Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела. Имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, информацию о тепловом потоке с поверхности круговой области, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.

Известен способ [3] для определения теплофизических характеристик твердых материалов (авт. св. СССР N 1770871, кл. G01N 25/18, 1992 г., бюл. N 39), заключающийся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, в которой действует локальный источник тепла постоянной мощности, подводят тепло, измеряют температуру нагревателя, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам, приведенным в описании. Этот способ обеспечивает возможность неразрушающего определения теплофизических свойств - теплопроводности и температуропроводности. Однако точность определения теплофизических свойств недостаточна вследствие субъективности графической обработки экспериментальных данных, применения для определения теплофизических свойств закономерности развития температурного поля системы эталон - исследуемый материал, которое основано только на действии сферического источника тепла постоянной мощности, неучета конечности размеров образца и эталонного тела, недостаточности контроля за ходом термостатирования при подготовке к испытаниям.

За прототип взят способ комплексного определения теплофизических свойств материалов [пат. 2167412 РФ, МПК G01N 25/18]. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный нагреватель, измеряют разность температур между нагревателем и точкой плоскости контакта исследуемого и эталонного тел, расположенной на определенном расстоянии, до тех пор, когда эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины. Через равные промежутки времени измеряют разность температур, на каждом шаге измерения контролируют величину динамического параметра, испытания заканчивают при превышении контролируемым динамическим параметром заданного значения и определяют теплофизические свойства. Основным недостатком способа-прототипа является зависимость точности получаемых результатов от шероховатости поверхности исследуемого тела и теплоемкости нагревателя. Также недостатком следует считать сложные математические вычисления.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение точности и оперативности определения искомых ТФХ строительных материалов и изделий.

Поставленная техническая задача достигается тем, что на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела, измеряют тепловой поток с поверхности круговой области, имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Электромагнитная волна, попадающая в диэлектрик с потерями, которыми являются традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и т.д.), ослабляется в направлении распространения. Поэтому для определения мощности теплового воздействия, участвующего в формировании контролируемого температурного поля, рассчитывают глубину проникновения поля плоской волны в материал с потерями, используя выражение для удельной мощности рассеивания в диэлектрике, приведенное в работе [Пюшнер. Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.]:

где E - напряженность переменного электрического поля; f - частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.

Из теории распространения электромагнитных волн микроволнового диапазона известно, что электромагнитная волна в диэлектрике ослабляется в направлении распространения в соответствии с зависимостью:

где α - коэффициент затухания, определяемый по формуле:

α = π ε " λ ε с м ' ( 3 )

где λ - длина волны, ε с м ' ε с м " - действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости смеси (вода + исследуемый материал).

Анализ соотношений (1) и (2) показал, что глубина проникновения электромагнитного поля СВЧ-диапазона, а следовательно, и скорость рассеяния (потерь) по глубине диэлектрика в наибольшей степени зависит от частоты СВЧ-излучения. На Фиг. 1 показано, как зависит глубина проникновения электромагнитных волн от частоты СВЧ-излучения, а следовательно, и глубина тепловыделяющей области от частоты излучения СВЧ-генератора при воздействии на традиционные строительные материалы, например пенобетон, известной влажности. На основании проведенных расчетов и полученных результатов (графиков) можно сделать вывод, что при воздействии на исследуемые строительные материалы электромагнитным излучением СВЧ-диапазона в виде круга с частотой не менее 10 ГГц практически вся тепловая мощность выделяется в поверхностном слое глубиной около 2 мм, т.е в объеме исследуемого материала в виде диска толщиной 2…3 мм.

Поскольку для достоверного определения ТФХ исследуемых строительных материалов необходимо их прогревать на глубину не менее чем на 5-10 см., то для определения температурного поля в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность СВЧ-излучения через круг заданного радиуса можно перейти к теплофизической модели (см. Фиг. 2), состоящей из полуограниченного в тепловом отношении тела, нагреваемого диском через круглую область на поверхности удельным тепловым потоком мощностью q(τ). При этом поверхность вне круга теплоизолирована.

Для определения распределения температуры в любой точке полуограниченного тела в любой момент времени τ необходимо решить следующую систему дифференциальных уравнений:

для области 0≤х≤Rн, z≥0; τ>0;

для области ∝>х>Rн; z>0, τ>0.

Начальные и граничные условия для системы (4) и (5) имеют следующий вид:

где Т0 - начальная температура исследуемого объекта, λ, а - тепло- и температуропроводность.

Применяя методы интегральных преобразований Фурье и Лапласа в системе (4) и (5) и используя начальные и граничные условия (6-12), получим решение для температурного поля на поверхности исследуемого тела (х=0) для полуограниченного тела z≥0 в следующем виде:

где b = λ a - коэффициент тепловой активности тела, ierfc(z) - интеграл вероятности (функция ошибок Гаусса), q H = P H S - удельный тепловой поток через круг радиуса Rн, S - площадь крута. Pн=P-Pnom, где Pnom - тепловой поток с поверхности круга в окружающую среду (тепловые потери), измеряется ваттметром марки РСЕ IR-10, P - мощность СВЧ-генератора.

Из уравнения (13) при z=0 можно получить выражение для определения температурного поля в следующем виде:

так как i e r f c ( 0 ) = 1 π .

После несложных математических преобразований зависимости (14) и при условии малых значений времени τ, получим формулу для определения тепловой активности исследуемого объекта:

Для определения коэффициента температуропроводности из соотношения (14) выведем функцию вероятности:

Преобразуем функцию вероятности следующим образом:

где

Для функции ierfc(x) существуют подробные таблицы, согласно которым по вычисленному значению правой части выражения (17) легко можно найти значение числа Fo. Тогда из выражения (18) искомый коэффициент температуропроводности определяем по соотношению:

Искомая теплопроводность определяется из известного в работе [5] соотношения:

Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на Фиг. 3.

На поверхность исследуемого строительного материала или изделия воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона, подаваемого через рупорную антенну 1, соединенную с СВЧ-генератором 2 волноводом 3, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела 4 через круговую область 5. При этом расстояние от рупорной антенны 1 СВЧ-генератора 2 подобрано так, чтобы минимизировать рассеивание электромагнитных волн в окружающую среду. Остальную поверхность исследуемого объекта 4 теплоизолируют от окружающей среды. После начала воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона измеряют избыточную температуру в центре круга бесконтактным датчиком инфракрасного диапазона 6. Тепловой поток с поверхности круга замеряют с помощью ваттметра 7. Полученные данные с бесконтактного датчика 6, ваттметра 7 и СВЧ-генератора 2 поступают на коммутатор 8, затем на нормирующий прецизионный усилитель 9 и через аналого-цифровой преобразователь 10 поступают на микропроцессор 11. Микропроцессор 11 соединен с СВЧ-генератором 1 через порт ввода-вывода 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13. Используя полученную измерительную информацию, в микропроцессоре 11 определяются искомые ТФХ по алгоритмам, построенным на основе аналитических соотношений, описывающих тепловые процессы в исследуемых объектах. Данные эксперимента могут быть вызваны оператором на индикатор 14.

Для подтверждения работоспособности вышеизложенного метода были произведены эксперименты на строительных материалах - красный кирпич, керамзитный бетон. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 21°C.

В таблицах 1 и 2 приведены данные экспериментов соответственно для красного кирпича и керамзитного бетона.

Основным преимуществом разработанного метода является неразрушающий бесконтактный контроль теплофизических характеристик материалов, что позволяет получать данные о исследуемых объектах с большой оперативностью и точностью.

Кроме того, использование бесконтактного СВЧ-нагрева исследуемого объекта позволяет получить результаты, независимые от коэффициента степени черноты, шероховатости исследуемых объектов, что исключает дополнительную погрешность в полученных результатах.

Нагрев происходит на поверхности материала без применения каких-либо нагревательных элементов (в роли нагревателя выступает часть исследуемого материала), что исключает зависимость от собственной теплоемкости нагревателя, искажающей температурное поле в исследуемых материалах, и повышает точность полученных результатов.

Следует также считать достоинством достаточно простые математические вычисления и возможность доступной реализации данного метода в строительной отрасли.

Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов имеет существенное преимущество в точности определения теплофизических характеристик перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.

Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, состоящий в нагреве исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела через круговую область, измерении температурно-временных изменений в центре круговой области и определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, отличающийся тем, что на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела, измеряют тепловой поток с поверхности круговой области, имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Для нагрева пленочного образца и измерения его электрического сопротивления помещают образец в корпус кварцевого реактора.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу осуществляют нагрев исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, измерение в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся на расстояниях Х1 и Х2 от плоскости электромагнитного воздействия.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения относительной теплопроводности материалов. Плоский исследуемый образец известной толщины помещают между двумя алмазными наковальнями с теплопроводностью, существенно превышающей теплопроводность образца, и подвергают высокому давлению, предварительно установив в верхнюю наковальню нагреватель.

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано для определения тепловой проводимости контактов между прозрачными образцами или между прозрачным и высокотеплопроводным образцами.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов.

Изобретение относится к области технической физики и предназначено для измерения теплопроводности строительных и теплоизоляционных и иных материалов. Устройство для измерения теплопроводности включает тепловой блок, состоящий из малого измерительного нагревателя, малого охранного нагревательного элемента, выполняющего охранную функцию в случае измерения образцов малых размеров или единичного образца крупноформатной конструкции или выполняющего функцию большого измерительного нагревателя в случае измерения образцов больших размеров, большого охранного нагревательного элемента и двух охранных пластин, холодильный блок, состоящий из основания и охранной пластины, установленной под основанием, и измерительную зону, расположенную между тепловым и холодильным блоками.

Изобретение относится к области изучения теплофизических свойств материалов и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Способы характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов предусматривают нагрев поверхности образцов неоднородных материалов в процессе движения относительно друг друга образцов, источника нагрева и блока регистрации температуры.

Изобретение относится к способам определения теплофизических характеристик твердых тел и позволяет измерять теплопроводность образцов твердых тел, являющихся малыми во всех трех измерениях.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ заключается в нагревании одной из поверхностей образца или ее участка до максимальной температуры, которую поддерживают до момента времени, когда измеряемая разность температур на границах исследуемого участка уменьшится до заданного значения.

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности твердого тела и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике для проведения в натурных условиях теплофизических исследований теплоизоляционных материалов, установленных на трубопроводах круглого сечения.

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей, условий образования и разрушения гидратов углеводородных газов в флюидонасыщенных породах пластовых резервуаров месторождений углеводородов, исследования анизотропии теплопроводности насыщенных горных пород. Заявлен способ измерения влияния давления до 100 МПа на теплопроводность флюидонасыщенных пористых тел, представляющий собой разновидность стационарного способа плоского слоя, в котором одинаковые образцы, расположенные симметрично относительно нагревателя, гидравлически изолированы друг от друга. Технический результат - повышение информативности за счет обеспечения возможности в одном опыте измерять влияние гидростатического давления на теплопроводность насыщенного пористого образца относительно теплопроводности такого же образца, находящегося при атмосферном давлении. 1 ил.

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик физических сред и может быть использовано в морской биологии и химии для расчета температурных условий существования биологических объектов и течения химических реакций в верхнем слое донных осадков в условиях изменяющейся температуры водного слоя. Способ включает измерение и регистрацию температуры на двух горизонтах в донных осадках и температуры придонного слоя воды в течение 12-15 час, с последующим вычислением эквивалентного коэффициента температуропроводности (а экв) по формуле а э к в = ∂ T ∂ t ∂ 2 T ∂ z 2 , где ∂Т - изменение температуры; ∂t - изменение времени, ∂z - изменение глубины от поверхности осадка. Суть способа основана на использовании морских приливов в качестве естественного источника тепла, температура которого периодически изменяется во времени, доставляя в максимуме прилива более холодную придонную воду из больших глубин в менее глубокие районы акваторий. Технический результат - повышение точности измерений эквивалентной температуропроводности донного грунта. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня. Устройство наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня для оценки эффективности теплозащитных покрытий на нем включает баллон сжиженного газа с насадкой, соединенный через регулировочный кран с ротаметром, соединенным шлангом с горелкой Бунзена, которая установлена под испытуемым поршнем, помещенным в цилиндре, имеющем отверстие в нижней части и закрепленном на штативе, на котором также закреплен тепловизор, расположенный над поршнем с его внутренней стороны, причем в нижней части цилиндра установлен защитный экран, а также подвижная заслонка с возможностью перекрытия отверстия в цилиндре. Применение заявляемого устройства позволяет повысить точность определения температуры внутренней поверхности днища поршня во всех ее точках и, соответственно, повысить эффективность оценки теплозащитных покрытий на днище поршня. 1 ил.

Изобретение относится к технологиям сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, в частности к способам определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов. Данный способ заключается в определении значений физических констант (объемной плотности, удельной теплоемкости, массоемкости), разности температур или парциальных давлений, определении внутренней эффективной поверхности переноса субстанций (теплоты, влаги) и расчете коэффициентов тепло- и массопроводности по квантово-термодинамическим уравнениям, полученным аналитическим путем. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса определения коэффициентов тепло- и массопроводности, а также обеспечение получения точных и однозначных результатов измерения указанных параметров. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при теплофизических исследованиях теплозащитных покрытий. Заявлена установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием. В качестве источника нагрева образца с теплозащитным покрытием использован плазмотрон, расположенный в вакуумной камере так, что плазменный поток направлен на теплозащитное покрытие образца. Образец с теплозащитным покрытием установлен в кожухе цилиндрического корпуса для охлаждения образца. Кожух со стороны плазмотрона снабжен упорным буртиком для установки образца с теплозащитным покрытием, а с противоположной стороны - крепежными элементами для закрепления образца между буртиком кожуха и цилиндрическим корпусом. В цилиндрическом корпусе выполнен центральный канал для подачи охлаждающей образец воды и по крайней мере два канала для отвода нагретой воды от образца, расположенные симметрично и на равном расстоянии от центрального канала. В центральном и одном из отводных каналов установлены термопары. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса и поверхность образца образуют полость, сообщающуюся с центральным каналом и каналом для отвода воды. На торцевой поверхности цилиндрического корпуса со стороны установки образца выполнена канавка с установленным в нее уплотнительным кольцом. Технический результат - повышение достоверности получаемых результатов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения суммарного теплового сопротивления текстильных материалов. Предложен контрольно-измерительный прибор для определения теплотехнических параметров текстильных материалов, включающий тепловой аккумулятор, состоящий из геля в герметической упаковке, термопары с электроиндикатором и сам образец исследуемых материалов. Герметической упаковке теплового аккумулятора придана форма полого цилиндра, вокруг вертикальных стенок которого оборачивается лента, выполненная из исследуемых материалов. Тепловой аккумулятор вводится в пакет из теплозащитной пленки, размещаемый в свою очередь в прямоугольном прозрачном корпусе со съемной или открывающейся крышкой, дополнительно оснащенном системой подогрева, а также системой определения суммарного теплового сопротивления образца исследуемых материалов, устроенной из двух термопар, переключателей, проводников и электроиндикатора, в роли которого используется измеритель ЭДС. Прибор также оснащен секундомером и портативным трехфункциональным контрольно-измерительным прибором, обеспечивающим дефиницию местных метеорологических данных, в том числе барометрического давления, влажности и температуры воздуха. Технический результат - обеспечение точности и надежности результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов. Предложен способ определения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов, включающий импульсное тепловое воздействие на поверхность плоского образца и регистрацию зависимости температуры поверхности образца, противоположной подвергнутой нагреву, от времени с момента начала теплового воздействия с последующим расчетом коэффициента температуропроводности. Тепловой импульс воздействует на кольцевую периферийную область поверхности образца. Регистрируют время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с последующим расчетом значения коэффициента температуропроводности по формуле: a=К/τ1/2, где τ1/2 - время достижения половины максимального значения температуры в центре образца; К - коэффициент, не зависящий от материала образца и его толщины, рассчитываемый по формуле: K=τ1/2Э·a Э, где τ1/2Э - время достижения половины максимального значения температуры в центре образца с известным значением коэффициента температуропроводности a Э. Технический результат - повышение точности измерений коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов. 3 ил.
Наверх