СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.

Известен способ бурения скважин и устройство для его осуществления [1], позволяющие получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известных способа и устройства для его осуществления заключается в том, что они не обеспечивают неразрушающего контроля исследуемого объекта.

Известны многочисленные варианты способов ультразвуковой дефектоскопии и устройств, их реализующих, например [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических характеристик исследуемых материалов, в частности теплового сопротивления.

Известны многочисленные варианты способов для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например, описанный в [4] способ определения теплового сопротивления полупроводниковых диодов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплофизических характеристик только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - полупроводниковых диодов.

Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например, устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов [5]. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплового сопротивления только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - транзисторов.

Известно описанное в [6] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [7]. Известный способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках поверхности образца и температуру окружающей среды, по полученным результатам определяют поправочный коэффициент, затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности в заданных точках, продолжают нагрев и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [8], содержащий линейный нагреватель и две термопары, расположенные симметрично относительно линейного нагревателя по обе стороны от него. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что линейный нагреватель формирует в материале тепловой поток, расходящийся в плоскости, перпендикулярной оси линейного нагревателя.

Известные технические решения (способ и устройство) имеют низкие потребительские свойства за счет узкой области применения, низкой точности и низкой достоверности измерений. Наличие указанных недостатков обусловлено следующими факторами. В известных технических решениях используется точечный или линейный источник тепловой энергии, поэтому его можно применять только при измерении теплофизических характеристик однородных объектов. Если исследуемый объект имеет различные неоднородности (например, железобетонная стена), то результаты измерений будут различаться при воздействии точечного или линейного источника тепловой энергии на различные точки поверхности исследуемого объекта. В прототипах точка или линия воздействия источником тепловой энергии и точки, в которых производится измерение температуры, находятся на одной и той же поверхности исследуемого объекта, поэтому известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик многослойных объектов. Если исследуемый объект имеет различные теплофизические характеристики в направлении, перпендикулярном его поверхности, и в направлении, параллельном его поверхности, то известные технические решения могут измерить теплофизические характеристики только в направлении, параллельном поверхности исследуемого объекта. Таким образом, известные технические решения неприменимы для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. Низкие точность и достоверность известных технических решений обусловлены высокой сложностью модели, описывающей их работу. Так, в известном способе, необходимо провести предварительные измерения для определения поправочного коэффициента. Работа известных способа и устройства описываются уравнением теплового баланса, в котором необходимо учитывать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. Кроме того, в уравнении теплового баланса известного способа необходимо учитывать потери тепловой мощности из-за частичного поглощения лазерного излучения окружающей средой и частичного отражения лазерного излучения поверхностью исследуемого объекта. Эти компоненты учитываются приближенно расчетным путем. При обработке результатов измерений в известном способе используется функция ошибок, вычисляемая путем ее разложения в ряд Тейлора. В описании известного способа указано, что вычисление этой функции в аналитическом виде весьма затруднительно. Там же указано, что только для материалов с коэффициентом температуропроводности а≥10^-7 м²/с можно ограничиться первым членом ряда Тейлора, и только тогда можно использовать рабочую формулу для обработки результатов измерений. Все эти факторы в совокупности приводят к низким потребительским свойствам известных способа и устройства за счет узкой области применения и низких точности и достоверности.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем расширения области применения и повышения точности и достоверности.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта, измерении температуры поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности исследуемого объекта и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения температуропроводности исследуемого объекта для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение температуропроводности или рассчитывают ее среднее значение, и по величине температуропроводности вычисляют теплопроводность исследуемого объекта.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.2 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта, измерении температуры поверхности исследуемого объекта в заданной точке, внесены следующие усовершенствования: нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности исследуемого объекта и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения температуропроводности исследуемого объекта для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение температуропроводности или рассчитывают ее среднее значение, и по величине температуропроводности вычисляют теплопроводность исследуемого объекта.

При измерении теплофизических характеристик исследуемого объекта первичной определяемой по данным измеренных параметров обычно является температуропроводность, а теплопроводность вычисляется по известной температуропроводности с помощью соотношения [9]

где λ - теплопроводность материала измеряемого слоя [Вт/мК]; а - температуропроводность материала исследуемого слоя [м²/с]; с₀ - объемная теплоемкость [Дж/м³К]; γ - плотность материала исследуемого объекта [кг/м³].

Следует отметить, что за рубежом температуропроводность принята в качестве эталонной величины, а в России традиционно используется эталон теплопроводности.

Заметим, что конечной величиной, подлежащей определению в строительных ограждающих конструкциях, является удельное тепловое сопротивление, определяемое по формуле

где r - удельное тепловое сопротивление [м²К/Вт], обратное величине коэффициента теплопередачи α_с[Вт/м²К]; l - толщина исследуемого объекта [м].

Для многослойного исследуемого объекта удельное тепловое сопротивление определяется из соотношения

где r_i -тепловое сопротивление i-того слоя исследуемого объекта, a r_k - контактные тепловые сопротивления между соседними слоями; n - число слоев.

Именно наличие второго слагаемого главным образом и препятствует расчетному определению теплового сопротивления по известным значениям теплопроводности каждого слоя с использованием очевидного равенства

где l_i - толщина i-того слоя [м]; λ_i - теплопроводность материала i-того слоя [Вт/мК].

Поскольку определение контактных тепловых сопротивлений между слоями составляет серьезную проблему, использование соотношения (4) для оценок удельных тепловых сопротивлений недопустимо. На практике величина эффективного удельного теплового сопротивления r должна определяться экспериментально, в частности, по экспериментально определенной эффективной температуропроводности.

Казалось бы, для однослойного исследуемого объекта нетрудно определить удельное тепловое сопротивление расчетно с использованием формулы (2). Однако назначение экспериментальных методов измерения величины r как раз в том и состоит, чтобы исследовать фактическое тепловое сопротивление, зависящее от соблюдения технологии изготовления, не говоря уже о наличии арматуры, включений, о возможной пористости материала и других факторах.

Учитывая сказанное, актуальной становится задача разработки экспериментальных методов измерения удельных тепловых сопротивлений, которые сочетали бы максимальную скорость проведения измерений с высокой точностью и полной достоверностью.

Сформулируем задачу разработки способа и устройства, работающих в нестационарном режиме и свободных от недостатков импульсных методов. Задача включает разработку физической и математической модели, способа и устройства, обеспечивающих высокие информативность, простоту и точность определения эффективной температуропроводности исследуемого объекта.

Идея заключается в фиксации момента окончания первой стадии теплового режима исследуемого объекта, когда в результате подвода тепловой мощности к внутренней поверхности в заданной точке на внешней или боковой поверхности возникают первые признаки перегрева, то есть температура начинает отличаться от начальной. Определение критерия окончания первой стадии, то есть оценка величины перегрева, достаточной для регистрации и последующей обработки, будет проведена апостериорно.

Рассмотрением случай однослойного однородного исследуемого объекта постоянной толщины.

Целью проведения исследований является решение следующих задач:

1) разработка метода проведения исследований и алгоритма обработки результатов измерений;

2) определение времени, необходимого для проведения измерений в зависимости от теплофизических свойств материала исследуемого объекта;

3) разработка способа и устройства и определение требований к ним.

Физическая модель рассматриваемого объекта - однослойного исследуемого объекта - может быть представлена в виде однородной неограниченной пластины шириной L. В начальный момент времени внутренняя поверхность пластины вводится в соприкосновение с источником тепловой мощности с температурой t_cl.

Введем следующие ограничения:

1. Соприкосновение источника тепловой мощности с нагреваемым участком поверхности исследуемого объекта осуществляется столь быстро, что данный процесс соприкосновения можно считать мгновенным.

2. Температура источника тепловой мощности с начала и до конца процесса остается неизменной.

3. Тепловая мощность источника постоянна в течение всего процесса.

4. Протяженность источника тепловой мощности вдоль поверхности исследуемого объекта много больше, чем толщина исследуемого объекта.

Указанным ограничениям в наилучшей степени удовлетворяет компактный проточный теплообменник, тепловая инерционность которого значительно меньше тепловой инерционности исследуемого объекта.

Введем также следующие допущения:

1. Тепловой поток через исследуемый объект одномерный и однородный по сечению.

2. Теплофизические параметры материала исследуемого объекта постоянны.

3. Коэффициент теплоотдачи от источника к прилегающей поверхности исследуемого объекта остается неизменным в любой момент времени.

4. Вплоть до завершения первой стадии нестационарного теплового режима внешнюю (противоположную соприкасающейся с источником тепла) поверхность исследуемого объекта можно считать теплоизолированной.

С учетом принятых допущений и ограничений физическая модель объекта оказывается аналогичной принятой в книге [9] для пластины, нагреваемой или охлаждаемой по обеим поверхностям средами с одинаковой температурой и коэффициентами теплоотдачи.

Математическая модель описываемого объекта в рамках описанной физической модели может быть представлена краевой задачей, включающей уравнение теплопроводности

с граничными условиями

и начальным условием

где t - температура пластины; θ - время [с].

Введем безразмерные переменные

где Fo - критериальное число Фурье; у - безразмерная координата пластины; Bi - критерий Био; θ - безразмерная температура пластины.

Преобразуем (5)-(8) к виду

Решим задачу методом разделения переменных. Представим температуру как произведение двух функций, первая из которых зависит только от переменной у, а вторая - только от переменной Fo.

После подстановки (14) в (10)-(13) задача распадется на две.

где k - введенный нами параметр.

Решение уравнения (15) будет равно

Подставим (19) в (16) и (17), тогда

kA=0=>А=0, Y(y)=Bcosky при у=0,

-kBsink=-BiBcosk при y=1.

Отсюда получим

Это трансцендентное уравнение имеет бесчисленное множество корней и может быть решено графически или численно.

С учетом решения уравнения (18) запишем общее решение как сумму всех частных решений

Постоянные С_n могут быть определены из начального условия (13) в виде [9]

где

Тогда, с учетом (22)-(24), перепишем (21)

Выражение (25) с учетом (9) позволяет вычислить распределение температуры в пластине в любой момент времени при данных теплофизических свойствах пластины и среды.

Процесс прогрева плоского слоя изображен на фиг.1, где по оси абсцисс отложено расстояние от внутренней поверхности исследуемого объекта до определенной точки внутри исследуемого объекта, а по оси ординат - температура в этой точке. На фиг.1 каждому моменту времени t_i соответствует своя координата X_i, больше которой слой материала остается изотермическим и сохраняющим начальную температуру, в то время как в пределах изменения координаты 0≤X<X_i температурное поле уже выше начального. В пределах этого слоя 0≤X<X_i температура убывает от значения T_i до Т₀. На фиг.1 представлено пять линий, характеризующих температурные распределения в слое толщиной L для моментов времени t₁ t₂, t₃, t₄ и t₅. Соответствующие этим моментам времени значения глубины прогрева составляют соответственно Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ и L. Поскольку L соответствует полной толщине исследуемого слоя, то момент времени t₅ соответствует длительности полного нагрева исследуемого слоя.

Таким образом, на основе рассмотренной модели можно вычислить время прогрева с любой заданной точностью. Будем считать, что время прогрева наступило, если температура на изолированной поверхности равна t=t₀+Δt₃, где 0.01°С≤Δt₃≤2°С. Это будет соответствовать значению числа Фурье Fo₁. Выбор диапазона предварителен и соответствует априорному представлению о чувствительности применяемой методики измерений температур.

Измерив продолжительность начальной стадии нагрева τ₁ экспериментально, можно определить температуропроводность по формуле, вытекающей из первого выражения в (9):

Для решения сформулированных ранее задач необходимо провести расчетные исследования характерных зависимостей.

Наиболее важные параметры, определяющие течение процесса, характеризуемое критерием Bi₁ качество контакта нагреваемого участка исследуемого объекта с источником тепловой мощности и температура источника тепловой мощности.

На фиг.2 представлена зависимость критериального числа Фурье Fo₁ от критерия Bi₁, характеризующего интенсивность теплообмена рабочей поверхности источника тепловой мощности с внутренней поверхностью исследуемого объекта (эта поверхность принята поверхностью U₁, а внешняя поверхность исследуемого объекта будет обозначаться цифрой U₂). Величина Fo₁ определялась из зависимости перегрева поверхности U₂ от числа Фурье, а затем строилась обратная зависимость. В качестве критерия завершения первой стадии нагрева в данном случае выбрано значение перегрева поверхности U₂ относительно начального значения на 0,1 К. Расчеты проводились при трех значениях рабочих температур t_c1 источника тепловой мощности: 40°С (линия L₁), 60°C (линия L₂), 80°С (линия L₃). Как видно из фиг.2, в широком диапазоне изменения величины критерия Био - от 0,01 до 1000 величина Fo₁ изменяется всего на порядок. Хотя это изменение весьма мало по сравнению с вариацией значений Bi₁, это обстоятельство все же создает заметную для практики неопределенность в оценке длительности процесса.

На фиг.3 представлены фрагменты той же зависимости в несколько более ограниченном диапазоне, а именно при Bi₁>10. Как видно из фиг.3, в диапазоне изменения критерия Био от 10 до 100 величина Fo₁ изменяется при любой температуре источника тепловой мощности не более чем на 10%, а при Bi₁>100 наступает насыщение зависимостей на постоянных уровнях. Из данных фиг.3 следует сделать вывод о необходимости обеспечения хорошего теплового контакта. В частности, в рассматриваемом случае для реализации условия Bi₁>100 достаточно обеспечить величину контактного коэффициента теплообмена не менее 50 Вт/м²К. Такая интенсивность контактного теплообмена без труда обеспечивается на практике при использовании в месте контакта поверхности теплообменника с исследуемым объектом теплопроводной пасты типа герметика.

На фиг.4 построены зависимости величины Fo₁, характеризующей длительность первой стадии нагрева плоского исследуемого объекта вплоть до прогрева ее противоположной теплоизолированной поверхности на 0,1 К, от рабочей температуры источника тепловой мощности при значении критерия Bi₁, равных: 10 (линия L₄), 100 (линия L₅) и 1000 (линия L₆). Из данных фиг.4 видно, что при температуре нагревателя свыше 60°С обеспечивается достаточная устойчивость рассматриваемой зависимости при незначительных колебаниях (в пределах 1...2°С) температуры источника тепловой мощности.

На основании данных фиг.3 и фиг.4 можно сделать вывод об удобстве практической реализации источника тепловой мощности с требуемым уровнем температуры и качеством теплового контакта.

Рассмотренные выше зависимости получены для одного частного случая критерия завершения первой стадии нагрева. Для практики важно оценить зависимость величины Fo₁ от выбранного в качестве критерия завершения первой стадии значения перегрева противоположной поверхности исследуемого объекта. Такие зависимости представлены на фиг.5 и 6. На фиг.5 приведена зависимость критериального числа Fo₁, выбранного в качестве критерия длительности первой стадии нагрева плоского исследуемого объекта, от перегрева внешней поверхности исследуемого объекта при значении критерия Bi₁=10 и при температуре источника, равной: 40°С (линия L₇), 60°C (линия L₈) и 80°С (линия L₉). На фиг.6 приведена зависимость критериального числа Fo₁ от перегрева внешней теплоизолированной поверхности плоского исследуемого объекта при больших значениях критерия Био (Bi₁>100) и при температуре источника тепловой мощности, равной: 40°С (линия L₁₀), 60°С (линия L₁₁) и 80°С (линия L₁₂). Данные этих графиков показывают, что при величине критерия Bi₁>100 величина Fo₁ не зависит от дальнейшего роста критерия Био, как показали расчеты, даже в том случае, если в качестве критерия завершения первой стадии нагрева выбрать более значительные перегревы противоположной поверхности исследуемого объекта.

Из фиг.6 видно, что при величине Δt₂=1К и при температуре нагревателя 40°С Fo₁=0,11, что в точности соответствует данным работы [10], в которой представлены результаты разработки и исследования приближенного аналитического метода расчета нестационарного теплового режима, основанного на представлениях о двух стадиях нагрева. Однако это совпадение частное, и хотя при больших значениях Био дальнейшего изменения величины Fo₁ действительно не происходит (как и показано в [10]), однако существует зависимость от температуры источника и, как и следовало ожидать, от величины Δt₂. Отсюда можно сделать вывод, что в эксперименте полезно регистрировать не только сам факт перегрева противоположной поверхности исследуемого объекта, но и снимать зависимость величины этого перегрева от времени с последующим построением обратной зависимости. Такие зависимости, полученные на основе расчета из зависимостей фиг.6, приведены на фиг.7, на которой приведена зависимость длительности первой стадии нагрева τ₁ в часах от перегрева внешней теплоизолированной поверхности плоского исследуемого объекта при Bi₁>100 и при температуре источника тепловой мощности, равной: 40°С (линия L₁₃), 60°С (линия L₁₄) и 80°С (линия L₁₅).

Как видно из фиг.7, при перегревах Δt₂=0,1...0,4 К время измерений при 40°С<t_c1<80°C составит от 9 до 15 часов. При этом точность определения температуропроводности материала исследуемого объекта можно существенно увеличить, снимая зависимость τ₁(Δt₂). Из фиг.7 следует, что в диапазоне изменения перегрева от 0,1 до 1 К при температуре источника тепловой мощности, равной 80°С, такие измерения займут примерно 14 часов.

Тепературопроводность определяют следующим образом: снимается экспериментальная зависимость вида, представленной на фиг.7. Затем используется теоретическая зависимость, аналогичная той, что представлена на фиг.6. Далее по формуле (26) вычисляются значения температуропроводности для разных моментов времени. При этом либо устанавливается постоянство температуропроводности, либо берется ее среднее значение.

Проведенные исследования относятся к модели исследуемого объекта с теплоизолированной внешней поверхностью. Однако по мере роста перегрева этой поверхности возрастает интенсивность естественного лучисто-конвективного теплообмена. С целью учета этого фактора был проведен расчет зависимости критерия Bi₂ на внешней поверхности исследуемого объекта от ее перегрева, результаты которого представлены на фиг.8. Из данных фиг.8 следует, что даже при малых перегревах внешней поверхности исследуемого объекта пренебрегать теплообменом, строго говоря, нежелательно, хотя и допустимо. Поэтому в ряде случаев целесообразно решать задачу в более общей и строгой постановке. Результаты оценок показывают что в пределах перегревов Δt₂=1...2К результат может быть уточнен до 5%.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее нагреватель, термочувствительный элемент, тепловую изоляцию, внесены следующие усовершенствования: устройство дополнительно содержит второй термочувствительный элемент, выполненный с возможностью фиксации момента начала подъема температуры в заданной точке, при этом нагреватель содержит выполненный протяженным в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, снабженный входным трубопроводом для входа теплоносителя в теплообменник и выходным трубопроводом для выхода теплоносителя из теплообменника, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме участка, примыкающего к внутренней поверхности исследуемого объекта, в качестве термочувствительного элемента использован контактный измеритель температуры, размещенный между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, а в качестве второго термочувствительного элемента использован тепловизор.

В частном случае в соответствии с п.4 формулы изобретения оптическая ось тепловизора направлена на внешнюю поверхность исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.5 формулы изобретения оптическая ось тепловизора направлена на боковую поверхность исследуемого объекта.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.6 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее нагреватель, термочувствительный элемент, тепловую изоляцию, внесены следующие усовершенствования: устройство дополнительно содержит второй термочувствительный элемент, выполненный с возможностью фиксации момента начала подъема температуры в заданной точке, при этом нагреватель содержит выполненный протяженным в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, снабженный входным трубопроводом для входа теплоносителя в теплообменник и выходным трубопроводом для выхода теплоносителя из теплообменника, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме участка, примыкающего к внутренней поверхности исследуемого объекта, в качестве термочувствительного элемента использован контактный измеритель температуры, размещенный между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, в качестве второго термочувствительного элемента использован второй контактный измеритель температуры.

В частном случае в соответствии с п.7 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта.

В частном случае в соответствии с п.8 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта.

Описанные в п.3 и п.6 формулы изобретения модели варианты конструктивного выполнения устройства для измерения теплофизических характеристик обеспечивают формирование одномерного теплового потока (тепловой поток распространяется прямолинейно от внутренней поверхности исследуемого объекта к внешней поверхности исследуемого объекта), который описывается значительно более простой математической моделью, чем в прототипе, в результате чего повышаются точность и достоверность, что приводит к повышению потребительских свойств.

Описанные в п.4 и п.7 формулы изобретения варианты конструктивного выполнения устройства для измерения теплофизических характеристик обеспечивают фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на внешней поверхности исследуемого объекта.

Описанные в п.5 и п.8 формулы изобретения варианты конструктивного выполнения устройства для измерения теплофизических характеристик обеспечивают фиксацию времени начала подъема температуры в заданной точке, расположенной на боковой поверхности исследуемого объекта.

Заявленные способ и устройство по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом обладают более высокими потребительскими свойствами за счет расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений. В отличие от прототипа-способа и прототипа-устройства, в описываемом техническом решении используется протяженный в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, поэтому измерения дают эффективные (усредненные) значения теплофизических характеристик, а в большинстве случаев на практике нужны не точечные, а именно эффективные значения тепловых характеристик, например, при исследовании стен зданий. За счет того, что в заявленных технических решениях осуществляют нагревание внутренней поверхности, а температуру измеряют на внешней или боковой поверхности, описываемые способ и устройство применимы для исследования многослойных объектов. Следовательно, описываемые способ и устройство можно использовать для измерения теплофизических характеристик анизотропных объектов. В заявленных способе и устройстве обеспечивается формирование одномерного теплового потока (тепловой поток распространяется прямолинейно от внутренней поверхности исследуемого объекта к внешней поверхности исследуемого объекта), который описывается значительно более простой математической моделью, чем в прототипе. Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, заявленные способ и устройство обладают более широкой областью применения. В описываемых способе и устройстве используется более простая и более достоверная модель. В известном способе нужно проводить предварительные измерения для определения поправочного коэффициента, а в описываемых технических решениях этого делать не нужно. В уравнении теплового баланса, описывающего работу заявленных способа и устройства, не надо учитывать потери тепловой энергии в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена вследствие того, что применяется протяженный в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, снабженный тепловой изоляцией. В уравнении теплового баланса описываемого способа отсутствуют необходимые в уравнении теплового баланса способа-прототипа члены, описывающие частичное поглощение тепловой мощности окружающей средой при передаче тепловой энергии от источника энергии к поверхности исследуемого объекта и при частичном отражении от поверхности исследуемого объекта. В модели, описывающей работу заявленного способа, отсутствует необходимость разложения каких-либо функций в ряд Тейлора. Таким образом, описываемые технические решения обладают более высокими точностью и достоверностью. Расширение области применения и повышение точности и достоверности измерений приводит к повышению потребительских свойств заявленных технических решений по сравнению с прототипами.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретных вариантов выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:

- на фиг.1-8 приведены графики, поясняющие сущность изобретения;

- на фиг.9 приведена схема устройства, соответствующая п.3 и п.4 формулы изобретения;

- на фиг.10 приведен вид в аксонометрической проекции устройства, соответствующего п.3 и п.4 формулы изобретения;

- на фиг.11 приведена схема устройства, соответствующая п.3 и п.5 формулы изобретения;

- на фиг.12 приведен вид в аксонометрической проекции устройства, соответствующего п.3 и п.5 формулы изобретения.

В соответствии с п.3 формулы изобретения устройство для измерения теплофизических характеристик содержит (фиг.9-12) нагреватель, термочувствительный элемент, тепловую изоляцию 1, второй термочувствительный элемент, выполненный с возможностью фиксации момента начала подъема температуры в заданной точке, нагреватель содержит выполненный протяженным в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник 2, снабженный входным трубопроводом 3 для входа теплоносителя в теплообменник и выходным трубопроводом 4 для выхода теплоносителя из теплообменника, внешняя поверхность теплообменника 2 снабжена тепловой изоляцией 1 кроме участка, примыкающего к внутренней поверхности 5 исследуемого объекта 6, в качестве термочувствительного элемента использован контактный измеритель 7 температуры, размещенный между внутренней поверхностью 5 исследуемого объекта 6 и внешней поверхностью теплообменника 2, а в качестве второго термочувствительного элемента использован тепловизор 8. На фиг.9-12 также приняты следующие обозначения: 9 - оптическая ось тепловизора, 10 - внешняя поверхность исследуемого объекта 6, 11 - боковая поверхность исследуемого объекта 6, стрелки 12 и 13 показывают направление движения теплоносителя.

В частном случае (п.4 формулы изобретения) оптическая ось 9 тепловизора 8 направлена на внешнюю поверхность 10 исследуемого объекта 6 (фиг.9 и фиг.10).

В частном случае (п.5 формулы изобретения) оптическая ось 9 тепловизора 8 направлена на боковую поверхность 11 исследуемого объекта 6 (фиг.11 и фиг.12).

Описанные в п.п.3-5 формулы изобретения варианты устройства для измерения теплофизических характеристик работают следующим образом. Нагретый теплоноситель по входному трубопроводу 3 попадает в теплообменник 2, отдает тепловую энергию исследуемому объекту 6 через участок внутренней поверхности 5 исследуемого объекта 6, примыкающий к внешней поверхности теплообменника 2. Контактный измеритель температуры 7 фиксирует момент начала подъема температуры в области контакта внешней поверхности теплообменника 2 с внутренней поверхностью 5 исследуемого объекта 6.

Тепловизор 8 фиксирует момент начала подъема температуры в заданной точке. В соответствии с п.4 формулы изобретения заданная точка выбирается на внешней поверхности 10 исследуемого объекта 6. В соответствии с п.5 формулы изобретения заданная точка выбирается на боковой поверхности 11 исследуемого объекта 6. Расчет теплофизических характеристик исследуемого объекта осуществляется по изложенной выше методике.

Соответствующие п.п.6-8 формулы изобретения варианты выполнения устройства для измерения теплофизических характеристик имеют конструкцию и принцип действия, аналогичные вышеописанным, отличие заключается в том, что вместо тепловизора 8, использован второй контактный измеритель температуры.

В соответствии с п.7 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности 10 исследуемого объекта 6.

В соответствии с п.8 формулы изобретения второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности 11 исследуемого объекта 6.

Источники информации

1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение № 2237148, приор. 1999.10.06, публ. 2001.07.20, МПК⁷ Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 10/36.

2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение № 2131123, приор. 1996.01.12, публ. 1999.05.27, МПК⁶ G01N 29/04.

3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение № 2231783, приор. 2001.08.09., публ. 2003.07.10, МПК⁷ G01N 29/04.

4. Сергеев В.А. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов. Патент РФ на изобретение № 2178893, приор. 2001.03.13, публ. 2002.01.27, МПК⁷ G01R 31/26.

5. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение № 2000127414/09, приор. 2000.10.31, публ. 2002.10.10, МПК⁷ G01R 31/26.

6. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение № 2212653, приор. 2002.05.28, публ. 2003.09.20, МПК⁷ G01N 25/18.

7. Чернышов В.Н., Сысоев Э.В., Павлов Р.В. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Патент РФ на изобретение № 2251098, приор. 2003.11.17, публ. 2005.04.27, MПК7 G01N 25/18.

8. Чудинов Ю.В., Ишук И.Н., Фесенко А.И. Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Заявка на патент РФ на изобретение № 2003129494, приор. 02.10.2003, публ. 27.03.2005, МПК⁷ G01N 25/18.

9. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

10. Тихонов С.В. Приближенный метод решения нестационарных задач теплопроводности. Труды ЛИТМО. Л.: 1976, вып.86. С.63-83.

Изобретение относится к измерительной технике. В изобретении измеряют время от начала нагревания внутренней поверхности исследуемого объекта до начала подъема температуры в заданной точке на наружной или боковой поверхности исследуемого объекта. Регистрируют зависимость величины перегрева внешней или боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней или боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения температуропроводности исследуемого объекта для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение температуропроводности или рассчитывают ее среднее значение, и по величине температуропроводности вычисляют теплопроводность исследуемого объекта. Технический результат - повышение точности и достоверности измерения теплофизических характеристик. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ измерения теплофизических характеристик, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта, измерении температуры поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности исследуемого объекта и началом повышения температуры в заданной точке на внешней поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева внешней поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения температуропроводности исследуемого объекта для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение температуропроводности или рассчитывают ее среднее значение, и по величине температуропроводности вычисляют теплопроводность исследуемого объекта.2. Способ измерения теплофизических характеристик, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении температуры нагреваемой поверхности исследуемого объекта, измерении температуры поверхности исследуемого объекта в заданной точке, отличающийся тем, что нагревают участок внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют температуру нагреваемого участка внутренней поверхности исследуемого объекта, измеряют промежуток времени между началом нагревания участка внутренней поверхности исследуемого объекта и началом повышения температуры в заданной точке на боковой поверхности исследуемого объекта, при этом регистрируют зависимость величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта от времени, получают зависимость длительности первой стадии нагрева от величины перегрева боковой поверхности исследуемого объекта, вычисляют значения температуропроводности исследуемого объекта для разных моментов времени, при этом устанавливают постоянное значение температуропроводности или рассчитывают ее среднее значение, и по величине температуропроводности вычисляют теплопроводность исследуемого объекта.3. Устройство для измерения теплофизических характеристик, содержащее нагреватель, термочувствительный элемент, тепловую изоляцию, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй термочувствительный элемент, выполненный с возможностью фиксации момента начала подъема температуры в заданной точке, при этом нагреватель содержит выполненный протяженным в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, снабженный входным трубопроводом для входа теплоносителя в теплообменник и выходным трубопроводом для выхода теплоносителя из теплообменника, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме участка, примыкающего к внутренней поверхности исследуемого объекта, в качестве термочувствительного элемента использован контактный измеритель температуры, размещенный между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, а в качестве второго термочувствительного элемента использован тепловизор.4. Устройство для измерения теплофизических характеристик по п.3, отличающееся тем, что оптическая ось тепловизора направлена на внешнюю поверхность исследуемого объекта.5. Устройство для измерения теплофизических характеристик по п.3, отличающееся тем, что оптическая ось тепловизора направлена на боковую поверхность исследуемого объекта.6. Устройство для измерения теплофизических характеристик, содержащее нагреватель, термочувствительный элемент, тепловую изоляцию, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй термочувствительный элемент, выполненный с возможностью фиксации момента начала подъема температуры в заданной точке, при этом нагреватель содержит выполненный протяженным в двух взаимно перпендикулярных направлениях теплообменник, снабженный входным трубопроводом для входа теплоносителя в теплообменник и выходным трубопроводом для выхода теплоносителя из теплообменника, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме участка, примыкающего к внутренней поверхности исследуемого объекта, в качестве термочувствительного элемента использован контактный измеритель температуры, размещенный между внутренней поверхностью исследуемого объекта и внешней поверхностью теплообменника, в качестве второго термочувствительного элемента использован второй контактный измеритель температуры.7. Устройство для измерения теплофизических характеристик по п.6, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на внешней поверхности исследуемого объекта.8. Устройство для измерения теплофизических характеристик по п.6, отличающееся тем, что второй контактный измеритель температуры расположен на боковой поверхности исследуемого объекта.