Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

о. - количество тепла,выделяемое единым импульсом на единицу длины; Л,а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности.

2. Устройство для неразруша:ющего контроля теплофизических характеристик материалов содержащее нагреватель с блоком питания, термопрёобразователь, подключенный к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным клйчом, триггер и запоминающей кон- енсатор, включенный между электронным ключом и одним из входов компаратора, выход которого соединен с входом триггера, преобразователь напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем, первый выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком, а второй - с цепью управления электронным ключом, причем второй управляющий

742

1

вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, а информационный выход реверсивного счетчика соединен с микропроцессором, к которому подключены блок постоянных коэффициентов и блок управления, три других выхода которого подключены соответственно к блоку питания нагревателя, к преобразователю напряжения в частоту, к триггеру и блоку постоянных коэффициентов, о тличающееся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических характеристик материалов, в него дополнительно введен частотомер-хронометр, один вход которого подключен к счетному выходу реверсивного счетчика, другой - к блоку управления, а выход частотомера-хронометра соединен с входом микропроцессора, кроме того, счетный выход реверсивного счетчика подключен к блоку питания и входу триггера.

1. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхности исследуемого тела, измерении момента времени, когда интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температуры в контролируемой точке поверхности станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности определения теплофизических характеристик материалов, в момент наступления равенства интегральных значений температур осуществляют тепловое воздействие на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом, равным по мощности первому, затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке поверхности с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума станет равным интегральному г значению температуры той же точки (О после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым импульсом, равным по мощности перво му, и т.д., измеряют частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитьшают по формулам Ю 4;: N9 U, где Xi - координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла; t - заданный момент времени; 1„.- момент наступления максимума температуры; Г.х - частота следования импульсов теплового воздействия; S, (х ,t ) интегральное во времени значение температуры на интервале времени от и

Изобретение относится к теплофизическим измерениям.

Целью изобретения является повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых материалов.

Сущность способа заключается в следующем..

На теплоизолированную поверхность исследуемого тела помещают линейный импульсный источник тепла постоянной мощности. После подачи теплового импульса фиксируют интегральное во времени значение температуры в точке поверхности исследуемого тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла. При наступлении равенства интегральных значений температуры до и после максимума термограммы нагрева, который определяется дифференцированием температурной кривой, осуществляется тепловое воздействие исследуемого тела от того же источника вторым тепловым импульсом, равным по мощности первому импульсу. Затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума термограммы станет равным максимальному значению после максимума, воздействуют на исследуемое тело третьим тепловым импульсом той же мощности и т..д. При этом измеряют частоту следования тепловых импульсов от источника на исследуемое тело, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам, полученным на основании следующих исчислений.

Тепловой процесс при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченного в тепловом отношении тела описывается следующей кривой задачей теплопроводности

Эт(х,г,г) ./dt(x,z,t) (х) , dt -

X,I,t

0 T(,0) 0; Т(х,гД) -0,np«X,Z- Зт(х,гД) .ra.S(t), при lo , ПРИ iliW) о j-- ПРИ где Т - температура; - текущие координаты; Л. а - коэффициенты тепло- и температуропроводности; Q - количество тепла, выделяемое с единицы длины линейного источника; ё(Т) - дельта-функция (функция Ди рака); t - время. Применяя к (l) -(4) преобразование Лапласа и косинус-преобразование Фурье, а затем производя обратные преобразования, получим реш ние данной краевой задачи дпя поверхности исследуемого тела () в следующем виде TCX,t)Используя выражение (5) температурного поля для поверхности исследуемого тела и условия осуществления предлагаемого способа, после не сложных математических преобразований получим формулы для расчета ко эффициента тепло- и температуропро водности в следующем виде Х.) Г, г„(ЦРл} аТ / х ЬУ ш7ГхТ;г г г Г 1 где х - координата точки, расположенной на заданном расстоянии отли нии действия импульсного источника тепла; ti - заранее заданный момент времени; t,, - момент наступления максимальной температуры в контроль ной точке; Рц - частота следования импульсов теплового воздействия; S(X, ) - интегральное значение температуры i на интервале времени MftKc Q количество тепла, вы деляемое одним импульсом на единицу длины источника. Таким образом, измерив частоту следования тепловых импульсов от ис точника тепла к исследуемому телу.

Ч.) 2 интегральное во времени значение температуры S, (x,t), и зная мощность теплового воздействия, время наступления максимума термограмм нагрева, по формулам (6) и (7) можно рассчитать значения коэффициентов тепло- и температуропроводности исследуемых тел. На чертеже представлена схема устройства, реализующёг6 способ. неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала. Устройство включает в себя линейный импульсный нагреватель 1, расположенный на поверхности исследуемого полуограниченного тела 2, . термопару 3, подключенную к усилителю 4, электронный ключ 5, вход которого подключен к выходу уснлителя, компаратор 6, один из входов, которого подключен к усилителю 4, а . второй - к электронному ключу 5 и . запоминающему конденсатору 7, выход компаратора соединен с одним из входов триггера 8, преобразователь 9 напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем 4, а один выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком 10, а второй - с цепью управления электронным ключом,5, причем второй управляющий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера 8. Информационный выход реверсивного счетчика 10 подключен к микропроцессору II, а выходная цепь управления - к частотомеру-хронометру 12, блоку 13 питания нагревателя и ус- тановочному входу триггера 8. Информационный выход частотомера-хронометра 12 соединен с микропроцессором 11, на вход которого поступает также информация с блока 14 постоянньгх коэффициентов. Блок 15 управления -подключен соответственно к преобразователю 9 напряжения в частоту, частотомеру-хронометру 12, триггеру 8, блоку 14 введения постоянных коэффициентов, блоку 13 нагревателя 1 и микропроцессору 11 Устройство для осуществления способа работает следующим образом. Линейный импульсный нагреватель 1 помещают на теплоизолиронанную поверхность исследуемого Тепа 2 и на заданном расстоянии х, от линии действия источника тепла располагается термопара 3. По сигналу с блока 15 управления включается блок 13 питания, при этом на поверхности исследуемого тела наносится тепловой импульс, осуществляется ввод постоянных коэффициентов микропроцессор 11 из блока Ъостоянных коэффициентов 14, включается ча тотомер-хронометр 12 и приводится триггер 8 в исходное состояние. Сигнал с термопары 3 через усилитель- 4 поступает на один из входов компаратора 6 и через электронный ключ 5 - на запоминешщую емкость 7. Потенциал на емкости 7 дискретно из меняется во времени с частотой, определяемой преобразователем 9 напряжения в частоту. На входы компаратора 6 поступает разность потенциалов между постоянно растущим напряжением, снимаемым с термопары, и напряжением на запоминающем конденсаторе 7. При достижении момента времени, когда эти напряжения станут равньми между собой, что со ответствует максимуму температурной кривой, компаратор 6 переключает триггер 8. В заданный момент времени 1 блок 15 управления включает преобра зова:тель 9 напряжения в частоту, пр этомс на вход реверсивного счетчика 10, р ботаницего в режиме суммирования, поступают импульсы, число кото рых пропорционально интегральному в времени значению температуры. При достижении температурного максимума термограммы нагрева по сигналу с триггера 8 осуществляется считывание измерительной информации о значении интегральной температуры S, (x,t ) на интервале времени t - tf,j, со счетчика в микропроцес сор и переключение счетчика на режи вычитания. В момент равенства интег рального значения температуры на первом интервале 1 - {щм значе нию интегральной температуры на втором интервале происходит обнуление реверсивного счетчика 10, с него подается сигнал на частотомер-хронометр 12, блок питаНИН нагревателя 13 и установочный вход триггера 8, При этом на поверх ность исследуемого тела наносится второй тепловой 1дапульс, мощность которого равна первому, а триггер 8 занимает исходное положение. При достижении момента равенства интегральных значений температуры до и после максимума термограммы нагрева от действия второго теплового импульса происходит снова обнуление реверсивного счетчика 10 и с него поступает сигнал на частотомер-хронометр, блок питания и триггер. На поверхность исследуемого тела наносится следующий тепловой импульс и цикл повторяется. При этом частотомер-хронометр фиксирует частоту следования тепловых импульсов и данная информация по команде с блока 1 5 управления из частотомера-хронометра .12 заводится в микропроцессор 11. Затем с блока управления подается команда в микропроцессор на обсчет полученной измерительной информации по заданному алгоритму, построенному в соответствии с расчетными формулами (6) и (7). Значения полученных результатов хранятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство микропроцессора в любое время после окончания эксперимента. Погрешность определения теплофизических характеристик согласно предлагаемому способу значительно меньше, чем по способу-прототипу. Измерительная информация о темпер ату рно- в ременных изменениях на поверхности исследуемого тела согласно способу-прототипу определяется при однократном тепловом воздействии, т.е. получение измерительной информации ограничивается однократным измерением. Предлагаемый способ позволяет получить измерительную информацию при многократных измерениях, так как осуществляется многократное тепловое воздействие на исследуемый образец. Оценим аналитически погрешность определения искомых теплофизических.параметров в обоих Случаях. Так, например, погрешность определения коэффициента температуропроводности согласно способу-прототипу определяется как гх, L,x,t,-x,4, ; Г,,/Гл Согласно предлагаемому способу погрешность определения коэффициента температуропроводности определяется соответственно