Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области теплофизических измерений. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают нагреватель в виде петли и два термодатчика. В момент начала измерений нагреватель импульсно выделяет определенное количество тепла, после чего регистрируют время наступления заданного отношения температур в точках размещения термодатчиков. Расчет теплофизических характеристик производится на основании полученных данных согласно формулам, приведенным в описании. Техническим результатом изобретения является повышение точности контроля. 1 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений.

Известен способ контроля теплофизических характеристик (ТФХ) материалов, 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 1117512 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1984).

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

Известен также способ неразрушающего контроля ТФХ, заключающийся в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала с последующей регистрацией момента наступления 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 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992).

Недостатком данного способа является относительно низкая избыточная температура в точках размещения термодатчиков, что приводит к снижению точности контроля ТФХ.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (авторское свидетельство 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979), осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия) и фиксируется момент времени, когда отношение избыточных температур в двух разноотстоящих от источника точках поверхности исследуемого материала достигнет определенного наперед заданного значения.

Недостатком этого способа также является относительно низкая избыточная температура в точках размещения термодатчиков и, как следствие, низкая точность контроля ТФХ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности контроля ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в точках размещения термодатчиков при неизменной относительно способа-прототипа удельной мощности нагревателя.

Сущность предлагаемого способа заключается в определении ТФХ путем импульсного теплового воздействия на поверхность исследуемого материала нагревателем в виде осесимметричной петли и регистрации времени наступления заданного отношения температур в контрольных точках. Для этого на теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают нагреватель в виде осесимметричной петли, представляющей собой два параллельных луча, соединенных дугой полуокружности радиуса R, и два термодатчика (фиг. 1), причем один термодатчик размещают в центре дуги, а другой - на дуге полуокружности на оси симметрии петли. В момент времени τ =00 нагреватель импульсно выделяет количество тепла Q из расчета на единицу длины, после чего регистрируют время τ = τ₀ наступления наперед заданного соотношения h = T₂(τ₀)/T₁(τ₀) температур в точках размещения термодатчиков и избыточную температуру T₁(τ₀) в центре дуги.

Отношение h температур в точках на поверхности исследуемого материала рассчитывают по формуле заданная постоянная, а коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала соответственно по формулам Из соотношения (3) τ₀ = R²/(2aε), т.е. время наступления заданного отношения температур в контрольных точках обратно пропорционально постоянной ε. Таким образом от выбора ε зависит степень оперативности контроля. Например, при ε = 10 и R=5•10^-3 м время контроля для материалов с коэффициентом температуропроводности от 1•10^-7 м²/с до 10•10^-6 м²/с может составлять от 1,25 до 12,5 с.

При разработке предлагаемого способа предполагалось, что поверхность исследуемого материла идеально теплоизолированна. На практике в этих целях используют материал-подложку с высокими теплоизоляционными свойствами. Ввиду того, что коэффициенты тепло- и температуропроводности подложки все-таки отличны от нуля, возникают методические погрешности определения ТФХ исследуемого материала. Для оценки методической погрешности определения ТФХ предлагаемым способом проводилось машинное моделирование при Q=100 Дж/м, R= 5•10^-3 м и ε=10, причем коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала были соответственно приняты равными λ=0,26 Вт/(м•К) и а= 5•10^-7 м²/с, а коэффициенты материала-подложки λ_п= 0,026 Вт/(м•К) и а_п= 3,13•10^-7 м²/с (материал "рипор"). В ходе моделирования были получены следующие значения ТФХ исследуемого материала λ=0,271 Вт/(м•К), а=5,18•10^-7 м²/с. Таким образом, оценка методической погрешности в результате не идеальности теплоизоляции поверхности исследуемого материала по коэффициенту теплопроводности составила δλ= 4,23%, а по коэффициенту температуропроводности δa=3,60%.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, включающий в себя импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию времени наступления заданного отношения температур в двух контрольных точках поверхности, отличающийся тем, что используют нагреватель в виде осесимметричной петли, представляющей собой два параллельных луча, соединенных дугой полуокружности радиуса R и два термодатчика, один из которых располагают в центре дуги полуокружности нагревателя, а другой на дуге полуокружности на оси симметрии нагревателя, а теплофизические характеристики рассчитывают по формулам
где λ и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности;
Q - количество тепла, выделяемого нагревателем из расчета на единицу длины;
ε - заданная постоянная;
τ₀ - время наступления заданного отношения температур в контрольных точках, отсчитанное от момента подачи теплового импульса;
R - радиус дуги полуокружности нагревателя;
T₁(τ₀) - избыточная температура в центре дуги полуокружности петли нагревателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1