Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01N25/18 

11

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофи- зическим измерениям, и может найти применение в народном хозяйстве при производстве синтетических материалов и готовых изделий из них.

Целью изобретения является уменьшение времени определения теплофизи- ческих характеристик.

На фиг. 1 изображены термограммы в заданных точках X, и X исследуемого тела при нанесении на него серии импульсов согласно зависимости на фиг. 2 - график зависимости q; 0g на фиг. 3 - структурная схема устройства, ре.ализукяцего способ неразрушающего контроля материалов.Сущность способа заключается в следующем.

На теплоизолированную поверхность исследуемого тела помещают линейный источник тепла и осуществляют тепловое воздействие на тело импульсами с заданной постоянной частотой (скважностью) , причем для материалов с теплопроводностью от 0,03 до 5 Вт/мК следует задавать интервал между импульсами в диапазоне 5-65 с. При этом мощность импульсов, наносимых на тело источником тепла, изменяют от начала воздействия (от первого импульса) в соответствии с

условием q;

в,

/1

где

бомощ-

ность первого теплового импульса; q; - мощность i-ro импульса из пачки импульсов, вьздаваемых источником тепл-а, причем i t/u c, где t - время действия источника тепла; интервил времени между импульсами в пачке; i 1, 2, 3... (натуральный ряд чисел); Ы О - постоянный положительный коэффициент. Затем фиксируют число импульсов, нанесенных на по- верхность тела, от начала теплового воздействия до момента установления неизменного значения температуры в точке контроля, расположенной на расстоянии X , от линии действия истрч- ника тепла. После этого фиксируют число импульсов, поданных источником тепла, от начала воздействия до момента, когда температура во второй

точке, удаленной на расстояние Х от источника, достигнет установившегося значения. Установившееся значение температуры в заданных точках контроля X, и Xj наступает тогда, когда

очередной тепловой импульс из серии , импульсов теплового воздействия не изменяет температуру в пределах наперед заданной минимальной величины S (порог чувствительности измерительной аппаратуры).

Участок термограммы ОА на фиг. 1 соответствует росту температуры в точке контроля X, от начала теплот вого воздействия до момента, когда температура в точке контроля достигает установившегося значения. Характер изменения кривой на этом участке целиком определяется теплофизическими характеристиками исследуемого материала и коэффициентом oi О. Для материалов, относящихся к классу э теплоизоляторов, об целесообразно задать больше 5. Для остальных материалов целесообразно выбрать от О до 5. Участок термограммы ЛВ является участком установившейся температуры и представляет собой протяженный экстремум. В любых двух точках участка АВ разность величин температур не превьш1ает величины 8 , которая является порогом чувствительности аппаратуры. Для реальных приборов, измеряющих избыточную температуру,G колеблется от 0,01 до 0,05°С. Участок тepмoгpaм в ВС соответствует убьшанию температуры, стремлению ее к нулю для больших t, так как величина мощности теплового воздействия q; стремится к нулю.

Определив значения установившихсн неизменных температур в контролируемых точках поверхности исследуемого массива Т м , и Ти,-. и число импульсов теплового воздействия пит, поданных источником от включения до момента насыщения (постоянство избыточной температуры в точках контрою- ля) , искомые теплофизические характеристики определяют по формулам, которые получены следующим образом.

Температурное поле на поверхности полуограниченного в тепловом отношении тела при действии на него линейного источника тепла в виде однократного импульса заданной мощности при условии теплоизоляции поверхности - тела от окружающей сре.гхы описывается выражением

бо

( Щ

4аГ

(1)

температура; координата и время м,с ; коэффициенты тепло- и

температуропроводности тела,

Вт/мК, MVc; количество тепла, выделенное

с единицы длины линейного

источника Дж/м.

Температурное поле в результате действия серии импульсов, мощность которых уменьшается согласно условию Ч; GQ /i, при достижении установившегося, значения температуры в точках X, и Х; описывается соответственно зависимостями:

Изобретение относится к области технической физики, а именно к способам комплексного определения тепло- физических характеристик материалов и устройствам для его осзтцествления. , целью изобретения является уменьшение времени проведения теплофизичес- кого эксперимента. Способ состоит в тепловом воздействии на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от линейного источника тепла импульсами с заданной скважностью, фиксировании числа нанесенных на поверхность импульсов от начала теплового воздействия до момента времени, когда температура в двух точках поверхности, равностоящих от линии действия источника, достигнет установившегося неизменного значения. Мощность тепловых импульсов изменяют от начала воздействия до момента достижения установившегося значения температуры в точках контроля согласно приведённой зависимое- д ти. Устройство содержит линейный наг- реватель, термопару, электронный /Л усилитель, запоминающий конденсатор, триггер, реверсивный счетчик импульсов, блок ввода-вывода, регистратор времени, блок управления, вторую термопару, коммутатор, второй электронный ключ, частотомер, управляемый вентиль, 2 с.п. ф-лы, 3 ил. 1 табл. СО Kj со

,„., (х,.)- jl lliRriu-o «() « т,с,.. а.л) - ||-|rs(--ir-jy )-

Поскольку время достижения неизменного установившегося значения дл точки X, определяется как t nuC, а для точки контроля Х - как t - mu c то выражения (2) и (3) можно

переписать в виде:

v2 л 1

О g VaiT(n-.)

2Ж ,

-. ... .. 44)

ч/г Хг

, o aiT-iw-i)

т (У ) - JL yi

Y,.(X,,O) - 2.r,,,eTi (in- 1J -(5

Воспользовавшись разложением Мак-г , У Z лорена е 1 - 2 + -- - 7

+ ... +

f 4 Ч -1)

И взяв первые два Х.2

члена ряда, а именно е - )

) « (4) и (5). При этом получим

Q Г « ., j,cT., T r-sffe- F()

.: .

4au f (n-i)J

Г

т ГУ T-t VI ст.(Х,,с; (m-i)

(6

, (X,, J) S,(m)-TacT.a(Xi.T)-S,(n)

Xj m 1 4aAf

(7)

-

В силу свойств знакопеременного ряда погрешность приведенной замены не превышает величины первого от отброшенных членов ряда, а так как время теплофизического эксперимента даже в предлагаемом способе составляет не менее 100-300 с, то показатель Z стремится к нулю, т.е. погрешность произведенной замены становится еще меньше -и ею можно пренебречь. Далее сделаем условную замену в виде

е

S

(1) - 2 Г:

- i(i-i)

где

п, mj

k 1,2, и запишем выражения (6) и (7) в следующем виде:

-r-i:. S.(n)1j

Jl. 4auo

(8)

сг..(Х„г) ,(ш) 45

6)

).

(9)

50

Взяв отношение выражений (8) и (9) и произведя ряд несложных математических преобразований, получим формулу для определения коэффициента температуропроводности

Используя выражение (4), получим |формулу для расчета коэффициента теп- 1лопроводности исследуемых материалов

виде: во

|л е

I °2ТйГТцсг., (Х.,) ;Гг1(пI о

10

.- 20

25

Таким образом, определив число им- пульсов- теплового воздействия пит и значение установившейся температуры соответственно в точках X, и Х, а также зная мощность первого теплового импульса 9р и коэффициент об , по формулам (10) и (11) можно определить 5 значения коэффициентов тепло- и температуропроводности исследуемых тел.

Устройство, реализующее способ неразрушающего контроля теплофизи- ческих характеристик материалов, содержит линейный импульсный нагреватель 1, расположенный на поверхности исследуемого полуограниченного тела 2, термопары 3 и 4, расположенные также на поверхности исследуемого тела соответственно на расстоянии X , и X от линии действия нагревателя и подключенные к коммутатору 5, выход которого соединен с входом усилителя 6, электронный ключ 7, вход 30 которого подключен к выходу усилителя 6, а вход компаратора 8 подключен к выходу электронного ключа 9, вход которого соединен с выходом электронного ключа 7 и запоминающим конденса- 35 тором 10, выход компаратора 8 соеди- нен с одним из входов триггера 11, преобразователь 12 напряжения в час- тотно-импульсньш сигнал, вход которого соединен с выходом усилителя 6, 40 а выход - с цепью управления электронным ключом 7 и через инвертор 13 с управляющим входом электронного ключа 9, а также информационным входом частотомера 14, вхой управле- 45 НИН которого соединен с выходом триггера 11, а выход -. с микропроцессором 15, реверсивный счетчик 16, информационный вход которого подключен к микропроцессору 15, а счетный 50. вход через схему 17 логического совпадения соединен с генератором 18 тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика соединен с цепью управления вентиля 19 и одним из вхо- „

ов логического элемента 2И 17, блока 20 ввод -вывода, подключенного к микропроцессору 15, регистратора 21

0

0

5

5

0 5 0 5 0.

времени, блока 22 питания, подключенного через вентиль 19 к линейному нагревателю 1, блок 23 управления, подключенного соответственно к коммутатору 5, частотно-импульсному преобразователю 12, триггеру 11, генератору 18 тактовых импульсов, микропроцессору 15, блоку 20 ввода- вывода, блока 21 питания.

Устройство работает следующим образом.

Линейный импульсный нагреватель 1 помещают на поверхность исследуемого тела 2 и на заданных расстояниях X, и Х от линии действия источника тепла - термопары 3 и 4 соответственно. При этом нагреватель и термопары теплоизолируют от внешней окружающей среды. Перед началом измерений оператором в микропроцессор вводится через блок 20 ввода-вывода программа, включающая программу-таймер (управления) и подпрограмму расчета тепло- физических характеристик. По сигналу с блока управления триггер 11 приводится в исходное состояние, элемент 2Й 17 и управляемый вентиль 19 закрыты, линейный нагреватель 1 обеспечен, регистратор 21 времени и реверсивный счетчик 16 обнулены, коммутатор 5 соединяет термопару 3 с электронным усилителем 6, включается генератор 18 тактовых импульсов. Подпрограмма таймера составляется с учетом заданного интервала времени между тепловыми импульсами bt и представляет собой вычисление в цикле некоторой операции (например, ехр (10) длительностью с , Перед началом работы в счетчик цикла подпрограм№ 1 таймера водится число 11 1, такое что ui - NI JP . После окончания цикла подается команда на формирование и подачу очередного теплового импульса.

Таким образом, изменяя значение N 1, оператор может задать лубую скважность следования тепловых импульсов. Программа включает в себя также подпрограмму, формирующую длительность тепловых импульсов в соответствии с алгоритмом N 1/1 . При этом мощность, вьщеляемая на нагревателе 1, изменяется в соответствии с зaвиcIiмocтью q ; 0 /i ,

где 0, Н1|о. i,

нагревателя, U - напряжение на выходе

сопротивление

блока 22 питанияjTO - интервал времени, соответствующий длительности первого теплового импульса.

Оператором с блока 23 осуществляется пуск устройства, при этом записывае-тся число N( в ячейку памяти микропроцессора, вычисляется значение кода Nj и заносится полученное значени

из микропроцессора 15 в счетчик 16. При этом открывается элемент 2И 17 и импульсами с генератора 18 осуществляется считывание числа Nj до момента обнуления счетчика 16. Вентиль 19 находится в открытом состоянии с момента записи числа N в реверсивный счетчик до момента его обнуления. При этом через линейный нагреватель в течение времени д с; , которое определяется временем считывания числа NJ из счетчика 17, протекает ток и выделяется мощность q - в о Через время с микропроцессора в реверсивный счетчик заносится число NJ, которое считывается из счетчика за время Л с

То/2 , при этом на нагревателе 1 выделяется мощность q. 6 . и т.д. Таким образом, мощность тепловых импульсов, наносимых на поверхность исследуемого тела изменяется в соответствии с условием разработанного способа (фиг. 2).

Сигнал с термопары 3 через коммутатор 5 и усилитель 6 поступает на один из входов компаратора 8 и через электронный ключ 7 на запоминающую емкость 10, а также на вход второго электрюнного ключа. Управление работой обоих ключей осуществляется импульсами с частотно-импульсного преобразователя 12. Инвертор 13, включенный в цепь управления ключом 9 исключает возможность одновременного открытия ключей 7 и 9, вследствие чего полностью исключается возможность одновременного прохождения сигнала с усилителя 6 на оба входа компаратора В, что в итоге исключает ложное срабатывание компаратора. Потенциал на емкости 10 дискретно изменяется во времени с частотой, возрастающей пропорционально амплитуде сигнала с термопары, при этом на входы компаратора 8 поступает разность потенциалов между постоянно растущим напряжением с термопары и напряжением на запоминакицем конден

0

5

0

5

0

5

0

5

саторе 10. При достижении времени, когда зти нагтряжпшпт стяяут равными между мобой, что COOTI CTCT- вует наступлен1по установившесося значения термограммы нагреяя, компаратор 8 переключает триггер 11, при этом переключается коммутатор 5, соединяя с усилителем 6 термопару 4, обнуляется запоминающая емкость 10, информация о значении установиршейся температуры UfT.t (, ,) частотомера 14 считывается с микропроцессор 15, информация о моменте достижения установившегося значения Т, переписывается из регистратора 21 времени в оперативную память микропроцессора. Далее сигнал с термопары 4 через коммутатор 5 и усилитель 6 подается на один из входов компаратора 8, возвращая его и триггер 11 в исходное положение. Потенциал на запоминающем конденсаторе 10 дискретно возрастает, а разность потенциалов на входах компаратора 8 постепенно уменьшается по мере достижения установившегося значения температуры в точке контроля, расположенной на расстоянии X от нагревателя. При достижении момента времени, когда разность потенциалов на входах компаратора станет равной нулю, что соответствует наступлению протяженного экстремума на TepMorpaNtMe нагрева в точке Xj, компаратор переключает триггер 11, по команде с которого осуществляется считывание измерительной информации о значении температуры TU.J. (Xj, С ) и времени ее достижения соответственно из частотомера 14 и регистратора 21 времени в микропроцессор 15, после чего на блок 23 управления из микропроцессора подается сиг нал, в соответствии с которым блок управления выключает блок 22 питания, коммутатор 5, частотно- импульсный преобразователь 12, регистратор 21 времени. Затем с блока управления подается команда в микропроцессор на обсчет полученной измерительной информации в соответствии с программой вычисления искомых теп- лофизических характеристик на основе формул (10) и (11), при этом число импульсов определяется по формулам п Zr, /л.Т , m .- о /ut . Значения полученных результатов хрлпятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на

91

пндик чторное устройство блока 20 ввода-выиода в любое время после 5кончпния эксперимента.

В таблице приведены результаты экспериментальной проверки изобретения на материала полиметилметакри,пат Рипор для разлцмных значений оС пр постоянной скважности йс 5 с.

Из приведенных данных видно, что для oi 1 время достижения установившейся температурь), которое целиком определяет длительность эксперимента, не превышает 8 мин, в то врем как при проведении аналогичного экс- перимента по способу-прототипу при той же скважности и на тех же материалах составляет не мен ее 45- 50 мин.

Кроме того, уменьшение времени проведения эксперимента следует также из математической модели, адекватно описывающей тепловой процесс в исследуемой системе, так как скорост сходимости ряда, описывающего измене ние температурного поля (выражения (2) и (3)) зависит от мощности тепловых импульсов: с уменьшением мощност тепловых импульсов: с уменьшением мощности каждого последующего теплового импульса сходимость ряда (время достижения установившегося неизменного значения) уменьшается.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет в 5-8 раз уменьшить время проведения теплофизического эксперимента.

Поскольку предлагаемый способ позволяет почти на порядок быстрее, чем в способе-прототипе, достичь устано- вившейся температуры в контролируемых точках исследуемого тела, то это обуславливает также и повьш1ени точности определения искомых параметров за счет уменьшения влияния на результат измерения неучтенных тепловых потерь, вызванньгх утечками тепла через концы нагревателя, термопар, охранного теплоизолятора и т.д., случайных помех, флуктуации, величи- на которых пропорциональна длительности теплофизического эксперимента Кроме того, предлагаемый способ позволяет повысить уровень контролируемой избыточной температуры, что существенно уменьшает относительную погрешность температурных измерений а следовательно, и искомых теплофи- зичес.ких характеристик.

0

1379

0 5

0

0

5

1 О

Предлагаемое устройство программными средствами позволяет реализовать в соответствии с задяиньтм законом мощность тепловых импульсов в линейном нагревателе, техническими средствами регулировать длительность и энергию тепловых импульсов, что значительно расширяет фу11кциог{альные возможности по классу исследуемых. материалов и повьш1ает точность ния теплового режима и, как следствие, точность определения искомых теплофизических характеристик. Кроме того, значительно сокращается время эксперимента за счет создания определенного теплового режима при воздействии на исследуемое тело.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство позволяют на порядок уменьшить время проведения теплофизического эксперимента и повысить точность контроля свойств исследуемых материалов. Формула изобретения

Ч;

.о;. /1 ,

где

9„ мощность первого теплового импульса;

мощность i-ro рсчпульса из серии импульсов, наносимых источником тепла на поверхность тела до момента достижения устанопипшейся температуры;

ч138137912

,2,3... - натуральный ряд чисел, oL - постоянный коэффициент, члены которого соответствуют ч больший О,

последовательности чередова- а искомые теплофизические характерис- ния тепловых импульсов; , тики определяют по формулам:

.l.xLlj iLL -iiSj.A) EjlE-Ll- -biT-z : 2 U.

4if Т,,., (X,.tTs,ImT - .2 TXj.tJ 9o

x

4a Ji(n-v

ZirbtCr crT CxT, ) - i)

N

n, m де X,, X - соответственно расстоя- 15 ние от линии действия источника до точек контроля температуры, м; соответственно число . импульсов, нанесенных на 20 поверхность исследуемого тела источником тепла до моментов времени, когда температура в точке Х( , а затем в точке Х достигнет установившегося значения Т

(x,,t);

уст.,

Ct.i (г i

ut - интервал времени между тепловыми импульсами, с;

---j-;- - соответственно коэффи x(ei

е

11

i 1

циенты тепло- и температуропроводности;

1

. Ci , . . чК

1 (l-i)

где 1 s п, т; k 1, 2.

TXj.tJ S

x

4a Ji(n-v

5 0

5

0

5

0

5

0

5

микропроцессору, регистратор времени, вход которого соединен с информационным входом микропроцессора, блок управления, выходы которого подключены соответственно к блоку питания, преобразователю напряжения в частоту, триггеру, блоку ввода-вывода, регистратору времени, микропроцессору, о т- личающееся тем, что, с целью уменьшения времени определения, в него дополнительно введены вторая термопара, расположенная на поверхности исследуемого тела на заданном расстоянии от линии действия нагревателя, коммутатор, информационные входы которого соединены с термопарами, выход - с входом электронного усилителя, а управляющие входы подключены соответственно к выходу трйг- гера и блока управления, второй электронный ключ вход которого соединен с запоминакнцим конденсатором и первым электронным ключом, а выход - с одним из входов компаратора, причем цепь управления вторым электронным ключом через инвертор соединена с выходом частотно-импульсного преобразователя, частотомер, информационный вход которого соединен с выходом частотно-импульсного преобразователя, а информационный выход - с микропроцессором, причем управляющий вход частотомера подключен к выходу триггера, который соединен также с блоком запоминающего конден - сатора, управляемый вентиль, вход которого соединен с источником питания, выход - с линейным нагревателем, а цепь управления подключена к выходу реверсивного счетчика, счетный вход которого соединен с элементом 2И, причем входы последнего соответственно связаны с выходами генератора тактовых импульсов и реверсивного счетчика.

фиг. У

Фиг.2