Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность состоит в том, что способ включает воздействие на поверхность тела точечным подвижным источником и измерение избыточной предельной температуры термоприемником, движущимся со скоростью источника. В способе дополнительно введен второй термоприемник, связанный с источником энергии и установленный от него на расстоянии, при котором отсутствует прямое влияние источника энергии на результаты измерений. Искомые теплофизические характеристики определяют по соотношениям, учитывающим заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры. Технический результат - повышение точности и уменьшение времени определения теплофизических характеристик материалов. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технической физике, а именно к теплофизическим измерениям.

Известен способ определения теплопроводности материалов (авт. св. СССР N 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1983 г.), включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающегося 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 теплофизических характеристик потерь тепла в окружающую среду, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации.

Известен способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов, 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 (авт. св. СССР N 1481656, кл. G 01 N 25/18, 1987 г.).

Недостатком этого способа является невысокая точность определения искомых характеристик, так как в процессе эксперимента не учитываются влияние на результаты измерений тепловых потерь в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена от нагретой поверхности исследуемого объекта, потерь за счет поглощения части энергии лазерного луча промежуточной средой между источником тепла (лазером) и исследуемым объектом, а также потерь за счет отражения части энергии лазерного луча от поверхности исследуемого объекта, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения.

За прототип принят способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в 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 теплоты и измерения температур и вычислении по полученным данным искомых величин (патент РФ N 2011977/25, кл. G 01 N 25/18, 1991 г.).

Недостатком способа-прототипа является то, что он позволяет учесть только часть составляющих общих потерь в окружающую среду, так как в нем учитываются только потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена, а потери тепловой мощности за счет поглощения окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла и потери тепловой мощности за счет того, что исследуемый материал имеет коэффициент поглощения, отличающийся от единицы, не учитываются. А так как для большинства твердых материалов коэффициент поглощения гораздо меньше единицы, то это вносит дополнительную погрешность в результаты измерения.

Техническая задача изобретения - повышение точности и уменьшение времени определения теплофизических характеристик материалов.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, состоящем в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии его движения, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, изменении мощности источника энергии на определенную величину и проведении аналогичных операций с источником и термоприемником, дополнительно вводят второй термоприемник, жестко связанный с источником энергии, сфокусированный на линию, параллельную линии движения источника энергии, и установленный от него на расстоянии R₁, при котором отсутствует прямое влияние (засветка) источника энергии на результаты измерений температуры термоприемником, фокусируют первый термоприемник в точку на линии движения источника тепла на расстоянии x_н= R₁ от центра пятна нагрева, смещают эту точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой интегральной во времени избыточной температуры будет равно значению интегральной во времени температуры, контролируемое вторым термоприемником, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии в два раза, перемещают первый термоприемник из предыдущего положения по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой интегральной во времени избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, измеренное первым термоприемником при движении его по линии движения источника при первоначальной мощности, измеряют это расстояние, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений: где а - коэффициент температуропроводности, [м²/с]; λ - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/м²K]; V - скорость движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, [м/с]; R₁, R_x1, R_x2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точками контроля температуры, [м]; ₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки ₁ на линию движения источника тепла, [м]; q_л - мощность лазера; Т₁^* - значение интегральной во времени избыточной температуры в точке на расстоянии R_x2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2q_л.

Предлагаемый способ поясняется чертежом и заключается в следующем. Над исследуемым изделием 4 помещают точечный источник тепловой энергии 3 и термоприемники 7 и 2, сфокусированные в точках поверхности, подверженной тепловому воздействию (см. фиг. 1). Причем источник энергии 3 и термоприемник 2 жестко связаны друг с другом и представляют собой измерительную головку. Термоприемник 2 установлен от источника 3 на расстоянии R₁, при котором отсутствует прямое влияние (засветка) источника энергии на результаты измерений температуры термоприемником вследствие отраженной энергии лазерного луча. Термоприемник 1 фокусируют в точку на линии движения источника тепла на расстоянии x_н = R₁ от центра пятна нагрева. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемников над исследуемым изделием с постоянной скоростью V. Затем постепенно смещают термоприемник 1 из точки x_н по линии движения источника в сторону отставания, увеличивая отставание на расстояние Δx = k[T₁(x)-T₂], где T₂ - значение интегральной во времени избыточной температуры, измеряемое термоприемником 2, Т₁(х) - значение интегральной во времени избыточной температуры, измеряемое термоприемником 1; k - коэффициент пропорциональности.

Изменение расстояния (перемещение) между точкой измерения температуры термоприемником 7 и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока измеряемая интегральная во времени избыточная температура T₁(x) станет равной значению интегральной во времени измеряемой температуры T₂, т.е. T₁(x)= T₂. При этом измеряют значение расстояния R_x1 между термоприемником 1 и точкой подвода теплоты. Затем, увеличив мощность источника в два раза, повторяют вышеописанные процедуры измерения. При этом первоначальное значение мощности источника задают из тех условий, чтобы при увеличении ее в два раза, максимальная избыточная температура нагрева поверхности исследуемого образца была бы не выше 0,8-0,9 температуры термодеструкции исследуемого материала. В результате измеряют значение расстояния R_x2, при котором выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые теплофизические характеристики определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.

Известно (см. , например, Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М: Машгиз, 1951, - 296 с.), что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником тепловой энергии избыточная предельная температура поверхности этого тела в точках, перемещающихся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяется зависимостью (1) где q - мощность источника тепла, действующего на поверхность изделия, [Вт] ; λ - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/мК]; 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 поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла (лазера) к исследуемому изделию, часть энергии теряется за счет неполного поглощения энергии лазерного луча поверхностью исследуемого изделия, а часть тепла от нагретой поверхности изделия будет отводиться за счет конвективного и лучистого теплообмена в окружающую среду. Поэтому измеряемое значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения и отстающей от него на расстоянии R_x1, будет определяться зависимостью (2) где q_л - мощность лазера; q_п1 = q_пос + q_отр + q_кл - суммарные потери тепловой мощности в окружающую среду; q_пос - потери тепловой мощности за счет поглощения окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла; q_отр - потери тепловой мощности за счет отраженной энергии лазерного луча от поверхности исследуемого материала, имеющего коэффициент поглощения, отличающийся от единицы; q_кл - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена.

Проанализируем составляющие суммарных потерь тепловой мощности в окружающую среду q_п1.

Атмосфера как среда, разделяющая исследуемый объект и источник энергии, ослабляет энергию лазерного луча в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды. В большинстве задач теплового контроля эти эффекты несущественны ввиду малого расстояния до объекта. Однако при технологических измерениях на реальных промышленных объектах существенное влияние на результаты теплового контроля оказывает атмосфера горячих, влажных, запыленных или загрязненных помещений. Потери q_пос тепловой мощности в окружающую среду за счет поглощения части энергии промежуточной средой очень трудно измерить. Поэтому их стараются компенсировать. При этом во время каждого измерения необходимо поддерживать постоянство свойств среды. Так как в заявленном техническом решении время измерения незначительно и среда практически остается неизменной, то предложенный алгоритм позволяет почти полностью компенсировать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет поглощения части энергии промежуточной средой.

Из теории теплопроводности известно (см., например, Лыков А.В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. - М.: Госэнергоиздат, 1963, - 535 с.), что тепловой поток при конвективном и лучистом теплообмене между поверхностью нагретого тела и окружающей средой определяется выражением (3) где α_к - коэффициент конвективного теплообмена, [Вт/м²К]; Т_i - температура в i-ой точке поверхности нагретого тела, [К]; Т_с - температура окружающей среды, [К]; ε - коэффициент излучения поверхности нагретого тела; C₀ = 5,67 - постоянная Стефана-Больцмана, [Вт/м²К⁴].

Таким образом, из формулы (3) видно, что точки поверхности однородного тела с одинаковой температурой имеют одинаковые значения потерь тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена.

Известно (см., например, Хадсон Р. Инфракрасные системы.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1972, - 536 с.), что при заданной температуре коэффициент излучения тела равен его коэффициенту поглощения, т.е. ε = α. Таким образом, для потерь тепловой мощности за счет того, что исследуемый материал имеет коэффициент поглощения α, имеем
q_отр = (1-α)q_л = (1-ε)q_л. (4)
Коэффициент излучения ε оказывает большое влияние как на результаты измерения температуры, так и, как видно из соотношений (3) и (4), на определение теплофизических характеристик материалов.

Известно (см. , например, Вавилов В.П. Тепловые методы контроля композиционных структур и изделий радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1984, - 152 с.), что отношение сигналов с двух термоприемников не зависит от значения коэффициента излучения ε, который зависит также и от температуры. Предложенный алгоритм позволяет практически полностью исключить влияние ε на результаты измерений, так как по условиям измерений T₁(x) = T₂.

При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся со скоростью источника и находящейся на расстоянии R₁ от него, определяется зависимостью:
(5)
где a - коэффициент температуропроводности исследуемого материала.

Так как из условия эксперимента T₁(x)=T₂ и из (3), (4) следует, что q_п1 и q_п2 практически равны, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (5) получим формулу для расчета температуропроводности в виде
(6)
Чтобы тепловые потери в окружающую среду при измененной мощности источника 2q_л были бы равны потерям при q_л, экспериментально определяют такое расстояние R_x2 по линии движения источника между точкой контроля температуры и пятном нагрева, при котором Т₁(х)= Т₁^*(х).

При этом значение контролируемой температуры будет определяться выражением
(7)
Так как из условия эксперимента Т₁(х) = Т₁^*(х), то после несложных математических преобразований выражений (2) и (7) получим формулу для расчета теплопроводности в следующем виде:
(8)
Таким образом, определив расстояния R_x1 и R_x2, при которых тепловые потери в окружающую среду с поверхности исследуемого тела будут равны, зная мощность источника и скорость его движения над поверхностью тела, по формулам (6) и (8) можно определить искомые теплофизические свойства.

Предложенный способ позволяет значительно уменьшить влияние потерь тепловой мощности в окружающую среду на результаты измерений искомых теплофизических характеристик, что существенно повышает метрологический уровень разработанного способа. Коэффициент излучения ε оказывает большое влияние как на результаты измерения температуры, так и, как видно из соотношений (3) и (4), на результаты определения искомых теплофизических характеристик. Предложенный способ позволяет практически полностью исключить влияние коэффициента излучения ε на результаты измерений, так как в нем используется отношение сигналов с двух термоприемников и по условиям измерений T₁(x)=T₂, т.е. на результаты измерений практически не влияет значение коэффициента излучения ε и его зависимость от температуры.

Так как в заявленном техническом решении время измерения незначительно и среда практически остается неизменной, a T₁(x)=T₂, то предложенный алгоритм позволяет почти полностью устранить влияние на результаты измерений потерь тепловой мощности в окружающую среду за счет поглощения части энергии промежуточной средой.

Погрешность измерения температуры в большей степени влияет на вычисление температуропроводности а, чем погрешность измерения расстояния R_x, так как значение этого расстояния на три порядка меньше значения измеряемых температур, а так как в предложенном способе T₁(x)/T₂ = 1, то значение коэффициента температуропроводности а практически не завит от погрешности термоприемников, что также уменьшает погрешность его определения.

Так как термоприемник 2 жестко зафиксирован с подвижным точечным источником энергии 3, а значение расстояния R₁ на порядок меньше значений R_x, то это также позволяет уменьшить погрешность измерений.

Большим преимуществом предложенного метода является то, что он позволяет учесть потери в окружающую среду в отсутствии информации о свойствах окружающей среды (температуре, влажности, запыленности и т.д.), о коэффициенте теплообмена α_к, о коэффициенте излучения ε и состоянии поверхности контролируемых изделий, что в итоге повышает достоверность и точность информации об искомых коэффициентах тепло- и температуропроводности.

Использование измерительной головки (второго термоприемника), в сравнении с прототипом, позволяет сократить число проводимых измерительных процедур, что приводит к уменьшению времени определения теплофизических характеристик материалов.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами позволило на 3-5 % повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими характеристиками, проведенные с использованием заявленного решения и прототипа, приведены в таблице.

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измеряют избыточную предельную температуру нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии его движения, изменяют расстояние между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрируют взаимное положение точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, изменяют мощность источника энергии на определенную величину и производят аналогичные операции с источником и термоприемником и полученные данные используют при определении искомых величин, отличающийся тем, что дополнительно вводят второй термоприемник, жестко связанный с источником энергии, сфокусированный на линию, параллельную линии движения источника энергии, и установленный от него на расстоянии R₁, при котором отсутствует прямое влияние - засветка источника энергии - на результаты измерений температуры термоприемником, фокусируют первый термоприемник в точку на линии движения источника тепла на расстоянии х_н=R₁ от центра пятна нагрева, смещают эту точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой интегральной во времени избыточной температуры будет равно значению интегральной во времени температуры, контролируемое вторым термоприемником, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии в два раза, перемещают первый термоприемник из предыдущего положения по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой интегральной во времени избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, измеренное первым термоприемником при движении его по линии движения источника при первоначальной мощности, измеряют это расстояние, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений:


где а - коэффициент температуропроводности, [м²/с];
λ - коэффициент теплопроводности изделия, [Вт/м²К];
V - скорость движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, [м/с];
R₁, R_x1, R_x2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры, [м];
х₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки ₁ на линию движения источника тепла, [м];
q_л - мощность лазера;
Т₁^* - значение интегральной во времени избыточной температуры в точке на расстоянии R_x2 от центра пятна нагрева при мощности источника 2q_л.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2