Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик 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 интегральных значений 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 - повышение точности определения ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в контрольных точках. 3 ил.

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.

Повысить избыточную температуру в контрольных точках можно путем многократной подачи тепловых импульсов. Для этого на теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают линейный нагреватель импульсно выделяющий равные количества энергии в моменты времени, когда соотношений температур в контрольных точках соответствует заданному ряду чисел (авторское свидетельство 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992). ТФХ исследуемого материала рассчитывают на основании регистрируемой частоты следования тепловых импульсов и избыточной температуры в одной из контрольных точек.

Недостатком этого способа является то, что в ходе тепловых испытаний на точность регистрации температуры (например при использовании термопар) могут существенное влияние оказывать внешние электромагнитные поля, что приводит к росту погрешности определения ТФХ.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (патент на изобретение РФ 149387, МКИ G 01 N 25/18, 2000), на теплоизолированную поверхность исследуемого материала осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие точечным источником тепла. Тепловые импульсы подаются в моменты достижения заданных соотношений интегральных значений температур, регистрируемых на поверхности исследуемого материала на заданных расстояниях от источника тепла. В ходе тепловых испытаний регистрируется частота следования тепловых импульсов и интегральные значения температур в контрольных точках.

Регистрация интегральных значений температур существенно снижает влияние внешних электромагнитных полей на точность определения ТФХ, однако данный способ не позволяет обеспечить большие избыточные температуры в контрольных точках, т.к. при этом растет температура в точке размещения нагревателя, что может привести к деструкции исследуемого материала.

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 интегральных значений температур в точках размещения термодатчиков.

На теплоизолированной поверхности исследуемого материала располагают нагреватель в виде окружности радиуса г и два термодатчика (термопары) Т_п1 и Т_п2, в точках размещения которых регистрируют интегральные значения температур I₁(τ) и I₂(τ). Термопару Т_п1 устанавливают на окружности нагревателя, а термопару Т_п2 - 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 I₁(τ)/I₂(τ) заданной величине h₁ и подают второй тепловой импульс. Условием подачи третьего импульса является наступления равенства I₁(τ)/I₂(τ) = h₂ и т.д. Всего подают N тепловых импульсов.

Величины h_i, (i=1,2,...,N) рассчитывают, используя выражение: где ε - заданная постоянная; табличный интеграл.

Расчет величин h_i в соответствии с (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 и интегральное значение температуры I₂ в точке размещения термопары Т_п2 в момент наступления равенства I₁(τ)/I₂(τ) = h_N. На основании полученных данных коэффициент температуропроводности определяют по формуле а коэффициент теплопроводности из соотношения (3) где Q - энергия, выделяемая единицей длины нагревателя; r - радиус окружности нагревателя; ε - заданная постоянная; F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов; N - количество подаваемых тепловых импульсов; I₂ - температура в точке размещения термопары Т_п2 в момент наступления равенства I₁(τ)/I₂(τ) = h_N; табличный интеграл.

С учетом (2) можно записать
Если коэффициент температуропроводности исследуемого материала находится в пределах от a_min до а_max, то на сновании (4) можно определить наибольший и наименьший периоды следования тепловых импульсов

и наибольшее время проведения тепловых испытаний, которое составит
или

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

Таким образом, выбор ε целесообразно производить с учетом диапазона ТФХ материалов, подвергаемых контролю, и требований оперативности контроля.

На фиг.1 показана схема размещения нагревателя и термопар на поверхности исследуемого материала.

При подаче одного теплового импульса от точечного нагревателя избыточная температура в точке размещения источника может быть найдена как

а на расстоянии r от нагревателя как

где энергия, выделяемая точечным источником тепла; τ - текущее время; и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала.

При использовании нагревателя в виде окружности радиуса r температура в точке окружности будет определяться выражением

а в центре окружности как

где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя в виде окружности.

При расчете температуры с учетом конечной длительности теплового импульса может быть использовано соотношение

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

При проведении тепловых испытаний температура в точке нагрева (при использовании точечного нагревателя) и на линии действия нагревателя в виде окружности в момент подачи теплового импульса не должна превышать максимально допустимую температуру, при которой происходит деструкция исследуемого материала. Если за счет выбора соответствующей энергии нагрева обеспечивается равенство избыточных температур в момент подачи теплового импульса в точке действия точечного нагревателя и на линии действия нагревателя в виде окружности, то на основании (6)-(10) можно показать, что в последующие моменты времени нагреватель в виде окружности обеспечивает большую избыточную температуру в контрольных точках по сравнению с точечным нагревателем.

На фиг. 2 представлены графики изменения температур в точке нагрева при действии точечного нагревателя (линия 1) и на линии действия нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 2) при одинаковой температуре в момент подачи теплового импульса, построенные с учетом равенств (6), (8) и (10) при Дж; Q= 178 Дж/м; τ_и = 0.1 с; r=2.5•10^-3 м; λ = 1.2 Дж/(м•К); а= 3.5•10^-6 м²/с.

На фиг. 3 представлены графики изменения температур на расстоянии r от точечного нагревателя (линия 3) и в центре нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 4), рассчитанные на основании (7) и (9).

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик 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 интегральных значений 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 по формулам:


где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя;
r - радиус окружности нагревателя;
ε - заданная постоянная;
N - количество подаваемых тепловых импульсов;
F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов;
I₂ - температура в центре окружности нагревателя в момент окончания тепловых испытаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3