Термозонд для неразрушающего контроля теплопроводности материалов

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Изобретение повышает точность измерений и расширяет функциональные возможности устройства. Это достигается тем, что в предлагаемом зонде держатель имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинен относительно него. Нагреватель выполнен линейным. Термочувствительный элемент представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар, расположенных симметрично относительно линии нагревателя по обе стороны от него. Электроды термопар сварены встык и расположены параллельно нагревателю таким образом, чтобы расстояние от холодных спаев термопар до нагревателя было на порядок больше, чем расстояние от нагревателя до горячих спаев термопар. Нагреватель и термочувствительный элемент отделены от эластичной пластины, расположенной на держателе, теплоизолятором. 3 ил.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к теплофизическим измерениям и может найти широкое применение в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них.

Известен термозонд для измерения теплопроводности твердых тел (авт.св. СССР N 1004841, кл. G 01 N 25/18, 1981), работа которого основана на создании теплового воздействия на исследуемое тело и измерении его температуры при наступлении стационарного режима. Термозонд содержит корпус в виде стержня с алмазным наконечником, состоящим из двух частей: измерительной, выполненной из полупроводникового алмаза, и части, воспринимающей нагрузку и соединенной с корпусом. После прижима зонда к исследуемому телу через кристалл полупроводникового алмаза пропускают ток, при этом зонд нагревается до заданной температуры. Температура контролируется по известной для данного кристалла алмаза температурной зависимости от электрического сопротивления.

Недостатком этого термозонда является необходимость его термостатирования, в противном случае погрешность температурных измерений значительно возрастает из-за возникновения неконтролируемого температурного градиента между термозондом и исследуемым телом. Кроме того, существенным недостатком данного термозонда является значительная погрешность измерения, обусловленная невозможностью точного определения величины тепловых потерь по корпусу зонда, которые от эксперимента к эксперименту изменяются из-за случайного характера процесса теплообмена корпуса и окружающей среды.

Известно устройство для измерения теплопроводности твердых материалов (авт. св. СССР N 741125, кл. G 01 N 25/18), которое состоит из нагревателя, представляющего собой спираль, опрессованную терморезистивным материалом в виде прямоугольника, и двух тонких металлических пластин. Между пластинами помещаются крышка и основание, изготавливаемые из испытываемого материала. В центре основания выполнено гнездо для нагревателя, а также канавки для выводов спирали и электродов, подсоединенных к двум противоположным торцам нагревателя и позволяющих использовать его в качестве терморезистора, включенного в измерительную цепь. Работа устройства заключается в создании нагревателем постоянного теплового потока, воздействующего на испытываемый материал, и измерении термосопротивления нагревателя, которое функционально связано с теплопроводностью этого материала.

Недостатками этого устройства являются необходимость в разрушении исследуемых изделий, так как эксперимент предусматривает изготовление образца из испытываемого материала специальной формы, а также дополнительная погрешность измерений, обусловленная неучтенными тепловыми потерями по электродам термосопротивления.

За прототип принят термозонд, используемый в устройстве для измерения теплопроводности (авт.св. СССР N 694805, кл. G 01 N 25/18, 1979), содержащий корпус со встроенной в него измерительной головкой, состоящей из держателя, на котором размещена эластичная пластина с закрепленными на ней нагревателем в форме диска и термочувствительным элементом, представляющим собой дифференциальную термопару, горячие и холодные спаи которой расположены по двум концентрическим окружностям вокруг нагревателя.

Недостатком зонда-прототипа является наличие неучтенных тепловых потерь в зоне измерения, обусловленных отводом тепла по электродам термопар. Конструкция нагревателя в прототипе позволяет проводить измерения теплофизических характеристик только на плоских объектах, так как для нагрева в нем используется плоский круглый нагреватель. Кроме того, конструкция зонда-прототипа такова, что она не обеспечивает постоянства усилия прижатия зонда к исследуемому материалу, в результате чего возрастает случайная составляющая общей погрешности результатов измерения от контактного термосопротивления, которое меняется от эксперимента к эксперименту.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемом зонде держатель имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинен относительно него, нагреватель выполнен линейным, термочувствительный элемент представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар, расположенных симметрично относительно линии нагревателя по обе стороны от него, причем электроды термопар сварены встык и расположены параллельно нагревателю таким образом, чтобы расстояние от холодных спаев термопар до нагревателя было на порядок больше, чем расстояние от нагревателя до горячих спаев термопар, нагреватель и термочувствительный элемент отделены от эластичной пластины теплоизолятором.

На фиг. 1 изображен предлагаемый термозонд; на фиг. 2 показано размещение нагревателя и термобатарей на теплоизоляционной подложке; на фиг. 3 показана схема соединения термопар в термобатарею.

Термозонд (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух частей 1 и 2, соединенных между собой с помощью четырех винтов 3, на которых установлены пружины 4, обеспечивающие постоянную степень прижатия измерительной головки к поверхности исследуемого объекта или изделия 5, при этом измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного движения в цилиндрической полости корпуса. Измерительная головка состоит из держателя 6 с размещенными на нем эластичной пластиной 7 и теплоизоляционной подложкой 8. На поверхности теплоизоляционной подложки, контактирующей с объектом 5, имеется канавка, в которой помещен линейный электронагреватель 9, изготовленный из микропровода с высоким электрическим сопротивлением (нихром). Кроме того, на подложке 8 расположен термочувствительный элемент, который представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар 10, 11, расположенных в канавках теплоизолятора симметрично относительно линии нагревателя 9 таким образом, что расстояние от холодных спаев 12, 13 термопар 10, 11 до нагревателя 9 на порядок больше, чем расстояние от нагревателя 9 до горячих спаев 14, 15 термопар 10, 11. Постоянное натяжение нагревателя 9 и термопар 10, 11 обеспечивается пружинами 16. Такое расположение электродов термопар, а также выбор моментов времени снятия с них измерительной информации гарантирует то, что тепловая волна, достигнув горячих (рабочих) спаев 14, 15, не достигнет холодных спаев 12, 13 термопар 10, 11. Обычно расстояние от линейного нагревателя до горячих спаев 14, 15 берется равным 2-3 мм, а до холодных спаев 12, 13 - около 20 мм.

Термозонд работает следующим образом. В процессе измерения термозонд прижимается к объекту контроля контактной поверхностью измерительной головки. При этом пружины 4 обеспечивают постоянное усилие прижатия измерительной головки к объекту измерения, а пружины 16 обеспечивают натяжение термопар 10, 11 и нагревателя 9, причем использование эластичной пластины обеспечивает плотное прилегание без воздушных зазоров контактной поверхности измерительной головки как к плоским, так и к имеющим небольшой радиус кривизны объектам контроля. На нагреватель 9 подаются электрические импульсы заданной мощности, осуществляющие нагрев исследуемого материала, а с помощью дифференциальных термопар 10, 11 производится съем информации о разностной термоЭДС в зоне измерения. Полученная таким образом информация о температурно-временных изменениях в объекте контроля используется для расчета искомых теплофизических характеристик по известным соотношениям.

В предлагаемом термозонде устранены недостатки зонда-прототипа, так как использование в конструкции линейного нагревателя и сваренных встык термопар, электроды которых расположены параллельно нагревателю и находятся на линиях изотерм, проходящих параллельно линии нагревателя, значительно уменьшает отток тепла от зоны измерения температуры по электродам термопар, а это увеличивает точность температурных измерений. Применение подпружиненных и размещенных на эластичной подложке линейных нагревателя и термопар позволяет применять термозонд для измерения теплофизических характеристик материалов и изделий как с плоской, так и с имеющей небольшой радиус кривизны поверхностью. В предлагаемом термозонде измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинена относительного него, что обеспечивает постоянную степень ее прижатия к исследуемому образцу от эксперимента к эксперименту, а следовательно, повышает воспроизводимость и точность измерений при любой ориентации исследуемой поверхности. Кроме того, основным преимуществом предложенного измерительного термозонда является то, что рабочие и вспомогательные спаи дифференциальных термопар прижимаются с одним и тем же усилием к поверхности исследуемых объектов, при этом состояние поверхности в этом случае для обоих спаев практически одинаково. Поэтому влияние контактных термосопротивлений в зоне измерения, зависящих от степени прижатия и состояния поверхности, на результаты температурных измерений в этом случае сводится к минимуму, так как в качестве измерительной информации используется разностный сигнал с дифференциальных термопар. Таким образом, предложенный термозонд по сравнению с известными техническими решениями имеет большие преимущества по точности определения искомых теплофизических характеристик из-за значительного уменьшения отвода тепла по электродам термопар из зоны измерения температуры, а также постоянного прижима измерительной головки к исследуемым образцам и изделиям, что обуславливает уменьшение случайной доли общей погрешности результатов. Кроме того, предложенный термозонд имеет более широкие возможности по виду и форме контролируемых материалов и изделий, так как включает и объекты с криволинейной поверхностью. Из вышесказанного следует, что предложенный термозонд найдет применение в приборах и системах оперативного неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий, а также в практике теплофизических исследований.

Формула изобретения

Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, содержащий корпус с встроенной в него измерительной головкой, состоящей из держателя, на котором размещена эластичная пластина с расположенными на ней нагревателем и термочувствительным элементом, отличающийся тем, что держатель имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинен относительно него, нагреватель выполнен линейным, термочувствительный элемент представляет собой термобатарею, состоящую из двух, включенных последовательно, дифференциальных термопар, расположенных симметрично относительно линии нагревателя по обе стороны от него, причем электроды термопар сварены встык и расположены параллельно нагревателю таким образом, что расстояние от холодных спаев термопар до нагревателя на порядок больше, чем расстояние от нагревателя до горячих спаев термопар, нагреватель и термочувствительный элемент отделены от эластичной пластины теплоизолятором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3