Способ неразрушающего контроля теплопроводности теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01N25/18 

1

(21)4398374/31-25

(22)06.04.88

(46) 23.12.89. Бюл.№ 47

(71)Ленинградский технологический институт холодильной промьшшенности.

(72)Е.А.Белов, Г.Я.Соколов и А.Г.Дмитриев

(53) 536.6(088.8)

I

(56)Белов Е.Ао и др. Определение

теплопроводности и температуропроводности твердых тел односторонным зондированием поверхности.- Инженерно- физический журнал, 1985, т.39, Ь 3, с. 463-466.

Белов Е.А. и др. Автоматизированная установка для неразрушающего контроля теплопроводности материалов теплозащитных покрытий.- Изв вузов. Приборостроение о 1985, т.28, № 8, с.86-90.

(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО для ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57)Изобретение касается тепловых испытаний, а именно измерения тепло- физических свойств материалов. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия. Испытанию подлежит теплопроводность теплозащитного покрытия

на металлическом основании. Теплопроводный диск с известной теплоемкостью и температурой, отличной от температуры покрытия, устанавливают на поверхности последнего. Регистрируют изменение температуры диска во времени. После установления регулярного теплового режима охлаждения искомую величину рассчитывают по значениям температур диска в три последовательные момента времени, связанные заданным соотношением. В отличие от прототипа температуры диска отсчитывают не от начальной температуры покрытия, а от произвольного постоянного значения, что обеспечивает повьшение точности. Устройство для реализации способа включает кольцо, концентричное диску, охранную оболочку, термо- статируемый злемент, измерители и регуляторы температур элементов, а также элементы отработки сигналов и управления. Температура кольца и оболочки поддерживается равной температуре диска. Температура термостати- руемого элемента поддерживается на заданном уровне. От его температуры отсчитывается изменяющаяся тeмпepaтy ра диска. Стабильность этого опорного уровня значительно превьппает стабильность исходной температуры поверхности, использовавшейся в качестве опорной в известном устройстве. Этим обусловлено повышение точности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

с

(Л

ел

оо о Х)

-vj

ел

Изобретение относится к тепловым исггытаниям, а именно к области измерения теплофизических свойств материалов,

Цель изобретения - повьшение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия.

На чертеже показано устройство для реализации предлагаемого способа.

Сущность способа состоит в изме рении теплопроводности теплозащитного покрытия на металлическом (т.е. высокотеплопроводном по сравнению с покрытием) основании - посредством регистрации изменения во времени температуры высокотеплопроводного тела, перегретого относительно температуры покрытия и приведенного с ним в теп- ловой контакт.

Способ осуществляют следующим образом.

Тешюпроводящий диск с известной теплоемкостью перегревают относительно температуры испытуемого покрытия и приводит в контакт с этим покрытием. .Регистрируют изменение перегрева диска во времени, отсчитывая его от произвольно заданного постоянного уровня температуры. На регулярной стадии теплового процесса (при постоянном темпе охлаждения) регистрируют значения перегрева в три последовательные момента времени, связанные соотношением

-97 - -Г

- 2 - t, .

Значение теплопроводности покрытия вычисляют по формулам

- ...-. in У. (О

f ( f . -

г (.

v(t-p-v(

G CnyGF/ЗС,

(2) 45

где С - теплоемкость диска, Дж/К; б - толщина покрытия; F - площадь контакта диска и

покрытия;

V - перегрев диска. К; С5 - поправка на поглощение теплоты в слое покрытия; С р - объемная теплоемкость покрытия, Дд/м К.

Йедньй диск 1 теплоемкостью 25 Дж/К и диаметром контактного основания 50 мм закреплен с помощью трех тонкостенных стальных трубок 2 в цент

5 0

5 Q

5

0

5

0

ре кольца 3. Отверстие в -кольце выполнено в виде усеченного конуса таким образом, что минимальный радиальный зазор между диском и кольцом на контактной поверхности составляет 0,5 мм. Кольцо выполнено из алюминиевого сплава и имеет внешний диаметр 250 мм. При указанном соотношении диаметров диска и кольца, в центральной зоне температурного возмущения, создаваемого устройством в исследуемом покрытии, формируется практически одномерное температурное поле. Теплоемкость кольца выбирается исходя из условия превышения собственной скорости его остывания над максимально возможной скоростью остывания диска. Равенство температур кольца и диска обеспечивает замкнутый контур автоматического регулирования температуры, включающий последовательно соединенные дифференциальную термопару регулятор 5 температуры и электрический нагреватель 6, равномерно распределенный по объему кольца. Внеш няя поверхность диска защищена оболочкой 7, препятствующей теплооттоку от диска в окружающую среду. Оболочка вьшолнена из алюминиевого сплава и закреплена через слой высокотеплопроводной пасты на кольце. Благодаря широкой площади их контакта и высокой температуропроводности алюминиевого сплава температура оболочки практически совпадает с температурой кольца. На верхний торец оболочки через теплоизоляционные стойки 8 установлен теплопроводящий блок 9, выполненный из алюминиевого сплава в виде диска, в радиальные пазы которого уложен проволочный электрический нагреватель 10. В тело теплопроводящего блока вмонтирован спай термопары 11, подключенной к одному из входов сумматора 12, который представляет собой операционный усилитель с дифференциальными входами и формируют на выходе электрический сигнал, пропорциональный разности сигналов термопары 11 и источника 13 опорного напряжения. В качестве источника опорного напряжения использован прецизионный стабилизатор напряжения с возможностью изменения напряжения в широких пределах. Выход сумматора подключен к входу регулятора 14 температуры, нагрузкой которого является нагреватель 10, Температурные измерения про

водятся с помощью дифференциальной термопары 15 со спаями, размещенными в диске 1 и теплопроводящем блоке 9, которая подключена к вычислительному блоку 16.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом опыта диск 1 перегревается относительно исследуемого покрытия на 10-15 К с помощью любого внешнего источника теплоты. При этом регулятор 5 температуры автоматическ поддерживает нулевой перепад между диском 1 и кольцом 3. Регулятор 14 температуры обеспечивает поддержание постоянства температуры теплопроводя щего блока 9, которая задается с помощью соответствующей регулировки выходного напряжения источника 13 и выбирается из условия превышения максимально возможной температуры окружающей среды. Это дает возможность надежного регулирования темпе э туры теплопроводящего блока 9 путем выделения необходимой мощности нагревателем 10о После завершения операци предварительного перегрева устройств устанавливают на поверхность покрытия. Вычислительный блок 16 выявляет момент наступления регулярной стадии опыта и обеспечивает измерение перегрева диска в необходимые моменты времени с последующим вычислением теплопроводности по формулам (1) и (2). При этом исходные данные о толщине исследуемого покрытия и объемной теплоемкости исследуемого класса материалов предполагаются известными Теплопроводность покрытия может быть определена по результатам измерения перегрева диска относительно любой опорной температуры, которая в течение промежутка времени Tj - остается неизменной. За счет исключения известного способа о неизменност температуры поверхности покрытия, достаточно удаленной от места тепловго воздействия и отсчета от нее значений перегрева, достигается суще- ственное повышение точности.

Например, при исследовании пенополиуретановых теплозащитных покрытий с теплопроводностью 0,04 Вт/(м К) ошибка в измерении перегрева диска относительно поверхности покрытия с помощью контактного

термоприемника, использованного в известном устройстве, даже при не

5

0

Q 5 0 0

5

значительном перепаде температур между поверхностью и окружающей средой (IK) может составлять 0,8- 0,9 К. Учет этого фактора при общем перегреве диска 10 К приводит соответственно к повышению точности измерения теплопроводности в 1,08 раза. Изобретение может быть использовано для технологического контроля состояния тепловой защиты объектов холодильной, криогенной аэрокосмической техники, строительных конструкций .

Формула изобретения 1. Способ неразрушающего контроля теплопроводности теплозащитных покрытий на металлическом основании, заключающийся в том, что на поверхность покрытия устанавливают предварительно перегретый относительно покрытия теплопроводящий диск известной теплоемкости, изолированный от воздействия окружающей среды, и измеряют iero перегрев на регулярной стадии теплового прюцесса в два фиксированных момента времени, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия, дополнительно измеряют перегрев в третий момент времени, связанный с первым соотношением

- 9 7 -

-з г S ,

а искомую величину вычисляют по формулам

К

. In

) vCTj) - )

б C SF/ЗС,

(1+5);

С j

где Я (

теплопроводность покрытия; толщина покрытия;

V - значение перегрева диска относительно произвольной постоянной температуры;

/

tj - три последовательных момента

времени соответственно;

G - поправка на поглощение теплоты в слое покрытия;

F - площадь контакта диска и покрытия;

объемная теплоемкость покрытия, Дж/м к,

С - теплоемкость диска, Дж/К,

Изобретение касается тепловых испытаний, а именно измерения теплофизических свойств материалов. Цель данного изобретения - повышение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия. Испытанию подлежит теплопроводность теплозащитного покрытия на металлическом основании. Теплопроводный диск с известной теплоемкостью и температурой, отличной от температуры покрытия, устанавливают на поверхности последнего. Регистрируют изменение температуры диска во времени. После установления регулярного теплового режима охлаждения искомую величину рассчитывают по значениям температур диска в три последовательные момента времени, связанные заданным соотношением. В отличие от прототипа температуры диска отсчитывают не от начальной температуры покрытия, а от произвольного постоянного значения, что обеспечивает повышение точности. Устройство для реализации способа включает кольцо, концентричное диску, охранную оболочку, термостатируемый элемент, измерители и регуляторы температур элементов, а также элементы отработки сигналов и управления. Температура кольца и оболочки поддерживается равной температуре диска. Температура термостатируемого элемента поддерживается на заданном уровне. От его температуры отсчитывается изменяющаяся температура диска. Стабильность этого опорного уровня значительно превышает стабильность исходной температуры поверхности, использовавшейся в качестве опорной в известном устройства. Этим обусловлено повышение точности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.