Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает воздействие на образец импульсным тепловым потоком и регистрацию температуры поверхности образца. По мере распространения теплового потока от нагревателя посредством тепловизора одновременно фиксируют тепловое изображение как передней, так и задней граней образца, при этом сканер тепловизора непосредственно регистрирует инфракрасное излучение от передней ближайшей к сканеру поверхности образца и излучение от противоположной задней поверхности образца с помощью зеркального отражателя, расположенного под углом к оси сканера, а определение теплофизических характеристик образца осуществляют после обработки теплограмм с учетом распределения температуры. Технический результат - повышение чувствительности. 1 ил.

Изобретение относится к теплофизике, в частности к технике измерения таких параметров, как коэффициенты температуропроводности и теплопроводности различных материалов. Разработанный способ может быть использован в энергетике, металлургии, горном деле, машиностроении.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, который заключается в воздействии на поверхность испытуемого материала импульсным источником теплоты и фиксацией изменения температуры точечным регистратором температуры, находящимся на некотором расстоянии от места теплового воздействия (см. авт. св. СССР 1636752, кл. G 01 N 25/18, 1988).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в данном способе используется контактное измерение температуры с помощью термопары, фиксируемой в отдельной точке изделия. Крепление термопар к ряду диэлектриков, например полимерам, затруднено. Малая чувствительность термопар приводит к тому, что к образцу необходимо подводить большие мощности и учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Кроме того, локальное измерение температуры не позволяет оценить особенности распространения теплового потока в анизотропном материале.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является принятый за прототип способ тепловых измерений на изделии, заключающийся в том, что на образец воздействуют тепловым потоком в течение заданного времени эксплуатации изделия или его испытания, и при этом измерение температуры производится путем использования термоиндикаторов, нанесенных на поверхность образца в отдельных произвольных точках (см. патент РФ 2003085, кл. G 01 N 25/18, 1991).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в данном способе затруднен надежный контакт термоиндикаторов с электроизоляционными и теплоизоляционными материалами в различных точках поверхности.

Термопары и термоиндикаторы являются инерционными датчиками, изменяющими характер протекания тепловых потоков, увеличивающими теплоотвод в местах крепления. Применение методов, описанных выше, вызывает трудности при испытаниях диэлектрических электроизоляционных материалов, характеризующихся малыми значениями коэффициентов температуропроводности и теплопроводности. Локальное использование термопар и термоиндикаторов не позволяет в полной мере оценить анизотропные свойства материала.

В отдельных случаях измерение температуры производится дистанционным методом с применением фотоэлектрических преобразователей (фотодиоды, фоторезисторы и т.п.), например в составе пирометров. Этот бесконтактный способ регистрации температуры также имеет существенный недостаток, обусловленный тем, что пирометры, в частности, из-за их апертурных характеристик, например поля зрения, определяют усредненную температуру значительной поверхности изделия, фиксируя температуру не локальной точки, а протяженной области.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по повышению точности и чувствительности методов тепловых измерений, расширению класса исследуемых объектов при измерениях коэффициентов температуропроводности и теплопроводности.

Поставленная цель достигается тем, что после воздействия импульсного теплового потока на образец (тепловой удар) изменение температуры поверхности со временем измеряется с помощью тепловизора - прибора, регистрирующего излучение от объекта и определяющего температуру одновременно во всех точках поверхности в режиме реального времени. В процессе испытаний производится непрерывный контроль температуры в любой точке поверхности по мере продвижения теплового фронта от области нагрева.

Для детализации оценки анизотропных свойств материала или образца, фиксации неоднородности распространения теплового потока в различных направлениях предусмотрено применение зеркального отражателя излучения, с помощью которого можно следить за изменением температуры задней поверхности объекта.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается непрерывным измерением температуры с помощью тепловизора во всех точках поверхности в отсутствие присоединенных внешних устройств (в виде термопар, термоиндикаторов) при прохождении теплового фронта по образцу во всех направлениях в зависимости от свойств образца.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено взаимное расположение испытуемого материала и тепловизионного приемника излучения.

Позиции на чертеже: образец (изделие) - 1; источник нагрева - 2; отражающее зеркало - 3; сканер тепловизора - 4; ЭВМ - 5; теплограмма - 6.

В том случае, когда сканер 4 тепловизора (приемник излучения) направлен на переднюю поверхность объекта (например, в форме параллелепипеда), то на сканер будет попадать инфракрасное излучение только от передней грани, и на теплограмме будет видно тепловое изображение передней поверхности параллелепипеда, находящейся в поле зрения сканера тепловизора. Если же за объектом установить зеркало, например, как указано на чертеже, то, выбирая наклон зеркала и расстояние от зеркала до образца (изделия), можно добиться того, что на теплограмме будет представлено тепловое изображение передней грани - ближайшей к сканеру поверхности образца за счет непосредственной регистрации инфракрасного излучения сканером, а также тепловое изображение противоположной - задней поверхности образца, с помощью зеркального отражателя, расположенного под углом к оси сканера.

Из представленного чертежа видно, что в данном случае на теплограмме тепловое изображение задней поверхности будет расположено выше, чем тепловое изображение передней поверхности.

В образце (изделии) 1 с помощью источника нагрева 2 на торце образца создается тепловой поток, направленный по оси X. В зависимости от задачи испытаний тепловой поток может быть импульсный, гармонический или постоянный. По мере распространения теплового потока по оси Х изменяется интенсивность теплового излучения, исходящего от поверхностей образца (изделия). Сканер тепловизора 4 регистрирует инфракрасное излучение как от передней поверхности, ближайшей к сканеру, так и от противоположной (задней) поверхности с помощью отражающего зеркала 3, расположенного под углом к оси сканера. Видеосигнал от сканера тепловизора 4 поступает в ЭВМ 5 для хранения информации и ее дальнейшей обработки. Тепловизионное изображение представляется в виде цветной (или черно-белой) теплограммы объекта 6, цветовая гамма (или оттенки серого цвета) которой соответствует определенным значениям температуры любой точки поверхности образца (изделия) 1 в фиксированный момент времени. С помощью ЭВМ 5 значение температуры каждой точки теплограммы поверхности может быть оценено с точностью до 0,1^oС. Таким образом, на теплограмме 6 присутствуют одновременно тепловые изображения нескольких поверхностей образца (изделия).

Поскольку сканер тепловизора 4 воспринимает излучение от каждого отдельного объекта, не суммируя его, тепловые изображения различных граней анализируются независимо.

Перемещая зеркало и изменяя его наклон относительно образца в пределах 40-45^o (от оптической оси сканера), в зависимости от оптической системы используемого тепловизора, можно добиться того, что тепловые изображения передней и задней граней находятся рядом друг с другом для сравнения распределения температуры по поверхности и дальнейшего анализа. Путем обработки теплограммы на ЭВМ можно рассчитать температуру любой точки поверхности передней или задней грани на момент времени регистрации данной теплограммы.

Способ определения теплофизических характеристик осуществляется следующим образом. По мере распространения теплового потока от нагревателя на теплограмме происходит одновременная фиксация тепловых изображений как передней, так и задней граней. В процессе испытаний происходит последовательная фиксация распространения теплового потока на теплограммах, информация о которых сохраняется в памяти ЭВМ.

В результате испытаний после обработки теплограмм можно получить распределение температуры по поверхности образца с учетом времени, прошедшего от момента теплового воздействия.

Одним из возможных способов определения теплофизических характеристик материалов на основе заявляемого метода является создание условий теплового режима постоянной температуры (тепловой удар), при котором температура торца, подвергаемого нагреву, "мгновенно" возрастает и остается постоянной с момента времени t= 0. После этого импульсного теплового воздействия фронт тепловой волны распространяется от места воздействия теплового источника в координате Х=0 и за время τ достигает точки с координатой Z по оси X.

Достоинством применяемой методики с помощью тепловизора и зеркала является визуальное определение местоположения границы теплового фронта как на передней, так и на задней поверхностях образца (изделия).

Особенностью реализации изобретения является то, что в определение теплофизических характеристик образца осуществляют после обработки теплограмм с учетом распределения температуры Т(Х) по поверхности образца и времени, прошедшего от момента теплового воздействия.

Например, при тепловом ударе можно оценить значение коэффициента температуропроводности по формуле a = z²/2τ, (1) где а - коэффициент температуропроводности; z - расстояние, измеренное по нормали к поверхности образца от места воздействия источника тепла до точки местоположения теплового фронта; τ - время от момента теплового воздействия.

Теплограммы могут фиксироваться в произвольные моменты времени τ, прошедшие с момента теплового воздействия, в зависимости от типа материала, условий и задачи эксперимента. Время испытаний зависит от свойств материала, размеров исследуемого образца (изделия), а также от выбранного теплового режима. В случае испытаний образцов (изделий) из диэлектрических материалов с величиной коэффициента температуропроводности а≈10^-7 м²/с в условиях режима постоянной температуры (тепловой удар) и расчета значения коэффициента температуропроводности по соотношению (1), расстояние, например, z=2 см, тепловой фронт пройдет за время τ≈2000 с, z=4 см - τ≈8000 с и т.д.

Способ согласно изобретению позволяет оценить влияние анизотропии тепловых свойств на параметры образца (изделия). Если материал обладает анизотропией тепловых свойств или в материале имеются, например, внутренние дефекты, то распределение температуры на передней и задней гранях будет неидентичным.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, включающий воздействие на образец импульсным тепловым потоком и регистрацию температуры поверхности образца, отличающийся тем, что по мере распространения теплового потока от нагревателя посредством тепловизора одновременно фиксируют тепловое изображение как передней, так и задней граней образца, при этом сканер тепловизора непосредственно регистрирует инфракрасное излучение от передней - ближайшей к сканеру поверхности образца и излучение от противоположной - задней поверхности образца с помощью зеркального отражателя, расположенного под углом к оси сканера, а определение теплофизических характеристик образца осуществляют после обработки теплограмм с учетом распределения температуры по поверхности образца и времени, прошедшего от момента теплового воздействия.

РИСУНКИ

Рисунок 1