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

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности.

Известен способ определения теплофизических свойств твердых материалов, включающий нагрев поверхности эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником энергии, измерение начальных и предельных избыточных температур поверхности эталона и образцов по

линии перемещения источника энергии датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника энергии, и определение коэффициента теплопроводности по расчетной формуле.

Недостатком данного способа является ограниченность функциональных возможностей, обусловленная неспособностью комплексного измерения теплофизических свойств материалов, а также низкая точность результатов измерения, обусловленная тем, что ввиду отсутствия информации о теплофизических свойствах исследуемых образцов не представляется возможным усVI

ч

00

о ел

00

тановить расстояние между термоприемником и источником энергии, а также скорости их движения такими, чтобы уровень измеряемой предельной температуры удовлетворял бы по разрешающей способности точности требования, используемой в эксперименте контрольно-измерительной аппаратуре.

За прототип принят способ определения теплофизических свойств материалов, включающий нагрев последовательно установленных эталонов и образца подвижным точечным источником энергии и регистрацию избыточной предельной температуры поверхности эталонов и образца вдоль линии движения источника энергии датчиком температуры, перемещаемым относительно образцов и эталонов с одинаковой с источником энергии скоростью с фиксированной задержкой относительно источника энергии, смещение области измерения температуры на эталонах и исследуемом образце на линию, параллельную линии движения источника энергии, и измерение при этом избыточной предельной температуры с последующим определением по расчетным формулам искомых теплофизических характеристик.

Недостатком данного способа является отсутствие поиска такого расстояния между термоприемником и источником энергии, при котором измеряемая избыточная температура, являющаяся информативным параметром, имела бы максимальное значение для данного режима теплового воздействия.

Целью предлагаемого изобретения является оптимизация режимных параметров теплофизического эксперимента и повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых образцов.

На фиг. 1 приведена схема расположения источника тепловой энергии и датчика температуры относительно исследуемого тела в процессе ее измерения. Схема включает точечный источник тепловой энергии 1 и датчик температуры 2, регистрирующий температуру поверхности исследуемого тела по электромагнитному излучению, перемещаемые относительно исследуемого образца 3, Выход датчика температуры 2 подключен к информационным входам электронных ключей 4, 5 и 6, управляющие входы которых соединены с управляющими выходами микропроцессора 7, а выходы ключей 4 и 5 подключены к запоминающим устройствам 8 и 9, которые через электронные ключи 10 и 11 соединены соответственно с первыми вторым входом вычитающего устройства 12. Выход вычитающего устройства 12 через усилитель мощности 13 подключен к реверсивному двигателю РД 14, вал которого кинематически соединен с реохордом потенциометра 15 и механизмом

перемещения 16 термоприемника 2 относительно источника 1. Потенциометр 15 подключен к источнику стабилизированного напряжения 17, а реохорд потенциометра подключен к цепи питания двигателя по0 стоянного тока 18, вал которого кинематически соединен с механизмом 19 перемещения источника и термоприемника относительно исследуемого изделия, а также соединен с тахогенератором 20, выход

5 которого подключен к информационному входу микропроцессора 7. Термоприемник 2 соединен с информационным входом датчика положения 21, регистрирующего расстояние чиежду термоприемником и

0 источником тепла, причем выход датчика 21, а также и управляющий вход, подключены к микропроцессору 7.

Сущность способа заключается в следующем. Включают источник энергии 1 и на5 чинают перемещение его и датчика температуры 2 над исследуемым телом 3 с некоторой постоянной скоростью VH, величина которой берется такой, чтобы при выбранной мощности источника избыточная

0 температура исследуемого тела была небольшой (10-15°С).

Датчик температуры 2, движущийся при этом по линии, параллельной линии перемещения источника энергии с отставанием от

5 него, будет регистрировать предельную избыточную температуру нагреваемой поверхности, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева, причем зависимость избыточной температуры

0 поверхности от расстояния между термоприемником и источником энергии для различных скоростей их движения относительно исследуемого тела имеет вид, представленный на фиг. 2, Затем меняют

5 расстояние между точкой контроля избыточной температуры и центром пятна нагрева источника энергии до тех пор, пока контролируемая избыточная температура в точке ее регистрации достигнет максималь0 ного значения Тмакс(Нопт) (см. фиг. 2). Поиск экстремального значения Тмакс осуществляется следующим образом. По команде с микропроцессора 7 открывается ключ 5 и информация об избыточной температуре

5 ТИзб(Р2н) с датчика 2 заносится в запоминающее устройство 9. Затем по сигналу с микропроцессора механизм перемещения термоприемника 16 изменит расстояние между источником энергии 1 и термоприемником 2 на расстояние равное 0,5-1 мм.

Далее по команде с микропроцессора открывается ключ 4 и информация об избыточной температуре ТИзб(Кн+ Д RI) с датчика 2 заносится в постоянное запоминающее устройство 8. По сигналу микропроцессора 7 открываются ключи 10 и 11,на вычитающее устройство 12 подаются сигналы с запоминающих устройств 8 и 9. Разностный сигнал AT(R) Тиэб(Р н-ТИЗб(Кн+ ARi) усиливается усилителем 13 и подается на реверсивный двигатель 14, который в соответствии с зависимостью ARi К ЛТц) (1) переместит термоприемник 2 относительно источника энергии 1. Затем информация с датчика 2 Тизб(Р2) через открытый ключ 5 заносится в запоминающее устройство 9, при этом предыдущая информация Тизб(Нн) в этом устройстве стирается. По команде с микропроцессора 7 открываются ключи 10 и 11 и с вычитающего устройства разность AT2(R) Тизб(Рн+ ARi) - T(R) через усилитель 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от знака и величины разности AT2(R) и в соответствии с зависимостью (1) переместит термоприемник 2 в точку Ra. Перемещение термоприемника в соответствии с вышеописанным циклом будет осуществляться до тех пор, пока разность ATj(R) Тизб((Км) станет равной нулю. Это будет соответствовать экстремуму функции Тизб), т.е. в точке ТМакс(Р|опт) )(СМ. фиг. 2).

Затем постепенно уменьшают скорость движения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца в соответствии с зависимостью V VH - Д V (2), где VH - начальная скорость движения источника термоприемника Д V .1 -T(V), Тзад.1 - наперед заданное значение температуры, величина которок задается меньшей на 30-40% от температуры термодеструкции исследуемого материала, К - коэффициент пропорциональности, величина которого задается, например, в диапазоне от 0,1 до 3. Эта операция реализуется следующим образом. На первый вход вычитающего устройства 12 с микропроцессора 7 подается сигнал, величина которого пропорциональна значению Т3ад.1, а на второй вход через открытый ключ подается сигнал с датчика 2. Разностный сигнал Д T(V) с выхода вычитающего устройства 12 через усилитель мощности 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от величины рассогласования перемещает реохорд потенциометра 15, что приводит к уменьшению напряжения питания двигателя постоянного тока 18, который за счет уменьшения числа оборотов через

механизм (редуктор) 19 уменьшает скорость движения источника энергии 1 и термоприемника 2 до тех пор, пока избыточная контролируемая температура Тизб. станет

приближаться к заданному значению Т3зд.1. Затем в соответствии с вышеописанным алгоритмом поиска экстремального значения термограммы нагрева находят расстояние Rom.1 между нагревателем и термоприемником, которое соответствует максимуму избыточной температуры Тмакс i (Rom-. 1). Далее, изменяя скорость движения источника и термоприемника и находя для каждого ее значения максимум избыточной температуры Тмакс (Rom.) за счет варьирования расстояния R по вышеописанному алгоритму, определяют такую скорость У1 и расстояние

Roni.1, при КОТОрЫХ Тмакс.1 (Ronr.l) Тзад.1.

Аналогичным образом определяют скорость V2 и расстояние Rom.2, при которых Тмакс.2

(Rorn.2.) Тзад.2.

Информация о скоростях движения источника и термоприемника Vi и V2, расстояниях до точек контроля максимальных температур, максимальных температурах

Тмакс.1 (Ronr.l) И ТМакс.2 (Rorrr.2) ЗЭНОСЯТСЯ В

оперативную память микропроцессора. На основе полученной измерительной информации в микропроцессоре осуществляется

расчет теплофизических характеристик материалов по алгоритму, построенному в соответствии с формулами, полученными на основании следующих рассуждений.

Известно, что при нагреве поверхности

полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником энергии избыточная температура поверхности тела Т(х, R) в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью, равной

скорости перемещения источника энергии, определяется выражением:

Т(х R) 21ЙГР ехр 27 (R х)

(3)

где q - мощность источника, Я, а, - тепло и температуропроводность исследуемого изделия, R - расстояние до точки контроля температуры; х - расстояние между центром пятна нагрева поверхности изделия и проекцией точки контроля температуры на линию движения источника энергии; V - скорость перемещения источника и термоприемника относительно изделия. Тогда

TwaKC1 27rARcnT.i 6Xp 21 Х

х (Ronr.1 - xi)(4)

Тмакс2 - л ; ь4. Л Л. Копт 2

X (Ronr.2 - Х2)

ехр -1| х

После несложных математических преобразований получим формулу для расчета температуропроводности

V2(Ronr.2-X2) - Vl(RonT.1-Xl)

2ln

ТмаксЧ RonT.1 Тмакс2 Яопт.2

Теплопроводность определяют по формуле, полученной при подстановке выраже- иия (6) в (4), имеющей вид:

А т

тт-г-т- L-B ехр х

f-7l 1макс1 Копт. 1

- - O nfe

(7)

V2(Roni.2 - Х2) - Vl(Ronr.1 - Xl)

Таким образом, измерив расстояние Ronr.1 и RonT.,2, определив установившиеся скорости Vi, V2 и зная мощность источника энергии и значение ТМакс.1, по формулам (6) и (7) легко определить искомые теплофизи- ческие характеристики исследуемых материалов.

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известными техническими решениями значительно расширяет функциональные возможности по классам исследуемых материалов, позволяет с большой точностью определить весь комплекс теплофизических характеристик материалов.

0

5

0

5

0

5

0

Формула изобретения Способ бесконтактного контроля тепло- физических характеристик материалов, состоящий в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии, параллельной линии движения источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью, отличающийся тем, что, с целью оптимизации режимных параметров тепло- физического эксперимента и повышения точности, задают два различных значения избыточных температур, меньших значения температуры термодеструкции образцов, уменьшают скорость движения источника энергии и термоприемника, и, варьируя расстоянием между источником и термоприемником, контролируют максимальное значение термограммы и соответствующее ему расстояние между источником и термоприемником до тех пор, пока максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных значений, затем продолжают уменьшение скорости движения источника и термоприемника, определяя при этом максимальное значение термограммы и соответствующее ему расстояние между термоприемником и источником, до тех пор, пока максимальное контролируемое значение избыточной температуры станет равным второму наперед заданному значению, а искомые теплофизи- ческие характеристики определяют с использованием измеренных значений скорости движения и расстояний до точек контроля максимальных температур.

Использование: изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при определении теплофизи- ческих свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности. Сущность изобретения заключается в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии, параллельной линии движений источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью. При двух различных значениях избыточных температур, меньших значений температуры термодеструкции материалов, уменьшают скорость движения источников энергии и термоприемника и контролируют максимальное значение термограмм и соответствующее ему расстояние между источником и термоприемником до тех пор, пока контролируемое при этом максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных зкачений, а затем другому заданному значению, а искомые теплофизические характеристики определяют с использованием измеренных значений скорости движения и расстояний до точки контроля максимальных Температур. 2 ил. Ј

Фиг I

Rj Ronr.j Попт.2 Фиг. 2

Г

гпакс ш.г)

т,

rfiat Cj(RonT.i)

тнакс(К1)

-K jVtoj . т(,)