Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий

 

Изобретение относится к теплофизике. Термозонд содержит корпус с встроенной в него измерительной головкой, на поверхности теплоизоляционной подложки которой размещены линейный нагреватель и теплочувствительный элемент, представляющий собой термобатарею, состоящую из двух последовательно включенных дифференциальных термопар. В плоскости, параллельной контактной плоскости и расположенной на расстоянии, равном половине толщины теплоизоляционной подложки, дополнительно помещают вспомогательную термобатарею симметрично плоскости, проходящей через линию нагревателя и перпендикулярной контактной плоскости, причем расстояния от плоскости симметрии до дифференциальных термопар вспомогательной термобатареи задают равными расстояниям основных дифференциальных термопар от этой же плоскости. В плоскости симметрии дополнительно также помещают дифференциальную термопару на нормали к линии нагревателя с заданным расстоянием между термопарами. Технический результат - повышение оперативности и точности определения. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известно устройство для определения теплопроводности материалов (авт.св. СССР N 1057830, кл. G 01 N 25/18, 1982 г.), содержащее два выносных стержнеобразных зонда, у которых одни концы контактируют с поверхностью образца, а другие - с термоэлектрической батареей, автоматический регулятор разности температур зондов, на вход которого через задатчик постоянного компенсирующего напряжения подключена дифференциальная термопара, а в цепь его нагрузки включена термоэлектрическая батарея, и схему измерения разности температур зондов, состоящую из второй дифференциальной термопары, подключенной к измерителю термоЭДС, причем на вход автоматического регулятора разности температур подключена дифференциальная термопара с рабочими спаями, расположенными на концах зондов, контактирующих с образцом, а к измерителю термоЭДС подключена дифференциальная термопара с рабочими спаями, расположенными на термоэлектрической батарее.

Недостатком этого устройства является его сложность и ограниченность функциональных возможностей, связанная с определением только одной теплофизической характеристики - теплопроводности.

Известно устройство для измерения теплопроводности (авт. св. СССР N 694805, кл. G 01 N 25/18, 1979), содержащее корпус со встроенной в него измерительной головкой, состоящей из держателя, на котором размещена эластичная пластина с закрепленным 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 данного устройства является наличие неучтенных тепловых потерь в зоне измерения, обусловленных отводом тепла по электродам термопар. Кроме того, устройство 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.

За прототип принят термозонд для неразрушающего контроля теплопроводности материалов (патент на изобретение N 2123179, кл. G 01 N 25/18, 1998 г. ), содержащий цилиндрический корпус, состоящий из двух частей, соединенных между собой с помощью четырех винтов, на которых установлены пружины, обеспечивающие прижатие измерительной головки к поверхности исследуемого объекта, при этом измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного движения в цилиндрической полости корпуса. Измерительная головка состоит из держателя с размещенными на нем эластичной пластиной и теплоизоляционной подложкой.

На поверхности теплоизоляционной подложки расположены линейный нагреватель и термочувствительный элемент, который представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар, расположенных в канавках теплоизолятора симметрично относительно линии нагрева.

Недостатком термозонда-прототипа является низкая производительность измерений, обусловленная необходимостью охлаждения измерительной головки зонда после каждого эксперимента до температуры окружающей среды, так как температура поверхности исследуемых изделий перед теплофизическим экспериментом равна температуре среды, а необходимым условием работы зонда-прототипа (получение достоверных результатов) является равенство температур его измерительной головки и исследуемых объектов перед началом эксперимента. Кроме этого, существенным недостатком зонда-прототипа является также дополнительная погрешность, обусловленная влиянием на результаты измерения остаточного аккумулированного тепла в подложке измерительной головки от предыдущего эксперимента.

Целью предлагаемого изобретения является повышение оперативности и точности определения теплофизических свойств материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в термозонде для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, состоящем из корпуса со встроенной в него измерительной головкой, на поверхности теплоизоляционной подложки которой размещены линейный нагреватель и термочувствительный элемент, представляющий собой термобатарею, состоящую из двух последовательно включенных дифференциальных термопар, электроды которых расположены в канавках теплоизолятора параллельно линии нагревателя и на заданном расстоянии от него, в плоскости, параллельной контактной плоскости и расположенной на расстоянии, равном половине толщины теплоизоляционной подложки, дополнительно помещают вспомогательную термобатарею симметрично плоскости, проходящей через линию нагревателя и перпендикулярной контактной плоскости, причем расстояния от плоскости симметрии до дифференциальных термопар вспомогательной термобатареи задают равными расстояниям основных дифференциальных термопар от этой же плоскости, кроме того, в плоскости симметрии дополнительно также помещают дифференциальную термопару по нормали к линии нагревателя с заданным расстоянием между термопарами.

На фиг. 1 изображен предлагаемый термозонд; на фиг. 2 показано размещение нагревателя и основной термобатареи на поверхности теплоизоляционной подложки; на фиг. 3 изображено размещение вспомогательной термобатареи в плоскости I параллельно контактной плоскости измерительной головки термозонда и на расстоянии, равном половине толщины теплоизоляционной подложки; на фиг. 4 показано размещение вспомогательной дифференциальной термопары на нормали к линии нагревателя в плоскости II, проходящей через линию нагревателя и перпендикулярной контактной плоскости измерительной головки; на фиг. 5 представлено соединение термопар в основной и вспомогательной термобатареях.

Термозонд (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, конусообразно расширяющийся к основанию корпуса для обеспечения большей устойчивости термозонда. К корпусу 1 винтами 2 и 3 крепится измерительная головка 4 с теплоизоляционной подложкой 5. На поверхности теплоизоляционной подложки, контактирующей с объектом 6, имеется канавка, в которой помещен электронагреватель 7, изготовленный из микропровода с высоким электрическим сопротивлением (нихром). Кроме того, на подложке 5 размещена основная термобатарея, состоящая из термопар 8 и 9, соединенных дифференциально, и термопар 10 и 11, соединенных также дифференциально. Термопары 8 и 9, 10 и 11 расположены (фиг. 2) в канавках термоизолятора симметрично относительно линии нагревателя. Основная термобатарея предназначена для получения информации о температурно-временных изменениях в плоскости контакта измерительной головки термозонда с исследуемым объектом (области измерения).

В плоскости I (фиг. 3) дополнительно расположена вспомогательная термобатарея, состоящая из термопар 12 и 13, соединенных дифференциально, и 14 и 15, соединенных также дифференциально. Электроды термобатарей расположены параллельно нагревателю и находятся на линиях изотерм, проходящих параллельно нагревателю.

В плоскости II (фиг. 4) дополнительно помещают на нормали к линии нагревателя вспомогательную дифференциальную термопару, состоящую из термопар 16 и 17. Термопары 16 и 17 помещают на нормали внутри подложки на заданных расстояниях (например, 0,5-1 мм) соответственно от контактной и противоположной ей поверхности подложки. Вспомогательные термобатарея и дифференциальная термопара служат для контроля температурных градиентов внутри подложки измерительной головки термозонда перед началом проведения очередного измерения, так как температура подложки изменяется при неоднократном тепловом воздействии нагревателя на подложку в процессе измерений.

Термопары основной термобатареи и вспомогательных термобатарей и дифференциальной термопары расположены на расстоянии, определяемом с учетом теплофизических свойств материала подложки измерительной головки термозонда, геометрических размеров подложки.

Холодные спаи всех термопар и выводы нагревателя припаиваются к разъему 18, который с помощью винта 19 крепится к измерительной головке. На винт 19 помещена пружина 20, которая обеспечивает постоянное натяжение термопар и нагревателя на контактной поверхности измерительной головки.

Принцип действия предлагаемого термозонда заключается в следующем.

При проведении первого измерения измерительная головка термозонда приводится в контакт с поверхностью исследуемого объекта и от нагревателя осуществляется тепловое воздействие импульсом заданной частоты и мощности. При этом с основной термобатареи снимается информация о температурно-временных изменениях (термограмма) в плоскости контакта подложки измерительной головки термозонда и поверхности исследуемого объекта. После получения необходимой информации о температурном поле в плоскости контакта термозонда и исследуемого объекта прекращают тепловое воздействие от источника тепла. Термозонд снимают с поверхности объекта и помещают контактной поверхностью измерительной головки на полубесконечный в тепловом отношении образец из материала, близкого по теплофизическим свойствам к материалу подложки термозонда, а искомые ТФС определяют по соответствующим соотношениям на основе полученной измерительной информации о температурно-временных изменениях в исследуемом объекте.

Затем осуществляют контроль температурных градиентов ▿T_I и ▿T_II соответственно во взаимно перпендикулярных первой и второй плоскостях подложки измерительной головки термозонда, для чего снимают информацию с дифференциальных термопар вспомогательной термобатареи в плоскости I и дифференциальной термопары в плоскости II, подключив их через коммутирующее устройство 21 к порту входа-выхода измерительно-вычислительной системы (ИВС) 22.

В ИВС на основе подпрограмм, построенных в соответствии с заданным алгоритмом, определяется момент времени, когда величина контролируемых градиентов ▿T_I и ▿T_II во взаимно перпендикулярных плоскостях подложки станет меньше наперед заданного значения ε, т.е. градиенты ▿T_I и ▿T_II < ε. На практике значение ε задается обычно не выше 0,5^oC, что позволяет считать наступление момента уравнивания (усреднения) температуры по всему объему подложки. Помещение термозонда на образец из идентичного по ТФС с подложкой материала устраняет нежелательный, носящий случайный характер, конвективный и лучистый теплообмен с окружающей средой. Кроме того, для более достоверного определения момента наступления уравнивания (усреднения) температуры в данной теплофизической системе, т.е. момента, когда величина градиентов становится ниже наперед заданного значения, можно внутри вспомогательного образца на заданном расстоянии от плоскости контакта зонд - образец, поместить термопары и путем соответствующей коммутации с термопарами подложки зонда контролировать еще температурный градиент в тепловой системе зонд - образец с целью определения момента усреднения температуры в данной теплофизической системе. На практике расстояние от плоскости контакта до этих вспомогательных термопар следует брать близким к расстоянию между нагревателем и термопарами основной термобатареи, например 2-3 мм.

Как только температурные градиенты по объему подложки термозонда станут меньше заданной величины ε, что соответствует наступлению теплового равновесия в подложке измерительной головки, т.е. подложка приобретает среднюю температуру T_средн по объему, измерительный зонд приводят в контакт со следующим исследуемым объектом для проведения второго измерения.

При этом в системе зонд - исследуемый объект происходят два тепловых процесса. Первый процесс соответствует граничным условиям 4-го рода, т.е. теплообмен при контакте двух тел, температура одного из которых (подложки зонда) выше другого. Второй тепловой процесс вызван действием импульсного источника тепла, помещенного в плоскости контакта двух тел. В соответствии с принципом суперпозиции температурное поле в каждой точке контактной поверхности будет определяться действием этих двух теплообменных процессов. Но поскольку рабочие термопары на контактной поверхности подложки находятся в абсолютно одинаковых условиях по отношению к первому теплообменному процессу, то их дифференциальное включение исключает влияние этого теплового процесса на выходную измерительную информацию с основной дифференциальной термобатареи, т.е. рабочие дифференциальные термобатареи фиксируют и выдают информацию только о температурно-временных изменениях (температурном поле) от действия линейного импульсного источника тепла. Таким образом, на полученную измерительную информацию во втором эксперименте не оказывает влияние остаточное аккумулированное в подложке зонда тепло от предыдущего измерения (теплофизического эксперимента), т. е. полученная измерительная информация позволяет определить ТФС второго исследуемого объекта без влияния на результат измерения предыдущих экспериментов.

Основным недостатком термозонда-прототипа является то, что неотъемлемым с точки зрения метрологии условием его работы является необходимость после каждого измерения в охлаждении измерительной головки до температуры окружающей среды с целью достижения равенства температур измерительной головки и исследуемого объекта. Но поскольку охлаждение подложки измерительной головки осуществляется в основном только через одну контактную поверхность, а три другие грани подложки находятся внутри корпуса зонда, то этот процесс очень длительный и составляет в среднем не менее 1,5-2 часов. В заявляемом техническом решении необходимым условием начала следующего измерения является момент наступления температурного уравнивания (усреднения) в объеме подложки, которое наступает для большинства применяемых для подложки теплоизоляционных материалов не позднее 20-30 минут. Таким образом, производительность измерений при использовании предлагаемого термозонда увеличивается не менее чем в 2-3 раза.

Кроме того, при использовании предлагаемого термозонда на полученную измерительную информацию в очередном эксперименте не оказывает влияние остаточное, аккумулированное в подложке измерительной головки зонда тепло от предыдущего измерения, то есть полученная измерительная информация позволяет определить ТФС исследуемого объекта без влияния на результат измерения предыдущих экспериментов, а следовательно, повысить точность определения ТФС.

Результаты проведенных теплофизических экспериментов с использованием разработанного термозонда приведены в таблице и подтверждают корректность вышеприведенных выводов о повышении оперативности и точности определения ТФС.

Таким образом, предлагаемый термозонд, по сравнению с известными техническими решениями, обладает большими преимуществами по оперативности и точности определения ТФС, что позволит широко его использовать в практике теплофизических измерений для оперативного неразрушающего контроля свойств и качества материалов и готовых изделий из них.

Формула изобретения

Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, содержащий корпус с встроенной в него измерительной головкой, на поверхности теплоизоляционной подложки которой размещены линейный нагреватель и теплочувствительный элемент, представляющий собой термобатарею, состоящую из двух последовательно включенных дифференциальных термопар, электроды которых расположены в канавках теплоизолятора параллельно линии нагревателя и на заданном расстоянии от него, отличающийся тем, что в плоскости, параллельной контактной плоскости и расположенной на расстоянии, равном половине толщины теплоизоляционной подложки, дополнительно помещают вспомогательную термобатарею симметрично плоскости, проходящей через линию нагревателя и перпендикулярной контактной плоскости, причем расстояния от плоскости симметрии до дифференциальных термопар вспомогательной термобатареи задают равным расстояниям основных дифференциальных термопар от этой же плоскости, кроме того, в плоскости симметрии дополнительно также помещают дифференциальную термопару на нормали к линии нагревателя с заданным расстоянием между термопарами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6