或通過液壓缸等機械系統驅動柱塞上
下移動改變物料體積(柱塞截面積Α)，監測被封閉質量m的材料高度由h變化為K ,其體積
變化由變化為V1，則其比容由％ fm變化為F1Zm。維持溫度恒定，改變壓力測量體積得
到恒溫壓縮系數；維持壓強恒定，改變溫度測量體積得到恒壓膨脹系數。這樣，可建立材料比容、壓縮系數或膨脹系數~聲速對應曲線，從曲線可回歸出對應方程。
[0008]在線表征時，安裝裝置與圖3相似，柱塞和堵頭及位移標定機構就不需要了，監測溫度T、壓強P和超聲波聲速C。從建立的比容、壓縮系數或膨脹系數~聲速曲線或方程可插值或計算出相應溫度T和壓強P下的比容、壓縮系數或膨脹系數，也可通過比容曲線或
狀態方程求出壓縮系數和膨脹系數:等溫壓縮系數(β)為
【權利要求】
1.一種在線表征材料壓縮系數和膨脹系數的方法，其特征在于，在一定溫度和壓力下，測試一定頻率超聲波在材料中傳遞速度，由建立的材料比容、壓縮系數和膨脹系數與超聲波聲速的對應曲線或對應方程可求出該溫度和壓力下壓縮系數和膨脹系數。
2.根據權利要求1所述的一種在線表征材料壓縮系數和膨脹系數的方法，其特征在于，材料比容、壓縮系數和膨脹系數與超聲波聲速的對應曲線建立方法為:在標定裝置料腔某一截面安裝溫度傳感器和壓強傳感器測試溫度T、壓強P，同時通過超聲波發射檢測系統采用反射模式或透射模式測試超聲波的反射回波時間，即穿過厚度I材料傳播時間At的聲速1:=//&〗;同時，加載裝置通過疊加砝碼、重物或通過液壓缸等機械系統驅動柱塞上下移動改變被封閉質量m材料的體積由? ο變化為K，則其比容由= F0Zm變化為V1 = F1/m;維持溫度恒定，改變壓力測量體積得到恒溫壓縮系數；維持壓強恒定，改變溫度測量體積得到恒壓膨脹系數，從而建立材料比容、壓縮系數或膨脹系數~聲速對應曲線，回歸出對應 方程；也可由
3.根據權利要求2所述的材料比容、壓縮系數和膨脹系數與超聲波聲速的對應曲線建立方法，其特征在于，標定裝置主要包括:料腔、加熱/冷卻部件、超聲波探頭、柱塞、溫度/壓強傳感器、堵頭、螺栓和固定板、固定于柱塞桿的標桿和標尺組成，傳感器和超聲波探頭通過信號線與檢測及控制系統測控溫度、壓力和超聲波并收集數據；堵頭用固定板通過螺栓與料腔體連接安置在料腔內部下端，材料由柱塞和堵頭密閉在料腔；相對標尺監測標桿位置而得到柱塞桿位置，該位置測試還可以通過液位計等自動裝置進行，甚至將位移值直接讀入計算機測控系統計算材料體積。
【文檔編號】G01N29/07GK103499642SQ201310449453
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】王克儉 申請人:北京化工大學