СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N25/18 

Предлагаемое изобретение относится к строительной и промышленной теплотехнике, в частности к измерениям теплофизических характеристик (ТФХ) конструкций из металлополимеров. При этом толщины слоев металла и полимера, а также ТФХ наружного (металлического) слоя известны.

Спецификой способа является односторонняя доступность поверхности исследуемой конструкции для проведения операций нагрева и измерения. Именно доступна лишь наружная (металлическая) поверхность и соответственно исключен доступ к внутренней поверхности конструкции - поверхности полимера, что имеет место, например, для конструкций в форме трубы или сосуда с входным отверстием малого диаметра и т.п.

Известен способ определения ТФХ строительных материалов конструкций, согласно которому вводят в соприкосновение поверхности эталонного тела и исследуемой конструкции, подают тепловой импульс и регистрируют изменение температуры в плоскости их соприкосновения, вычисляют коэффициенты тепловой активности, а затем вычисляют искомые ТФХ, при этом регистрацию изменения температуры производят в два разных промежутка времени (см. а.с. СССР №1122956, кл. G 04 N 25/18, 1984).

Недостатками этого способа являются:

1) Область применения ограничена однослойными конструкциями с поверхностью, доступной для проведения операций нагрева и измерения.

2) Большое потребное время экспериментов из-за применения импульсного теплового воздействия: строительные материалы типа бетона, кирпича, а также полимерные материалы типа полиэтилена, фторопласта, полиметилметакрилата обладают малой теплопроводностью; поэтому целесообразно использовать непрерывно действующий нагреватель.

3) Сложность алгоритма расчета: вначале вычисляют критическое время, коэффициенты тепловой активности по громоздким формулам и лишь затем по полученным данным рассчитывают ТФХ.

За прототип принят способ определения теплофизических характеристик материалов конструкций путем введения в соприкосновение поверхностей эталонного тела и исследуемой конструкции, создания теплового импульса в плоскости соприкосновения, регистрации во времени температуры в этой плоскости и одновременного измерения диэлектрической проницаемости материала конструкции, отличающийся тем, что с целью расширения области применения на конструкции, имеющие отделочный (облицовочный) слой, регистрацию температур в плоскости соприкосновения производят в три момента времени τ₁, τ₂, τ₃, причем моменты времени выбирают исходя из условия τ₁=yτ₂=(2y-1)τ₃, где 0,5<y<1,0, а измерение диэлектрической проницаемости производят дважды, причем одно измерение проводят при глубине зоны контроля, соизмеримой с толщиной отделочного слоя, а другое - при большей глубине, по заранее полученной зависимости определяют объемную влажность материалов отделочного слоя и тела конструкции и по полученным расчетным данным находят теплофизические характеристики материалов конструкции (см. а.с. СССР №922606, кл. G 01 N 25/18, 1982). Недостатками прототипа являются:

1) Большое потребное время экспериментов и усложнение аппаратурного оформления из-за необходимости, кроме измерения температуры, дважды производить измерения диэлектрической проницаемости материала (на двух различных глубинах зоны контроля). Кроме того, большое потребное время обусловлено применением импульсного теплового воздействия для исследуемых материалов с малой теплопроводностью.

2) Невозможность использования в случае недоступности поверхности исследуемого материала для проведения операций нагрева и измерения.

3) Повышенная погрешность из-за необходимости пересчета диэлектрической проницаемости в объемную влажность материалов.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения (использование способа в случае недоступности поверхности конструкции для проведения операций нагрева и измерения) и повышение быстродействия.

По сравнению с прототипом (см. а.с. СССР №922606, кл. G 01 N 25/18, 1982) предлагаемый способ имеет:

1) более широкую область применения: объект исследования - двухслойная конструкция с недоступной для исследования поверхностью внутреннего слоя из полимера;

2) повышенное быстродействие вследствие:

а) применения нагревателя в непрерывном режиме нагрева вместо импульсного,

б) исключения затрат времени на измерение диэлектрической проницаемости материала.

Техническая задача состоит в расширении области применения и повышении быстродействия способа контроля.

Указанный технический результат достигается тем, что осуществляют активное тепловое воздействие на доступную - наружную металлическую - поверхность изделия посредством дискового нагревателя, расположенного в полости центрального зонда, дополнительно на определенном расстоянии от центрального зонда концентрически устанавливают кольцевой зонд с расположенным в его полости нагревателем и поддерживают температуру последнего равной температуре нагревателя центрального зонда, используют по одному концентрическому охранному кольцу, окаймляющему соответственно каждый из зондов, при этом для определения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности внутреннего, недоступного для проведения измерений, полимерного слоя математически обрабатывают экспериментальные зависимости температуры наружной поверхности металлополимера, полученные с помощью центрального зонда, с использованием формул, учитывающих размеры теплового источника.

Наличие совокупности существенных признаков: проведение исследований в условиях недоступности поверхности исследуемого материала, применение нагревателя в непрерывном режиме нагрева, исключение необходимости измерения диэлектрической проницаемости материала обеспечит расширение области применения и повышение быстродействия.

На чертеже представлена схема аппаратурного оформления способа контроля.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На являющуюся доступной наружную (металлическую) поверхность двухслойной конструкции из металлополимера устанавливаются два зонда - центральный дисковый 1 и окаймляющий кольцевой 2. В полости зондов расположены соответствующие нагреватели - дисковый и кольцевой - и термопары (см. чертеж). Зонды поджимаются к наружной поверхности определенным усилием, сообщаемым грузом или пружиной (на не показаны). Расположение нагревателей в полости зондов способствует распространению теплового потока по нормали к поверхностям контакта зондов с изделием. На чертеже обозначены: h₁ и h₂ - толщины металлического и полимерного слоев соответственно, при этом h₁ <h₂, что наиболее распространено на практике. Осуществляемые посредством термопар измерения температуры в зависимости от времени τ проводятся в точках O₁ и O₂, расположенных под соответствующими нагревателями.

Два охранных составных кольца теплоизоляционного материала типа пенопласта окаймляют источники тепла, препятствуя теплообмену в окружающую среду. Включаются электрические нагреватели и термопары, замеряют температуру в указанных точках наружной поверхности через заданные промежутки времени с последующей регистрацией ее вторичным прибором. При этом температура нагревателя кольцевого зонда поддерживается равной температуре нагревателя центрального зонда, что дает возможность получить постоянную плотность теплового потока, сообщаемого последним, и реализовать модель полупространства. На основании полученной в точке О₁ зависимости температуры от времени находят теплофизические характеристики полимера.

Аналитическое решение, описывающее зависимость избыточной температуры поверхности ΔT в точке O₁ металлополимера от времени τ при использовании модели полупространства с учетом размеров теплового источника, имеет вид [Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, 488с.]:

где - функция ошибок Гаусса, T₀ - начальная температура металлополимера.

Учет размера источника тепла осуществляется посредством параметра “u” и позволяет повысить точность расчета.

Как правило, начальный участок термограммы, снятой в точке О₁ (до τ=15÷20 с), является нелинейным относительно аргумента , из-за нарушения условия адиабатичности режима и, как следствие, несоблюдения постоянства q. Это обусловлено теплостоком в материал зонда, влиянием теплоемкости нагревателя, что практически неустранимо. В нашем случае добавляется также теплосток вдоль металлического слоя, контактирующего с нагревателем зонда 1. Данный теплосток следует устранить. Для этого температура окаймляющего кольцевого зонда 2 поддерживается равной температуре зонда 1. Эти температуры регистрируются вторичными приборами зондов, и по результатам их сравнения подается соответствующая команда на электрический нагреватель зонда 2.

Для определения ТФХ на основании решения (1) используется адиабатический участок опытной термограммы, снятой в точке О₁. Этот участок следует за начальным и является установившимся линейным относительно участком, что отвечает условию q=const и лишь одному виду теплопередачи - по механизму теплопроводности от металлического слоя по нормали в глубь плоского полупространства полимера.

По мере прогрева металлополимера устанавливается равномерное температурное поле по объему металлического слоя, заключенного внутри кольцевого зонда 2. Номинальная площадь этого объема слоя равна площади круга радиуса R₁. В пределах этой площади в глубь слоя полимера будут распространяться плоские изотермические поверхности, параллельные наружной поверхности металлополимера. Физически это означает, что этот слой металла (в виде круга радиуса R₁) выполняет теперь функцию пластины нагревателя зонда 1, и плотность теплового потока постоянна и равна:

где N - мощность нагревателя зонда 1, S - поверхность нагрева с равномерным температурным полем.

Таким образом, зонд 2 выполняет две функции:

1) практически исключает теплосток посредством теплопроводности по слою металла от зонда 1 к зонду 2, обеспечивая q=const;

2) предотвращает искажение плоских изотермических поверхностей, распространяющихся по нормали в глубь полимерного слоя от металлического слоя, заключенного внутри кольцевого зонда 2 из-за влияния температурного краевого эффекта, тем самым обеспечивается правомерность использования модели полупространства и, как следствие, формулы (1).

Вначале определим коэффициент температуропроводности а, для чего из опытной термограммы, снятой в точке O₁ для двух произвольных моментов времени τ₁ и τ₂, находим соответствующие избыточные температуры ΔT₁ и ΔТ₂. Согласно (1) имеем:

где

Обозначим:

Тогда соотношение (3) будет иметь вид:

Поскольку искомый коэффициент температуропроводности входит в функцию ierfc u, т.е. в показатели степени и в подынтегральные выражения, постольку следует выполнить дифференцирование этой функции. Начнем с дифференцирования (4):

Тогда (5):

Дифференцируем (6):

Тогда (7):

т.е. искомый коэффициент температупроводности

Для определения коэффициента теплопроводности λ найдем на основании (1) разность температур:

Отсюда:

Зная а и λ, находим удельную теплоемкость

Предлагаемый способ опробован в экспериментах, проведенных на следующих трех металлополимерах: бронза АМЦ 9-2 + полиэтилен; сталь 45 + политетрафторэтилен (ПТФЭ); сталь 08 кп + поликапроамид. На каждом из перечисленных металлополимерах было выполнено по 5 экспериментов.

Результаты экспериментов показывают, что точность определения а и λ находится в пределах 2,5÷3,5% при использовании 5÷10 точек термограмм.

В качестве примера приведем определение ТФХ полимера для первого из указанных металлополимеров: бронза АМЦ 9-2 + полиэтилен.

Исходные данные: h₁=1,0 мм, h₂=40 мм, r=20 мм, R₁=30 мм, N=10 Вт, длительность эксперимента τ=800 с.

Дискретный шаг по времени замеров температуры составил Δτ=10 с. Здесь приведем экспериментальные данные лишь для двух моментов времени τ₁=400 с и τ=800 с. Соответствующие этим моментам времени приращения температуры поверхности в точке O₁ получены равными ΔT₁=22,8 и ΔT₂=55,6°С.

Согласно (2) плотность теплового потока

По формуле (8) определяем коэффициент температуропроводности

Для определения λ, по формуле (9) предварительно вычислим вспомогательные параметры, входящие в (9):

По таблицам [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967, 599 с.] находим:

ierfc u₁=ierfc 1,57=0,0063; ierfc u₂=ierfc 1,113=0,036.

Далее:

Подставляя эти параметры в (9), получим искомый коэффициент теплопроводности

С учетом остальных дискретных замеров температуры поверхности в точке О₁ получим окончательно

Точность определения значений а и λ при использовании 8÷10 точек термограммы лежит в пределах + 2,6÷-3,2% по сравнению со стандартным методом разрушающего контроля.

Использование: для неразрушающего контроля теплофизических характеристик изделий из металлополимеров. Сущность: заключается в том, что осуществляют активное тепловое воздействие на поверхность наружного, металлического слоя дисковым нагревателем и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени, при этом дисковый нагреватель располагают в полости центрального зонда, что обеспечивает распространение теплового потока по нормали к поверхности контакта зонда с изделием для получения постоянной плотности теплового потока, сообщаемого нагревателем центрального зонда, и реализации модели полупространства дополнительно на определенном расстоянии от центрального зонда, концентрически устанавливают кольцевой зонд с расположенным в его полости нагревателем и поддерживают температуру последнего равной температуре нагревателя центрального зонда, для исключения теплоотдачи в окружающую среду используют по одному концентрическому охранному кольцу, окаймляющему соответственно каждый из зондов, при этом определение коэффициентов температуропроводности и теплопроводности внутреннего, недоступного для проведения измерений полимерного слоя осуществляют посредством математической обработки экспериментальной зависимости температуры наружной поверхности металлополимера от времени, полученной с помощью центрального зонда, с использованием формул, учитывающих размеры теплового источника. Технический результат: повышение быстродействия способа. 1 ил.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик изделий из металлополимеров, состоящий в тепловом воздействии на поверхность наружного металлического слоя дисковым нагревателем и регистрации зависимости температуры поверхности от времени, отличающийся тем, что дисковый нагреватель располагают в полости центрального зонда, что обеспечивает распространение теплового потока по нормали к поверхности контакта зонда с изделием, для получения постоянной плотности теплового потока, сообщаемого нагревателем центрального зонда, и реализации модели полупространства дополнительно на определенном расстоянии от центрального зонда, концентрически устанавливают кольцевой зонд с расположенным в его полости нагревателем и поддерживают температуру последнего равной температуре нагревателя центрального зонда, для исключения теплоотдачи в окружающую среду используют по одному концентрическому охранному кольцу, окаймляющему соответственно каждый из зондов, при этом определение коэффициентов температуропроводности и теплопроводности внутреннего недоступного для проведения измерений полимерного слоя осуществляют посредством математической обработки экспериментальной зависимости температуры наружной поверхности металлополимера от времени, полученной с помощью центрального зонда, с использованием формул, учитывающих размеры теплового источника.