Способ неразрушающего контроля теплопроводности теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления

 

Изобретение касается тепловых испытаний, а именно измерения теплофизических свойств материалов. Цель данного изобретения - повышение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия. Испытанию подлежит теплопроводность теплозащитного покрытия на металлическом основании. Теплопроводный диск с известной теплоемкостью и температурой, отличной от температуры покрытия, устанавливают на поверхности последнего. Регистрируют изменение температуры диска во времени. После установления регулярного теплового режима охлаждения искомую величину рассчитывают по значениям температур диска в три последовательные момента времени, связанные заданным соотношением. В отличие от прототипа температуры диска отсчитывают не от начальной температуры покрытия, а от произвольного постоянного значения, что обеспечивает повышение точности. Устройство для реализации способа включает кольцо, концентричное диску, охранную оболочку, термостатируемый элемент, измерители и регуляторы температур элементов, а также элементы отработки сигналов и управления. Температура кольца и оболочки поддерживается равной температуре диска. Температура термостатируемого элемента поддерживается на заданном уровне. От его температуры отсчитывается изменяющаяся температура диска. Стабильность этого опорного уровня значительно превышает стабильность исходной температуры поверхности, использовавшейся в качестве опорной в известном устройства. Этим обусловлено повышение точности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК I) 4 G 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗСБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4398374/31-25 (22) 06.04.88 (46) 23.12.89. Бюл.У 47 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности. (72) E.А.Белов, Г.Я.Соколов и А.Г.Дмитриев (53) 536.6(088.8) 1 (56) Белов E.À. и др. Определение теплопроводности и температуропроводности твердых тел односторонным зондированием поверхности. — Инженернофизический журнал, 1985, т ° 39, М 3, с. 463-466.

Белов E.À. и др. Автоматизированная установка для неразрушающего контроля теплопроводности материалов теплозащитных покрытий. — Изв. вузов.

Приборостроение. 1985, т.28, У 8, с.86-90. (54) СПОСОБ НЕРАЗРУЫАЮЦЕГО КОНТРОЛЯ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОЗАЦИТНЬИ ПОКРЫТИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение касается тепловых испытаний, а именно измерения теплофизических свойств материалов. Цель изобретения — повышение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия. Испытанию подлежит теплопроводность теплозащитного покрытия на металлическом основании. Теплопро„.,ВО„„.ДЗО975 а1

2 водный диск с известной теплоемкостью и температурой, отличной от температуры покрытия, устанавливают на поверхности последнего. Регистрируют изменение температуры диска во времени. После установления регулярного теплового режима охлаждения искомую величину рассчитывают по значениям температур диска в три последовательные момента времени, связанные заданным соотношением. В отличие от прототипа температуры диска отсчитывают не от начальной температуры покрытия, а от произвольного постоянного значения, что обеспечивает повышение точности. Устройство для реализации способа включает кольцо, концентричное диску, охранную оболочку, термостатируемый элемент, измерители и регуляторы температур элементов, а также элементы отработки сигналов и управления. Температура кольца и оболочки поддерживается равной температуре диска. Температура термостатируемого элемента поддерживается на заданном уровне. От его температуры отсчитывается изменяющаяся температу ра диска. Стабильность этого опорного уровня значительно превышает стабильность исходной температуры поверхности, использовавшейся в качестве опорной в известном устройстве. Этим обусловлено повышение точности.

2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1530975

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к области измерения теплофиэических свойств материалов.

Цель изобретения — повышение точности контроля за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия.

На чертеже показано устройство для реализации предлагаемого способа.

Сущность способа состоит в измерении теплопроводности теплоэащитного покрытия на металлическом (т.е. высокотеилопроводном по сравнению с 15 покрытием) основании — посредством регистрации изменения во времени температуры высокотеилопроводного тела, перегретого относительно температуры покрытия и приведенного с ним в тепловой контакт.

Способ осуществляют следующим образом. соотношением л г ь3= 2 z—

Значение теилоироводности покрытия вычисляют ио формулам

5 С (GF/ЗС (2) 45 где С вЂ” теилоемкость диска, Дж/К; толщина покрытия;

I — площадь контакта диска и покрытия; ч — перегрев диска, К; б — поправка на поглощение теплоты в слое покрытия;

С о — объемная теплоемкость покрып тия, Дж /м К.

11едный диск l теплоемкостью

25 Дж/Е и диаметром контактного основания 50 мм закреплен с помощью трех тонкостенных стальных трубок 2 в цент50

Теплоироводящий диск с известной теилоемкостью перегревают относительно температуры испытуемого покрытия и приводят в контакт с этим покрытием. ,Регистрируют изменение перегрева диска во времени, отсчитывая его or произвольно заданного постоянного уровня температуры. На регулярной стадии теплового процесса (при постоянном "темпе охлаждения") регистрируют значения перегрева в три последовательные момента времени, связанные

35 ре кольца 3. Отверстие в кольце выполнено в виде усеченного конуса

I таким образом, что минимальный радиальный зазор между диском и кольцом на контактной поверхности составляет

0,5 мм. Кольцо выполнено из алюминиевого сплава и имеет внешний диаметр

250 мм. При указанном соотношении диаметров диска и кольца, в центральной зоне температурного возмущения, создаваемого устройством в исследуемом покрытии, формируется практически одномерное температурное поле. Теплоемкость кольца выбирается исходя иэ условия превышения собственной скорости его остывания над максимально возможной скоростью остывания диска.

Равенство температур кольца и диска обеспечивает замкнутый контур автоматического регулирования температуры, включающий последовательно соединенные дифференциальную термопару регулятор 5 температуры и электрический нагреватель 6, равномерно распределенный ио объему кольца. Внешняя поверхность диска защищена оболочкой 7, препятствующей теплооттоку от диска в окружающую среду. Оболочка выполнена иэ алюминиевого сплава и закреплена через слой высокотеплопроводной пасты на кольце. Благодаря широкой площади их контакта и высокой температуропроводности алюминиевого сплава температура оболочки практически совпадает с температурой кольца.

На верхний торец оболочки через теплоизоляционные стойки 8 установлен теплопроводящий блок 9, выполненный из алюминиевого сплава в виде диска, в радиальные пазы которого уложен проволочный электрический нагреватель 10. В тело теилопроводящего блока вмонтирован спай термопары 11, подключенной к одному из входов сумматора 12, который представляет собой операционный усилитель с дифференциальными входами и формируют на выходе электрический сигнал, пропорциональный разности сигналов термопары 11 и источника 13 опорного напряжения.

В качестве источника опорного напряжения использован прецизионный стабилизатор напряжения с возможностью изменения напряжения в широких пределах, Выход сумматора подключен к входу регулятора 14 температуры, нагрузкой которого является нагреватель 10. Температурные измерения протемпературы поверхности покрытия, достаточно удаленной от места теплового воздействия и отсчета от нее значений перегрева, достигается существенное повышение точности.

Например, при исследовании пенополиуретановых теплозащитных покрытий с теплопроводностью

0,04 Вт/(м К) ошибка в измерении перегрева диска относительно поверхности покрытия с помощью контактного термоприемника, использованного в известном устройстве, даже при не50

5 15309 водятся с помощью дифференциальной термопары 15 со спаями, размещенными в диске 1 и теплопроводящем блоке 9, которая подключена к вычислительному блоку 16.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом опыта диск перегревается относительно исследуемого 10 покрытия на 10-15 К с помощью любого внешнего источника теплоты. При этом регулятор 5 температуры автоматически поддерживает нулевой перепад между диском 1 и кольцом 3. Регулятор 14 температуры обеспечивает поддержание постоянства температуры теплопроводящего блока 9, которая задается с помощью соответствующей регулировки выходного напряжения источника 13 20 и выбирается из условия превышения максимально возможной температуры ,окружающей среды. Это дает возмож1 ность надежного регулирования температуры теплопроводящего блока 9 путем 25 выделения необходимой мощности нагревателем 10. После завершения операции предварительного перегрева устройство устанавливают на поверхность покрытия. Вычислительный блок 16 выявляет 30 момент наступления регулярной стадии опыта и обеспечивает измерение перегрева диска в необходимые моменты времени с последующим вычислением теплопроводности по формулам (1) и (2). При этом исходные данные о толщине исследуемого покрытия и объемной теплоемкости исследуемого класса материалов предполагаются известными.

Теплопроводность покрытия может 40 быть определена по результатам измерения перегрева диска относительно любой опорной температуры, которая в течение промсжутка времени остается неизменной, За счет исключе- 45 ния известного способа о неизменности

75 значительном перепаде температур между поверхностью и окружающей средой (ЕК) может составлять 0,80,9 К. Учет этого фактора при общем перегреве диска 10 К приводит соответственно к повышению точности измерения теплопроводности в 1,08 раза.

Изобретение может быть использовано для технологического контроля состояния тепловой защиты объектов холодильной, криогенной аэрокосмической техники, строительных конструкций. л ь3 — 2 «, а искомую величину вычисляют по формулам с 8

F(z- «) >(z) — (Ю где Д

Р— теплопроводность покрытия; толщина покрытия; значение перегрева диска относительно произвольной постоянной температуры; три последовательных момента времени соответственно; поправка на поглощение теплоты в слое покрытия; площадь контакта диска и покрытия; объемная теплоемкость покрытия, Дж/м К, теплоемкость диска, Дж/К.

Формула изобретения

1. Способ неразрушающего контроля теплопроводности теплозащитных покрытий на металлическом основании, заключающийся в том, что на поверхность покрытия устанавливают предварительно перегретый относительно покрытия теплопроводящий диск известной теплоемкости, изолированный от воздействия окружающей среды, и измеряют его перегрев на регулярной стадии теплового процесса в два фиксированных момента времени, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений за счет исключения влияния непостоянства температуры поверхности покрытия, дополнительно измеряют перегрев в третий момент времени, связанный с первым соотношением

1530975

Составитель В.Вертоградский

Техред М.Ходанич Корректор С.Черни

Редактор А,Коэориэ

Заказ 7946/44 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина,101

2. Устройство для нераэрушающего контроля теплопроводности теплоз ащитных покрытий на металлическом основании, содержащее теплопроводящий диск, его охранные кольцо и оболочку, регулятор температуры, вычислительный блок, нагреватель и две дифференциальные термопары, причем диск расположен соосно внутри кольца и окружен с одной стороны оболочкой, закрепленной на кольце, первая дифференциальная термопара, спаи которой расположены в диске и кольце, подключена к входу регулятора температуры, выход которого подключен к нагревателю, вмонтированному в кольцо, а один из спаев второй дифференциальной термопары, подключенной к вычислительному блоку, расположен в диске, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что дополнительно введены теплопроводящий блок, 5 источник опорного напряжения, сумматор, второй регулятор температуры и дополнительные термопара и нагреватель, причем второй спай второй дифференциальной термопары, нагреватель и спай дополнительной термопары размещены в теплопроводящем блоке, один из входов сумматора подключен к источнику опорного напряжения, а другой — к дополнительной термопаре, выход сумматора подключен к входу второго регулятора температуры, дополнительный нагреватель — к его выходу.