интервале времени от Т до г MdKC I Q - количество тепла, вьцт.еле ное Импульсным источнико на единицу длины,, Дж/м; ,oi - соответственно коэффициент тепло- и температуро проводности, Вт/(м-К), . 2, Устройство для неразрушающего контроля теплофизических характерис тик материалов, содержащее нагреватель с источником питания, термопару, подключенную к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным ключом, в цепь.управления которого включен генератор прям угольных импульсов, триггер и запоминаю1дай конденсатор, включенный между электроннь м ключом и одним из входов компаратора, выход которого соединен с входом триггера, и регис времени, отл-ичающееся те что, с целью повышения точности измерения и информативности, в него введены преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов, блок ввода постоянных коэффициентов, микропроцессор и блок управления, причем вход преобразователя Напряжения в частоту соединен с усилителем, а выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком, второй управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а информациоиньЕЙ выход реверсивного счетчика соединен с микропроцессором, к которому подключен также регистратор времени, один из управляюЕ(их входов которого соединен с реверсивным счетчиком, а второй - с блоком управления, при этом пять других выходов блока управления подключены соответственно к источнику питания нагревателя, преобразователю напряжения в частоту, микропроцессору, триггеру и блоку ввода постоянных коэффициентов, при этом выход последнего соединен с микропроцессором, .. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выход преобразователя Напряжения в частоту подключен к цепи управления электронным ключом.
1. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов с использованием попубесконечного в тепловом отношении тепа, состоящий в импульсном тепловом воздейстига по прямой линии на поверхность исследуемого тела, измерении температуры в точке поверхности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействиями энергии теплового воздействия, по которым определяют теплофизические характеристики, отличающийс я тем, что, с целыо повышения точности определения теплофизических характеристик материала, фиксируют интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температуры, измеряют момент времени, когда интегральное во времени значение температуры после наступления максимума температуры станет равным значению зафиксированной интегральной во времени температуры, а теплофизические характеристики расстттывают по формулам г (У.) а 4,(г,/г) микс. „ . 1 i-(-y а А eJir 5 21Г X, где координату точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источиика теплового воздействия, м-, f-t - заданный момент времени,с) MrtKc момент наступления максимумй температуры tr - момент времени, когда интегральное во времени значение температуры после наступления максимума тем-, пературы равно значению интегральной во времени температуре на интервале времени от К, до 5, - интегральное во времени значение температуры на
Изобретение относится к технической физике, в частности к теплсфизическим измерениям, и может быть использовано при производстве искусственных материалов и изделий из них.
Известен способ определения теплофизических характеристик тверпых материалов без нарушения их целостности, основанный на измерении изменения во времени температуры с двух сторон эталонного образца в виде пластины, помещенной на поверхность исследуемого тела, причем эталонное тело приводится в контакт с испытуемым и выдерживается до момента вьфав нивания температур на обеих поверхностях эталонного образца, после чего внешняя поверхность пластины мгновенно охлаждается и поддерживается при постоянной температуре tij.
Недостатками указанного способа являются малая информативность, обусловленная возможностью измерения только одного коэффициента тепловой
активности исследуемого материала, и значительная погрешность определения искомого коэффициента при пров.едении эксперимента в условиях действия случайных помех, так как последние искажают температурную кривую в точках контроля что влечет за собой значительную долю случайной составляющей общей погрешности измерения.
Известно устройство дпя измерения теплопроводности исследуемых тел,, содержащее укрепленный на плате нагреватель, дифференциальную термопару и регистрирующий прибор 2.
Однако данное устройство характеризуется малой информативностью, обусловленной возможностью определения только коэффициента теплопроводности, а также недостаточной точностью измерения из-за значительной доли случайной погрешности температурно-временкых измерений. 31 Известен также способ определения коэффициента температуропроводности, заключающийся в воздействии постоянным тепловым потоком на вертикальный теплоизоляционный столб жидкости, измерении интегральной температу ры трех участков столба и расчете искомой величины по соответствующему соотношению. Причем время измерения определяется моментом, когда температура в середине столба жидкости достигнет фиксированного значенияСЗЗ Недостатками такого способа -являются малая информативность, обусловленная возможностью определения толь ко коэффициента температуропроводнос ти исследуемого материала, а также малая оперативность измерения, так как время измерения определяется временем достижения фиксированной температуры в некоторой точке столба при постоянстве теплового потока источника тепла. Известно устройство для измерения теплопроводности, содержащее регистратор времени и укрепленный на плате нагреватель, вокруг которого по двум концентрическим окружностям установлены спаи дифференциальной термопары, подключенной к усилителю, а нагреватель через контакт репе времени подключен к источнику питанияОднако устройство определяет толь ко коэффициент теплопроводности исследуемых материалов и, кроме того, имеет малую точность результатов измерений вследствие субьективного характера определения экстремального значения термограммы нагрева и значи тельной доли случайной составляющей общей погрешности измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достига емо му результату является способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала с использова нием полубесконечного в тепловом отнощении тела, состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность исследуемого тела, измерении температуры в точке поверх ности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействия, и энергии теплового воздействия, по которым определяют теплофизические характеристики 53t 94 Недостатком известного способа является значительная погрешность определения искомых теплофизических характеристик, так как измерение момента времени достижения наперед заданного соотношегадя между температурами в двух точках поверхности тела осуществляется путём сопос- ав- ления низких по уровню искаженных случайными помехами температурных кривых в этих точках, что влечет за собой значительную долю случайной составляющей общей погрешности измерений. Кроме того, необходимость в измерении температуры в двух точках поверхности тепа обусловливает возм тцающее влияние термопреобразо-, вателей (термоприемников) на картину температурного поля, что также способствует возрастанию погрешности измерения. Устройство дпя неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала нагреватель с источником питания, термопару, под;клкзченную к усилителю, выход кото-, рого соединен с компаратором и электронным ключом, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов, триггер и запоминающий конденсатор, включенный между электронным ключом и одним из входов компаратора, вьвсод которого соединен с входом триггера, и регистр времени СбЗ. Недостатками данного устройства являются малая информативность, обусловленная возможностью определения только кбэффициента теплопроводности, малая точность результатов измерения из-за значительной доли случайной погрешности в общей погрешности измерений, а также низкая помехозащищенность при действии внешних .возмущающих воздействий, так как измерительная информация снимается при этом с искаженной случайными помехами термограммы в виде мгновенного значения температуры. Кроме того, устройство не позволяет получить численное значение искомого коэффициента, а только фиксирует момент наступления максимума термограммы .нагрева, что влечет за собой необходимость последующего расчета значения теплопроводности исследуемых тел. 511 Цель изобретения - повьшение точности определения теплофизических характеристик исследуемых материалов Поставленная цель достигается тем, что согласно способу нераэрутающего контроля теплофизических характеристик материала с использованием полубесконечного в тепловом отношении тела, состоящему в импульс ном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность исследуемого тела, измерении температуры в точке поверхности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия -источника теплового воздействия и энергии теплового воздействия, по которым определяют теплофизические характеристикиJ фиксируют интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума тем пературы j измеряют момент времени, когда интегральное во времени значение температуры после наступления максимума температуры станет равным значению зафиксированной интегральной во времени температуры, а исковые теплофизические характеристики рассчитывают по X V -Т 1 X 1 (J,J MWKC д- Q ±руо1 л- - -;с х - координата точки, распо ложенной на заданном расстоянии от линии дей ствия источника теплового воздействия, м, - заданный момент времени, С-, MCSKC момент наступления макси мума тем11ературы; tx момент времени, когда интегральное во времени значение температуры пос ле наступления максимума температуры равно значению интегральной во времени температуре на инт тервале времени от С;, ДО I 5 - интегральное во времени значение температуры на интервале времени от ДО .ке; 0 - количество тепла, выде- ленное импульсным источником на единицу длины, Дж/Mi |С( - соответственно коэффици- енты тепло- и температуропроводности, Вт/(мК), . В устройство для неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала, содержащее нагреватель с источником питания, термопару, подключенную к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным ключом, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов, триггер и запоминающий кон,денсатор, включенный между электронным ключом и одним из входов Компаратора, выход которого соединен с входом триггера,и регистратор времени, дополнительно введены преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов, блок ввода постоянных коэффициентов, икpoпpoцeccop и блок управления, причем вход преобразователя напряжения в частоту соединен с усилителем, а выход - с первы1-г входом управления реверсивным счетчиком, второй управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а инфop iaциoнный Е1ьгход реверсивного счетчика соединен с микропроцессорам, к которому подключен также регистратор времени, один из управляющих входов которого соединен с реверсивным счетчикоНз а второй - с блоком управления, причем пять других выходов блока управления подключены соответственно к источнику питания нагревателя, преобразователю напряжения в частоту, микропроцессору, триггеру и блоку , ввода постоянных коэффициентов, при этом выход последнего соединен с микропроцессоромоКроме того, в устройстве выход щзеобразователя напряжения в частоту подключен к цепи управления электронным ключом. На фиг. 1 показана термограмма нагрева; на фиг. 2 - структурная схема устройства; на фиг. 3 - структурн;1Я схема устройствй, содержащего преобразователь в частоту прямоугольHijx импульсов; на фиг. 4 - термограмма нагрева с дискретизацией. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. 71t2 На теплоизолированную поверхность исследуемого тела помещают линейный импульсный источник тепла постоянной мощности. После подачи теплового импульса с заранее заданного момента времени tr (обычно задают t из .диапазона, соответствующего значениям температуры (0,4-0,5) дпя материалов с 7, 0,05-5 Вт/(м,К), при расстоянии от источника тепла до точки контроля 1 мм величина .fr равна 1-2 с), фиксируют интегральное во времени значение температуры до момента наступления максимума термограммы нагрева, которьй определяется дифференцированием температурной кривой. Затем измеряют момент времени t, когда интегральное значение температуры после наступления максимума термограммы нагрева равно значению интегральной во времени тем перат тзы, зафиксированной на первом интервале времени, т.е. от f до (.(фиг. 1) . Искомые теплофизичес кие характеристики определяют по формулам, полученным на основании следующих рассуждений. Тепловой процесс при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченного в тепловом отношении тела описывается следующей краевой задачей.теплопровод ности Т(х,2.-) /аЧ(х.г,г) ,(х,2.г)) д V ах дг / X,Z,f 0 ; Т(х,г.0)0-, Т(х,2,Г) при Vат(х,г.Г) JQ( пР при , Т(У,2,Г) .р )х - температураi X и г - текущие, координаты Я, м - козффициенты теплотемпературопроводносО - количество тепла, вы ляемого с единицы дл линейного источника, 0, - дельта-функция, f - время. Применяя к (1)-(4) преобразов Лапласа и косинус-преобразование Фурье, а затем произведя обратны реобразования, получают решение анной краевой задачи для поверхноси исследуемого тела () в слеующем виде: |T(x,i) -J-ехр{-А) . (5) л 257Air 4о(Г / . Используя полученное вьфажение (5) TefffleparypHoro поля для поверхости исследуемого тела и условия существления предлагаемого способа 5.,(х , tr) ,g.(x,J)после /несложных маематических преобразований получакув ормулы для расчета коэффициентов епло- и температуропроводности в ледующем виде: ) -i (Ч 4, х « (% / % ). 2F4,.rjJ i-K-4). х - координата точки-, расположенной на заданном расстоянии от линии действия импульсного тепла-, Т - заранее заданный мо- ; мент времени - момент времени, когда интегральное значение температуры на первом интервале времени Цравно значению интегральной температуры на втором интервале от до i - -момент наступления максимума температурной кривой; 5((х)- соответственно интегральное значение тем пературы на первом интервале времени от , ДО .кс « «а °ром от f ДО V. Таким 96pa3QM, измерив момент времени V к интегральное во времени значение температуры 5.,() и знгш мощность теплового воздействия, по формулам (6) и (7) можно рассчитать значения коэффицентов тепло-и тем пературопроводности исследуеьвлс тел. Устройство (фиг.2) содерясит линейный импульсный нагреватель 1, расположенный на поверхности исследуемого полуограниченного тела 2, ;термопару 3, подключенную к усилителю 4, электронный ключ 5, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов 6, компаратор 7, один из входов которого подключен к усилителю, а второй - к электронному ключу 5 и запог-шнающему конденсатору 8, выход конденсатора соединен с одним из входов триггера 9 преобразователь 10 напряженкл в частоту, вход которого соединен с усилителем 4, а выход с реверсивным счетчиком 11J информационный выход которого Подключен к микропроцессор 12, а выходная цепь управления - к регистратору i3 времени, Информагщонньш вьжод регистратора 13 времени соединен с микропроцессором 12, на вход которого поступает информагр-ая с блока 14 постоянных коэффициентов Блок 15 управления подключен соответственно к преобразователю напряжения в частотуS регистратору 13 времени„ триггеру 95 блоку 14 введения постоянных коэффициентов и источнику 16 гштания нагревателя.
Устройство работает следуюир-гм образом.
Линейный импульсный нагреватель 1 помещают на теплоизолированн-уто поверхность исследуемого тела 2 и на заданном расстоянии х от линии дествия источника тепла - термопару 3 По сигналу с блока 15 ущ авления включается питание источника 16, при этом на поверхность исследуемого тела наносится тепловой импульс; осуществляется ввод постоянных коэффициентов в микропроцессор из блока 14, включается регистратор времени 13 и триггер 9 приводится в исходно состояние. Сигнал с термопары 3 через усилитель 4 поступает на один из входов компаратора 7 и через электронный ключ 5 на запоминающий конденсатор 8, Потенциал на емкости 8 дискретно изменяется во времени с частотой; определяемой генератором прямоугольных импульсов 6, На входы компаратора 7 поступает разность потенциалов мелсду постоялно расту1цим напряжением, снимаемым с термопары, и напряжением ка запоминающем конденсаторе 8. При достижении момента времени когда напряжения станут равными между собой, что соответствует максимуму температур ной кривой, компаратор 7 переключает триггер 9,
В заданньй момент времени f блок tS управления включает преобразователь 10 напряжения в частоту, при этом на вход реверсивного счетчика I1, работающего в режиме суммироваьгия, поступают импульсы, число кото-рьп гфопорционально интегральному so времени значению температурь;. При достижении тег-4пературного максимума термограмг-гы нагрев а по сигналу с триггера 9 осуществляется считываш-ге измерительной информации о значении интегральной температуры 5 ( на интервале времени от f до f
ЛЛ И Н Ссо счетчика в мргкропроцессор и переключение счетчика на режи1-1 вычитания В момент равенства интегрального значения температ фы на первом интервале от сГ до . значению интегральной те.мпе ратуры на втором интервале от Тдо fj- происходит обнуллакс
ление реверсивного счетчика 11, и с него подается сигнал на регистратор 13 времени. По этому сигналу информация о значении ty, поступает в микропроцессор. Затем с блока управления подается команда в ьдакропроцессор на обсчет полученной измерительной информации по заданному алгоритму5 построенному в соответствии с рас етныг-ш фop ryлaми {6) и (7). Значения полученных результатов хранятся в оперативной паь-шти г дакротфоцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство микропроцесс сфа в любое время после окончания эксперимента,
На фиг„ 3 представлена структурная схема варианта устройства, отличающегося от описанного вьпие тем, что с цельк: noBbmjeiniH точности вьжод преобразователя напряжения в частоту под.1а:ючек к цепи управления электронньпч ключом.
Работа данного устройства отличается тем, что потенциал на емкости 3 будет дискретно изменяться во времени с частотой, возрастающей пропор:ционально амплитуде сигнала с термопары j т.е. по мере приближения к макCHKs iy те гператьфной кривой шаг дискретизации т екьшается (фиг,4).
На входы компаратора 7 поступает разность потет-ищалов между постоянно растущим напряжением с термопары и напряжением на запоминающем конденсаторе 9 о При достржении момента времени, когда эти напряжения станут равныг-зи между собой, что соответствуItет максимуму температурной кривой, компаратор 7 переключает триггер 9, осуществляя считывание измерительно информации о значении интегральной температуры на интервале от IX, до v..,co счетчика в микропроцессор и переключение счетчика в режим вычитания. Погрешность определения теплофиз ческих характеристик в предлагаемом способе значительно меньше, чем в способе-прототипе по следующим причинам. В способе-прототипе измерительну информацию о температурно-временных изменениях на поверхности исследуемого тела определяют случайным обра зом (в любой точке термограммы нагрева) , так как время наступления максимального значения -температурно кривой не фиксируется и информативным :параметром для расчета искомых коэффициентов является мгновенное . значение температуры в любой момент времени, отличающийся от оптимального значения для исследуемого мате риала с точки зрения амплитуды конт ролируемой температуры, которая может быть значтггельно меньшей максимального или близкого к нему значения. В предлагаемом способе измерительная информация о температурновременных изменениях снимается на максимальном по амплитуде участке термограммы нагрева, так как определяется момент наступления максиму ма температурной кривой, и температурно-временные измерения производят около этого значения, в результате относительная погрешность температурных измерений в предлагаемом способе значительно меньше, чем.в прототипе, так как большие по ампли туде значения температуры измеряютс с меньшей погрешностью. Например, измеряют температуру Т 10°С и Tji 50°С одним и тем же прибором с абсолютной погрешностью ЛТ +1°С Тогда относительная погрешность ± 1 100% в первом случае 100 10%, во втором случае -100 J 50 100 2%, ОчесЛ2 «Л. видно, что в способе-прототипе измеряют температуру в двух точках поверхнос 9 ти исследуемого тела, тогда как в предлагаемом способе температуру измеряют только в одной точке, что значительно повышает точность измерительной И1 ормации из-за устранения погрешности от возмущающего воздействия второго термоприемника (отвод тепла по электродам, собстЕЗНнай теплоемкость, контактное термосопро- тивление, погрешность расположения в заданной точке и т.д.|, причем погрешность от перечисленных возмущающих факторов составляет 20-30%. Доля случайной составляющей общей погрешности измерения в предлагаемом способе меньше, чем в способепрототипе, так как измерительная информация усредняется на интервале времени от т до С,тогда как в прототипе измерительная информация определяется как мгновенное значение температуры в один момент времени. Отснада достоверность результатов и помехозащищенность при реализации предложенного способа значительно вьш1е, чем в прототипе. Основным преимуществом устройства по изобретению по сравнению с устройством-прототипом является значительное увеличение информативности, обусловленное возможностью определения за один эксперимент всего комплекса теплофизических характеристик (а , А , С), тогда как в прототипе определяется только теплопроводность. Точность определения искомых коэффициентов в предлагаемом устройстве также вьппе, чем в прототипе, так как измерительная информация о темпера- . |турно-времениых изменениях в исследуемых объектах снимается с большой точностью, тогда как в прототипе информативным параметром является значение мсмента времени наступления максимума термограм1« 1 нагрева, который определяется со значительной долей случайной составляющей погрешности измерения. В метрологическом отношении устройство выгодно отличается от прототипа, так как реализуемый им способ позволяет получить с .большей- точностью измерительную информацию о температурных изменениях в исследуемых телах по сравнению с известными способами. Кроме того,устройство C6J йе позволяет получить численное значение искомого коэффициента, что влечет 1311 за собой необходимость последующего расчета значения теплопроводности, тогда как в устройстве по изобретению осуществляется расчет и хранение информации о всем комплексе теплофизических параметров исследуемого объекта, Погрешность определения времени наступления максимума температурной кривой в прототипе определяется величиной ) Де интервал дискретизации ( дт const )j л А/ -- рде f частота генератора прямоугольных импульсов; Т интервал времени от начала теплофизи ческого эксперимента до момента наступления максимума T(ir)i сл - погрешность определения У.-.ъ протоВ предлагаемом устройстве дЕ voif ЛС„ 4г;...,где4Т,ДГ„ - интервалы дискретизации на предпоследнем и последнем шагах поиска темпера турного максимума Кг), &V - интер вал дискретизации на первом шаге поиска температурного максимума Т( т); f - интервал дискретизации в прототипе. Отсюда погрешность определения времени наступления максимума температурной кривой вычисляется по форcT-.Aiii, при этом очевидно. что cf
32(х,г) Таким образом, погрешность определения времени наступления максимума температурной кривой в предложенном устройстве меньше, чем в прототипе, Для проверки работоспособности изобретения был создан макет, вьтолненный на интегральных микросхемах второй и третьей сте.пени интеграции серии 133,140, 145 и микропроцессорной техники. Измерительный преобразователь .устройства вьшолнен в виде выносного зонда, на контактной поверхности которого закреплены линейные нагреватели в виде нихромовой проволоки - 0,2 мм и хромель-копелевая микротермопара, электроды которой ф 0,15 мм .сварены встык и расположены параллельно линии действия источника тепла. При проведении эксг1еримента измерительный зонд прижимали с постоянным усилием к поверхности исследуемого тела, на нагреватель подавали мощность Q 60-75 Вт/м, в качестве микропроцессорной системы использовали клавишную ЭВМ Электроника-БЗ-21, Исследовали полубесконечные в тепловом отношении образцы из полиметилметакрилата, оптических стекол марки КВ,ЛК5,ТФ-1, кварца КБ, фторопласта и т,д,.ПоrpeiBHocTb результатов измерения комплекса ТФХ для данных материалов составляла 6-8%, время измерения не более 1 мин.
7Ь
