способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в использовании импульсного нагрева поверхности теплоизолированного исследуемого материала и измерении температуры термодатчиком в одной точке контроля, отличающийся тем, что применяют два точечных источника тепла, с помощью первого источника тепла воздействуют на исследуемый материал так, что в точке расположения датчика достигают первую избыточную температуру, затем с помощью первого и второго источников тепла воздействуют на исследуемый материал и достигают вторую избыточную температуру, а искомые теплофизические характеристики материалов рассчитывают по формулам:





где







Q - количество тепла, выделяемого точечным источником тепла;

- период повторения импульсов;

а - коэффициент температуропроводности;

- коэффициент теплопроводности;

R₁, R₂ - расстояние между источниками тепла и термодатчиком;

Т₁, Т₂ - избыточные температуры;

k - порядковый номер следования тепловых импульсов;

n_max - количество тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый материал до момента установления избыточных температур.

Описание изобретения к патенту

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

Существует импульсный способ определения теплофизических характеристик материалов (ТФХ), состоящий в подводе тепловых импульсов к поверхности образца и регистрации интегрального во времени значения температуры Т_max и времени _max (авторское свидетельство СССР N 1201742, кл. G 01 N 25/18, 1985).

Недостатком этого способа является значительная погрешность определения наступления максимума и величины температуры Т_max.

Известен также способ, наиболее близкий к данному техническому решению определения ТФХ, заключающийся в следующем: при использовании одного теплоприемника определяют интервал времени от момента подачи первого теплового импульса от линейного источника тепла до момента времени, когда температура в точке расположения датчика станет равной ее первоначальному значению, устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов и начинают ее увеличивать в соответствии с известной зависимостью. В точке расположения датчика регистрируют такую частоту следования тепловых импульсов, при которой устанавливается значение избыточной, наперед заданной температуры, - затем опять увеличивают частоту следования тепловых импульсов, пока не достигнут второго наперед заданного значения температуры. Установившееся значение температуры достигается в точке расположения датчика тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуру в этой точке. При этом производится замена исходной функции двумя членами ряда Маклорена (авторское свидетельство СССР N 1402892, кл. G 01 N 25/18, 1986).

Недостатком этого способа является значительное энергопотребление источником тепла и возникающая погрешность в силу произведенной замены исходной функции.

Для определения погрешности способа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения датчика температуры. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела, описывается выражением вида:



где Q - мощность источника тепла;

F - частота следования импульсов;

а - коэффициент температуропроводности;

- коэффициент теплопроводности;

R - расстояние между источником тепла и датчиком;

k - порядковый номер следования тепловых импульсов.

Разложение этой функции в ряд Маклорена и использование его двух членов дает выражение вида:



При расчете избыточных температур для исходных величин Q=1Дж; F=1Гц; а= 10^-5м²/с; = 1Bт/мK; R= 10^-3м; погрешность возникающая в результате произведенной замены составляет 10,91%. Для Q= 1Дж; F= 1Гц; а=510^-6м²/с; = 1Bт/мK; R=10^-3м погрешность уже составляет 145,8%.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ТФХ материалов.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированной поверхности исследуемого материала помещают два точечных импульсных источника тепла. На линии размещения источников тепла располагают термодатчик (термопару) на расстоянии R₁ и R₂ от каждого источника соответственно, при этом мощности источников одинаковы. Определения ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения от первого точечного источника тепла тех пор, пока в точке расположения термодатчика не установится избыточное значение температуры T₁, которую фиксируют. Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуры в этой точке, затем синхронно с первым источником тепла начинает действовать второй источник и достигают избыточную температуру T₂, которую регистрируют.

По определенным значениям температуры T₁ и Т₂ искомые ТФХ исследуемого материала рассчитывают по формулам:

(1)

(2)

где



B=T₂/T₁-1;



a - коэффициент температуропроводности;

- период повторения импульсов;

R₁, R₂ - расстояние между термодатчиком и соответствующими источниками тепла;

Q - количество тепла, выделяемого точечными источниками тепла;

- коэффициент теплопроводности;

T₁, T₂ - избыточные температуры;

k - порядковый номер следования тепловых импульсов;

n_max - количество тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый материал до момента установления избыточной температуры.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждений. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при воздействии n тепловых импульсов с периодом повторения от точечного источника тепла в момент подачи очередного теплового импульса описывается выражением вида:

(3)

Воспользовавшись разложением (3) в ряд Маклорена:



и взяв первые два члена ряда, установившееся значение температуры в точке расположения датчика будет определятся выражениями:

(4)

(5)

Взяв отношение выражений (4) и (5), получают формулу для определения коэффициента температуропроводности (1), подставив найденное значение коэффициента температуропроводности в выражение (4) получают формулу для определения коэффициента теплопроводности (2).

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала 1 помещают два точечных импульсных источника тепла 2 и 3 одинаковой мощности. На линии размещения источников тепла располагают термодатчик (термопару) 4 на расстоянии R₁ и R₂ от каждого источника соответственно. Определения ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения от первого точечного источника тепла 2 до тех пор, пока в точке расположения термодатчика 4 не установится избыточное значение температуры T₁, которую фиксируют, затем синхронно с первым источником тепла начинает действовать второй источник 3 и достигают избыточную температуру Т₂, которую регистрируют. На фиг.2 приведены измеренные дискретно во времени значения температуры.

Для предлагаемого способа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения термодатчика. При расчете избыточных температур для исходных величин Q= 1Дж; = 1c; а=10^-5м²/с; = 1Bт/мK; R=10^-3м; погрешность возникающая в результате произведенной замены составляет 0,014%. Для Q=1Дж; F=1Гц; а= 510^-6м²/с; = 1Bт/мK; R=10^-3м; погрешность составляет 1,48%.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить точность измерения ТФХ материалов, уменьшить энергопотребление источником тепла.