Устройство для определения теплофизических характеристик строительных материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к определению теплофизических характеристик строительных материалов (тепловой активности, температуропроводности, теплопроводности, теплоемкости).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения теплофизических характеристик материалов конструкций, содержащее первичный преобразователь, состоящий из эталонного тела с расположенным на его рабочей поверхности плоским круглым нагревателем и датчиком температуры в центре нагревателя, источник нагрева и устройство для регистрации температуры, соединенные соответственно с нагревате- лем и датчиком температуры первичного преобразователя, причем нагреватель выполнен радиусом R, определяемым по формуле

R-2.49 аэТкрШ р1). (1)

где аэ - коэффициент температуропроводности материала эталонного тела;

Ткр - момент времени, исчисляемый с момента подачи теплового импульса и назначаемый из тех соображений, что, с целью последующей статистической обработки, за время ткр необходимо сделать несколько замеров избыточной температуры, т.е. гкр П дт , где п - необходимое количество замеров, а дт - интервал времени между моментами фиксации температуры, определяемый типом измерительного устройства:

оо ND ел

J

ю

00

Јup1 - относительная ошибка измерения температуры в момент времени гкр .

Существенным недостатком данного устройства является узкий класс испытуемых материалов, измерение теплофизиче- ских свойств которых возможно производить с высокой точностью при помощи одного и того же первичного преобразователя с определенным радиусом нагревателя. На фиг. 1 показан характер изменения во времени после подачи теплового импульса избыточной температуры нагревателя Гц, фиксируемой данным устройством, и вычисляемой на ее основе величины b определяемой по формуле

(2)

где q - количество тепла, выделенного плоским нагревателем;

tn - избыточная температура плоского нагревателя в момент времени г, 1И t (г) - t (г0), где Го - момент подачи теплового импульса;

Ьэ - коэффициент тепловой активности эталонного тела.

Из приведенной иллюстрации видно, что величина b остается неизменной до наступления момента гкр . Это связано с тем, что в начальном интервале г г«р глубина проникновения теплового импульса в исследуемый материал невелика и используемый нагреватель можно рассматривать как нагреватель бесконечной площади, а при г гкр глубина проникновения теплового импульса и радиус плоского нагревате- ля становятся соизмеримыми, поток выделенного нагревателем тепла приобретает существенно двумерный характер (заметно сказываются боковые расточки тепла), что оказывает влияние на получаемые результаты. В интервале времени г Гкр , когда величина b остается неизменной, ее значение соответствует значению коэффициента тепловой активности исследуемого материала Ьм, и в этом интервале проводится измерение данной искомой характеристики. Как было отмечено выше, в интересах последующей статистической обработки, величина гкр должна быть достаточно большой для проведения п числа замеров, обеспечивающего требуемую точность определения коэффициента тепловой активности исследуемого материала. С другой стороны, как видно из фиг. 1, увеличение гкр и общего времени прове0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

дения эксперимента связано с измерением 1и в области очень пологого его изменения, что существенно снижает точность этих измерений. Оба этих условия накладывают жесткие ограничения на величину Гкр и, следовательно, на величину радиуса плоского нагревателя R(1). Поскольку величина прямо зависит от теплофизических свойств исследуемого материала и величины радиуса плоского нагревателя, все выше- сказанное приводит к тому, что исследования класса веществ с теплофиэи- ческими свойствами, лежащими в узких пределах, возможно производить с обеспечением необходимой точности лишь с использованием первичного преобразователя с нагревателем строго определенного для данного класса веществ радиуса, что является несомненным недостатком описываемого устройства. Кроме того, исследуемый материал может иметь структурные неоднородности (конструкционные элементы, инородные включения, полости и т.д.) размеры которых могут быть соизмеримы с радиусом плоского нагревателя. В этом случает значения получаемых теплофиэических характеристик будут существенно зависеть от места расположения датчика и не будут характеризовать интегральные свойства исследуемого материала.

Цель изобретения - расширение диапазона теплофизических характеристик веществ, исследуемых с помощью одного первичного преобразователя с плоским нагревателем фиксированного радиуса, и повышение точности определения характеристик неоднородных строительных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании предлагаемого устройства образец исследуемого материала толщиной h вводят в соприкосновение, образуя тепловой контакт, одной стороной - с поверхностью массивного тела, размеры которого значительно превышают характерный размер h образца, а другой стороной - с рабочей поверхностью первичного преобразователя, выполненного из эталонного материала с известными теплофизиче- скими характеристиками - аэ и Ьэ. причем радиус плоского нагревателя, расположенного на рабочей поверхности первичного преобразователя, определяется из условия

4амг

(3)

где R - радиус нагревателя;

Јти - предельная относительная ошибка;

эм - априорное значение коэффициента тепловой активности исследуемого материала;

г - время проведения измерений.

В отличие от устройства-прототипа, в основу которого положена математическая модель системы полуограниченных тел, температурное поле которой возбуждается плоским источником тепла конечного радиуса, при разработке данного устройства ис- польэовалась модель системы тел с бесконечным плоским источником тепла. Приводимые ниже расчетные соотношения для искомых характеристик исследуемого материала получены из решения теплофи- зической задачи для системы двух полубесконечных тел, теплофизические характеристики одного из которых известны (а-|, tb), и заключенного между ними слоя материала с неизвестными теплофизиче- скими характеристиками (ам и Ьм) толщиной h. Температурное возмущение данной системы обусловлено воздействием мгновенного теплового импульса, создаваемого плоским бесконечным источником, расположенным в плоскости соприкосновения эталонного и исследуемого тел. Реальный нагреватель, применяемый в предлагаемом устройстве, имеет конечный радиус R. С целью определения условий при которых приведенная математическая модель описывает реальный процесс с допустимой точностью, воспользуемся выражением

Ј Ч,(Ъ„ {1-ехр -й2/((

« (4-а„Ј| ,

где 1Ик избыточная температура плоского нагревателя конечного радиуса R;

Тиб избыточная температура бесконечного плоского нагревателя;

q - количество тепла, выделенного нагревателем;

ам. Ьм - коэффициенты температуропроводности и тепловой активности исследуемого материала;

т - время проведения измерений.

Выражение (4) описывает предельное относительное отклонение реального процесса от идеализированной математической модели. Задаваясь из соображений необходимой точности получаемых результатов предельным значением относительной ошибки 6И. можно получить из

выражения (4) величину минимального радиуса плоского круглого нагревателя, обеспечивающего получение искомых результатов с относительной ошибкой ле- жащей в заданных пределах:

Rmlrr

4 ам г

(5)

что соотвэтствует приведенному рлнее условию (3).

Данное условие является менее жестким, чем условие (1) для радиуса плоского нагревателя устройства-прототипа, так как

не вызывает необходимости поиска из соображений точности измерений оптимального радиуса нагревателя первичного преобразователя, используемого для исследования материалов, теплофизические свойства которых лежат в определенных пределах, а лишь накладывает на величину этого радиуса одностороннее ограничение. Таким образом, задаваясь необходимой точностью проводимых измерений, а также априорным

минимальным для рассматриваемого класса материалов значением коэффициента температуропроводности, возможно создать устройство, позволяющего с использование одного и того же первичного

преобразователя с плоским нагревателем фиксированного радиуса производить исс- ледование обширного круга строительных материалов с широким диапазоном тепло- физических свойств. Кроме того. т.к. в основу предлагаемого устройства положена модель бесконечного источника тепла, т.е. размеры реального нагревателя значительно больше размеров неоднородностей исследуемого образца, эти неоднородности не могут существенно искажать значения определяемых теплофизических характеристик, которые будут равны среднеитегральным по площади образца.

Использование предлагаемого устройства связано с измерением через равные промеж/тки времени значений избыточной температуры плоского нагревателя 1и)(Н1, .... п, где п - общее число измерений) и

вычислением соответствующих им значений по формуле

55

-,-.

tn| ТЛ-Ti

(6)

где q - количество тепла, выделенного плоским нагревателем;

n - моменты проведения измерений, исчисляемые с момента подачи теплового импульса;

Ьэ коэффициент тепловой активности эталонного тела.

Величина b в течение начального периода проведения измерений (в момент измерений от т до Гк ) остается постоянной, причем критерий такого постоянства может быть записан в виде

I 0.5ДЬ lb + i -bkl ,

(7)

где До - предельная ошибка определения величины b , определяемая по формуле

здесь At и Дг - абсолютная ошибка измерения температуры и времени соответственно.

Постоянная в данном интервале величина Ь соответствует значению искомого коэффициента тепловой активности исследуемого материала Ьм, который определяется, таким образом, на основании данных измерений, произведенных в моменты времени ri гк. При л гк величина b возрастает (или убывает) в зависимости от свойств материала массивного тела. Такой характер изменения b обьясняется тем, что в течение первоначального периода времени фронт теплового импульса не достигает поверхности массивного тела, и результаты измерений определяются только свойствами исследуемого материала, а начиная с определенного момента на них начинает оказывать влияние материал массивного тела, достигаемого фронтом теплового импульса.

Как было отмечено, измерение коэффициента тепловой активности исследуемого материала проводится на основании данных измерений, произведенных в моменты времени т гк . причем, в интересах последующей статистической обработки, время Гк должно быть достаточно большим для проведения к числа измерений, обеспечивающего определения искомой характеристики с необходимой точностью. Поскольку гк есть время, за которое фронт теплового импульса достигает поверхности массивного тела, необходимое значение гк можно обеспечивать заданием определенной толщины h образца исследуемого материала.

Рассмотрим известное решение, описывающее изменение во времени температурного поля полубесконечного тела после подачи теплового импульса бесконечного плоского источника тепла, расположенного на его поверхности:

И (Ьм Глт) ехр - z2/4 ам г

где г - текущее время с момента подачи теплового импульса;

1 - координата по оси, перпендикулярной к поверхности материала, с началом координат, расположенным на этой поверхности (глубина);

q - количество тепла, выделенного плоским источником.

Будем считать, что фронт теплового импульса не достиг противоположной поверхности образца, на которой он соприкасается с массивным телом, если избыточная температура на этой поверхности не превышает чувствительности используемой аппаратуры At. В этом случае, приравнивая в выражении (9) координату Z толщине образца h, а вместо текущего времени подставляя величину гк, определяемую из условия Гк к д г исходя из необходимого числа замеров избыточной температуры k, находим выражение для минимальной толщины образца, обеспечивающей продолжительность времени достаточную для проведения необходимого для статистической

обработки числа измерений:

. V At ЬшУТГГк hmln - 4 3m Гк 1П .

q (Ю)

где ам и Ьм - априорные значения коэффи- циентов температуропроводности и тепловой активности исследуемого материала.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2. Устройство содержит первичный преобразователь, состоящий из эталонного тела 1 с известными коэффици-. ентами температуропроводности и тепловой активности (аэ и Ьэ соответственно) с расположенным на его рабочей поверхности плоским нагревателем 2, в центре кото- рого размещен датчик температуры 3, и массивного тела 4. Нагреватель и датчик температуры соединены соответственно с источником импульсного нагрева 5 и устройством для регистрации температуры 6. Образец исследуемого материала 7 заключен между рабочей поверхностью первичного преобразователя и поверхностью массивного тела.

Устройство используется следующим образом.

Образец исследуемого материала размещают таким образом, чтобы одна из его поверхностей образовала тепловой контакт с поверхностью массивного тела, а противоположная - с рабочей поверхностью первичного преобразователя. В начальный момент времени г0 плоский нагреватель первичного преобразователя создает тепловой импульс, и, начиная с этого момента, через равные промежутки времени фиксируется избыточная температура нагревателя ти| в месте размещения датчика температуры. На основании измеренных значений ти| для каждого момента фиксации температуры рассчитывается величина bi по формуле (6). На основании полученных значений bi рассчитывается коэффициент тепловой активности исследуемого материала по формуле

Ь.

i 1

(11)

причем число k такое, что 0,5 Д b |bVi-b j, гделЬ - предельная ошибка вычисления величины b , определяемая по формуле (8). Затем с использованием полученного значения Ьм рассчитывается коэффициент температуропроводимости исследуемого материала по формуле

ученные с использованием настоящего устройства, статистически совпадают для эталонных мер - с их ранее известными значениями, а для образцов материалов и изделий - с их значениями, полученными независимо стационарным методом.

Настоящее устройство может найти широкое применение в качестве устройства для экспрессного исследования однородных и неоднородных строительных материалов с широким спектром теплофизических свойств.

15

Формула изобретения

Устройство для определения теплофизических характеристик строительных материалов, содержащее первичный

преобразователь, состоящий из эталонного тела с расположенным на его рабочей поверхности плоским круглым нагревателем и датчиком температуры в центре нагревателя, источник нагрева и устройство для регистрации температуры, соединенные соответственно с нагревателем и датчиком температуры, о т л и ч а ю,щ е е с я тем, что, с целью расширения номенклатуры материалов, исследуемых с помощью одного

первичного преобразователя и повышения точности определения теплофизических характеристик неоднородных материалов, дополнительно содержит массивное тело, а образец исследуемого материала толщиной

h,определяемой из условия

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит первичный преобразователь, состоящий из эталонного тела с расположенным на его рабочей поверхности плоским круглым нагревателем радиусом R ( - 1) Inctn 4 ЗнГ и датчиком температуры в центре нагревателя. Образец приведен в контакт с одной стороны с первичным преобразователем, а с другой стороны с массивным телом. Здесь ЈtM - относительная ошибка измерения температуры, ам априорное значение коэффициента температуропроводности исследуемого материала, г - время проведения измерений. 2 ил. И

Зм

|

(ьГ -ьм)Ьп -12.

Ь (Ь - Ьм)/

где h - толщина образца исследуемого материала;

b i, b j - значения Ь , соответствующие моментам времени т 2 ц

причем i € k, n и ) е k, n.

Две другие теплофизические характеристики исследуемого материала - коэффициенты теплопроводности Ям и объемной теплоемкости Сум - рассчитываются по известным уравнениям связи

Ям Ьм Эм

Сум Ьм/ эм

Предлагаемое устройство прошло испытания на эталонных мерах, образцах строительных материалов и изделий, при этом теплофизические характеристики, полh ( - 4 ам гк) In

Д t Ьм ГТГГк

40

где ам и Ьм - апериорные значения коэффициентов температуропроводности и тепловой активности исследуемого материала;

45 т промежуток времени, достаточной для проведения необходимого для расчета искомого коэффициента тепловой активности числа измерений К избыточной температуры плоского нагревателя tn у гк к д т ;

50 q - количество тепла, выделенного плоским нагревателем;

6т- временной интервал между двумя последующими измерениями, определяемый типом измерительного устройства :

55 At- абсолютная ошибка измерения температуры (точность измерительного устройства),

расположен так. что контактирует с поверхностью массивного тела поверхностью,

11

противоположной от поверхности контакта с первичным преобразователем, а радиус R плоского нагревателя первичного преобразователя определяется из условия

та R а182542112

где CtM - относительная ошибка, 5г-время проведения измерений.

г« Фиг, f