Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к теплофизике, а именно к области контроля качества теплоизоляционных покрытий. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов заключается в импульсном нагреве поверхности теплоизолированного исследуемого материала и измерении значений температуры в заданной точке контроля. При этом нагрев поверхности материала осуществляют от точечного импульсного источника тепла. Измерения производят только в одной точке контроля до момента времени, когда соотношение между значением температуры и ее дифференциальным по времени значением достигнет определенного наперед заданного соотношения, а искомые теплофизические характеристики материалов - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности определяют расчетным путем, исходя из длительности интервала времени до наступления наперед заданного соотношения. Данное изобретение направлено на упрощение проведения теплофизических измерений. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Область применения - контроль качества теплоизоляционных покрытий.

Известен импульсный способ определения теплофизических характеристик материалов (ТФХ), состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность образца и регистрации момента времени τ₀, соответствующего максимуму температуры Т_max (Фомин С.А., Петров О.А., Вирозуб А. И. Импульсный метод определения ТФХМ без нарушения их сплошности. // Расчет конструкций подземных сооружений. Киев, 1976 г., с 66-71).

Недостатком этого способа является низкая точность определения τ₀. Известен также способ, наиболее близкий к данному техническому решению, определения ТФХ, состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность образца и регистрации момента времени τ₁, когда соотношения температур в двух точках x₁ и х₂ будет удовлетворять заданному значению (авторское свидетельство СССР 834480, кл. G 01 N 25/18, 1979).

Недостатком этого способа является сложность проведения измерений в результате использования двух каналов непрерывного контроля температур.

Техническим результатом изобретения является упрощение проведения теплофизических измерений.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированной поверхности исследуемого материала помещают точечный импульсный источник тепла, выделяющий количество тепла, равное Q. После подачи теплового импульса в момент времени τ₀, когда соотношение между значением температуры и ее дифференциальным по времени значением в заданной точке контроля r достигнет определенного, наперед заданного соотношения: ТФХ материалов определяют по формулам где а - коэффициент температуропроводности; τ₀ - момент наступления наперед заданного соотношения; r- расстояние между источником тепла и термодатчиком; λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла, выделяемого точечным источником тепла;
k - значение наперед заданного соотношения.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждении. Для полуограниченного тела величина избыточной температуры при воздействии импульса тепла бесконечно малой длительности от точечного источника, расположенного на его поверхности, описывают выражением

на основании которого дифференциальное значение температуры по времени представляют как

На основании выражений (1), (4), (5) получают формулу для определения коэффициента температуропроводности (2). Подставив найденное значение коэффициента температуропроводности (2) в выражение (4) получают формулу для определения коэффициента теплопроводности (3).

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала 1 помещают точечный импульсный источник тепла 2, выделяющий количество тепла, равное Q. На расстоянии r от источника тепла располагают термодатчик 3. После подачи теплового импульса в заданной точке контроля поверхности исследуемого материала фиксируют дифференциальное по времени значение температуры и ее абсолютное значение до момента наступления заранее заданного соотношения.

На фиг. 2. приведены расчетные графики изменения значений температуры и ее дифференциальных по времени значений при Q=0.5 Дж; а=5•10^-7 м²/c; λ=0.5 Вт/м•К; r=2.5•10^-3 м; k=1.

По аналогии в случае действия линейного источника тепла, импульсно выделяющего (равномерно по всей длине) количество тепла Q₁ (в расчете на единицу длины), температурное поле в точке контроля будет описываться выражением

а производная температуры по времени

Коэффициенты температуро- и теплопроводности рассчитывают по формулам


Аналогично получаются расчетные формулы при использовании плоского источника тепла.

Применение предлагаемого способа позволяет использовать только один канал измерений, повысить быстродействие, т.к. момент наступления заданного соотношения всегда наступает раньше значения максимума температуры, уменьшить энергопотребление источником тепла в случае использования точечного источника тепла.

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в использовании импульсного нагрева поверхности теплоизолированного исследуемого материала и измерении значений температуры в заданной точке контроля, отличающийся тем, что нагрев поверхности материала осуществляют от точечного импульсного источника тепла, измерения производят только в одной точке контроля до момента времени, когда соотношение между значением температуры и ее дифференциальным по времени значением достигнет определенного наперед заданного соотношения, а искомые теплофизические характеристики материалов рассчитывают по формулам


где а - коэффициент температуропроводности;
τ₀ - момент наступления наперед заданного соотношения;
r - расстояние между источником тепла и термодатчиком;
λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла выделяемого точечным источником тепла;
k - значение наперед заданного соотношения;
T(r,τ₀) - значение температуры в заданной точке контроля в момент наступления наперед заданного соотношения k.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2