Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. На исследуемый материал осуществляют многократное импульсное воздействие точечным источником тепла заданной мощности и измеряют отношение интегральных во времени значений температур в двух заданных точках его поверхности, причем каждый последующий тепловой импульс осуществляют в момент достижения отношением интегральных значений температур заданной величины. После чего фиксируют частоту следования температур и интегральное значение температуры в одной из точек. Расчет теплофизических характеристик (коэффициентов тепло- и температуропроводности) осуществляется по формулам, приведенным в описании. Достигнуто снижение энергопотребления источником тепла, повышение оперативности и помехозащищенности процесса определения ТФХ материалов. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относиться к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Известен способ определения коэффициента температуропроводности полуограниченного тела в виде стержня, основанный на регистрации интервала времени с момента подачи теплового импульса до момента, соответствующего достижению наперед заданного соотношения между температурами двух разноотстоящих от нагреваемой поверхности точек (Авторское свидетельство N 258665 МКИ G 01 N 25/18, 1970 г.).

Недостатком данного способа является высокое энергопотребление источником и низкая помехозащищенность процесса определения температуропроводности.

Значительно повысить точность определения теплофизических характеристик (ТФХ) позволяют способы с многократным тепловым воздействием на исследуемый материал.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (Авторское свидетельство N 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992 г.) на теплоизолированной поверхности исследуемого материала устанавливают линейный источник тепла, осуществляют многократное тепловое воздействие на исследуемый материал и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой линии. При этом импульсное тепловое воздействие производят в моменты времени, когда соотношение измеряемых избыточных температур соответствует заданному ряду чисел. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяют по формулам a = x²/4F, (1) (2) где λ и a - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности; x - заданное расстояние от линии действия источника тепла до термодатчика; e - натуральное число; Q - энергия, выделяемая единицей длины линейного нагревателя; F - частота следования импульсов; T₁ - избыточная температура в момент подачи второго теплового импульса на расстоянии x от источника тепла.

Период следования импульсов τ_max = 1/F, определяется выражением (3) Недостатком этого способа является высокое энергопотребление источником тепла, низкая помехозащищенность, а также недостаточное быстродействие.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления источником тепла, повышение оперативности и помехозащищенности процесса определения ТФХ материалов.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают точечный источник тепла и два термодатчика (термопары), регистрирующие температуры T₁ и T₂, которые располагают соответственно на расстоянии R и αR от источника, где α - заданный коэффициент (α > 1). В момент начала измерений (τ = 0) источник импульсно выделяет количество тепла Q. После подачи теплового импульса измеряют интегральные во времени значения температур T₁ и T₂ - I₁ и I₂ соответственно и регистрируют момент времени τ₀, соответствующий равенству величины отношения I₁/I₂ заданному значению h₁. В момент времени τ = τ₀ подают второй тепловой импульс и регистрируют время достижения отношением I₁/I₂ заданного значения h₂. Величины h_i (i = 1,2,3,...) подобраны таким образом, что равенство I₁/I₂ = h₂ после подачи второго импульса будет выполняться в момент времени 2τ₀, равенство I₁/I₂ = h₃ после подачи третьего импульса в момент времени τ = 2τ₀ будет выполняться через время 3τ₀ и так далее.

Интервал времени τ₀, соответствующий периоду повторения импульсов, определяется выражением (4) откуда можно найти коэффициент температуропроводности (5)
где F = 1/τ₀ - частота следования импульсов.

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле
(6)
где Inτ₀ - интегральное значение температуры Т₁ в момент времени nτ₀,
n - число осуществляемых тепловых воздействий,
интеграл вероятности.

Значения h_i (i = 1,2,3,...) обеспечивают постоянство периода τ₀ следования импульсов и могут быть найдены по формуле
(7)
Из сравнения выражений (3) и (4) видно, что при равенстве расстояний R и x период повторения импульсов в предлагаемом способе в 2 раза меньше чем в способе-прототипе. Таким образом, за счет меньшего периода повторения импульсов предлагаемый способ обеспечивает большую оперативность, а за счет того, что температуры T₁ и T₂ интегрируются, - значительно снижается влияние помех на результат измерения.

На чертеже показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированную поверхность исследуемого материала 1 помещают точечный источник тепла 2 энергии Q и две термопары 3, регистрирующие температуры T₁ и T₂, расположенные соответственно на расстоянии R и αR от источника. Осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие на поверхность материала, причем каждый последующий тепловой импульс подают в момент достижения отношением интегральных во времени значений температур T₁ и Т₂ заданного значения, после чего фиксируют частоту следования импульсов и интегральное значение температуры T₁. На основе полученных данных коэффициенты температуро- и теплопроводности рассчитывают по формулам (5) и (6) соответственно.

На персональной ЭВМ IBM 486/DX-4 было проведено машинное моделирование процесса измерения теплофизических характеристик предлагаемым способом для восьми (n = 8) импульсов при R = 0,002 м, α = 1.2 и Q = 0.1 Дж. В качестве исследуемого был взят материал с коэффициентом теплопроводности λ = 1.2 Bт/м·K и коэффициентом температуропроводности a = 1.0 · 10^-6 м²/с. В процессе моделирования были получены величины времени τ₀ = 0.5 c и интегрального значения температуры 18τ₀ = 16.42, по формулам (5) и (6) найдены соответствующие коэффициенты:
- коэффициент температуропроводности а = 1.0 · 10^-6 м²/с;
- коэффициент теплопроводности λ = 1.2 Bт/м·K.
Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить оперативность и помехозащищенность измерений, а также значительно снизить энергопотребление источником тепла.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, включающий многократное тепловое воздействие на исследуемый материал, интегрирование во времени температуры в двух заданных точках его поверхности, отличающийся тем, что используется точечный источник тепла, а рабочие концы двух термопар, регистрирующих температуры T₁ и T₂, помещают соответственно на расстояниях R и αR от источника тепла и каждое последующее тепловое воздействие осуществляют в момент достижения отношением интегральных во времени значений температур T₁ и T₂ заданной величины, после чего фиксируют частоту следования импульсов и интегральное значение температуры T₁ и рассчитывают коэффициенты температуро- и теплопроводности по формулам
a = R²/8F,

где λ и a - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности;
Q - энергия, выделяемая точечным источником тепла;
R - заданное расстояние;
интегральное значение температуры T₁ в момент времени nτ₀;
α - заданный коэффициент больше единицы;
n - число осуществляемых тепловых воздействий;
F - частота следования тепловых импульсов;
интеграл вероятности.

РИСУНКИ

Рисунок 1