Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов.
Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик (ТФХ), при котором осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия), и фиксируют момент времени, когда отношение избыточных температур в двух разноотстоящих от источника точках поверхности материала достигнет наперед заданного значения (авторское свидетельство 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979).
Недостатком этого способа является сравнительно малая точность определения ТФХ из-за низкой избыточной температуры в контрольных точках.
Повысить избыточную температуру в контрольных точках можно путем многократной подачи тепловых импульсов. Для этого на теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают линейный нагреватель импульсно выделяющий равные количества энергии в моменты времени, когда соотношений температур в контрольных точках соответствует заданному ряду чисел (авторское свидетельство 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992). ТФХ исследуемого материала рассчитывают на основании регистрируемой частоты следования тепловых импульсов и избыточной температуры в одной из контрольных точек.
Недостатком этого способа является то, что в ходе тепловых испытаний на точность регистрации температуры (например при использовании термопар) могут существенное влияние оказывать внешние электромагнитные поля, что приводит к росту погрешности определения ТФХ.
В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (патент на изобретение РФ 149387, МКИ G 01 N 25/18, 2000), на теплоизолированную поверхность исследуемого материала осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие точечным источником тепла. Тепловые импульсы подаются в моменты достижения заданных соотношений интегральных значений температур, регистрируемых на поверхности исследуемого материала на заданных расстояниях от источника тепла. В ходе тепловых испытаний регистрируется частота следования тепловых импульсов и интегральные значения температур в контрольных точках.
Регистрация интегральных значений температур существенно снижает влияние внешних электромагнитных полей на точность определения ТФХ, однако данный способ не позволяет обеспечить большие избыточные температуры в контрольных точках, т.к. при этом растет температура в точке размещения нагревателя, что может привести к деструкции исследуемого материала.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в точках размещения термодатчиков.
Сущность предлагаемого способа состоит в многократном импульсном тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала нагревателем в виде окружности и регистрации частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты достижения заданных соотношений интегральных значений температур в точках размещения термодатчиков.
На теплоизолированной поверхности исследуемого материала располагают нагреватель в виде окружности радиуса г и два термодатчика (термопары) Тп1 и Тп2, в точках размещения которых регистрируют интегральные значения температур I1(τ) и I2(τ). Термопару Тп1 устанавливают на окружности нагревателя, а термопару Тп2 - в центре окружности. В момент начала тепловых испытаний τ = 0 нагреватель импульсно выделяет энергию Q из расчета на единицу длины нагревателя, после чего регистрируют момент наступления равенства отношения I1(τ)/I2(τ) заданной величине h1 и подают второй тепловой импульс. Условием подачи третьего импульса является наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = h2 и т.д. Всего подают N тепловых импульсов.
Величины hi, (i=1,2,...,N) рассчитывают, используя выражение:
где ε - заданная постоянная; табличный интеграл.
Расчет величин hi в соответствии с (1) позволяет обеспечить постоянный период следования тепловых импульсов τ0, зависящий от ТФХ исследуемого материала. В процессе контроля регистрируют частоту следования тепловых импульсов F = 1/τ0 и интегральное значение температуры I2 в точке размещения термопары Тп2 в момент наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = hN.
На основании полученных данных коэффициент температуропроводности определяют по формуле
а коэффициент теплопроводности из соотношения
(3)
где Q - энергия, выделяемая единицей длины нагревателя; r - радиус окружности нагревателя; ε - заданная постоянная; F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов; N - количество подаваемых тепловых импульсов; I2 - температура в точке размещения термопары Тп2 в момент наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = hN;
табличный интеграл.
С учетом (2) можно записать
Если коэффициент температуропроводности исследуемого материала находится в пределах от amin до аmax, то на сновании (4) можно определить наибольший и наименьший периоды следования тепловых импульсов
и наибольшее время проведения тепловых испытаний, которое составит
или
где N - количество подаваемых тепловых импульсов; r - радиус окружности нагревателя; ε - заданная постоянная; аmin - минимальное значение коэффициента температуропроводности исследуемого материала.
Таким образом, выбор ε целесообразно производить с учетом диапазона ТФХ материалов, подвергаемых контролю, и требований оперативности контроля.
На фиг.1 показана схема размещения нагревателя и термопар на поверхности исследуемого материала.
При подаче одного теплового импульса от точечного нагревателя избыточная температура в точке размещения источника может быть найдена как
а на расстоянии r от нагревателя как
где энергия, выделяемая точечным источником тепла; τ - текущее время; и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала.
При использовании нагревателя в виде окружности радиуса r температура в точке окружности будет определяться выражением
а в центре окружности как
где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя в виде окружности.
При расчете температуры с учетом конечной длительности теплового импульса может быть использовано соотношение
где τи - длительность теплового импульса; T(r,τ) - температура, определяемая в зависимости от формы источника тепла равенствами (6)-(9).
При проведении тепловых испытаний температура в точке нагрева (при использовании точечного нагревателя) и на линии действия нагревателя в виде окружности в момент подачи теплового импульса не должна превышать максимально допустимую температуру, при которой происходит деструкция исследуемого материала. Если за счет выбора соответствующей энергии нагрева обеспечивается равенство избыточных температур в момент подачи теплового импульса в точке действия точечного нагревателя и на линии действия нагревателя в виде окружности, то на основании (6)-(10) можно показать, что в последующие моменты времени нагреватель в виде окружности обеспечивает большую избыточную температуру в контрольных точках по сравнению с точечным нагревателем.
На фиг. 2 представлены графики изменения температур в точке нагрева при действии точечного нагревателя (линия 1) и на линии действия нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 2) при одинаковой температуре в момент подачи теплового импульса, построенные с учетом равенств (6), (8) и (10) при Дж; Q= 178 Дж/м; τи = 0.1 с; r=2.5•10-3 м; λ = 1.2 Дж/(м•К); а= 3.5•10-6 м2/с.
На фиг. 3 представлены графики изменения температур на расстоянии r от точечного нагревателя (линия 3) и в центре нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 4), рассчитанные на основании (7) и (9).
Изобретение относится к области теплофизических измерений. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают источник тепла в виде окружности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловыми импульсами равной энергии, подаваемыми в моменты наступления заданных соотношений интегральных значений температур в точках размещения термодатчиков. Частоту следования тепловых импульсов и температуру в одной из контрольных точек в момент окончания тепловых испытаний регистрируют и на основании этих данных по формулам, приведенным в описании, рассчитывают ТФХ исследуемого материала. Технический результат - повышение точности определения ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в контрольных точках. 3 ил.
Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, включающий в себя многократное импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты наступления заданных соотношений интегральных значений температур в двух контрольных точках поверхности исследуемого материала, отличающийся тем, что используют нагреватель в виде окружности и два термодатчика, регистрирующие температуру на окружности нагревателя и в ее центре, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают по формулам:
где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя;
r - радиус окружности нагревателя;
ε - заданная постоянная;
N - количество подаваемых тепловых импульсов;
F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов;
I2 - температура в центре окружности нагревателя в момент окончания тепловых испытаний.
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ | 1996 |
|
RU2149387C1 |
Способ определения теплофизических характеристик материалов | 1990 |
|
SU1728755A1 |
Способ определения теплофизическихХАРАКТЕРиСТиК МАТЕРиАлОВ | 1979 |
|
SU834480A1 |
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ | 1996 |
|
RU2149389C1 |
Авторы
Даты
2002-10-27—Публикация
2000-09-04—Подача