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

Изабретение относится к техни эс.- кой физике,, в частности к теплофи- эическ -5М измерениям, и может найти широкое применение в народном хозяйстве при производстве иск| сственны: : мат ериалов и изделий иэ них,,

и.елью изобретения является расп и- рение функциональных возможностей способа и повышение точности измера- 13ИЯ теплофизических карактеристик мате риалов,

Сущность способа заключается в следующем,

На теплоизолированную поверхности исследуемого тела помещают линейный источник тепла заданной мощности и осуществляют тепловое воздействие : импульсом. Затем определяют I интервал времени (мгт, и liffAnn от на :чала теплового воздействия до момен:та,, когда температура в точках коит- роля к - и X 2 станет, равной первона™ чальной; после чего, определяют минимальную частоту следования импульU-i-.- i..

V . ..

COB F,uH MWH In9/1 .„1

(. I ММП,. UMR j

при которой не происходит роста температуры S исследуемом теле„ Увели- частотз подачи тепловых импуль

сов по закону

„ „11....„fi;

,и« измт °

ЗйА ,

Т „5,,

,

dT-Ijc, -Т у,,

-эначснче лЗбытoчv|oй тв mepaт s pы в первой т очке ко кт рол я;

наперед заданное зна чение температуры| разность значений

температур,. Увеличение частоты следования теггЛСВЬ Х ;Ф5П УЛЬСОВ В СООТВ ТС ТЗКИ С уКа

занкоА занисж -юсть о осуш1:;:ствл.я1от до тех нэра };ока устаяовившс:еся -н/нтег- paj-i-Koe значение контролируемой тем- лер туры в точке контроля к, не стга- нег равньм наперед заданному значе- ншп Тдд. J ; спредаляют при этом частоту сле до:йания иг-1пульсок; i Зате/м цродолжают увеличение частоты следования тепловыя.импульсов по указанной зависиугосги до тех пор,; пока ус-- тановившееся значекче избыточной та:м пературы до втсфой точке контроля Х7. станет равным наперед зч-дакноку

ченшо i

а к ft.

И определяют соответстнующуго этому тепловоьзу режиму час- тоту следования теплрвыч импульсов

FX,.

Установившееся значащие температуры достигается в точлах контроля тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуру в этих точках По найденны.м значениям частот и F J, J интервалам жизни им°- пульса яА.п,5 fu.n рассчитывают искомые теплофизи цеские характеристики исследуемого материала на основании формул, полученных на основании следующих рассуж;п,енийJ

Процесс распространения тепла на теплоизолированной поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при действии линейного источника тепла описьгоается решением задачи теплопроводностИэ которое имает вид

Т(хС. .9„,

х

- j-&Tf: }, Aa cF TJ

(2)

где Q мощность линейного импульсного источншса тепла (Вт/м); ; д 5 а - соотватственио козффшдиен- ты тепло- и температуропроводности;

X - расстояние от линейного ис- .точккка тепла до точки контроля j М.| О время (с) I

I. момент нанесения i-ro тепло- 1

Еого т- пульса на поверхность

тела.

При нанесении одного теплового иульса изменакие:температуры в точке контроля определяется соотношением (2).

По заданной - чувствительности измерительной аппаратуры - из решения уравненкл

:..У.„ . (,„ е„ - 1,-1 /;. л.. - 5 4аС

(3)

определ55втся и 1, а акже икт ер- валы времени жлзни тепло вого -rf-inyj b--- са

, : .- : -

Получекпьй ик 1 ервэл 1 полность определяет количество импульсов;, вли на устанокившуюся температуру 3 точке коктрол в момент измерения i v,e,. гелм 1;.- вре подачи гда- П;,;;ьпа не принадлежит ик Гйрвалу t i-;№ то OK не влияет на тям- п,йратуру в точке контроля, Количест- Е-;; 5Ф411ульсоИ5 подаваем; ; на интеряале 1ммп с частотой F, определяется- соотношением

п Е(„„п-Г), (А)

где Е(х) - функция целая части числа х.

Таким образом, для двух точек контроля, расположенных на расстоянии Xi и х от линии действия источника тепла, находятся интервалы времени жизни импульсов имп, , t wMn из решения уравнения (3), Увеличивая по закону (1) частоту подачи импульсов, определяют частоты F и Fjj, при которых достигается установившееся заданное значение температуры , в точках контроля X и х соответственно. Из.соотношения (4) находят число импульсов П-,, Hj, влияющих на

температуру в Хд1

точках контроля х и

(,„,-Р)Е();

де F

П2 E(,Fx,)E(, г импл

1

ИАЛП, ,Е.

UMfij

(5) (6)

25

имп,

F

1

«МП,

1 wмп

- минимальные час-30 тоты подачи импульсов для соответствующихточек контроля,

Установившаяся температура в ре- 35 ультате действия серии импульсов в

и X л на основании

токах контроля х ,

(2) будет выражаться соотношениями:

.а

х,

Т,

,

4айФ, i

Ъ --Г

1

Ге

IslEj i 4ai

(7)

x.

v2- Sa dl, e 7-

9 Fvi у

2Тл- I- е

1 1

xtF xt 4ai i

(8)

Xi

л l/Fj{ - расстояния между

передними фронтами импульсов на интервалах ц„„ и решения системы (7) (8) относительно « и А воспользуемся разлов ряд е

00 I

У - i.

а так как

значение X близко к нулю, ограничимся в разложении двумя слагаемыми:

М Т7. Л- . .

(9)

ur

Т 9S--1 у 1 - ,y 1 I

21ГЛ I .fr,4а I

г

Т 2F.j|y I - ilii L ПО)

3«А221ГЛ iДа ,nj °

Поделив (9) на (30) выражаем

П2

. )% ,Ь

Г) г: ям ..«.«....K..H..v...,..w «

25

4(F, Hi 1

г-

(П)

Для определения коэффициента теплопроводности найденное значение ко- коэффициента подставляют в (7)

У 31

/lifNm /-.--

4ai

2 IT

ЗЯА, Ч-1

(12)

Возможно и иное осуществение способа. Применяется только один тепло- приемник. После определения частоты тепловых импульсов F .соответствующей равенству текущего значения температуры наперед, заданного в точке контроля, увеличивают частоту тепловых импульсов до тех пор, пока значение избыточной контролируемой температуры в этой же точке не достигнет второго наперед заданного значения Тз„ . Определяют при этом частоту тепловых импульсов F,f., а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам, полученным следующим образом.

Система уравнений (9) - (10) для этого случая будет иметь вид:

wiHsb l effl

(13)

55

Т . . l21 Т 41 L1r,i 4а , (14)

Лосле несложных математических пре- о&разований (53) и (14) получим еле дующие формулы для определения KO3(|i- фициентов тепЛо- и температуропроводности:

1г

X,- Рхл

, е - 4ai

„.„.«.,„„.

(16)

На чертеже показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство для неразругвающего |контроля теплофизических характе™ ристик материалов состоит из лилейного импульсного нагревателя 1, расположенного на поверхности ис с4 едуемого полуограниченного твjia 2f термопар 3 и 4;, располо

женных ТЕкжа ка повархности ксследуе мого тела соответственно на рас.стоя 30 1нни X, и :я: от линии действия ке ;точника телша. н подключенных к jкг 5мytaтopy 5,, выход которого соединен с усилителем 6 постоянко- ro TOKHs который через первый 35

логический элемент 2И 7 подключен к анплитудно -гчастотному преобразовате- |яго 8 напряжения выход которого сое- инен с-вкодом первого счетчика 9 им-., ПУЛЬСОВ, информационный аыкод кото 40 iporo подключен к первому в коду вычк- тающего ус-тройства 10, а второй его йход соединен, с информациок лым выходом второго йчетчика 1 имнульсов, : вьгчиташщего У - Ройства 10 сов 4S динен с ОДНИМ из ииформационнык входов Микропроцессора 2 другие входы которого по1- ттчепы соответственно и блоку ввода-вывода S3, блоку 1.4 уя раалекиЯл генератору 15 тактовых Ш4- gg лульсоЕ,..а управлятщие вь.г:одь мжсро- процессора 12 подклк;чены сооткйт- ственьго к первому .управ.ляемок- / дели- a ejJio 16, выход которого соединен с блоком 17 питания нагревателя аgg

вход - с генерат.орок 15 тактовых ям- ПУЛЬСОВ;, S втором; / управл.яемому дели- Tej®) 18 частотьз, вход которого соединен с генератором 15, а выход - с

5

0

6

0 5

0 S g g

управляющим входом вьтитаютдего устройства 10.

Выход усилителя 6, кроме того, через второй логическда элемент 2И 19 соединен с одним из входов компаратора 20,.второй вход которого соединен с блоком 14 управления, а вькод - с регистратором 21 временид информационный выход которого пoд лючeн к микропроцессору I2j а управляющий вход - к блоку 14 управления, другие выходы последнего соединены соответственно с управляющим входом коммутатора 5, генератором 15, блоком 17 пи- -тания напУевателя,, с входами первого 7, второго 19 и третьего 22 логическими элементами 2Е. причем второй вход логического элемента 22 подключен к генератору 15 а выход - к второму счетчику П импульсов. Кроме того, управляющие входы счетчиков 9 и 11 соединены с управляющим выходом кo 5мyтaтopa 5.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений по команде, с блока 14 управления устройство приводится в исходное состояние: коммутатор 5 подклк чает термопару 3 к усилителю 6j счетчики 9 и 11 обнуле ньц логические злe зeнты 7 и 22 закрыты, элемент 19 открыт Затем по команде с блока 14 управления источник 17 питания подает импульс на нагреватель 1, при этом шГлючается регистратор 21 времени и на второй установоч вый вход компаратора 20 подается опорное напряжение, величина котор ого соответствует сигналу термопары при начальной температуре Т или на 1-2% вьпае TUS а, на первый вход компаратора поступает усиленное напряжение с термопары 3, Через интервал времени има, соответствующий времени действия (соэдання избыгочной температуры в кoнтpoлйpye гoй точке х,) одного тепловогэ гмпульсз термоЭДС на пер- BOT-S вкоде компаратора 20 станет равной заданному опорному напряженгло U|j., конпаратор переключается и подг- .ет сигнал н-з. считывание информации об интервала времени ««ги регист- рато&а 21 времени Б ячейку памяти мш ронроиессора 12, Затем акалогич- HoQv образом определяется .п времани S, , соответствующий време-- ни действия одного теплоЕог о икпуль- сз ri точке у. , oniieju.-isu TCP MViH iMrinb ММП, и U«r,i его

значение вводится в ячейку памяти

ныи интервал из

микропроцес-;ора. По команде с блока управления Б микропроцессор вводится подпрограмма управления работой делителей 16 и 18 частоты, а также подпрограмма расчета искомых теплофизи- ческих характеристик. На основе введенной информации об интервале времени

имп

вычисляется мини1-1альная

15

частота следования тепловых импульсов FMHH- / имп и на управляемый делитель 6 подается команда, в соответствии С- которой частота генератора 15 делится блоком 16 на число N FQ после чего с 6noka управления подается сигнал на запуск генератора 15, открытие элементов 22 и 7, закрытие элемента 19. При этом на исследуемое тело с нагревателя 1 подаются тепловые импульсы с частотой - PfeHK счетчик I1 поступают импульсы с генератора J5 частотой F. Сиг- гал с термопары 3, усиленный усили- 25 телем 6- поступает «на амплитудно-час- тотный преобразователь 8. На счетчик 9, работающий в режиме суммирования, поступают импульсы, число которых

20

микропроцессора и из него же подает ся на блок управления команда, по которой коммутатор 5 подключает к усилителю 6 термопару 4, счетчики 9 и 11 обнуляются по сигналу, которым переключается коммутатор, и про цесс измерения и адаптивного измене ния частот на управляемых делителях 16 и 18 осуществляется по тем же ал горитмам управления, что и в. экспе- рименте.для точки коптроля. В времени, когда Т ст в точке х-; стан равным Tj 3, , фиксируется частота следования тепловых гмпульсов F х и осуществляется на основе ной-измерительной информации расчет искомых теплофиз -гческих характеристик по алгоритму, построенному в сопропорционально интегральному во вре- Q ответствии с формулами (И) и (12).

мани значению температуры в контролируемой точке х. Число импульсов в счетчике 1 растет пропорционально интег-ральному во времени заранее заданному значению температуры 1,;,, . Если коэффициент пропорциональности в преобразователе 8 установить равным 2/Fo, т.е. F eoffp 2/Fo; Tj,, где Tyj - текущее значение температуры, F itpeofp частота на выходе амялитуд- но-частотного преобразователя 8, то на выходе вычитающего устройства 10 будет сигнал, величина которого равна разности между интегральными во времени текущим значением тег-ятера- туры TSHV и заданным. Т s звл - S Зад 1 Т S wjM

По сигналу с выхода второго управляемого делителя 18 частоты информация с вычитающего устройства заносится в оперативную память микропроцессора, где в соответствии с алгоритмом определяется величина, на которую увеличивается частота следования теп- ловьт импульсов, т.е. /JF

При этом на второй управляемый делитель 10 подается сигнал, по которо- му частота считывания.информации с вычитающего устройства увеличивается обратДТ5

йТ. Таким 028928

но пропорционально велмчине образом, частота следования тепловых импульсов адаптивно увеличивается до тех пор, пока интегральное во времени значение станет равным ., при этом ЛТ5 0. Это будет когда установиви1ееся

S г«А, в том случае,

значение температуры Т,

станет равным Т

S ЭОГД/

в точке X Значение час5

5

0

тоты Г„ при этом заносится в память 1

микропроцессора и из него же подается на блок управления команда, по которой коммутатор 5 подключает к усилителю 6 термопару 4, счетчики 9 и 11 обнуляются по сигналу, которым переключается коммутатор, и процесс измерения и адаптивного изменения частот на управляемых делителях 16 и 18 осуществляется по тем же ал- горитмам управления, что и в. экспе- рименте.для точки коптроля. В времени, когда Т ст в точке х-; станет равным Tj 3, , фиксируется частота следования тепловых гмпульсов F х и осуществляется на основе ной-измерительной информации расчет искомых теплофиз -гческих характеристик по алгоритму, построенному в со,.

Q ответствии с формулами (И) и (12).

5

0

Найденные значения о и хранятся в оперативной памяти микропроцессора и Mors T быть вызваны оператором на индикаторное устройство блока ввода7вы- вода в любое время после окончания эксперимента,

При реализации способа с одним . теплообменником измерительная информация снимается только с термопары увеличение частоты слев точке X

1

дования тепловьк импульсов осуществляют с частоты F .j-. и до момента равенства текущего значения интегральной температуры TS;,,, и наперед

5

заданного значения Т

TjoiA2

Si«A2

причем

зад.

Найденное при этом зна0

5

чение частоты F вводится в оперативную память микропроцессора, а искомые тeплoфиз г iecкиe характеристики рассчитывают по алгоритму, построенному в соответствии с формулами (15) и (16).

Недостатком известного способа является фиксированная частота подачи тепловых и1- пульсов, которая выводит тепловую систему.на установившуюся температуру, часто превышающую температуру термоин.дукции исследуемого материала, В пред,пагаемом способ

9

tiojivi4HHa уотановивгаейся температуры задается на меньше температуры, при которой происходит нару- ыение целостности материала, а частота следования тепловых импульсов, при которой достигается эта температура, определяется адаптивно и ав- :тематически. Это позволяет применять предлагаемый способ практически дпя |любого твердого материала, что расти- |ряет его функциональные возможности

Повьшение точности предлагаемого способа происходит по следующим .причинам, В известном способе измерительная информация о температурно- временных изменениях в тепловой системе снимается в аналоговой форме В предлагаемом способе вся измерительная информация определяется в дискретной форме, что повыйает помехозащищенность способа, а следовательно, и его точность. В известном способе о наступлении установившегося значения температуры судят по измерениям на интервале времени,.величина которого равна скважности, и случайные отклонения температуры вызывают нев.арног определенна на этом малом интервале времени момента дос тнжения устаковившейся температурь В пре.цлагаемом адаптивном способе момент достижения заданной температуры не определяется 5 а пакодится установизшаяск частота которая яв- .пяется инфррматизнь м. параметром н опредепяется ка большом интервале Бремени, что исключает влияние случайных погрешностей и повышает точность определения искомых характе - ристик.

Onнoвнь : преимуществом пред.тшгае - мого устройства является возможность адаптивной автоматической подстройки часточъ следовеяия теплозых импупь- сон под заданное значеннр. температуры магрева исследуемых изделий, что дает возмохжость с помощью дакного устройства исследовать практи-чески все твердые материалы и изделия кз них Кроме TorOj получение кзмери- - те.пьной информации о чйс-.тотно-им - пульсной форма, ее цифровая обработка снижает погрешности чскомык тепло физкческик характеристик за счет уст ранения температурно-враменнык дрейфов, повьЕпает помехозаид-щенность уст ройства и достоверность р-езультатоз измерени.я. згаел - ивает оператг-шность

02892 0

измерения, что в конечном счете повышает производительг ость измерений и точность.

Формула изобретения

1, Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящий в тепловом воз IQ действии в плоскости контакта иссле- дуемого полуограниченного тела и теп- лонзолятора от линейного источника тепла импульсами постоянной мощности, измерении избыточной установившейся

15 температуры в разных точках плоскости KOHTaKta исследуемого тела и теп- лоизолятора, расположенных на фиксированных расстояниях от линии действия источника тепла, о т л и ч а 20 ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности определения искомых теплофизических характеристик.

определяют интервалы времени Г

WM(ti

-н/ипг т момента подачи одного теп- лового импульса до моментов времени, когда температура в контролируемых точках станет равной ее первоначальному значению, затем устанавливают

минимальн по частоту следования тепловых ш-тульсов м.и т;;;/ тЬ;

и начинают увеличивать частоту сле- дозания тепловык импульсов в cuoi- ветстБИи с зависимостью

Л Т

AW - F ,р/THJI --5 р

ЗОЙ ,

„ .

где Т yjij - значение избыточной

температуры в первой точке контроляf - наперед заданное зна™

чение температуры

ЛТ-Тздд --1.,;,, - разность между заданным и контролируемым знач ;ниями температур j

определяют такую частоту тепловык им пульсов при которой установиншееоя значение г- збыточной температуры в первой точке кситроля; расположенной на еггю1л-ен расстоянии от линии дей- всточкикз теплй 5 станет рав- :-a.jS4 наперед задан.ному значению Тзад , затек продолжают увеличивать частоту след-сзанйя тепловых - п ульсоь по ука- заикой пераойачальнс зависимости до

3«ft.,

I ); 4U/:t

тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры во второй точке контроля станет равным наперед заданному значению Тз, и определяют эту частоту следования тепловых им-- пульсов а искомые теплофизические характеристики определяют по форму- лам

92I

чмк у , блок ввода-вывода5 соеднр ертнь/и с микропроцессором, компаратор и регистратор времени, выход которого подключен к MI-IKропроцессору, блок управления, соединенный с компарато- рсм, регистраT opor-i времени, блоком ввода-вьюода и микропроцессором,

о т л и ч а ю LU е е с я

что,

Изобретение относится к технической физике, в частности к тепло- физическим измерениям, и может найти широкое применение в народном хозяйстве при производстве искусственных материалов и изделий из них. Целью изобретения.является расширение функциональных возможностей и повы шение точности измерения теплофизи- ческих характеристик исследуемых ма- -териалов. Способ неразрушающего кон-г троля теплофизических характеристик материалов состоит в тепловом воздействии в плоскости контакта исследуемого полуограниченного тела и термоизолятора от линейного источника тепла импульсами постоянной мощности, измерении избыточной установившейся температуры в двух точках плоскости контакта исследуемого тела и теплоизолятора. Устройство содержит источник питания и нагреватель, тем- мопару, преобразователь напряжения в частоту, блок ввода-вывода, компаратор и регистратор времени, блок управления. Новьм является то, что в способе определяют интервалы от Момента подачи одного теплового импульса до момента времени, когда температура в контролируемых точках станет равной ее первоначальному значению, устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов и начинают увеличивать частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью, определяют такую частоту импульсов, при которой установившееся значение избыточной температуры в первой точке контроля станет равной наперед заданному значению, продблжают увеличивать частоту следования тепловых импульсов по первоначальной зависимости до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры во Второй точке контроля станет равным наперед заданному значению и определяют частоту следования тепловых импульсов. JS устройство дополнительно введены вторая термопара, коммутатор, три логических элемента, два управляемых делителя частоты. 1 з.п. ф-лы, I ил. с сл to Об CD IC

f f: ijL:J : :illlj. -.-«--,«.«.-.--.-.-.-.-.«.-.«-,«.

№х„1. т F,T|)

М

15

п, „

. QF«iу 4ai

----- ji т ,

SOA,

Л , я - соответственно коэффици 2о енты тепло- и температуропроводности, Вт/(м.К), MVc;

X IJ.K - расстояния от линии действия источника тепла до 25 точки контроля тейперату- ры, м;

j( , - X частоты следования тепло вых импульсов., при которых устанавливается задан- зо ная температура Т j .в точках контроля х и х соответственно, Гц; , Q - мощность линейного ш-тульс- ного источника тепла, Бт/м;

п, Ecf i - -); п E(|-fM;

35

мин

мин

Е - целая часть числа х, 2. Устройство для неразр шающего . контроля теплофизических характерно тик материалов, содержащее нагреватель с источником питания, первую

термопару, подключенную к усилителю,

преобразователь напряжения в частоту, подключенный к реверсивному счет™

0

5

о

5

о

35

0

4В

с целью расширения функциональных возможностей устройства и повьгшения .точности измерений, в него дополнительно введены вторая термопара, расположенная на поверхности иссле- дуемйго тела на расстоянии х, от линии действия источнг-пса тепла, коммутатор, информационные входы которого соединяются с термопарами, пы- ход - с усилителем, а управляющий вход - с блоко { управления, три ло- пиеских . первый из которых включен между выходом усилителя и входом амплптз дно-частотного преобразователя, второй - между вь ходом усилителя и входом компараторов, а третий - между выходом генератора и входо второго счетчика, причем вторые входы всех трех лоп-гческих эле ентов 2И соединены с блоком управ- лення, а информационный выход второго счетчика подк:1Ю-чен к одному из вхсдов вьгчитаюп его устройства, второй вход которого соединен с инфор- маипоннЬ М выходом первого счетчика, причем выход вьгчт тающего устройства соединен с одним из информашюнных Бходов микропроцессора, чва управляемых делителя частоты, управляющие входы которых подключень; к микропро- ueccopyj . первого делителя сое- с блоком питания нагревателя, второго с вычитающим устройством, а информационные входы делителей подключены к генератору тактовых да1пуль- сов 5 кроме того, выход ког 5мутатора соединен с управляющим входом счетчиков ,

ж

II

M

if

o

СЧ1

щвЛ чаахияЛравааак

ЕптЕ

J

рф