Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в способе бесконтактного измерения теплофизических материалов воздействуют на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности в точках поверхности тела, измеряют расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрируют взаимное положение точек подвода теплоты и измерения температур и полученные данные используют при определении искомых величин, точку контроля температуры помещают в центр пятна нагрева, смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания на заданное расстояние, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной предельной температуры на отрезке движения от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, определяют избыточную температуру в заданном положении точки контроля, помещают точку контроля в центр пятна нагрева, а затем удаляют ее по произвольно выбранной прямой линии в сторону отставания от источника. Устройство бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов содержит закрепленные над поверхностью исследуемого тела сосредоточенные источники тепловой энергии и термоприемники, сфокусированные на поверхность тела, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца, дополнительно содержит четыре электронных ключа, преобразователь напряжения в чистоту, реверсивный счетчик, два аналого-цифровых преобразователя, центральный процессор, блок ввода-вывода, клавишный пульт управления, инвертор, переключатель полярности цепи питания двигателя, два потенциометра со стабилизированным источником питания, блок западания опорных напряжений, два механизма перемещения термоприемника, блок вывода, компаратор. 2 с. п. ф-лы, 2 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен способ определения теплопроводности материалов [1] , включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающимся 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 определяемой теплофизической характеристики потерь тепла в окружающую среду, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации.

Известно также устройство [2] для определения теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, а также сосредоточенный источник тепловой энергии, два радиометра, закрепленный на подвижной платформе эталонный образец, регистратор и блок управления приводом, причем радиометры подключены к соответствующим входам регистра.

Недостатком известного устройства являются узкая область его функциональных возможностей, не позволяющая проводить комплексное определение теплофизических характеристик материалов, а также ограничения в точности и достоверности получаемой измерительной информации ввиду отсутствия возможности введения поправок в результат измерения на потери тепловой энергии в окружающую среду.

За прототип принят способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов [3] , 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 характеристики.

Недостатком этого способа является невысокая точность определения искомых характеристик, так как в процессе эксперимента не учитываются тепловые потери от нагретой поверхности материалов в окружающую среду, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения.

За прототип принято устройство для определения теплофизических характеристик материалов [4] , содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, а также сосредоточенный источник тепловой энергии, четыре радиометра, которые подключены к соответствующим входам регистратора, и два эталонных образца, закрепленных на подвижной платформе. Устройство содержит, кроме того, блок управления приводом.

Недостатком этого устройства является невысокая точность, так как оно не позволяет учитывать и вводить поправки в результате измерения на тепловые потери в окружающую среду.

Целью изобретения является повышение точности измерения теплофизических характеристик материалов.

Цель достигается тем, что в способе бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, состоящем в тепловом 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 тепла и измерения температур, помещают точку контроля температуры в центр пятна нагрева, смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в стороны отставания на заданное расстояние, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной предельной температуры на отрезке движения от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, определяют избыточную температуру в заданном положении точки контроля, помещают точку контроля в центр пятна нагрева, а затем удаляют ее по произвольно выбранной прямой линии в сторону отставания от источника на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, полученной при движении точки контроля по линии источника на заданное расстояние, перемещают точку контроля в центр пятна нагрева и изменяют мощность источника энергии на определенную величину, перемещают точку контроля из центра пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры при движении по линии источника с первоначальной мощностью, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений: a = λ = , где λ, а - коэффициенты тепло- и температуропроводности [Вт/м˙к] ; [м²/с] ; R₁, R_x1, R_x2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры [м] ; T₁(R₁), T₂(R_x1) и T₃(R_x2)- избыточные температуры в точках соответственно на расстояниях R₁, R_x1 и R_x2 от центра пятна нагрева при мощности источника q₁ и q₂ [^oC] ; V - скорость движения источника и термоприемника относительно исследуемого тела [м/с] ; Х^I - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R_x1, на линию движения источника энергии [м] .

В устройстве по данному способу, содержащем закрепленные над поверхностью исследуемого тела сосредоточенный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированные на поверхность тела, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца, дополнительно включает четыре электронных ключа, преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик, два аналого-цифровых преобразователя, центральный процессор, блок ввода-вывода, клавишный пульт управления, инвертор, переключатель полярности цепи питания двигателя, два потенциометра со стабилизированным источником питания, блок задания опорных напряжений, два механизма перемещения термоприемника относительно источника тепловой энергии, блок вывода, причем выход термоприемника подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей, а выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход котоpого в свою очередь подключен к информационному входу реверсивного счетчика, выход второго электронного ключа через первый аналого-циф- ровой преобразователь подключен к первому входу центрального процессора, второй вход которого через устройство ввода-вывода соединен с клавишным пультом управления, причем один из выходов пульта управления подключен к управляющему входу третьего ключа, информационный вход которого соединен с расходом первого потенциометра, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений а вход блока задания опорных напряжений соединен с пультом управления, кроме того, выход компаратора подключен к управляющему входу первого электронного ключа и входу инвертора, выход которого соединен с управляющим блоком второго электронного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход ключа через второй аналого-цифровой преобразователь подключен к третьему входу центрального процессора, реохорд первого потенциометра соединен также с цепью управления магнитного пускателя реверсивного двигателя, силовая цепь которого через переключатель полярности подключена к блоку питания двигателя, а вал двигателя соединен с механизмом перемещения термоприемника относительно точечного источника энергии по направлению движения источника, а также с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном направлению источника, кроме того, потенциометры подключены к источнику стабилизированного напряжения, а реохорд первого потенциометра кинематически соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении движения источника тепла, реохорд второго потенциометра соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном направлению движения источника, реохорды двух потенциометров подключены соответственно к первому и второму информационным входам четвертого электронного ключа, выход которого соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход реверсивного счетчика подключен к управляющим входам второго и четвертого электронных ключей, а также к цепи управления магнитного пускателя, кроме того, выход компаратора подключен к магнитному пускателю и механизму перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого изделия, а блок управления соединен с блоком переключения полярности питания реверсивного двигателя, магнитным пускателем, механизмом перемещения источника и термоприемника и блоком питания источника энергии, информационный выход центрального процессора через блок вывода подключен к индикатору и информационным входам реверсивного счетчика.

При анализе известных технических решений по способам и устройствам неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов не обнаружены решения, имеющие существенные признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого способа и устройства.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

Наличие совокупности существенных признаков, а именно измерение избыточных температур в заданных и найденных соответствующим образом точках контроля T₁(R₁). T₂( R_x1), T₃(R_x2), изменение мощности источника энергии на определенную величину, перемещение точки контроля по линии движения источника энергии на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению температуры при движении по линии источника с первоначальной мощностью, а также введение в устройство дополнительно четырех электронных ключей преобразователя напряжения в частоту, реверсивного счетчика, центрального процессора, блока ввода-вывода, клавишного пульта управления, инвентора, переключателя полярности цепи питания, двигателя, двух механизмов перемещения термоприемника, блока вывода обеспечивает повышение точности, что свидетельствует о достижении цели изобретения.

Сущность способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием помещают точечный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированный в точку поверхности, подверженной тепловому воздействию. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемника над исследуемым изделием с постоянной скоростью. Затем постепенно смещают точку контроля предельной избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания до достижения заданного расстояния R₁ между источником и термоприемником, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной температуры S₁(R) на отрезке линии движения от пятна нагрева до точки контроля. Осуществляют измерение избыточной предельной температуры в точке R₁. Далее, переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева, удаляют постепенно точки контроля избыточной температуры от пятна нагрева в сторону отставания от источника по произвольной выбранной прямой линии до тех пор, пока контролируемое интегральное по расстоянию перемещения значение избыточной температуры станет равным значению S₁(R) (см. фиг. 1), т. е. S₁(R) = S₂(R_x1). Измеряют найденное значение расстояния R_x1 и значение избыточной температуры Т₂(R_x1) при этом расстоянии точки контроля от центра пятна нагрева. Затем, переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева и изменив мощность источника на определенную величину, смещают точку контроля избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него до тех пор, пока контролируемое интегральное по расстоянию перемещения значение температуры станет равным интегральным значениям S₁(R₁) или S₂(R_x1) (см. фиг. 1), т. е. S₁(R₁) = S₃(R_x2). Измеряют найденное значение расстояния R_x2 и значение избыточной температуры при этом расстоянии точки контроля от центра пятна нагрева, а искомые теплофизические характеристики определяют по зависимостях, полученным на основании следующих рассуждений.

Известно, что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным источником точечной энергии избыточная предельная температура поверхности этого тела в точках, перемещающихся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяемая зависимостью T_т(R)= , (1) где q - мощность источника [Вт] ; - коэффициент теплопроводности изделия [Вт/м˙К] ; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры [м] .

Поскольку поверхность исследуемого изделия в процессе эксперимента не теплоизолирована от окружающей среды, то после нанесения теплового воздействия часть тепла от нагретой поверхности изделия будет отводиться за счет конвективного и лучистого теплообмена в окружающую среду. Поэтому измеряемого значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения и отстающей от него на расстояние R₁, будет определяться зависимостью T₁(R₁)= , (2) где Δq_пот - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена.

Из теории теплопроводности известно (см. , например, Лыков А. В. Теория теплопроводности // Высш. шк. , 1967), что тепловой поток при конвективном и лучистом теплообмене между поверхностью нагретого тела и окружающей средой определяется выражением q = α[T_т(R) - T_c] , (3) где α= α_к + α_луч - суммарный коэффициент теплообмена [Вт/м² К] ; α_к - коэффициент конвективного теплообмена; α_луч - коэффициент лучистого теплообмена; Т_с - температура окружающей среды.

Потери тепловой энергии в окружающую среду при прохождении точки контроля температуры расстояния от пятна нагрева до точки с координатой R₁ при мощности q₁ будут определяться выражением Δq₁= α [T₁(R)-T_с] dR= S₁(R) (4) Чтобы потери энергии в окружающую среду при мощности источника q₁ были бы равны потерям Δq₁. экспериментально находят такое расстояние R_x1между точкой контроля избыточной температуры и пятна нагрева, при котором Δq₂= α [T₂(R)-T_с] dR= S₂(R)= S₁(R) (5) При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью источника и на расстояния R_x1 от него, определяется зависимостью T₂(R) = ·exp- (R-xʹ), (6) где V - скорость движения источника и термоприемника, а - коэффициент температуропроводности исследуемого материала; Х^I - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки R_x на линию движения источника тепла (см. фиг. 1).

Поскольку из (4) и (5) следует, что Δ q₁^пот= Δ q₂^пот, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (6), получим формулу для расчета температуропроводности в виде:
a = (7) Чтобы тепловые потери в окружающую среду от конвективного и лучистого теплообмена при измененной мощности источника q₂ были бы равны потерям Δq₁^пот, экспериментально определяют такое расстояние R_x2по линии движения источника между точкой контроля температуры и пятном нагрева, при котором
Δq^п₃^от= α [T₃(R)-T_с] dR= S₃(R)= S₁(R₁) (8) При этом значение контролируемой температуры будет определяться выражением
T₃(R) = (9) Так как из условия эксперимента Δ q₁^пот= Δ q₃^пот, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (9), получим формулу для расчета теплопроводности в следующем виде:
λ = . (10) Таким образом, определив расстояния R_x1 и R_x2, при которых тепловые потери в окружающую среду с поверхности исследуемого тела будут равны потерям при движении термоприемника на заданное расстояние R₁ от источника тепла, а также измерив соответствующие этим трем расстояниям значения предельных избыточных температур, зная мощность источника и скорость его движения над поверхностью тела, по формулам (7) и (10) можно определить искомые теплофизические характеристики.

На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство состоит из источника 1 тепловой энергии, сфокусированного на поверхность исследуемого изделия 2, термоприемника 3, расположенного над поверхностью исследуемого изделия, сфоку- сированного на нее. Термоприемник подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей 4 и 5, выход первого ключа соединен с входом преобразователя 6 напряжения в частоту, выход которого в свою очередь подключен к информативному входу реверсивного счетчика 7. Выход второго электронного ключа через первый аналого-цифровой преобразователь 8 подключен к первому входу центрального процессора 9, второй вход которого через устройство 10 ввода-вывода соединен с клавишным пультом 11 управления. Один из выходов клавишного пульта 11 управления подключен к управляющему входу третьего электронного ключа 12, информационный вход которого соединен с реохордом первого потенциометра 13, а выход - с первым входом компаратора 14, второй вход подключен к выходу блока 15 задания опорных напряжений (уставок). Вход блока 15 соединен с пультом 11 управления. Выход компаратора 14 подключен к управляющему входу первого электронного ключа 4 и входу инвертора 16, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа 5. Реохорд первого потенциометра 13 подключен к первому информационному входу четвертого электронного ключа 17, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 7, а выход через второй аналого-цифровой преобразователь 18 подключен к третьему входу центрального процессора 9. Реохорд потенциометра 13 соединен также с цепью управления магнитного пускателя 19 реверсивного двигателя 20, силовая цепь которого через переключатель 21 полярности подключена к блоку питания двигателя 22, а вал двигателя соединен с механизмом 23 перемещения термоприемника 3 относительно источника 1 вдоль оси Х-ков, а также с механизмом 24 перемещения термоприемника вдоль оси Y-ков. Потенциометры 13 и 25 подключены к источнику 26 стабилизированного напряжения. Механизм перемещения термоприемника 23 соединен с реохордом первого потенциометра 13, а механизм 24 перемещения - с реохордом второго потенциометра 25. Реохорд второго потенциометра 25 подключен к второму информационному входу электронного ключа 17. Выход блока питания 27 источника энергии подключен к входу источника 1 энергии, а цепь управления блока питания 27 соединена с блоком 11 управления, который в свою очередь соединен с блоком 21 переключения полярности и цепями управления магнитного пускателя 19 и механизма 28 перемещения источника 1 энергии и термоприемника 3 относительно образца 2. Информационный выход центрального процессора 9 через устройство 29 вывода подключен к индикатору 30 и информационным входам счетчика 5. Выход реверсивного счетчика 7 подключен к управляющим входам второго и четвертого электронных ключей 5 и 17, а также к цепи управления магнитного пускателя 19. Выход компаратора 14 подключен также к цепям управления магнитного пускателя 19 и механизма 28 перемещения.

Устройство реализует предлагаемый способ следующим образом. Оператором перед началом измерения с клавишного пульта 11 управления вводится программа расчета теплофизических характеристик, построенная в соответствии с зависимостями (7) и (10). Затем по команде с пульта управления устройство приводится в исходное состояние: закрываются первый 4, второй 5, третий 12 и четвертый 17 электронные ключи, обнуляется счетчик 7, устанавливается на блоке 15 уставок напряжение, пропорциональное значению заданного рассто- яния R₁, включается магнитный пускатель 19, при этом реверсивный двигатель 20 через механизм 23 перемещения перемещает термоприемник 3 относительно источника 1 до совмещения точки контроля температуры с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенциометра 13 установится на нулевое положение, а нулевой сигнал с него выключит магнитный пускатель 19, т. е. осуществится блокировка двигателя 20.

Запуск устройства осуществляется оператором подачей с пульта 11 управления команды на включение блока 27 питания источника 1 энергии, включение механизма 28 перемещения источника 1 и термоприемника 3 относительно исследуемого изделия 2, переключение полярности питания блоком 21, включение пускателя 19 и запуск двигателя 20, который через механизм 23 осуществляет перемещение термоприемника 3 в сторону отставания от источника 1, открытие электронных ключей 4, 5 и 12. При перемещении термоприемника от точки теплового воздействия на исследуемое изделие информация об интегральном значении контролируемой избыточной температуры S₁(R) заносится в счетчик 7. Поскольку стабилизированное напряжение питания в блоке 24 подобрано таким образом, чтобы при перемещении реохорда потенциометра 13 на единицу длины значение напряжение, снимаемого с реохорда, было строго пропорционально выбранной единице линейного перемещения, то при прохождении термоприемником заданного расстояния R₁ от источника 1 реохорд, кинематически связанный с термоприемником, тоже переместится на расстояние R₁. При этом сигнал с реохорда, подаваемый через ключ 12 на вход компаратора 14, станет равным величине уставки, подаваемой на второй вход компаратора 14. Последний при этом переключится в состояние логической единицы, закрыв прямым выходом электронный ключ 4, выключив пускатель 19 двигателя 20, механизм 28 перемещения и открыв через инвертор 16 ключ 5. Информация об избыточной температуре T₁(R₁) в точке контроля на расстоянии R₁ с термоприемника 3 через ключ 5 и первый аналого-цифровой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9. Затем по команде с пульта 11 управления выключается механизм 28 перемещения источника и термоприемника, переключается полярность питания реверсивного двигателя 20, включается магнитный пускатель 19 и термоприемник 3 с помощью механизма 23 перемещается к источнику 1 энергии до момента совпадения точки контроля температуры и точки теплового воздействия, при этом блокировка выключает пускатель двигателя 20. После этого по команде с пульта управления переключается блок 21, включается двигатель 20 и через механизм 23 перемещения термоприемник 3 перемещается до совмещения с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенциометра 13 устанавливается в нулевое положение и включается двигатель 20. Затем по команде с пульта 11 переключается полярность питания двигателя 20 и включаются при этом механизмы перемещения по оси Х-ов 23 и по оси Y-ков 24. Открывается электронный ключ 4, а реверсивный счетчик 7 переключается из режима суммирования в режим вычитания. Перемещение термоприемника относительно источника происходит до тех пор, пока не обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5) S₁(R₁) = S₂(R_x1 ). При этом сигналом со счетчика 7 выключается магнитный пускатель и останавливается двигатель 20, открывается ключ 17 и информация с реохордов 13 и 25 о расстоянии х^I, у через второй АЦП заносится в оперативную память процессора 9, где в соответствии с алгоритмом R= определяется расстояние R_x1 между источником 1 и термоприемником. При этом открывается ключ 5 и информация о температуре Т₂(R_x1 ) в точке R_x1 с термоприемника 3 через ключ 5 и АЦП 8 запишется в оперативную память процессора. Далее по команде с пульта 11 управления термоприемник 3 перемещается в исходное нулевое положение, подается сигнал на блок 27 питания, по которому мощность теплового воздействия становится равной q₂. Из оперативной памяти процессора 9 информация об интегральном значении температуры S₁(R₁) через блок 29 вывода по информативному входу заносится в счетчик 5. После этого по команде с пульта управления переключается блок 21, включается механизм 28 перемещения термоприемника и источника и механизм 23 перемещения, включается пускатель 19 и двигатель 20, открывается электронный ключ 4, а реверсивный счетчик 7 переключается в режим вычитания. Перемещение термоприемника относительно источника происходит до тех пор, пока не обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5) S₁(R₁) = S₃(R_x2), т. е. условия равенства контролируемых интегральных по расстоянию значений температур. При этом сигналом с выхода счетчика 7 выключается магнитный пускатель 19 и происходит остановка двигателя 20, открывается ключ 17 и информация о расстоянии R_x2 через второй аналого-цифровой преобразователь 18 заносится в оперативную память микропроцессора, открывается электронный ключ 5 и информация Т₃(R_x2) об избыточной контролируемой температуре в точке R_x2 с термоприемника 3 через ключ 5 и аналого-цифровой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9.

Используя найденное значение R_x1, R_x2, T₁(R₁) и T₂(R_x1), T₃(R_x2), а также информацию о мощности тепловых воздействий q₁ и q₂ и скорости V по программе, построенной в соответствии с формулами (7) и (10), введенной в микропроцессор 9, рассчитываются значения искомых величин. Найденные значения теплофизических характеристик хранятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство 30 в любое время после окончания эксперимента.

Предложенный способ позволяет учесть в результатах измерения искомых теплофизических характеристик потери тепла в окружающую среду, что существенно повышает метрологические качества разработанного способа. Большим преимуществом предложенного способа является то, что он позволяет в отсутствие информации о температуре окружающей среды, о коэффициенте теплообмена α, который определить с большой точностью невозможно и на практике его значение берут, как правило, приближенно, при отсутствии информации о состоянии поверхности контролируемых изделий, определить потери в окружающую среду и внести соответственно поправку в результаты измерения, что в итоге повышает достоверность и точность информации об искомых коэффициентах тепло- и температуропроводности.

Предложенное устройство позволяет автоматически определить и вводить поправки на тепловые потери от изделия в окружающую среду, регистрировать и обрабатывать измерительную информацию в цифровой форме, повышает помехозащищенность и достоверность результатов.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами и устройствами позволило за счет учета потерь тепла с нагретой исследуемой поверхности в окружающую среду на 3-5% повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими характеристиками, проведенные с использованием заявленного решения и прототипов, приведены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность тела точечным движущимся источником тепла определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности линии его движения и на параллельной ей линии, измеряют расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника и по величине избыточных температур определяют искомые величины, отличающийся тем, что помещают точку контроля температуры в центр пятна нагрева, смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания на заданное расстояние, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной предельной температуры на отрезке движения от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, определяют избыточную температуру в заданном положении точки контроля, помещают точку контроля в центр пятна нагрева, а затем удаляют ее по произвольно выбранной прямой линии в сторону отставания от источника на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, полученной при движении точки контроля по линии источника на заданное расстояние, перемещают точку контроля в центр пятна нагрева и измеряют мощность источника энергии на определенную величину, перемещают точку контроля из центра пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры при движении по линии источника с первоначальной мощностью, а искомые теплофизические характеристики определяют из соотношений
a = ; ;
λ = , ,
где λ, a - коэффициенты тепло- и температуропроводности, Вт/м к; м²/с;
R₁, R_x1, R_x2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры, м;
T₁(R₁), T₂(R_x2), T₃(R_x2) - избыточные температуры в точках соответственно на расстояниях R₁, R_x1 и R_х2 от центра пятна нагрева при мощности источника q₁ и q₂, ^oС;
V - скорость движения источника и термоприемника относительно исследуемого тела, м/с;
X¹ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R_x1, на линию движения источника энергии, м.

2. Устройство бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, содержащее закрепленные над поверхностью исследуемого тела сосредоточенный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированные на поверхность тела, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца, блок питания источника энергии, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит четыре электронных ключа, преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик, два аналого-цифровых преобразователя, центральный процессор, блок ввода-вывода, клавишный пульт управления, инвертор, компаратор, магнитный пускатель и блок питания двигателя, переключатель полярности цепи питания двигателя, два потенциометра со стабилизированным источником питания, блок задания опорных напряжений, два механизма перемещения термоприемника относительно тепловой энергии, блок вывода, индикатор, причем выход термоприемника подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей, а выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого, в свою очередь, подключен к информационному входу реверсивного счетчика, выход второго электронного ключа через первый аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу центрального процессора, второй вход которого через устройство ввода-вывода соединен с клавишным пультом управления, причем один из выходов пульта управления подключен к управляющему входу третьего электронного ключа, информационный вход которого соединен с реохордом первого потенциометра, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений, а вход блока задания опорных напряжений соединен с пультом управления, кроме того, выход компаратора подключен к управляющему входу первого электронного ключа и входу инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход четвертого ключа через второй аналого-цифровой преобразователь подключен к третьему входу центрального процессора, реохорд первого потенциометра соединен также с цепью управления магнитного пускателя реверсивного двигателя, силовая цепь которого через переключатель полярности подключена к блоку питания двигателя, а выход пускателя подключен к двигателю, вал которого соединен с механизмом перемещения термоприемника относительно точечного источника энергии по направлению движения источника, а также с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном к направлению движения источника, кроме того, потенциометры подключены к источнику стабилизированного напряжения, причем реохорд первого потенциометра кинематически соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении движения источника тепла, реохорд второго потенциометра соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном к направлению движения источника, реохорды двух потенциометров подключены соответственно к первому и второму информационным входам четвертого электронного ключа, выход реверсивного счетчика подклчюен к управляющему входу четвертого электронного ключа, а также к цепи управления магнитного пускателя, кроме того, выход компаратора подключен к магнитному пускателю и механизму перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого изделия, а пульт управления соединен с управляющим входом первого и второго ключей, блоком переключения полярности питания реверсивного двигателя, магнитным пускателем, механизмом перемещения источника и термоприемника, реверсивным счетчиком и блоком питания источника энергии, информационный выход центрального процессора через блок вывода подключен к индикатору и информационным входам реверсивного счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3