способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, включающий в себя импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию времени наступления заданного отношения температур в двух контрольных точках поверхности, отличающийся тем, что используют нагреватель в виде осесимметричной петли, представляющей собой два параллельных луча, соединенных дугой полуокружности радиуса R и два термодатчика, один из которых располагают в центре дуги полуокружности нагревателя, а другой на дуге полуокружности на оси симметрии нагревателя, а теплофизические характеристики рассчитывают по формулам





где и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности;

Q - количество тепла, выделяемого нагревателем из расчета на единицу длины;

- заданная постоянная;

₀ - время наступления заданного отношения температур в контрольных точках, отсчитанное от момента подачи теплового импульса;

R - радиус дуги полуокружности нагревателя;

T₁(₀) - избыточная температура в центре дуги полуокружности петли нагревателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплофизических измерений.

Известен способ контроля теплофизических характеристик (ТФХ) материалов, состоящий в подводе теплового импульса от источника тепла, предварительно помещенного в эталонное тело, к исследуемому материалу и регистрации значений избыточных температур в одном из сечений эталонного и исследуемого тел в два, заранее заданных момента времени (авторское свидетельство 1117512 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1984).

Недостатком данного способа является необходимость внедрения в исследуемый образец термодатчика (термопары), то есть проведение разрушающего контроля.

Известен также способ неразрушающего контроля ТФХ, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала с последующей регистрацией момента наступления равенства избыточной температуры на заданном расстоянии от линии действия источника, и разницы между избыточной температурой на линии действия источника и на заданном расстоянии от нее, на поверхности исследуемого материала (авторское свидетельство 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992).

Недостатком данного способа является относительно низкая избыточная температура в точках размещения термодатчиков, что приводит к снижению точности контроля ТФХ.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (авторское свидетельство 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979), осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия) и фиксируется момент времени, когда отношение избыточных температур в двух разноотстоящих от источника точках поверхности исследуемого материала достигнет определенного наперед заданного значения.

Недостатком этого способа также является относительно низкая избыточная температура в точках размещения термодатчиков и, как следствие, низкая точность контроля ТФХ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности контроля ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в точках размещения термодатчиков при неизменной относительно способа-прототипа удельной мощности нагревателя.

Сущность предлагаемого способа заключается в определении ТФХ путем импульсного теплового воздействия на поверхность исследуемого материала нагревателем в виде осесимметричной петли и регистрации времени наступления заданного отношения температур в контрольных точках. Для этого на теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают нагреватель в виде осесимметричной петли, представляющей собой два параллельных луча, соединенных дугой полуокружности радиуса R, и два термодатчика (фиг. 1), причем один термодатчик размещают в центре дуги, а другой - на дуге полуокружности на оси симметрии петли. В момент времени =00 нагреватель импульсно выделяет количество тепла Q из расчета на единицу длины, после чего регистрируют время = ₀ наступления наперед заданного соотношения h = T₂(₀)/T₁(₀) температур в точках размещения термодатчиков и избыточную температуру T₁(₀) в центре дуги.

Отношение h температур в точках на поверхности исследуемого материала рассчитывают по формуле



заданная постоянная,

а коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала соответственно по формулам





Из соотношения (3) ₀ = R²/(2a), т.е. время наступления заданного отношения температур в контрольных точках обратно пропорционально постоянной . Таким образом от выбора зависит степень оперативности контроля. Например, при = 10 и R=510^-3 м время контроля для материалов с коэффициентом температуропроводности от 110^-7 м²/с до 1010^-6 м²/с может составлять от 1,25 до 12,5 с.

При разработке предлагаемого способа предполагалось, что поверхность исследуемого материла идеально теплоизолированна. На практике в этих целях используют материал-подложку с высокими теплоизоляционными свойствами. Ввиду того, что коэффициенты тепло- и температуропроводности подложки все-таки отличны от нуля, возникают методические погрешности определения ТФХ исследуемого материала. Для оценки методической погрешности определения ТФХ предлагаемым способом проводилось машинное моделирование при Q=100 Дж/м, R= 510^-3 м и =10, причем коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала были соответственно приняты равными =0,26 Вт/(мК) и а= 510^-7 м²/с, а коэффициенты материала-подложки _п= 0,026 Вт/(мК) и а_п= 3,1310^-7 м²/с (материал "рипор"). В ходе моделирования были получены следующие значения ТФХ исследуемого материала =0,271 Вт/(мК), а=5,1810^-7 м²/с. Таким образом, оценка методической погрешности в результате не идеальности теплоизоляции поверхности исследуемого материала по коэффициенту теплопроводности составила = 4,23%, а по коэффициенту температуропроводности a=3,60%.