Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

 

1. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхности исследуемого тела, измерении момента времени , когда интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температуры в контролируемой точке поверхности станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности определения теплофизических характеристик материалов , в момент наступления равенства интегральных значений температур осуществляют тепловое воздействие на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом, равным по мощности первому, затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке поверхности с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума станет равным интегральному г значению температуры той же точки (О после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым импульсом, равным по мощности перво му, и т.д., измеряют частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики рассчитьшают по формулам Ю 4;: N9 U, где Xi - координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла; t - заданный момент времени; 1„.- момент наступления максимума температуры; Г.х - частота следования импульсов теплового воздействия; S, (х ,t ) интегральное во времени значение температуры на интервале времени от и

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1201742 А д11 4 G 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3737778/24-25 (22) 07.05.84 (46) 30.12.85. Бюл. № 48 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) В.Н.Чернышов и Т.И.Рожнова (53) 536.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 305397, кл, G 01 N 25/18, 1969.

Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные методы измерения тепловых величин. Л.: Машиностроение, 1974, с. 150.

Авторское свидетельство СССР № 774384, кл. G 01 N 25/18, 1979, Авторское свидетельство СССР

¹ 694805, кл. 6 01 N 25/18, 1978.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1124209, кл. G 01 N 25/18, 1983. (54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЦЕГО КОНТРОЛЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК. МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импуль. сном тепловом воздействии по прямой линии на поверхности исследуемого тела, измерении момента времени, когда интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температу-. ры в контролируемой точке поверхности станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических характеристик материалов, в момент наступления равенства интегральных значений температур осуществляют тепловое воздействие на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом, равным по мощности первому, затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке поверхности с момента подачи второго теплового импульса до момента наступления максимума станет равным интегральному значению температуры той же точки после наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым импульсом, равным по мощности перво" му, и т.д., измеряют частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофиэические характеристики рассчитывают по формулам

X, (4-Т, F„) иаков

7 х

= „,,„,5» .(- —,",, )" где Х„ — координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла; „ — заданный момент времени;7„ „, — момент наступления максимума температуры; — частота следования импульсов теплового воздействия; S,(õ,,t, )— интегральное во времени значение температуры на интервале времени от

1201 до „„ ; Q. — количество тепла,выделяемое единым импульсом на единицу длины; Л,а — соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности, 2. Устройство для неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов 1 содержащее нагреватель с блоком питания, термопреобразователь, подключенный к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным .ключом, триггер и запоминающей конденсатор, включенный между электронным ключом и одним из входов компаратора, выход которого соединен с входом триггера, преобразователь напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем, первый выход — с первым входом управления реверсивным счетчиком, а второй - с цепью управления электронным ключом, причем второй управляющий

742 вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, а информационный выход реверсивного счетчика соединен с микропроцессором, к которому подключены блок постоянных коэффициентов и блок управления, три других выхода которого подключены соответственно к блоку питания нагревателя, к преобразователю напряжения в частоту, к триггеру и блоку постоянных коэффициентов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических характеристик материалов, в него дополнительно введен частотомер-хронометр, один вход которого подключен к счетному выходу реверсивного счетчика, другой — к блоку управления, а выход частотомера-хронометра соединен с входом микропроцессора, кроме того, счетный выход реверсивного счетчика подключен к блоку питания и входу триггера.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям.

Целью изобретения является повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых материалов.

Сущность способа заключается в следующем.

На теплоизолированную поверхность исследуемого тела помещают линейный импульсный источник тепла постоянной мощности. После подачи теплового импульса фиксируют интеграл альное во времени значение температуры в точке поверхности исследуемого тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла. При наступлении равенства интегральных значений температуры до и после максимума термографы нагрева, который опреде- . ляется дифференцированием температурнои кривой осуществляется тепловое воздействие исследуемого тела от того же г е источника вторым тепловым импульсом, равным по мощности перво2 му импульсу. Затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке с момента подачи второго тепло5 вого импульса до момента наступления максимума термограммы станет равным максимальному значению после максимума, воздействуют на исследуемое тело третьим тепловым импуль-!

О сом той же мощности и т,д. При этом измеряют частоту следования тепловых импульсов от источника на исследуемое тело, а искомые теплофизические характеристики определяют по фор-!

5 мулам, полученным на основании следующих исчислений.

Тепловой процесс при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченно го в тепловом отношении тела описы20 вается следующей кривои задачей теплопроводности

*N„Z.„ i >О

12017

42 4 1 ()(2.,0)=0; Т(х<е„1) - о,«««х<2-< (1

Зт(к«< с) (Я S(i) < „„„x= 2=0

d 2 I р, „ „Х)010 ат(Х,, >

=0 Юи X=0; Х=, дХ

I (4) где .Т вЂ” температура; х„z — текущие координаты; Д., а — коэффициенты . тепло- и температуропроводности;

Q, — — количество тепла, выделяемое с единицы длины линейного источника;

8() — дельта-функция (функция ДирВКВ)j L — время.

Применяя к (1) -(4) преобразование Лапласа и косинус-преобразование Фурье, а затем производя обратные преобразования, получим решение данной краевой задачи для поверхности исследуемого тела (z=O) в следующем виде

15

20 л а 1 ХХ1

1(Х ь)= — о р{ —— гад. - { (5) 25

Используя выражение (5) температурного поля для поверхности исследуемого тела и условия осуществления предлагаемого способа, после несложных математических преобразований получим формулы для расчета коэффициента тепло- и температуропроводности в следующем виде

Х< (4 Lq х ) (6)

4 7 g„„(1.„„F„„) 30

45

55 где х„ — координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия импульсного источника. тепла; 1< — заранее заданный момент

4 времени; „д„ вЂ” момент наступления максимальной температуры в контрольной точке; F - частота следования импульсов теплового воздействия; и.

S„(r„ ) - интегральное значение температуры 1 на интервале времени

Q — количество тепла, выделяемое одним импульсом на. единицу длины источника.

Таким образом, измерив частоту следования тепловых импульсов от источника тепла к исследуемому телу, интегральное во времени значение температуры S (xI, ), и зная мощность теплового воздействия, время наступления максимума термограмм нагрева, по формулам (б) и (7) можно рассчитать значения коэффициентов тепло- и температуропроводности исследуемых тел.

На чертеже представле<йа схема устройства реализующего способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала.

Устройство включает в себя линейный импульсный нагреватель 1, расположенный на поверхности иссле. дуемого полуограниченного тела 2, термопару 3, подключенную к усилителю 4, электронный ключ 5, вход которого подключен к выходу усилнтеля, компаратор 6, один из входов, которого подключен к усилителю 4, а . второй — к электронному ключу 5:и, запоминающему конденсатору 7, выход компаратора соединен с одним из входов триггера 8, преобразователь 9 напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем 4, а один выход — с первым входом управления реверсивным счетчиком 10, а второй — с цепью управления электронным ключом,5, причем второй управляющий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера 8. Информационный выход реверсивного . счетчика 10 подключен к микропроцессору 11, а выходная цепь управления — к частотомеру-хронометру 12 блоку 13 питания нагревателя и ус- ° тановочному входу триггера 8. Информационный выход частотомера-хронометра 12 соединен с микропроцессором 11, на вход которого поступа ет также информация с блока 14 постоянных коэффициентов. Блок 15 управления подключен соответственно к преобразователю 9 напряжения в частоту, частотомеру-хронометру

l2, триггеру 8, блоку 14 введения постоянных коэффициентов, блоку 13 нагревателя 1 и микропроцессору 11.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Линейный импульсный нагреватель

1 помещают на теплоизолироианную поверхность исследуемого тела 2 и на заданном расстоянии х от линии действия источника тепла располагается термопара 3. По сигналу с блока 15 управления включает1201742 ся блок 13 питания, при этом на поверхности исследуемого тела наносится тепловой импульс, осуществля- . ется ввод постоянных коэффициентов в микропроцессор Il из блока постоянных коэффициентов 14, включается частотомер-хронометр 12 и приводится триггер 8. в исходное состояние.

Сигнал с термопары 3 через усилитель- 4 поступает на один из входов компаратора 6 и через электронный ключ 5 — на запоминающую емкость 7.

Потенциал на емкости 7 дискретно изменяется во времени с частотой, определяемой преобразователем 9 15 напряжения в частоту. На входы компаратора 6 поступает разность потенциалов между постоянно растущим напряжением, снимаемым с термопары, и напряжением на запоминающем конденсаторе 7. При достижении момента времени, когда эти напряжения станут равными между собой„ что соответствует максимуму температурной кривой, компаратор 6 переключает триггер 8.

В заданный момент времени 7„ блок 15 управления включает преобразователь 9 напряжения в частоту, при этом. на вход реверсивного счетчика

10, работающего в. режиме суммирования, поступают импульсы, число которых пропорционально интегральному во времени значению температуры. При достижении температурного максимума 35 термограммы нагрева по сигналу с триггера 8 осуществляется считывание измерительной информации о значении интегральной температуры

$ (х„, } на интервале времени 0 со счетчика в микропроцессор и переключение счетчика на режим вычитания. В момент равенства интегрального значения температуры на и в первом интервале, — „ „, значе- " . нию интегральной температуры на втором интервале iHaKc- L» происходит обнуление реверсивного счетчика IO, с него подается сигнал на частотомер-хронометр 12, блок питания нагревателя 13 и установочный вход триггера 8. При этом на поверхность исследуемого тела наносится второй тепловой импульс, мощность которого равна первому, а триггер 55

8 занимает исходное положение, При достижении момента равенства интегральньм значений температуры до и после максимума термограммы нагрева от действия второго теплового импульса происходит снова обнуление реверсивного счетчика 10 и с него поступает сигнал на частотомер-хронометр, блок питания и триггер. На поверхность исследуемого тела наносится следующий тепловой импульс и цикл повторяется. При этом частотомер-хронометр фиксирует частоту следования тепловых импульсов и данная информация по команде с блока 15 управления из частотомера-хронометра .12 заводится в микропроцессор 11. Затем с блока управления подается команда в микропроцессор на обсчет полученной измерительной информации по заданному алгоритму, построенному в соответствии с расчетными формулами (6) и (7). Значения полученных результатов хранятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство микропроцессора в любое время после окончания эксперимента.

Погрешность определения теплофизических характеристик согласно предлагаемому способу значительно меньше, чем по способу-прототипу.

Измерительная информация о температурно-временных изменениях на поверхности исследуемого тела согласно способу-прототипу определяется при однократном тепловом воздействии, т.е. получение измерительной информации ограничивается однократным измерением. Предлагаемый способ позволяет получить измерительную информацию при многократных измерениях, так как осуществляется многократное тепловое воздействие на исследуемый образец.

Оценим аналитически погрешность определения искомых теплофизических параметров в обоих случаях.

Так, например, погрешность определения коэффициента температуропроводности согласно способу-прототипу определяется как

Согласно предлагаемому способу погрешность определения коэффициента температуропроводности определяется соответственно

Е

Х1 Х1 л 1. л

ЗЯ Г . Г р

В к

AF р

Составитель В. Битюков

Техред С.Мигунова Корректор В.Бутяга, Редактор Н.Горват

Заказ 7998/45 Тираж 896

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 л

Сравним погрешности а t и d F„ в способе-прототипе и предлагаемом.

Из теории погрешностей извес но, что погрешность многократных измерений в Jn раз меньше, чем погрешность измерений тел той же величины при однократном эксперименте, т.е.

Так как согласно предлагаемому способу и = 60-80, то прочность результатов измерений более чем в

8 раз превышает точность результатов.в способе-прототипе.

Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает высокую точность результатов измерения, так как измерительная информация о температурно-временных изменениях в процессе эксперимента снимается; преобразуется и используется для вычисления. искомых параметров в дискретной форме, на которую практически не оказывают влияние температурно-временные

01742 8 дрейфы, изменения в цепях питания блоков устройства, флуктуации и т.д.1

Для проверки -работоспособности предлагаемого устройства был создан

5 его макет, выполненный на интегральных микросхемах второй и третьей степени интеграции серии 133, 140, 155 и микропроцессорной техники.

10 Измерительный преобразователь .устройства выполнен в виде выносного зонда, на контактной поверхности которого закреплены линейные нагреватели в виде нихромовой прово-

15 локи Ф = 0,2 мм и хромель-копелевая микротермопара, электроды которой ф= 0,15 мм сварены встык и расположены параллельно линии действия источника тепла. При проведении

20 эксперимента измерительный зонд прижимается с постоянным усилием к поверхности исследуемого тела, на нагреватель подавалась мощность импульсов Q =60-75 Вт/м.В качестве микропроцессорной системы использовалась клавишная ЭВМ "Электроника Б3-34.Ис-: следовались полубесконечные в тепловом отношении образцы из полиметилметакрилата, оптических стекол мар30 ки КВ, ЛК5, ТФ-1, кварца КВ, фотопласта и т.д. Погрешность результатов измерения комплекса ТФ1 для данных материалов 5-6Х