Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов
Использование: изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности. Сущность изобретения заключается в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии , параллельной линии движений источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью. При двух различных значениях избыточных температур, меньших значений температуры термодеструкции материалов, уменьшают скорость движения источников энергии и термоприемника и контролируют максимальное значение термограмм и соответствующее ему расстояние между источником и термоприемником до тех пор, пока контролируемое при этом максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных зкачений, а затем другому заданному значению, а искомые теплофизические характеристики определяют с использованием измеренных значений скорости движения и расстояний до точки контроля максимальных Температур . 2 ил. Ј
СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистических
РЕСПУБЛИК (19) (1!)
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4866121/25 (22) 14.09.90 (46) 30,11.92. Бюл. N. 44 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) В.Н. Чернышов, А.П. Пудовкин и Л.И. Рожнова (56) Авторское свидетельство СССР N. 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1981. Авторское свидетельство СССР М 1040392, кл. G 01 N 25/18, 1982. (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности. Сущность изобретения заключается в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным тоИзобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении теплофиэических свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности, Известен способ определения теплофизических свойств твердых материалов, включающий нагрев поверхности эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником энергии, измерение начальных и предельных избыточных температур поверхности эталона и образцов по чечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии, параллельной линии движений источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью. При двух различных значениях избыточных температур, меньших значений температуры термодеструкции материалов, уменьшают скорость движения источников энергии и термоприемника и контролируют максимальное значение термограмм и соответствующее ему расстояние между источником и термоприемником до тех пор, пока контролируемое при этом максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных значений, а затем другому заданному значению, а искомые теплофизические характеристики определяют с использованием измеренных значений скорости движения и расстояний до точки контроля максимальных температур. 2 ил. линии перемещения источника энергии датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника энергии, и определение коэффициента теплопроводности по расчетной формуле. Недостатком данного способа является ограничен ность функциональных возможностей, обусловленная неспособностью комплексного измерения теплофизических свойств материалов, а также низкая точность результатов измерения, обусловленная тем, что ввиду отсутствия информации о теплофизических свойствах исследуемых образцов не представляется возможным ус1!78658 ния теплофизических свойств материалов,- 10 20 40 мещаемые относительно исследуемого 50 образца 3. Выход датчика температуры 2 тановить расстояние между термоприемником и источником энергии, а также скорости их движения такими, чтобы уровень измеряемой предельной температуры удовлетворял бы по разрешающей способности точности требования, исгользуемой в эксперименте контрольно-измерительной аппаратуре. За прототип принят способ определевключающий нагрев пдследовательно установленных эталонов и образца подвижным точечным источником энергии и регистрацию избыточной предельной температуры поверхности эталонов и образца вдоль линии движения источника энергии датчиком температуры, перемещаемым относительно образцов и эталонов с одинаковой с источником энергии скоростью с фиксированной задержкой относительно источника энергии, смещение области измерения температуры на эталонах и исследуемом образце на линию, параллельную линии движения источника энергии, и измерение при этом избыточной предельной температуры с последующим определением по расчетным формулам искомых теплофизических характеристик. Недостатком данного способа является отсутствие поиска такого расстояния между термоприемником и источником энергии, при котором измеряемая избыточная температура, являющаяся информативным параметром, имела бы максимальное значение для данного режима теплового воздействия. Целью предлагаемого изобретения яв.ляется оптимизация режимных параметров теплофизического эксперимента и повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых образцов. На фиг. 1 приведена схема расположения источника тепловой энергии и датчика температуры относительно исследуемого тела в процессе ее измерения. Схема включает точечный источник тепловой энергии 1 и датчик температуры 2, регистрирующий температуру поверхности исследуемого тела по электромагнитному излучению, переподключен к информационным входам электронных ключей 4, 5 и 6, управляющие входы которых соединены с управляющими выходами микропроцессора 7, а выходы ключей 4 и 5 подключены к запоминающим устройствам 8 и 9, которые через электронные ключи 10 и 11 соединены соответственно с первыми вторым входом вычитающего, устройства 12. Выход вычитающего устрой30 35 ства 12 через усилитель мощности 13 подключен к реверсивному двигателю РД 14, вал которого кинематически соединен с реохордом потенциометра 15 и механизмом перемещения 16 термоприемника 2 относительно источника 1. Потенциометр 15 подключен к источнику стабилизированного напряжения 17, а реохорд потенциометра подключен к цепи питания двигателя постоянного тока 18, вал которого кинематически соединен с механизмом 19 перемещения источника и термоприемника относительно исследуемого изделия, а также соединен с тахогенератором 20, выход которого подключен к информационному входу микропроцессора 7. Термоприемник 2 соединен с информационным входом датчика положения 21, регистрирующего расстояние между термоприемником и источником тепла, причем выход датчика 21, а также и управляющий вход, подключены к микропроцессору 7. Сущность способа заключается в следующем. Включают источник энергии 1 и начинают перемещение его и датчика температуры 2 над исследуемым телом 3 с некоторой постоянной скоростью VH, величина которой берется такой, чтобы при выбранной мощности источника избыточная температура исследуемого тела была не-, большой (10 — 15 С). Датчик температуры 2, движущийся при этом по линии, параллельной линии перемещения источника энергии с отставанием от него, будет регистрировать предельную избыточную температуру нагреваемой поверхности, соответствующую установившемуся квазистационарному режиму нагрева, причем зависимость избыточной температуры поверхности от расстояния между термоприемником и источником энергии для различных скоростей их движения относительно исследуемого тела имеет вид, представленный на фиг. 2. Затем меняют расстояние между точкой контроля избыточной температуры и центром пятна нагрева источника энергии до тех пор, пока контролируемая избыточная температура в точке ее регистрации достигнет максимальНОГО значения Тмакс(йопт) (GM. фиГ, 2). Поиск экстремального значения Т акс осуществляется следующим образом, По команде с микропроцессора 7 открывается ключ 5 и информация об избыточной температуре T»e(Rн) с датчика 2 заносится в запоминающее устройство 9. Затем по сигналу с микропроцессора механизм перемещения термоприемника 16 изменит расстояние между источником энергии 1 и термоприемником 2 на расстояние равное 0,5-1 мм. 1776658 Далее по команде с микропроцессора открывается ключ 4 и информация об избыточной температуре T)n3II(R))+ Л R1) с датчика 2 заносится в постоянное запоминающее устройство 8. По сигналу микропроцессора 7 5 открываются ключи 10 и 11, на вычитающее устройство 12 подаются сигналы с запоминающих устройств 8 и 9. Раэностный сигнал ЛT(R) = Тизл(йн-Tme(R + ЛR1) УсиливаетсЯ усилителем 13 и подается на реверсивный 10 двигатель 14, который в соответствии с зависимостью h.RI = К ATI(l) (1) переместит термоприемник 2 относительно источника энергии 1. Затем информация с датчика 2 Тизб(й2) ЧЕРЕЗ ОтКрЫтЫй КЛЮЧ 5 ЗаНОСИтСя В 15 запоминающее устройство 9, при этом предыдущая информация T+3I.(RH) в этом устройстве стирается. По команде с микропроцессора 7 открываются ключи 10 и 11 и с вычитающего устройства разность ЛT2(R) = 20 Тизб(йн+ hR1) T(R) чеРез Усилитель 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от знака и величины разности ЛТ2(Я) и в соответствии с зависимостью (1) переместит термоприемник 2 в 25 точку К2. Перемещение термоприемника в соответствии с вышеописанным циклом будет осуществляться до тех пор, пока pàçность GATI(R) = Т,зб(й;)--Т,зь(К)-1) станет равной нулю, Это .будет соответствовать 30 экстремуму функции Тизб(В), т,е, в точке Тмакс(%)опт) )(см. фиг. 2). Затем постепенно уменьшают скорость движения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца в соответствии с зависимостью V = V ЬЧ (2), где VH — начальная скорость движения источника термоприемника Л V = К(Таад.1 — T(V)), Тзад1 — НаПЕРЕД ЗаДаННОЕ Э )аЧЕНИЕ температуры, величина которо) задается 40 меньшей на 30 — 40 от температуры термодеструкции исследуемого материала, К- коэффициент пропорциональности, величина которого задается, например, в диапазоне от 0,1 до 3, Эта операция реализуется сле- 45 дующим образом. На первый вход вычи I.aIoщего устройства 12 с микропроцессора 7, подается сигнал, величина которого пропоРЦиональна значению Т„д,1, а на втоРой вход через открытый ключ подается сигнал с датчика 2. Раэностный сигнал ЬT(V) с выхода вычитающего устройства 12 через усилитель мощности 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от величинь(рассогласования 55 перемещает peoxopq потенциометра 15, что приводит к уменьшению напряжения питания двигателя постоянного тока 18, который за счет уменьшения числа оборотов через механизм (редуктор) 19 умен,.шает скорость движения источника энергии 1 и термоприемника 2 до тех flop, пока избыточная контролируемая температура Т,зь, станет ПРИбЛИжатЬСЯ К ЗаДаННОМУ ЗНаЧЕНИЮ Тзад 1. Затем в соответствии с вышеописанным алгоритмом поиска экстремального значения термограммы нагрева находят расстояние Rom.1 между нагревателем и термоп риемником, которое соответствует максимуму избЫТОЧНОЙ TGMIlePBT)1PÛ Тмакс1 (1 опт.1) ДаЛЕЕ, изменяя скорость движения источника и термоприемника и находя для каждого ее значения максимум избыточной температуры Тмакс (Rom.) за счет варьирования расстояния R по вышеописанному алгоритму, определяют такую скорость Ч1 и расстояние Йопт.1, ПРИ KOTOPblx Тмакс.1 (опт.1) = Тзад.1. Аналогичнь:м образом определяют скорость V2 и РасстоЯние RoflT.2, пРи котоРых Тмак 2 (Rom.2.) = Тзад.2 Информация о скоростях движения источника и термоприемника V1и Ч2, расстояниях до точек контроля максимальных температур, максимальных температурах Тмакс.1 (Ron).1) In Тмакс.2 (опт.2) ЭаНОСятСя В оперативную память микропроцессора. На основе полученной измеритель:)ой информации в микропроцессоре осуществляется расчет теплофизических характеристик материалов по алгоритму, построенному в соответствии с формулами, полученными на основании следующих рассуждений, Известно, что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником энергии избыточная температура поверхности тела Т(х, R) в точке, перемещающейся вслед эа источником со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяется выражением: т(х. R) = — +- ехр (- — IR - x)), (3) где q — мощность источника, il., а, — тепло и температуропроводность исследуемого иэделия, R — расстояние до точки контроля температуры; х — расстояние между центром пятна нагрева поверхности изделия и проекцией точки контроля температуры на линию движения источника энергии; Ч— скорость перемещения источника и термоприемника относительно изделия. Тогда а V1 Тмакс = exp (- — x 2л R«1 2а х (Вопт.1 х1)) (4) 1778658 Ч ч Тмакс2 = - OxP (- 2 х Х (Йопт.2 - Х2)) (5) После несложных математических преобра- 5 зований получим формулу для расчета температуропроводности а - (6) 1т2 1 опт.2 Х2 тт1 опт.1 Х1 21п Тмакс1 Rom.1 10 Тмакс2 Rom.2 Теплопроводность определяют по формуле, полученной при подстановке выраже ния (6) в (4), имеющей вид: ехр х V1(Rpgy1 х1) nfl . |макс2 опт.2 1т2(попт.2 х2) v1(Roï T.1 х1) (7) Такий образом, измерив расстояние опт,1 И Вопт.2, ОПрЕдЕЛИВ. уСтаНОВИВШИЕСя скорости V1, Ч2 и зная мощность источника ЭНЕРГИИ И ЗНаЧЕНИЕ Тмакс.1, ПО фОРМУЛаМ (6) и (7) легко определить искомые теплофизические характеристики исследуемых материалов. Таким образом, предложенный способ по сравнению с известными техническими решениями значительно расширяет функциональные возможности по классам исследуемых материалов, позволяет с большой точностью определить весь комплекс теплофизических характеристик материалов. Формула изобретения .Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов, состоящий в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии, параллельной линии движения источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью, отличающийся тем, что, с целью оптимизации режимных параметров теплофизического эксперимента и повышения точности, .задают два различных значения избыточных температур, меньших значения температуры термодеструкции образцов, уменьшают скорость движения источника энергии и термоприемника, и, варьируя расстоянием между источником и термоприемником, контролируют максимальное значение термограммы и соответствующее ему расстояние между источником и термоприемником до тех пор, пока максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных значений, затем продолжают уменьшение скорости движения источника и термоприемника, on ределяя при этом максимальное значение термограммы и соответствующее ему расстояние между термоприемником и источником, до тех пор, пока максимальное контролируемое значение избыточной температуры станет равным второму наперед заданному значению, а искомые теплофиэические характеристики определяют с использованием измеренных значений скорости движения и расстояний до точек контроля максимальных температур. 17780. Л опт, Z) Составитель В. Чернышов Техред М.Моргентал Корректор Н. Тупица Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 4189 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
