Способ определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплофизических характеристик, состоящий в подводе теплового импульса к поверхности образца, и регистрации момента времени, соответствующего максимуму приращения температуры на некотором расстоянии от места подвода тепла.

Недостатком этого способа является значительная погрешность определения характерного времени.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик мате- риалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линий 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, а также в момент наступления равенства интегральных значений температур осуществления теплового воздействия 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 значению температуры той же точки после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым имVJ

hO 00

41

СП

ел

пульсом, равным по мощности первому, и т.д. измеряют частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам.

Недостатком данного способа является низкая точность определения теплофизиче- ских характеристик, обусловленная необходимостью определения интегральных значений температур до наступления максимума температуры и после него, а также необходимостью определения времени наступления максимальной температуры,

В известном техническом решении осуществляют тепловое воздествие по прямой линии на поверхность исследуемого тела импульсами одинаковой мощности с частотой следования, определяемой из соотношений интегральных во времени измейений температур в контролируемой точке поверхности,

Однако при этом не обеспечивается достаточная точность контроля теплофизиче- ских характеристик ввиду использования некорректной математической модели обратной задачи теплопроводности. Частота следования тепловых импульсов является величиной, зависимой от времени, что не позволяет производить измерения коэффициентов тепло- и температуропроводности.

Цель изобретения - повышение точности определения.

На чертеже показана схема осуществления способа.

Предлагаемый способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов реализуется следующим образом.

На теплоизолированной поверхности испытуемого образца 1 располагают линейный нагреватель 2, а на расстоянии xi от него - термопару 3, электроды которой сварены встык и расположены параллельно линий действия источника тепла. Тепловое воздействие осуществляют импульсами постоянной мощности.

После подачи первого теплового импульса температура на линии действия источника тепла (датчик температуры может быть конструктивно совмещен с нагревателем) равна

T(° )eT5tfr 0)

а на заданном расстоянии хт от линии действия источника равна

-xi

T() 4аГ®

где Q - энергия импульса в расчете на единицу длины нагревателя;

А и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала:

т- время,

Регистрируя после подачи теплового

импульса отношение температур, получают

Ј

- Т(О.г) .1Тг T(xi, г)

а

(3)

при этом экстремум температурной кривой T(xi, т) соответствует равенству:

xi

- t макс

(4)

4а а следовательно

а е.(5)

В момент времени т - т макс на линии действия источника тепла формируется второй тепловой импульс. Величина а при этом определяется соотношением

( Т Т макс )

„ Т(0.г)+Т(О.Г-Гмакс ) (р.

T(x,r)+T(xi,t:-rMaKC ) . w При этом соотношение температур с учетом (4) равно

«2

(7)

5

Далее осуществляется формирование третьего теплового импульба на линии действия источника тепла.

Величина «з равна

«з

14-1+1 1 +2 + 3

е 1+ |e 2

1 -1 + 1е з

(8)

0

5

По аналогии соотношение температур 0 после формирования n-го импульса в момент времени т - п гмакс с учетом формул (4) - (8) принимает вид

Пл

Е 1

5

On

JL, I, k 1 к

(9)

Ј1-1

I 17е k

k 1 к

k 1,2,3п.

Таким образом, осуществляя дополнительное воздействие кратковременными тепловыми импульсами на линии действия источника тепла в моменты времени, когда соотношение температур а достигает значений «1, «2 .... On получают поток элект- рических импульсов, выделяющих на линейном электронагревателе .тепловую энергию. Частота следования этих импульсов может быть определена из уравнения (7):

F ,(10)

x максv

Из выражения (10) следует, что частота следования импульсов F прямопропорцио- нальна коэффициенту температуропроводности исследуемого материала.

После подачи первого теплового им- пульса( Т 0)температура на расстоянии xi от линии действия источника в момент времени г гмакс равна

(xi, Г макс ):

Q

„-1

(11)

2 7Г А Т макс

После подачи второго теплового импульса ( т - т макс ) температура на расстоянии xi от линии действия источника при т 2 г макс равна

Т2 Т(Х1,2 Г макс )

- Q- (с-т

2 л: А Г макс V

а после воздействия третьего теплового им+ Је-2 ),.(12).

Q

2 ЛГА Г макс

пульса (Х1,3 Гмакс ) 1 1 -1 1 -1

х( 2 з ).(13)

По аналогии после воздействия п-го теплового импульса температура в момент времени t - n r макс равна

Q

Т„ - Т(Х1, П Тмакс)2яЯгмакс

I r еЧ(14)

k 1 к Следовательно, соотношение температур

1

Ti:T2:Ta-...:Tn e V1+ -е 2):(е1+|е 2 +

1 1 А 1 1

- е з ).; Ј г е k

6k 1 k

На основании формулы (14) получают Р -2Јпр Я(1б)

Соотношение (15) между температурами Тп (п 1, 2, ...) позволяет производить статистическую обработку результатов измерений температур для повышения точности определения Ti T(xi, гмакс ) в формуле (16).

Методом математического и машинного моделирования на ЕС 1840 выполнен расчет избыточной температуры при xi ,

Q 50 Дж/м, А 0,1 , а м2/с ,

М IX ,

а также при воздействии теплового импульса в момент времени т 0 (рассматривают

0

5

0

период между первым и вторым, импульсами).

При известных коэффициентах тепло- и температуропроводности значение объемной теплоемкости равно

С 3,333 105 .

.ам3К

На основании полученной термограммы нагрева определяют момент времени Гмакс 0,83 с и соответствующее ему значение избыточной температуры Ti 35,3°С.

Из формул (10) и (16) следует, что частота F равна 1,2 гц.

Из условия равенства (13) и (19) 4 л 2ЈгеТ1 ,

Q Я

определяют отношение, используя термограмму нагрева:

А 4Q , 05 Дж

а -ер- 2 -3.317-10 -з-

2яеТ1хЗ

м°-К

25

30

35

40

45

50

55

которое подтверждает достоверность полученных результатов в пределах погрешности расчета д (с/о) 0.5%.

Использование изобретения позволяет повысить точность определения теплофизи- . ческих характеристик материалов. Формула изобретения Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала линейным источником тепла, измерение температуры поверхности материала на заданном расстоянии от источника тепла и частоты следования тепловых импульсов с последующим вычислением искомых характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют температуру на линии действия источника тепла, а импульсные тепловые воздействия производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответствуют ряду чисел

H

где k - натуральные числа, 1, 2, 3п;

п - количество тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитывают по формулам:

a Xi2F/4; A QF/2rc eTi. где а, А -соответственно коэффициенты температуропроводности и теплопроводности;

Q - количество тепла, выделяемое единичным импульсом на единицу длины источника тепла;

Xi - расстояние от источника тепла до точки измерения температуры на поверхности материала;

F - частота следования тепловых импульсов;

Ti - значение температуры в точке на расстоянии Xi от источника тепла в момент времени, когда соотношение температур равно натуральному числу е.

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. Цель изобретения - по вышение точности. Иа исследуемой поверхности материала/устанавливают; линейный источник тепла, осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие на материал и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой линии. При этом импульсное тепловое воздействие производят в моменты времени, когда соотношения измеряемых избыточных температур на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от нее соответству1 ют ряду чисел Ј / i le ,rflek k 1 k И - натуральные числа (k 1. 2, 3n), n количество тепловых импульсов, е - натуральное число. 1 ил. СО С