Способ контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала устанавливают два точечных электронагревателя, выделяющих в момент начала измерения определенное количество тепла, и рабочие концы двух термопреобразователей (термопар), фиксирующих температуру поверхности в заданных точках. Расчет теплофизических характеристик (коэффициентов тепло- и температуропроводности) осуществляется на основе полученных данных согласно формулам, приведенным в описании. Достигнуто снижение энергопотребления источником тепла. 2 ил.

Изобретение относится к теоретической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплофизических характеристик, состоящий в подводе теплового импульса от источника тепла, предварительно помещенного в эталонное тело, к исследуемому материалу и регистрации значений избыточных температур в одном из сечений эталонного и исследуемого тел в два, заранее заданных момента времени (Авторское свидетельство N 1117512 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1984).

Недостатком данного способа является необходимость внедрения в исследуемый образец термопреобразователя (термопары), то есть проведение разрушающего контроля.

Известен также способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала с последующей регистрацией момента времени равенства избыточной температуры на заданном расстоянии от линии действия источника, и разницы между избыточной температурой на линии действия источника и на заданном расстоянии от нее, на поверхности исследуемого материала (Авторское свидетельство N 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992).

Недостатком данного способа является высокое энергопотребление источником тепла.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (Авторское свидетельство N 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979), осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия) и фиксируют момент времени, когда отношение между избыточными температурами в двух разноотстоящих точках поверхности исследуемого материала достигнет определенного наперед заданного отношения.

Однако при этом способе также велико энергопотребление источником тепла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергопотребления источником тепла.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированную поверхность исследуемого материала помещают два точечных источника тепла и рабочие концы двух термопреобразователей (термопар), причем одну термопару, регистрирующую температуру T₁, располагают на расстоянии R от первого точечного источника и на расстоянии от второго, а вторую термопару, регистрирующую температуру T₂, - на одинаковом расстоянии от обоих источников.

В момент начала измерения ( τ = 0) первый и второй точечные источники одновременно импульсно выделяют количества тепла Q и 2Q соответственно. После подачи тепловых импульсов фиксируют момент времени τ₀ равенства температур T₁ и T₂ на поверхности исследуемого материала и регистрируют температуру T(τ₀) в одной из точек расположения термопар.

По измеренным значениям времени τ₀ и температуры T(τ₀) коэффициенты тепло- и температуропроводности определяют по нижеприведенным формулам.

коэффициент теплопроводности, (1) коэффициент температуропроводности. (2) На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированную поверхность исследуемого материала 1 помещают точечные источники тепла 2 и 3, выделяющие энергии Q и 2Q соответственно и рабочие концы 4 двух термопар, регистрирующих соответственно температуры T₁ и T₂. Причем термопару, регистрирующую температуру T₁, располагают на расстоянии R от первого точечного источника тепла, выделяющего энергию Q и на расстоянии от второго точечного источника тепла, выделяющего энергию 2Q, а термопару регистрирующую температуру T₂, - на одинаковом расстоянии от обоих точечных источников, после чего определяют коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала согласно приведенному выше описанию. На фиг. 2 приведены графики изменения температур T₁ и T₂ во времени.

На персональной ЭВМ IBM 486/DX-4 было проведено машинное моделирование процесса измерения теплофизических характеристик предлагаемым способом при R = 0.001 м и Q = 0.1 Дж. В качестве исследуемого был взят материал с коэффициентом теплопроводности λ = 0.9 Вт/м·K и коэффициентом температуропроводности a = 2.8·10^-6 м²/с. В процессе моделирования были получены величины времени τ₀ = 0.129 с и температуры T(τ₀) = 48.364^oC и по формулам (1) и (2) рассчитаны соответствующие коэффициенты: - коэффициент теплопроводности λ = 0.898 Вт/м·K, - коэффициент температуропроводности a = 2.796·10^-6 м²/с.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить оперативность измерений и значительно снизить энергопотребление источником тепла.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала, измерение температуры поверхности в двух заданных точках, отличающийся тем, что на поверхности исследуемого материала располагают два точечных источника тепла, выделяющих энергию Q и 2Q соответственно, и два термопреобразователя, соответственно первый на расстоянии R от первого точечного источника тепла, выделяющего энергию Q, и на расстоянии от второго точечного источника тепла, выделяющего энергию 2Q, а второй на одинаковом расстоянии от обоих источников, воздействуют на теплоизолированную поверхность исследуемого материала точечными источниками тепла, после чего регистрируют время достижения равенства температур в точках расположения термопреобразователей, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают по формулам где λ - коэффициент теплопроводности; а - коэффициент температуропроводности; Q - количество тепла, выделяемое точечным источником тепла;
R - расстояние между первым термопреобразователем и источником тепла энергии Q;
τ₀ - время достижения равенства температур в двух заданных точках на поверхности исследуемого материала;
T(τ₀) - избыточная температура в заданных точках контроля поверхности исследуемого материала в момент времени τ₀.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2