Способ неразрушающего контроля теплопроводности материалов

 

Способ неразрушающего контроля теплопроводности материалов в широком диапазоне температур относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Способ заключается в адиабатическом воздействии источника тепла на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела, измерении плотности теплового потока, предварительном определении погрешности термопар в зависимости от температуры, записи термограмм в указанных точках поверхности, снятии с термограмм для фиксированного момента времени значения температур и определении коэффициента теплопроводности с учетом погрешностей, вносимых термопарами в результаты измерений температуры. 2 табл.

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов [1] с использованием полубесконечного в тепловом отношении тела, в котором воздействуют импульсным источником тепла по прямой линии на поверхность исследуемого тела и измеряют температуру в точке поверхности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействия, при этом фиксируют интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимальной температуры, а по измеренным значениям рассчитывают искомые теплофизические характеристики. К недостаткам этого способа можно отнести малую точность, т.к. измерение температуры выполняется лишь одной термопарой, погрешность которой не учитывается, и повышенную трудоемкость расчета, обусловленную сложностью алгоритма.

За прототип принят способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов без нарушения их целостности [2] в котором на теплоизолированную поверхность образца воздействуют линейным источником тепла и измеряют температуру во времени в двух разноотстоящих от линии воздействия точках поверхности и мощность теплового воздействия. Тепловой источник является импульсным, и импульсы подаются на образец с заданной скважностью, число импульсов от начала теплового воздействия до момента достижения установившегося неизменного значения температуры в первой и второй точках контроля фиксируется и по измеренным значениям определяют теплофизические характеристики. В этом способе также не учитываются погрешности измерений температуры, а измерения длительные и трудоемкие.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения и быстродействия.

Это достигается тем, что осуществляют адиабатическое воздействие источником тепла на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела, температурно-временные измерения в разноотстоящих от источника тепла точках поверхности, измерение плотности теплового потока, при этом предварительно определяют погрешности δ_i термопар в зависимости от температуры, затем с термограмм, число которых соответствует числу n термопар, снимают для фиксированного одинакового момента времени значения температур T_эi, а коэффициент теплопроводности λ определяют по формуле: где q плотность теплового потока, Вт/м², i порядковый номер термопары, i 1 n, x_i расстояние i-той термопары от источника тепла, м.

Данный способ предусматривает учет влияния на величину λ погрешностей d₁ Способ предполагает также измерение λ материала в широком диапазоне температур. Так величину l строительных материалов требуется контролировать не только для готовых изделий, но и в процессе их изготовления, т.е. при повышенных температурах (200 800^oC), что требует воздействия более высокой температуры со стороны теплового источника прибора, соответственно возможная погрешность термопары увеличится. Величину l теплоизоляционных материалов типа линолеума, войлока и т.п. обычно определяют при пониженных температурах от -40^oC до -50^oC, что уменьшает потребное значение температуры теплового источника, соответственно изменится величина погрешности термопары.

Таким образом, при определении l в широком диапазоне температур указанные выше значения погрешностей термопар могут увеличиться, поэтому учет их влияния становится необходимым.

Формула, учитывающая влияние погрешностей d_i термопар на величину λ, получена при решении уравнения теплопроводности с использованием метода наименьших квадратов. Конкретные примеры по определению коэффициентов теплопроводности для линолеума, бетона, оргстекла и рипора согласно заявленному способу приведены в табл. 1 и 2. В табл. 1 приведены исходные данные, а в табл. 2 результаты расчета по приведенной формуле. В табл. 2 используется обозначение Θ связанное с l соотношением l=qΘ В экспериментах плотность теплового потока для линолеума, бетона и оргстекла была равна 20,7 Вт/м², а для рипора 13,4 Вт/м² во избежание его перегрева из-за малой величины l. Обозначение l_ит в табл. 2 означает, что теплопроводность определялась по образцовому прибору ИТ-3 Института технической теплофизики АН Украины. Эта величина принята за действительное (искомое) значение.

Согласно табл. 2 отклонение Δλ величины l, полученной по данному способу, от действительного значения для исследованных четырех материалов находится в пределах (-2,09 3,1)% тогда как без учета погрешностей d_i термопар величина Δλ возрастает до (-23,1 48,5)% По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает более высокой точностью вследствие учета погрешностей термопар и большим быстродействием, т.к. исключает необходимость ожидания моментов достижения установившегося неизменного значения температуры в точках контроля.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплопроводности материалов в широком диапазоне температур, состоящий в адиабатическом воздействии источником тепла на поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела, температурно-временных измерениях в разноотстоящих от источника тепла точках поверхности, измерении плотности теплового потока, отличающийся тем, что предварительно определяют погрешности δ_i термопар в зависимости от температуры, затем с термограмм, число которых соответствует числу n термопар, снимают для фиксированного одинакового момента времени значения температур T_эi, а коэффициент теплопроводности определяют по следующей формуле: где q плотность теплового потока, Вт/м²; i 1 n порядковый номер термопары;
x_i расстояние i-й термопары от источника тепла, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1