СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Существует импульсный способ определения теплофизических характеристик материалов (ТФХ), состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность образца и регистрации момента времени, когда интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температуры в контролируемой точке станет равной интегральной во времени температуре в той же точке после наступления максимума температуры T_max (авт. св. СССР N 1201742, кл. G 01 N 25/18, 1985).

Недостатком этого способа является значительная погрешность определения наступления максимума и величины температуры T_max.

Известен также способ наиболее близкий к данному техническому решению определения ТФХ, заключающийся в следующем: при использовании двух теплоприемников определяют интервал времени от момента подачи первого теплового импульса от линейного источника тепла до момента времени, когда температура в точках расположения датчиков станет равной ее первоначальному значению, устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов и начинают ее увеличивать в соответствии с известной зависимостью. В точках расположения датчиков регистрируют такую частоту следования тепловых импульсов, при которой устанавливаются значения избыточных, наперед заданных температур. Установившееся значение температуры достигается в точке расположения датчика тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуру в этой точке. При этом производится замена исходной функции двумя членами ряда Маклорена (авт. св. СССР N 1402892, кл. G 01 N 25/18, 1986).

Недостатками этого способа являются значительное энергопотребление источником тепла и возникающая погрешность в силу произведенной замены исходной функции.

Для определения погрешности способа-прототипа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения датчика температуры. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела описывается выражением вида:

где Q - мощность источника тепла;
F - частота следования импульсов;
a - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности;
R - расстояние между источником тепла и датчиком;
k - порядковый номер следования тепловых импульсов.

Разложение этой функции в ряд Маклорена и использование его двух членов дают выражение вида:

При расчете избыточных температур для исходных величин Q = 1 Дж; F = 1 Гц; a = 10^-5 м²/с; λ = 1 Вт/м•K; R = 10^-3 м погрешность, возникающая в результате произведенной замены, составляет 10,91%. Для Q = 1 Дж; F = 1 Гц; a = 5•10^-6 м²/с; λ = 1 Вт/м•K; R = 10^-3 м погрешность уже составляет 145,8%.

Техническим результатом изобретения является - повышение точности измерения ТФХ материалов.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированной поверхности исследуемого материала помещают точечный импульсный источник тепла, выделяющий количество тепла, равное Q. На расстоянии R₁ и R₂ от источника тепла располагают два термодатчика (термопары). Определение ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения τ от точечного источника тепла до тех пор, пока в точках расположения термодатчиков не установятся избыточные температуры T₁ и T₂, значения которых фиксируют. Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуры в этой точке.

По определенным значениям избыточных температур T₁ и T₂ искомые ТФХ исследуемого материала рассчитывают по формулам:


где

a - коэффициент температуропроводности;
τ - период повторения импульсов;
R₁, R₂ - расстояние между источником тепла и соответствующими термодатчиками;
T₁, T₂ - избыточные температуры;
λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла, выделяемого точечным источником тепла;
k - порядковый номер следования тепловых импульсов;
n_max - количество тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый материал до момента установления избыточных температур.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждений. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при воздействии n тепловых импульсов с периодом повторения τ от точечного источника тепла в момент подачи очередного теплового импульса описывается выражением вида:

Воспользовавшись разложением (3) в ряд Маклорена:

и взяв первые два члена ряда, установившееся значение температуры в точке расположения датчика будет определяться выражениями:


Взяв отношение выражений (4) и (5), получают формулу для определения коэффициента температуропроводности (1), подставив найденное значение коэффициента температуропроводности в выражение (4), получают формулу для определения коэффициента теплопроводности (2).

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала 1 помещают точечный импульсный источник тепла 2, выделяющий количество тепла, равное Q. На расстоянии R₁ и R₂ от источника тепла располагают два термодатчика (термопары) 3 и 4. Определение ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения τ от точечного источника тепла 2 до тех пор, пока в точках расположения термодатчиков 3 и 4 не установятся избыточные температуры T₁ и T₂, значения которых фиксируют. На фиг. 2 приведены измеренные дискретно во времени значения температуры.

Для предлагаемого способа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения термодатчика. При расчете избыточных температур для исходных величин Q = 1 Дж; τ = 1 с; a = 10^-5 м²/с; λ = 1 Вт/м•K; R = 10^-3 м погрешность, возникающая в результате произведенной замены, составляет 0,014%. Для Q = 1 Дж; F = 1 Гц; a = 5•10^-6 м²/с; λ = 1 Вт/м•K; R = 10^-3 м погрешность составляет 1,48%.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить точность измерения ТФХ материалов, уменьшить энергопотребление источником тепла.

Способ используется для неразрушающего контроля теплофизических характеристик (ТФХ) материалов с использованием точечного источника тепла. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала помещают точечный импульсный источник тепла , а на соответствующих расстояниях от источника тепла располагают два термодатчика. Для определения ТФХ материала осуществляют воздействие последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения τ от точечного источника тепла, при этом достигают избыточные температуры, значения которых фиксируют. Обеспечено повышение точности измерения ТФХ материалов и уменьшение энергопотребления. 2 ил.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в использовании импульсного нагрева поверхности теплоизолированного исследуемого материала и измерении температуры термодатчиками в двух точках контроля, отличающийся тем, что применяют точечный источник тепла, с помощью которого воздействуют на исследуемый материал так, что в точках расположения термодатчиков достигают избыточные температуры T₁ и T₂, а искомые теплофизические характеристики материалов рассчитывают по формулам


где

а - коэффициент температуропроводности;
τ - период повторения импульсов;
R₁, R₂ - расстояние между источником тепла и соответствующими термодатчиками;
T₁ и T₂ - избыточные температуры;
λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла, выделяемого точечным источником тепла;
к - порядковый номер следования тепловых импульсов;
n_max - количество тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый материал до момента установления избыточных температур.