способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии его движения и на параллельной ей линии, изменяют расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрируют взаимное положение точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, изменяют мощность источника энергии на определенную величину и производят аналогичные операции с источником и термоприемником, полученные данные используют при определении искомых величин, отличающийся тем, что дополнительно вводят второй термоприемник, жестко связанный с источником энергии, сфокусированный на линию, параллельную линии движения источника энергии, и установленный от него на расстоянии R₁, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта тепловой энергии источника, перемещают первый термоприемник над исследуемым образцом без воздействия на него источника энергии, в результате чего определяется коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы, далее фокусируют первый термоприемник в центр пятна нагрева, включают источник энергии с начальной минимальной мощностью, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, увеличивают мощность источника энергии и синхронно с перекрытием обтюратором его теплового луча измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева до момента, когда ее значение приблизится к 0,4 температуры термодеструкции Т_терм исследуемого материала, фокусируют первый термоприемник в точку на линии движения источника тепла на расстоянии х_н=R₁ от центра пятна нагрева и начинают перемещение источника тепла и термоприемников над исследуемым изделием, смещают эту точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры будет равно значению температуры, контролируемое вторым термоприемником, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии в два раза, перемещают первый термоприемник по линии движения источника из предыдущего положения в сторону отставания от источника на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры будет равно значению температуры, измеренное первым термоприемником, при движении его по линии движения источника при первоначальной мощности, измеряют это расстояние, а искомые теплофизические свойства определяют из следующих соотношений:





где а - коэффициент температуропроводности, м²/c;

- коэффициент теплопроводности изделия, Bт/м²К;

V - скорость движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, м/с;

R₁, R_x1, R_х2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точками контроля температуры, м;

х₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м;

q_ит - мощность источника тепла (лазера);

k - коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы;

Т*₁(х) - значение избыточной температуры в точке на расстоянии _х2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2q_ит.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технической физике, а именно к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплопроводности материалов (авт. св. СССР 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1983 г.), включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающегося с фиксированным отставанием от источника энергии, а также определение предельных избыточных температур образцов, с помощью которых рассчитывают искомую величину.

Недостатком способа является отсутствие возможности учета в результатах измерения теплофизических свойств потерь тепла в окружающую среду, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации.

Известен способ бесконтактного контроля теплофизических свойств материалов, в котором на поверхность исследуемого тела воздействуют точечным источником тепла, перемещаемым по прямой линии с постоянной скоростью, регистрируют избыточные температуры в точках поверхности с некоторым отставанием на той же линии и на параллельной ей и по величине избыточных температур вычисляют искомые теплофизические свойства (авт. св. СССР 1481656, кл. G 01 N 25/18, 1987 г.).

Недостатком этого способа является невысокая точность определения искомых свойств, так как в процессе эксперимента не учитываются влияние на результаты измерений тепловых потерь в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена от нагретой поверхности исследуемого объекта, потерь за счет поглощения части энергии лазерного луча промежуточной средой между источником тепла (лазером) и исследуемым объектом, а также потерь за счет отражения части энергии лазерного луча от поверхности исследуемого объекта, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения.

За прототип принят способ бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов, заключающийся в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела, движущихся со скоростью источника по линии его движения и на параллельной ей линии, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода теплоты и измерения температур и вычислении по полученным данным искомых величин (патент РФ 2011977/25, кл. G 01 N 25/18, 1991 г.).

Недостатком способа-прототипа является то, что он позволяет учесть только часть составляющих общих потерь в окружающую среду, так как в нем учитываются только потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена, а потери тепловой мощности за счет поглощения окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла и потери тепловой мощности за счет того, что исследуемый материал имеет коэффициент поглощения, отличающийся от единицы не учитываются. А так как для большинства твердых материалов коэффициент поглощения гораздо меньше единицы, то это вносит дополнительную погрешность в результаты измерения.

Техническая задача изобретения - повышение точности определения теплофизических свойств материалов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе бесконтактного измерения теплофизических свойств материалов, состоящем в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии его движения и на параллельной ей линии, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, изменении мощности источника энергии на определенную величину и проведении аналогичных операций с источником и термоприемником, дополнительно вводят второй термоприемник, жестко связанный с источником энергии, сфокусированный на линию, параллельную линии движения источника энергии, и установленный от него на расстоянии R₁, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта тепловой энергии источника, перемещают первый термоприемник над исследуемым образцом без воздействия на него источника энергии, в результате чего определяется коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы, далее фокусируют первый термоприемник в центр пятна нагрева, включают источник энергии с начальной минимальной мощностью, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, увеличивают мощность источника энергии и синхронно с перекрытием обтюратором его теплового луча измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева до момента, когда ее значение приблизится к 0,4 температуры термодеструкции Т_терм исследуемого материала, фокусируют первый термоприемник в точку на линии движения источника тепла на расстоянии x_н=R₁ от центра пятна нагрева и начинают перемещение источника тепла и термоприемников над исследуемым изделием, смещают эту точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры будет равно значению температуры, контролируемое вторым термоприемником, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии в два раза, перемещают первый термоприемник по линии движения источника из предыдущего положения в сторону отставания от источника на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры будет равно значению температуры, измеренное первым термоприемником при движении его по линии движения источника при первоначальной мощности, измеряют это расстояние, а искомые теплофизические свойства определяют из следующих соотношений:





где а - коэффициент температуропроводности, [м²/с]; - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/м²К]; V - скорость движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, [м/с]; R₁, R_х1, R_x2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точками контроля температуры, [м]; ₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки ₁ на линию движения источника тепла, [м]; q_ит - мощность источника тепла (лазера); k - коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы; Т₁ ^*(х) - значение избыточной температуры в точке на расстоянии _x2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2q_ит.

Сущность разработанного способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и два термоприемника 3 и 4, сфокусированных на поверхность, подверженной тепловому воздействию (см. чертеж). В качестве точечного источника тепловой энергии используется лазер, сфокусированный на поверхность исследуемого образца. Источник энергии 2 и термоприемник 3 жестко связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку. Термоприемники, установленные на высоте z от поверхности исследуемого образца, жестко связаны соответственно с экранами 5 и 6, расположенных с зазорами от поверхности образца на высоте z₀. Термоприемник 3 установлен от источника 2 на расстоянии R₁, при котором с учетом экрана 5, расположенного от поверхности образца на высоте z₀, обеспечивается отсутствие влияния источника энергии на результаты измерений температуры из-за прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Перемещение термоприемника 4 осуществляется по оси х, а термоприемника 3 - по параллельной ей прямой А.

Вначале перемещают термоприемник 4 над исследуемым образцом без воздействия на него точечного источника энергии и измеряют им температуру на поверхности исследуемого объекта. Синхронно с этим, используя высокоточный электрический термометр, измеряют температуру окружающей среды. В результате этого, используя отношение средней температуры, измеренной термоприемником на поверхности объекта, к средней температуре окружающей среды, определяется коэффициент k, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы.

Далее фокусируют термоприемник 4 в центр пятна нагрева. Включают источник энергии с начальной минимальной мощностью _min, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура Т₁, уровень которой выше чувствительности термоприемной аппаратуры. Измерение избыточной температуры в центре пятна нагрева производят в моменты времени, когда окно термоприемника открыто, а лазерный луч перекрыт обтюратором 7. Использование обтюратора позволяет исключить влияние источника энергии на результаты измерений температуры из-за прямого воздействия на термоприемник частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Постепенно увеличивают мощность источника тепла и синхронно с перекрытием лазерного луча измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева. Увеличение мощности источника энергии осуществляют до тех пор, пока значение измеряемой температуры в центре пятна нагрева приблизится к 0,4 температуры термодеструкции Т_терм исследуемого материала. При этом фиксируют значение мощности источника тепла q_ит.

Далее фокусируют термоприемник 4 в точку на линии движения источника тепла на расстоянии x_н= R₁ от центра пятна нагрева и начинают перемещение источника энергии и термоприемников над исследуемым изделием с постоянной скоростью V, величина которой берется такой, чтобы при выбранной мощности источника q_ит в точке контроля R₁ появлялась избыточная температура T₂, уровень которой находится в пределах [1015]^oС. Такое значение уровня выбирается исходя из двух моментов. Во-первых, измеряемая температура в центре пятна нагрева должна быть не больше 0,4 температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала. Во-вторых, значение контролируемой в точке R₁ температуры должно быть достаточным для обеспечения необходимой для эксперимента точности.

Затем постепенно смещают термоприемник 4 из точки х_н по линии движения источника в сторону отставания в соответствии с зависимостью x_i+1=x_i+x, где х=k₁[T₁(х)-T₂]+k₂[T₁(х)-T₂][х_i-x_i-1]+k₃[T₁(x)-T₂]/[х_i-х_i-1] ; Т₁(х) - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 4; Т₂ - значение избыточной температуры, измеряемое термоприемником 3; k₁, k₂, k₃ - коэффициенты пропорциональности, значения которых в основном определяются диапазоном изменения ТФС исследуемых материалов. Изменение расстояния (перемещение) между точкой измерения температуры термоприемником 4 и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура T₁(x) станет равной значению измеряемой температуры T₂, т.е. Т₁(х)= Т₂. При этом измеряют значение расстояния R_x1 между термоприемником 4 и точкой подвода теплоты. Затем, увеличив мощность источника в два раза, повторяют вышеописанную процедуру изменения расстояния между точкой измерения температуры термоприемником 4 и точкой подвода теплоты. В результате измеряют значение расстояния Rx₂, при котором выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые теплофизические свойства определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.

Известно (см. , например, Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296с.), что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником тепловой энергии избыточная предельная температура поверхности этого тела в точках, перемещающихся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяется зависимостью



где q - мощность источника тепла, действующего на поверхность изделия, [Вт] ; - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/мК]; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры, [м].

В процессе бесконтактного теплового воздействия на поверхность исследуемого объекта от подвижного источника тепла с нее в окружающую среду происходят тепловые потери. Эти потери происходят за счет неполного поглощения тепловой энергии источника тепла поверхностью исследуемого объекта, а также вследствие конвективного и лучистого теплообмена с поверхности исследуемого тела в окружающую среду. Кроме того, часть тепла поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла до объекта исследования в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды, содержащихся в окружающей среде (атмосфере).

С учетом вышесказанного можно записать следующее условие теплового баланса:

q_ит=q_па+q_отр+q_к+q_л+q, (2)

где q_ит - мощность точечного источника тепла; q_па - потери тепловой мощности из-за поглощения окружающей средой части энергии излучения источника тепла; q_отр - потери тепловой мощности из-за неполного поглощения энергии излучения источника тепла поверхностью исследуемого объекта вследствие того, что исследуемый материал имеет коэффициент поглощения, отличающийся от единицы; q_к - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена; q_л - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена; q - мощность, распространяемая в исследуемом теле за счет кондуктивной теплопроводности.

Распишем подробнее слагаемые правой части уравнения (2).

Потери тепловой мощности из-за поглощения окружающей средой части энергии излучения источника тепла (см. , например, Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения. - М.: Сов. радио, 1977. - 272 с.):

q_па=q_ит[1-exp(-l)]=q_ит[1-], (3)

где - показатель ослабления окружающей среды, [1/м]; l - расстояние между источником тепла и исследуемым объектом; - прозрачность окружающей среды.

Потери тепловой мощности из-за неполного поглощения энергии лазерного луча поверхностью исследуемого непрозрачного тела с учетом потерь q_па:

q_отр = rq_ит = (1-)q_ит, (4)

где r - коэффициент отражения; - коэффициент поглощения.

Известно (Хадсон Р. Инфракрасные системы. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972. - 536 с. ), что при заданной температуре коэффициент излучения (степень черноты) тела равен его коэффициенту поглощения , т.е. = . С учетом этого выражение (4) можно записать в следующем виде:

q_отр=(1-)q_ит (5)

Потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена, исходя из теории теплопроводности (см., например, Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.), определяются выражением



где - удельный тепловой поток конвективного теплообмена, [Вт/м²]; _к - коэффициент конвективного теплообмена, [Вт/м²К] ; T_п - температура поверхности нагретого тела, [К]; T_с - температура окружающей среды, [К]; S - площадь теплоотдающей поверхности.

Потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена, исходя из теории теплопроводности (см., например, Лыков А.В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.), определяются выражением



где - удельный тепловой поток лучистого теплообмена, [Вт/м²];



коэффициент лучистого теплообмена, [Вт/м²К]; - коэффициент излучения поверхности нагретого тела; С₀= 5,67 - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м²K⁴].

Мощность q, распространяемая в исследуемом теле за счет кондуктивной теплопроводности при бесконтактном тепловом воздействии на него от подвижного точечного источника тепла, перемещающегося со скоростью V, согласно выражению (см. , например, Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296с.) определяется следующим уравнением:



где Т (R, х) - избыточная температура на поверхности нагретого тела в точке, расположенной на расстоянии R от центра пятна нагрева, [К]; х - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R от него, на линию движения источника тепла, [м]; а - коэффициент температуропроводности исследуемого материала.

Используя соотношения (3)(8) для каждого из слагаемых выражения (2), можно после несложных математических преобразований получить распределение температуры в полубесконечном в тепловом отношении теле при действии на него подвижного точечного источника теплоты с учетом тепловых потерь с поверхности тела в окружающую среду в следующем виде:



На основании выражения (9) измеряемое значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения и отстающей от него на расстоянии R_x1 будет определяться зависимостью

(10)

где - коэффициент излучения поверхности нагретого тела; - показатель ослабления окружающей среды; l - расстояние между источником тепла и исследуемым объектом; q_ит - мощность источника тепла (лазера), [Вт]; - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/мК]; R_x1 - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры, [м]; _к1 - коэффициент конвективного теплообмена при мощности источника тепла q_ит, [Вт/м²К]; _л1 - коэффициент лучистого теплообмена при мощности источника тепла q_ит, [Вт/м²K] ; S₁ - площадь теплоотдающей поверхности при мощности источника тепла q_ит, [м²] ; k=exp(-l) = - коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы.

При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся со скоростью источника V и находящейся на расстоянии R₁ от него, определяется зависимостью



где x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, [м].

Так как из условия эксперимента Т₁(х)=Т₂, то после несложных математических преобразований выражений (10) и (11), получим формулу для расчета температуропроводности в следующем виде:



Чтобы разница между тепловыми потерями в окружающую среду при измененной мощности источника 2q_ит и при q_ит была бы минимальна, экспериментально определяют такое расстояние R_x2 по линии движения источника между точкой контроля температуры и пятном нагрева, при котором температура Т₁ ^*(х) в этой точке была равна температуре Т₁(х), т.е. T₁(x)=T₁ ^*(x).

При этом значение контролируемой температуры будет определяться выражением



где _к2 - коэффициент конвективного теплообмена при мощности источника тепла 2q_ит, [Вт/м²K]; _л2 - коэффициент лучистого теплообмена при мощности источника тепла 2q_ит, [Вт/м²К]; S₂ - площадь теплоотдающей поверхности при мощности источника тепла 2q_ит, [м²].

Из формул (3) и (4) видно, что при увеличении мощности источника q_ит в 2 раза по сравнению с начальной мощностью q_ит потери тепловой мощности из-за поглощения окружающей средой части энергии излучения источника тепла и потери из-за неполного поглощения энергии излучения источника тепла поверхностью исследуемого объекта увеличиваются также в 2 раза. Потери же за счет конвективного и лучистого теплообмена изменяются по другому. Эти потери зависят от площади теплоотдающей поверхности и от значений удельных тепловых потоков конвективного и лучистого теплообмена.

Граница температурного поля на поверхности исследуемого объекта представляет собой изотерму, имеющую форму эллипса. Таким образом, площадь теплоотдающей поверхности считается по формуле: S=x₁у₁, где - х₁, у₁ - радиусы граничной изотермы температурного поля. Из формулы (1) видно, что при увеличении мощности источника q_ит в n раз радиус эллипса х₁ увеличивается также в n раз. При решении системы уравнений (8) и T/x = 0 (см., например, Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 3. Методы поверхностной лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов /А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов /Под ред. А. Г. Григорьянца. - М.: Высшая школа, 1987. - 191 с.) радиус у₁ увеличивается в Таким образом, при увеличении мощности источника q_ит в 2 раза площадь теплоотдающей поверхности исследуемого объекта увеличивается в

Проанализируем, как изменяются удельные тепловые потоки конвективного и лучистого теплообмена при увеличении мощности источника q_ит в 2 раза.

Удельный тепловой поток конвективного теплообмена при мощности источника тепла q_ит



где _кi - коэффициент конвективного теплообмена в i-й точке тела, [Вт/м²K] ; T_i - избыточная температура в i-й точке на поверхности нагретого тела, [К] ; N - количество i-х точек на теплоотдающей поверхности; А - коэффициент, зависящий от Т_i.

При увеличении мощности источника тепла q_ит в 2 раза значение Т_i согласно выражению (8) также увеличивается в два раза, а N увеличивается также, как площадь теплоотдающей поверхности, в раза. Так как значение коэффициента А находится в пределах [1,691,4], то можно принять А=const.

С учетом этого удельный тепловой поток конвективного теплообмена при мощности источника тепла 2q_ит



Аналогично удельный тепловой поток лучистого теплообмена при мощности источника тепла q_ит



где _лi - коэффициент лучистого теплообмена в i-й точке тела, [Вт/м²K]; T_i - избыточная температура в i-й точке на поверхности нагретого тела, [К]; - коэффициент излучения поверхности нагретого тела; С₀=5,67 - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м²K⁴].

Удельный тепловой поток конвективного теплообмена при мощности источника тепла 2q_ит



Из вышеизложенного следует, что при увеличении мощности источника q_ит в 2 раза удельный тепловой поток конвективного теплообмена практически не изменяется, а удельный тепловой поток лучистого теплообмена изменяется в раз, но его значение на два порядка меньше и им можно пренебречь.

Таким образом, при увеличении мощности источника q_ит в 2 раза по сравнению с начальной мощностью q_ит потери тепловой мощности за счет конвективного и лучистого теплообмена увеличиваются, как и площадь теплоотдающей поверхности, в раза.

С учетом этого выражение (13) можно записать в следующем виде:



Можно показать (см. , например, Вавилов В.П. Тепловые методы контроля композиционных структур и изделий радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1984. - 152 с.), что сигнал u с термоприемника определяется следующим выражением:

u=bexp(-l)f(T)=bkf(T), (19)

где b - постоянная, зависящая от конкретного используемого термоприемника; f(T) - функция, зависящая от температуры объекта.

Вид функции f(T) и постоянная b определяются конкретным типом используемого термоприемника; их значения указаны в его технических характеристиках.

В условиях отсутствия априорной информации о значениях коэффициента излучения поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды этими параметрами обычно пренебрегают или вводят поправочный коэффициент. Поэтому значение измеренной термоприемником температуры Т на поверхности исследуемого объекта оказывается заниженным.

Перед началом теплового воздействия на исследуемый объект можно считать, что температура на его поверхности практически равна температуре окружающей среды, которую можно измерить с большой точностью.

Таким образом, зная вид функции f(Т) используемого термоприемника и температуру окружающей среды можно определить коэффициент k, по следующему выражению:

k=f(T)/f(T_c), (20)

где Т - где температура на поверхности исследуемого объекта, измеренная термоприемником; T_с - где температура окружающей среды, измеренная термопарой.

С учетом вышесказанного и принимая во внимание условие равенства Т₁(х)= Т₁ ^*(х) после несложных математических преобразований выражений (11) и (18) получим формулу для расчета теплопроводности в следующем виде:



Таким образом, определив коэффициент k и расстояния R_x1 и R_x2, при которых разница между тепловыми потерями в окружающую среду с поверхности исследуемого тела будет минимальна, зная мощность источника тепла и скорость его движения над поверхностью исследуемого тела, по формулам (12) и (21) можно определить искомые теплофизические свойства.

Особенностью разработанного способа является то, что в нем, в отличии от известных способов, термоприемник вначале перемещается над образцом без воздействия на него точечного источника энергии (лазера), в результате чего определяется коэффициент k, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и приемно-излучательные блоки измерительной системы. Кроме того, более точно учитываются изменения величин тепловых потерь с поверхности исследуемого объекта в окружающую среду при изменении мощности источника тепла в два раза. Это позволяет почти полностью устранить их влияние на результаты измерений, что в итоге существенно повышает метрологический уровень разработанного способа.

Коэффициент излучения оказывает большое влияние как на результаты измерения температуры, так и на результаты определения искомых теплофизических свойств. Предложенный способ позволяет практически полностью исключить влияние коэффициента излучения на результаты измерений, так как в нем используется отношение сигналов с двух термоприемников и по условиям измерений Т₁(х)=Т₂, т.е. на результаты измерений практически не влияет значение коэффициента излучения и его зависимость от температуры.

Погрешность измерения температуры в большей степени влияет на вычисление температуропроводности a, чем погрешность измерения расстояния R_x, так как значение этого расстояния на три порядка меньше значения измеряемых температур, а так в предложенном способе Т₁(х)/Т₂=1, то значение коэффициента температуропроводности а практически не завит от погрешности термоприемников, что также уменьшает погрешность его определения.

Так как термоприемник 3 жестко зафиксирован с подвижным точечным источником энергии 2, а значение расстояния R₁ на порядок меньше значений R_x, то это также позволяет уменьшить погрешность измерений.

Большим преимуществом предложенного способа является то, что он позволяет учесть потери в окружающую среду в отсутствии информации о свойствах окружающей среды (влажности, запыленности и т.д.), о коэффициенте теплообмена _к, о коэффициенте излучения и состоянии поверхности контролируемых изделий, что в итоге повышает достоверность и точность информации об искомых коэффициентах тепло- и температуропроводности.

Использование измерительной головки (второго термоприемника), в сравнении с известными способами, позволяет сократить число проводимых измерительных процедур, что приводит к уменьшению времени определения теплофизических свойств материалов.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами позволило на 3-5% повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими свойствами, проведенные с использованием заявленного решения и прототипа, приведены в таблице.