Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов

 

Изобретение относится к области теплофизических измерений. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают источник тепла в виде окружности. На поверхность исследуемого материала воздействуют тепловыми импульсами равной энергии, подаваемыми в моменты наступления заданных соотношений температур в точках размещения термодатчиков. Частоту следования тепловых импульсов и температуру в одной из контрольных точек в момент окончания тепловых испытаний регистрируют и на основании этих данных по формулам, приведенным в описании, рассчитывают ТФХ исследуемого материала. Технический результат изобретения - повышение точности. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик (ТФХ), при котором осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия) и фиксируют момент времени, когда отношение избыточных температур в двух разноотстоящих от источника точках поверхности материала достигнет наперед заданного значения (авторское свидетельство 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979).

Недостатком этого способа является сравнительно малая точность определения ТФХ из-за низкой избыточной температуры в контрольных точках.

Известен способ 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 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 этого способа является относительно высокая погрешность определения теплофизических коэффициентов исследуемого материала, обусловленная низкой избыточной температурой в точке, удаленной от линии действия источника тепла.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (авторское свидетельство 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992), на теплоизолированной поверхности исследуемого материала устанавливают линейный источник тепла, осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие на поверхность этого материала и измеряют температуру на линии действия источника тепла и на заданном расстоянии от этой линии. Подачу тепловых импульсов осуществляют в моменты времени, когда соотношения измеряемых температур соответствуют заданному ряду чисел.

Недостатком этого способа также является сравнительно большая погрешность определения ТФХ из-за низкой избыточной температуры в точке, удаленной от источника тепла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в точках размещения термодатчиков.

Сущность предлагаемого способа состоит в многократном импульсном тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала нагревателем в виде окружности и регистрации частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты достижения заданных соотношений избыточных температур в точках размещения термодатчиков.

На теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают нагреватель в виде окружности радиуса r и два термодатчика (термопары) Тп1 и Тп2, регистрирующие соответственно температуры T₁(τ) и T₂(τ). Термопару Тп1 располагают на окружности нагревателя, а термопару Тп2 - в центре окружности. В момент начала тепловых испытаний τ = 0 нагреватель импульсно выделяет энергию Q из расчета на единицу длины нагревателя, после чего регистрируют момент наступления равенства отношения T₁(τ)/T₂(τ) заданной величине h₁ и подают второй тепловой импульс. Третий тепловой импульс подают в момент наступления равенства T₁(τ)/T₂(τ)=h₂ и т.д. Всего подают N тепловых импульсов.

Величины h_i (i=1,2,...,N) рассчитывают по формуле: где z - заданная постоянная.

Расчет величин h_i в соответствии с выражением (1) позволяет обеспечить постоянный период следования тепловых импульсов τ₀, зависящий от ТФХ исследуемого материала. В процессе контроля регистрируют частоту следования тепловых импульсов F = 1/τ₀. На основании полученных данных коэффициент температуропроводности находят из соотношения: а коэффициент теплопроводности определяется равенством: где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя; r - радиус окружности нагревателя; F - частота следования тепловых импульсов; N - количество подаваемых тепловых импульсов; z - заданная постоянная; Т₂ - температура в точке размещения термодатчика Тп2 в момент наступления равенства T₁(τ)/T₂(τ) = h_N. С учетом (2) можно записать
Если известно, что коэффициент температуропроводности исследуемого материала находится в пределах от a_min до a_max, то на oсновании (4) можно определить наибольший и наименьший периоды следования тепловых импульсов τ_0min = r²/(4a_max•z) и τ_0max = r²/(4a_min•z) и наибольшее время проведения тепловых испытаний, которое составит τ_max = N•τ_0max или

где N - число подаваемых тепловых импульсов; r - радиус окружности нагревателя; z - заданная постоянная; а_min - минимальное значение коэффициента температуропроводности исследуемого материала.

Исходя из вышесказанного выбор z целесообразно производить с учетом диапазона ТФХ материалов, для которых проводятся испытания, и требований оперативности контроля.

На фиг.1 показана схема размещения на поверхности исследуемого материала нагревателя в виде окружности и термодатчиков.

При подаче одного теплового импульса от линейного нагревателя избыточная температура на линии нагрева определяется выражением

а на расстоянии r от линии нагрева

где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины источника тепла; τ - текущее время; λ и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала.

При использовании нагревателя в виде окружности радиуса r температура в точке окружности будет описываться соотношением

а в центре окружности

При расчете температуры с учетом конечной длительности теплового импульса используют выражение

где τ_и - длительность теплового импульса; T(r,τ) - температура, определяемая в зависимости от формы источника тепла соотношениями (6)-(9).

При проведении тепловых испытаний температура на линии нагрева в момент подачи теплового импульса не должна превышать максимально допустимую температуру Т_max, при которой происходит деструкция исследуемого материала. Это достигается ограничением мощности нагрева (энергии теплового импульса). Расчеты, проведенные на основании (6), (8) и (10), показывают, что при нагреве по окружности температура в момент подачи теплового импульса на линии нагрева существенно ниже, чем при нагреве вдоль прямой линии, если прочие условия одинаковы и радиус окружности не стремится к нулю. Т. е. для достижения температуры Т_max при нагреве по окружности удельная мощность нагрева (мощность единицы длины нагревателя) Р_окр должна быть выше, чем мощность Р_лин при нагреве вдоль прямой линии. Если нагрев по окружности осуществлять с удельной мощностью Р_окр, в К (К>1) раз превышающей Р_лин, то соответственно в К раз увеличатся температуры T₁(τ) и T₂(τ) в точках размещения термопар. Таким образом использование нагревателя в виде окружности позволяет обеспечить более высокие по сравнению с линейным источником тепла избыточные температуры в точках размещения термопар без нарушения физической целостности исследуемого материала, что в свою очередь приводит к повышению точности контроля ТФХ за счет снижения влияния случайной составляющей погрешности определения температуры. Аналогичным образом можно показать, что это утверждение справедливо и при использовании источника тепла в виде осесимметричной петли.

На фиг. 2 представлены графики изменения температур на линиях действия нагревателя в виде прямой (линия 1) и нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 2) при одинаковой удельной мощности нагрева Р_лин=Р_окр=20 Вт/м; длительности теплового импульса τ_и = 0.1 c; r=2.5•10^-3 м; λ = 0.26 Дж/(м•К•с); а=3.5•10^-6 м²/с, построенные с учетом равенств (6), (8) и (10).

На фиг. 3 аналогичные графики приведены для случая, когда удельная мощность нагревателя в виде окружности в К раз превосходит удельную мощность линейного нагревателя, за счет чего обеспечивается одинаковая избыточная температура в момент подачи теплового импульса (Р_лин=20 Вт/м, Р_окр=К•Р_лин, К=19.1).

На фиг. 4 представлены графики изменения температур на расстоянии r от линейного нагревателя, удельной мощности Р_лин=20 Вт/м (линия 3) и в центре нагревателя в виде окружности радиуса r и удельной мощности Р_окр=К•Р_лин (линия 4).

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов, включающий в себя многократное импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты наступления заданных соотношений температур в двух контрольных точках поверхности исследуемого материала, отличающийся тем, что используют нагреватель в виде окружности и два термодатчика, регистрирующие температуру на окружности нагревателя и в ее центре, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают соответственно по формулам


где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя;
r - радиус окружности нагревателя;
z - заданная постоянная;
N - количество подаваемых тепловых импульсов;
F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов;
Т₂ - температура в центре окружности нагревателя в момент окончания тепловых испытаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4