Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к импульсным методам неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов с использованием точечного источника тепла. На теплоизолированной поверхности исследуемого материла помещают точечный импульсный источник тепла. После подачи теплового импульса измеряют соотношение между значением температуры и ее интегральным по времени значением до моментов наступления наперед заданных значений. Технический результат - повышение помехозащищенности и уменьшение энергопотребления. 3 ил.

Предлагаемое 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 времени максимума температуры.

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 х₁ и х₂ будет удовлетворять заданному значению (авторское свидетельство СССР 834480, кл. G 01 N 25/18, 1979).

Недостатком этого способа является сложность проведения измерений, поскольку используются два канала непрерывного контроля температур.

Техническим результатом изобретения является упрощение проведения теплофизических измерений и повышение помехозащищенности.

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 моменты времени τ₁, τ₂, когда соотношение между значением температуры и ее интегральным по времени значением в заданной точке контроля r достигнет наперед заданных соотношений ТФХ материалов определяют по формулам где а - коэффициент температуропроводности; τ₁,τ₂ - моменты наступления наперед заданных соотношений; r - расстояние между источником тепла и термодатчиком;
λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла, выделяемого точечным источником тепла;
k₁, k₂ - значения наперед заданных соотношений.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждений. 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 интегральное значение температуры по времени представляют как

При разложении функции ошибок в ряд

и использовании двух членов ряда на основании (1) и (5) составляют систему уравнений:

Из системы (6) и соотношения (5) получают расчетные выражения ТФХ материалов (2), (3).

Анализ методической погрешности в результате разложения функции ошибок в ряд и использования двух членов ряда представлен на фиг.1.

На фиг. 2 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 интегральное по времени значение температуры и ее абсолютное значение до моментов наступления заранее заданных соотношений.

На фиг.3 приведены расчетные графики изменения значений температуры и ее интегральных по времени значений при Q = 0.5Дж; а=5•10^-7 м²/c; λ =0.5 Вт/м•К; r=2.5•10^-3 м; k₁=1, k₂=2.

Аналогично получаются расчетные формулы при использовании линейного или плоского источника тепла.

Применение предлагаемого способа позволяет использовать только один канал измерений, повысить помехозащищенность, т.к. в результате интегрирования влияние на результаты измерений величин случайной и периодической помех уменьшается.

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 используют точечный источник тепла, измерения производят только в одной точке контроля до моментов времени, когда соотношение между значением температуры и ее интегральным по времени значением достигнет наперед заданных соотношений, искомые теплофизические характеристики материалов рассчитывают по формулам


где β = T(r,τ₂)/T(r,τ₁);
α - коэффициент температуропроводности;
τ₁,τ₂ - моменты наступления наперед заданных соотношений;
r - расстояние между источником тепла и термодатчиком;
λ - коэффициент теплопроводности;
Q - количество тепла выделяемого точечным источником тепла;
k₁, k₂ - значения наперед заданных соотношений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3