Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел



Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел
Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел
Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел
Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел
Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел

Владельцы патента RU 2701881:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" (ФГБОУ ВО "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, ТГУ им. Г.Р. Державина") (RU)

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов. Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел (коэффициентов температуропроводности и теплопроводности) содержит подключенные к компьютеру нагреватель и тепловизор. Согласно изобретению нагреватель выполнен в виде «точечного» источника тепловой энергии, создающего нестационарное температурное поле. Нестационарная тепловая картина регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм. «Точечный» нагрев создается на площадке размером порядка 1 мм2 лазером мощностью до 30 Вт видимого или инфракрасного диапазона и регулируемой длительностью импульса. Технический результат - повышение точности определения кинетических теплофизических характеристик металла. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к бесконтактным методам определения теплофизических характеристик твердых тел, в частности коэффициента температуропроводности и теплопроводности. Изобретение может быть использовано для теплового неразрушающего контроля изделий в авиакосмической, машиностроительной и энергетической промышленности.

Известно устройство для определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме (Патент RU №2502989, МПК G01N 25/18, 12.07.2012). Устройство содержит источники инфракрасного излучения, осуществляющие воздействия на переднюю лицевую поверхность твердого тела. Система термопреобразователей служит для регистрации температурного поля твердого тела в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом. По экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела. По результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела.

Основным недостатком технического решения является невозможность измерения компонент тензора температуропроводности в направлениях, перпендикулярных основному потоку нагрева, контактный характер регистрации температурного поля при сравнительно большой постоянной времени (более долей секунды), что не позволяет применять его для измерений на тонких и высокотеплопроводных материалах, где тепловые процессы протекают в течение долей секунды.

Известно устройство для бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел (Пат. РФ №2549549, МПК G01N 25/18, G01J 5/60, 2015). Устройство содержит плоский оптический нагреватель, перед которым расположена оптически непрозрачная маска в виде прямоугольных полос, и тепловизор. Плоский оптический нагреватель и тепловизор подключены к компьютеру. Устройство дополнительно содержит оптический объектив, расположенный между оптически непрозрачной маской и оптически непрозрачной шторкой с устройством управления, подключенным к компьютеру. Оптически непрозрачная шторка расположена между оптическим объективом и исследуемым объектом и выполнена с возможностью открытия и последующего перекрытия, сфокусированного оптическим объективом теплового излучения плоского оптического нагревателя.

Недостатками известного устройства являются:

- сложность конструкции системы нагрева, размещаемой на одной стороне объекта исследований и тепловизором, помещенным над противоположной стенкой объекта; большая продолжительность процесса тестирования из-за необходимости выведения нагревателя на рабочий режим и последующее экспонирование через управляемую компьютеров шторку; недостаточная точность определения температуропроводности и теплопроводности при разнотолщинности объекта исследований или при непараллельности нагревателя и стенки объекта.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел, описанный в способе бесконтактного неразрушающего контроля тепло-физических свойств материалов (пат. RU 2251098, МПК G01N 25/18, опубл. 27.04.2005). Способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках поверхности образца и температуру окружающей среды. По полученным результатам определяют поправочный коэффициент. Затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности в заданных точках. Продолжают нагрев и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.

В известном устройстве измеряют в двух точках (в заявляемом - усредняют по радиусам), функцию ошибок считают линейной функцией, пятно нагрева считают бесконечно малым, т.е. известное устройство не обеспечивает необходимую точность измерений. Известное устройство является более сложным в реализации из-за погрешности при выполнении линейных измерений, требует для определения образцы больших размеров. Следует отметить сложность системы, основанной на применении двух термоприемников.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка простого устройства для экспресс-инспекции и определения ряда теплофизических свойств тестируемых материалов (в частности, коэффициенты температуро- и теплопроводности) путем создания нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.

Технический результат достигается тем, что устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел - коэффициентов температуропроводности и теплопроводности содержит подключенные к компьютеру нагреватель и тепловизор, согласно изобретению, создается нестационарная тепловая картина внешним «точечным» источником энергии на площадке размером порядка 1 мм2, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм.

Радиальная симметричность концентрических круговых изотерм может определяться их измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

«Точечный» источник нагрева может быть выполнен в виде предварительно разогретого до 100-150°С заостренного медного стержня, установленного с возможностью подвода к исследуемой поверхности.

Создание нестационарной тепловой картины внешним «точечным» источником энергии на площадке размером порядка 1 мм2, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм обеспечивает возможность применения устройства для тестирования материалов с различными габаритами, различной толщины и теплофизическими свойствами.

Выполнение нагревателя в виде предварительно разогретого до 100-150°С заостренного медного стержня, установленного с возможностью подвода к исследуемой поверхности обеспечивает создание лабораторного устройства с минимальной стоимостью и габаритами.

Возможность определения радиальной симметричности концентрических круговых изотерм измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет получить дополнительную информацию об анизатропности тестируемого материала.

На представленных графических материалах изображено:

На фиг. 1 схематично изображено устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел, состоящее из источника локального нагрева - лазерного излучателя 1, тепловизора 2, используемого для регистрации теплового поля на объекте исследований 3, и компьютера 4, подключенного к излучателю 1 и тепловизору 2.

На фиг. 2 показана нестационарная тепловая картина в виде системы круговых изотерм.

На фиг. 3 представлено радиальное распределение температуры TR для фиксированного расстояния R, усредненное по углам от 0 до 360°, для разных времен нагрева t для одного из опытов.

В основе предлагаемого метода и аппаратной реализации лежал компьютерный анализ нестационарной тепловой картины, создаваемой внешним «точечным» источником энергии, локализованным на площадке размером порядка 1 мм2. Такой источник тепла создает в бездефектном контролируемом изделии радиально симметричную тепловую волну, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм. Их положение во времени с высокой точностью может быть установлено путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, лежащих на одном и том же расстоянии от центра изображения пятна нагрева.

В эксперименте использовали металлическую пластину, выполненную из малоуглеродистой конструкционной стали Ст3 толщиной 3 мм. Изначально металлическая пластина находилась в тепловом равновесии с окружающей средой. В начальный момент времени наружную сторону стенки начинали нагревать локальным источником энергии. Тепловизионная камера регистрировала нестационарное тепловое поле с легкодоступной наружной стороны оболочки (фиг. 1). Нагрев создавали лазером мощностью 10 Вт с длиной волны 450 нм и регулируемой длительностью импульса или посредством контакта с предварительно разогретым до 100-150°С заостренным металлическим стержнем. Это позволяло осуществлять локальный перегрев металлической оболочки на несколько десятков °С (фиг. 2). Цифровое ИК-изображение наружной поверхности регистрировали тепловизионной системой FLIR A35sc. Камера имела матрицу 320×256 пикселей, угловое разрешение (Instantaneous Field of View - IFOV) 2,78 мрад, порог чувствительности ≈ 0,05 ОС (в диапазоне температур от - 20°С до +550°С) и частоту выводимых и сохраняемых кадров 60 Гц. В качестве входных данных для последующего анализа использовали разность тепловых полей, обозначаемая далее Т(х, у, t), в исследуемый момент времени t и при t=0.

Устройство работает следующим образом.

Оператор запускает программу для задания параметров бесконтактного определения ТФС:

для ПК - выдача команд,

- лазерному нагревателю - команду на включение, продолжительность импульса,

- тепловизору - время включения, частоту и продолжительность регистрации выводимых кадров;

регистрируют в ПК с помощью тепловизора и разработанного программного обеспечения создаваемую в бездефектном контролируемом изделии эволюцию распределения температуры на поверхности изделия, как систему концентрических круговых изотерм, положение которых во времени определяют путем усреднения информации с большого числа пикселей матрицы тепловизора, установленного неподвижно относительно центра изображения пятна нагрева;

производят анализ результатов, определение анизатропности исследуемого материала и расчет теплофизических свойств материала - температуропроводности и теплопроводности.

Процедуры анализа различаются для материалов и изделий с высокой теплопроводностью в виде пластины (толщиной до 3 мм и продольными размерами >15-20 мм) и для массивных материалов и изделий и учитываются в программном обеспечении.

Эксперименты с точечным нагревом поверхности сфокусированным лазерным пучком или предварительно нагретым заостренным медным стержнем показали, что в однородном материале или многослойной бездефектной оболочке изотермы могут быть с высокой точностью аппроксимированы концентрическими окружностями. На фиг. 3 представлено радиальное распределение температуры TR для фиксированного расстояния R, усредненное по углам от 0 до 360°, для разных времен нагрева t (10 с- линия 1, 30 с - линия 2 и 60 с - линия 3) для одного из опытов.

Скорость распространения теплового фронта от точки нагрева (в пренебрежении теплообменом с окружающей средой, что оправдано при достаточно динамичном нагреве) зависит только от коэффициента температуропроводности материала χ (или эффективного коэффициента температуропроводности композита). Обработка данных, приведенных на фиг. 3, с учетом соответствующих моделей нестационарной теплопроводности, позволяет с хорошей точностью определить величину χ материала.

Таким образом, при определении χ для материалов и изделий с высокой теплопроводностью в виде пластины (толщиной до 3 мм и продольными размерами >15-20 мм) используют метод создания цилиндрического теплового фронта «точечным» источником нагрева, а процедура анализа заключается в следующем:

- для нескольких промежутков времени t от начала нагрева определяют центр осесимметричного распределения температур и производят его усреднение по углу;

- выбирают два значения времени t1 и t2 и строят зависимость температуры T от расстояния r для этих значений t; при этом время t1 соответствует максимальному времени эксперимента, а выбор времени t2 делается из соображений реализации наибольшего градиента температуры dT/dr на зависимости T(r):

- выбирают температуру Т1 на максимальном времени нагрева t1 и в точке на радиусе r1 большем, чем радиус пятна нагрева;

- на выбранном времени t2 и в точках на расстоянии r2 определяют температуру Т2;

- определяют значение отношения β=T2/T1; для наилучшей точности определения температуропроводности отношение температур должно быть близким к 0,5;

- если отношение β выходит из интервала 0,4<β<0,6, то задают новое значение расстояния r2 и снова определяют температуру Т2, повторяя эту процедуру до тех пор, пока значение β не станет равным 0,5±0,1;

- вычисляют величину χ по формуле

где:

χ - коэффициент температуропроводности материала в мм2/с;

γ= ~ 0,5772 - постоянная Эйлера;

r1 - расстояние до точки с температурой Т1;

r2 - расстояние до точки с температурой T2;

t1 - время нагрева максимальное;

t2 - время нагрева выбранное;

β - отношение между температурами Т21.

Как видно из таблицы 1, индивидуальные значения χ очень слабо зависят от конкретных заданных величин t2 и R2, кроме того, выбор конкретных значений t1 и R1 так же влияет на результат весьма слабо. Среднее значение представленной выборки χm=(12,54±0,27) мм2/с совпадает с табличным значением для величины χ малоуглеродистых сталей, а среднеквадратичное отклонение составляет около 2%. Варьирование величины T1 в некоторых разумных пределах также практически не влияет на результат.

Учитывая, что λ=χρcm, а плотность ρ и удельная теплоемкость cm материала обычно известны или могут быть взяты из справочников, знание величины χ дает возможность определить и величину λ. Так, для стали Ст3 ρ=7870 кг/м3, а cm=0,486 кДж/кг. К, что при χm=12,54 мм2/с дает значение λ=47,96 Вт/м°С, совпадающее с табличным.

Изобретение обеспечивает достижение технического результата - создание простого устройства для экспресс-инспекции и определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов (в частности, коэффициенты температуропроводности и теплопроводности) путем создания нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.

1. Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел - коэффициентов температуропроводности и теплопроводности, содержащее подключенные к компьютеру нагреватель и тепловизор, отличающееся тем, что создается нестационарная тепловая картина внешним «точечным» источником энергии на площадке размером порядка 1 мм2, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что радиальная симметричность концентрических круговых изотерм определяется их измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде предварительно разогретого до 100-150°С заостренного медного стержня, установленного с возможностью подвода к исследуемой поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения теплофизических свойств тестируемых материалов.

Изобретение относится к области тепловых измерений, а именно к измерению коэффициента теплопередачи теплоизоляционных сэндвич-панелей с отражающим слоем. Предложен способ измерения коэффициента теплопередачи, включающий замкнутый объём со съемной крышкой, имеющий площадь поверхности внутри и снаружи Si и Se соответственно, изготовленные из панелей исследуемого материала, с нагревателем, вентиляторами и датчиками температуры воздуха, расположенными внутри, с последующим нагревом воздуха в объёме до равновесной температуры Ti путем подачи на нагреватель стабилизированной мощности W до достижения теплового равновесия за счет теплообмена воздуха внутри объема через его стенки с окружающим воздухом, температура которого Te поддерживается на неизменном уровне на протяжении всего цикла измерения, с последующим вычислением коэффициента теплопередачи замкнутого объема по формуле K = W/S·ΔT.

Использование: изобретение может быть использовано в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Сущность изобретения состоит в нагреве исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, сфокусированного в линию заданных размеров линзой из радиопрозрачного диэлектрического материала, измерении избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся на заданных расстояниях x1 и x2 от линии электромагнитного воздействия и определении искомых теплофизических характеристик по полученным математическим соотношениям.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины, характеризующей тепловое сопротивление любого типа разделительной стены между двумя средами, особенно стены здания, стены транспортного средства, стены печи, стены резервуара.

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам испытаний в натурных условиях.

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения твердых частиц в жидкости.

Изобретение относится к технике наземных испытаний головных частей (обтекателей) летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам контроля радиотехнических характеристик (РТХ) радиопрозрачного обтекателя (РПО) в условиях, имитирующих аэродинамический нагрев.

Группа изобретений относится к области тепловых измерений, а именно к способу и устройству для установки термопар в образцы полимеризующихся материалов. Согласно способу горячие спаи термопар, сваренные встык, предварительно располагают в объеме формообразующей образец рамки в середине образца по его толщине на оси, перпендикулярной к его нагреваемой поверхности, и с веерным разведением проводов термопар от оси в плоскостях, параллельных нагреваемой поверхности.

Предложен способ и измерительное устройство для определения параметров качества газа, в котором газ или газовая смесь протекает как через ультразвуковой расходомер (4), так и через микротермический датчик (7), и первый используют для определения скорости звука и течения, а с помощью второго определяют теплопроводность и теплоемкость газа или газовой смеси.

Изобретение относится к области измерений в теплофизике, в частности к способам определения интегрального коэффициента излучения поверхности твердых материалов, и может быть использовано при измерении интегрального коэффициента излучения теплозащитных материалов.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения теплофизических свойств тестируемых материалов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения температуры нити, например, стекловолокна или проволоки. Настоящее изобретение относится к способу определения температуры нити, отличающемуся тем, что включает в себя следующие шаги: вытягивание нити в направлении ее продольной оси вдоль фонового излучателя с известной температурой, получение, в процессе вытяжки, тепловизионным датчиком с пространственным разрешением изображения нити, находящейся перед фоновым излучателем, получение интеграла по диапазону замеров тепловизионного датчика, полностью обнаруживающего, в каждый момент времени, участок нити, находящийся перед фоновым излучателем, вывод заключения о температуре нити посредством сравнения полученного интеграла с контрольным значением.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям и классификации тепловых полей объектов с использованием инфракрасных средств измерений, и предназначено для использования при испытаниях инфракрасной видности техногенных и биологических объектов.

Изобретение относится к неразрушающему контролю скрытых дефектов в композиционных материалах и изделиях активным тепловым методом, используемых в авиакосмической, ракетной, атомной, машиностроительной и энергетической отраслях промышленности.

Изобретение относится к области испытаний твердых тел и может быть использовано для идентификации невидимой ткани. Новым является то, что испытания проводятся в четыре этапа.

Изобретение относится к области детектирования и классифицирования событий сцены. Технический результат – обеспечение надежного распознавания событий сцены.

Изобретение относится к способам автофокусировки оптико-электронных приборов с высоким качеством изображения в широком интервале рабочих температур. Способ автофокусировки тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели, при котором определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры, далее по сигналу с датчика температуры перемещают фокусирующую линзу объектива оптико-электронной системы в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре, при этом датчик температуры размещают внутри корпуса объектива, определяют функциональную зависимость величины перемещения фокусирующей линзы от текущей рабочей температуры объектива экспериментально, на одном или нескольких образцах для начала и окончания работы тепловизионного канала с учетом глубины резкости и степени нагрева объектива, далее проводят аппроксимацию полученных функций, из которых определяют результирующую функцию, соответствующую наилучшему качеству изображения во всем диапазоне рабочих температур и записывают ее в память блока управления, во время эксплуатации тепловизионного канала оптико-электронной системы поиска и сопровождения цели по сигналу с датчика температуры объектива электропривод в соответствии с результирующей функцией под действием управляющего сигнала с блока управления перемещает фокусирующую линзу в положение, соответствующее данной текущей рабочей температуре.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения температуры активной области светодиода. Способ заключается в том, что через светодиод пропускают греющий ток заданной величины, излучение светодиода подается на два фотоприемника и температуру активной области светодиода определяют по изменению центральной длины волны излучения.

Группа изобретений относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте.

Группа изобретений относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения теплофизических свойств тестируемых материалов.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов. Устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел содержит подключенные к компьютеру нагреватель и тепловизор. Согласно изобретению нагреватель выполнен в виде «точечного» источника тепловой энергии, создающего нестационарное температурное поле. Нестационарная тепловая картина регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм. «Точечный» нагрев создается на площадке размером порядка 1 мм2 лазером мощностью до 30 Вт видимого или инфракрасного диапазона и регулируемой длительностью импульса. Технический результат - повышение точности определения кинетических теплофизических характеристик металла. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх