Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 69 (И) А И РЕТ мического тельство СССР25/18, 1980.тельство СССР25/19, 1968.тельство СССР25/18, 1980 д01 мсвиде01 мсвиде кс хр - - К,г контро ик мамакс убеси тела,х ома поизмеерхносанномисточэнергии рактеГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ%9 ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(72) Т.И.Рожнова и В.Н.Чернышов (71) Тамбовский институт химашиностроения(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 305397,.кл, 6 01 8 25/ 18, 19692, Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л., "Машиностроение",1974, с, 149. 3. Авторское У 879422, кл. б 4. Авторское У 264734, кл. 6 5. Авторское У 774383, кл. 6рское свидетельство СС кл. 6 01 Н 25/18, 1978 НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТР СКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МА ТРОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕ(57) 1. Способ неразрушающего ля теплофизических характерис териалов с использованием пол конечного в тепловом отношени состоящий в импульсном теплов воздействии по прямой линии н верхность исследуемого тела, ренин температуры в точке пов ти тела, располакенной на зад расстоянии от линии действия ника теплового воздействия,и теплового воздействия, по кот определяют теплофизические ха ристики, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности определения теплофизических характеристик материал , фиксируют интегральное во времени значение температурыс момента подачи теплового импульсадо момента наступления максимуматемпературы, измеряют момент времени, когда интегральное во временизначение температуры после наступления максимума температуры станетравным значению зафиксированной интегральной во времени температуры,а искомые теглофизические характеристики рассчитывают по формулам координата точки, располо-женной на заданном расстоянии от линии действияисточника теплового воздействия, м;заданный момент времени,с;момент наступлений максимума температуры;момент времеви, когда интегральное во временизначение температуры посленаступления максимума температуры равно значениюинтегральной во временитемпературе на интервалевремени от %, до Ф,с;интегральное во временизначение температуры наТираж 822 ПИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д, 4/5 одпис н 035 нт Фил ПП 4 Ужгород, ул. Проек Составитель В,Битюкедактор Л.Пчелинская Техред Л.Коцбняк11242 О 9 рения. интервале времени от Тм9 - копичество тепла, выделенное импульсньгм источникомна единицу длины Дж/м,1,о - соответственно коэффициент тепло- и температуропроводности, Вт/(м К),м /с.2, Устройство для неразрушающего контроля теплофиэических характеристик материалов, содержащее нагреватель с источником питания, термопару, подключенную к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным ключом, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов, триггер и запоминающий конденсатор, включенныймежду электронным ключом и одним иэ входов компаратора, выход которогосоединен с входом триггера, и регистрвремени, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности измерения и информативности, в неговведены преобразователь напряженияв частоту, реверсивный счетчик имИзобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям, и может бьггь использовано при производстве искусственных материалов и иэделий из них.Известен способ определения тепло- физических характеристик тверпых материалов без нарушения их целостности, основанный на измерении изменения во времени температуры с двух 1 О сторон эталонного образца в виде пластины, помещенной на поверхность исследуемого тела, причем эталонное тело приводится в контакт с испьггуемым и выдерживается д момента выравнивания температур на обеих поверхностях эталонного образца, после чего внешняя поверхность пластины мгновенно охлаждается и поддерживается при постоянной температуре 11. 2 ОНедостатками укаэанного способа являются малая информативность, обусловленная воэможностью измерения только одного коэффициента тепловой пульсов, блок ввода постоянных коэффициентов, жкропроцессор и блок управления, причем вход преобразователя напряжения в частоту соединен с усилителем, а выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком, второй управляющий вход которого подключен к выходу триггера, а информационный выход реверсивного счетчика соединен с микропроцессором, к которому подключен также регистратор времени, один из управляющих входов которого соединен с реверсивным счетчиком, а второй - с блоком управления, при этом пять других выходов блока управления подключены соответственно к источнику питания нагревателя, преобразователю напряжения в частоту, микропроцессору, триггеру и блоку ввода постоянных коэффициентов, при этом выход последнего соединен с микропроцессором3, Устройство по п,2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что выход преобразователя напряжения в частоту, подключен к цепи управления электронным ключом. активности исследуемого материала,и э начительная погр ешност ь определения искомого коэффициента при проведении эксперимента в условиях действия случайных помех, так как последние искажают температурную кривуюв точках контроля, что влечет эасобой значительную долю случайнойсоставляющей общей погрешности измеИзвестно устройство для измерения теплопроводности исследуемых тел,. содержащее укрепленный на плате нагреватель, дифференциальную термопару и регистрирующий прибор 1.2 з,Однако данное устройство характеризуется малой информативностью, обусловленной возможностью определения только коэффициента теплопроводности, а также недостаточной точностью измерения из-за значительной доли случайной погрешности темпера - турно-временных измерений.209 4 Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ нераз- М рушающего контроля теплофизических характеристик материала с использованием полубесконечного в тепловом отношении тела, состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии 50 на поверхность исследуемого тела, измерении температуры в точке поверхности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействия, и 55 энергии теплового воздействия, по которым определяют теплофизические характеристики 5. 3 1124Известен также способ определениякоэффициента теипературопроводности,заключающийся в воздействии постоянным тепловым потоком на вертикальный теплоизоляционный столб жидкости, измерении интегральной температуры трех участков столба и расчетеискомой величины по соответствующему соотношению. Причем время измерения определяется моментом, когда тем Опература в середине столба жидкостидостигнет фиксированного значенияГЗ 3Недостатками такого способа являются малая информативность, обусловленная возможностью определения толь ко коэффициента температуропроводности исследуемого материала, а такжемалая оперативность измерения, таккак время измерения определяетсявременем достижения фиксированнойтемпературы в некоторой точке столба при постоянстве теплового потокаисточника тепла.Известно устройство для измерениятеплопроводности, содержащее регистратор времени и укрепленный на плате нагреватель, вокруг которого подвум концентрическим окружностямустановлены спаи дифференциальнойтермопары, подключенной к усилителю,а нагреватель через контакт релевремени подключен к источнику питания 4 Д.Однако устройство определяет толь 35ко коэффициент теплопроводности исследуемых материалов и, кроме того,имеет малую т очно ст ь р езультатовизмерений вследствие субъективногохарактера определения экстремальногозначения термограммы нагрева и значительной доли случайной составляющейобщей погрешности измерений,Недостатком известного способаявляется значительная погрешностьопределения искомых теплофиэическиххарактеристик, так как измерениемомента времени достижения напередзаданного соотношения между температурами в двух точках поверхноститела осуществляется путем сопоставления низких по уровню искаженныхслучайными помехами температурныхкривых в этих точках, что влечет за1собой значительную долю случайнойсоставляющей общей погрешности измерений, Кроме того, необходимостьв измерении температуры в двух точках поверхности тела обусловливаетвозмущающее влияние термопреобразо-,вателей (термоприемников) на картину температурного поля, что такжеспособствует возрастанию погрешностиизмерения,Устройство для неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала содержит нагреватель с источником питания, термопару, под.ключенную к усилителю, выход кото-,. - грого соединен с компаратором и электронным ключом, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов, триггер и запоминающий конденсатор, включенный между электроьным ключом и одним из входов компаратора, выход которого соединен с входом триггера, и регистр времени Г 63. Недостатками данного устройства являются малая информативность, обусловленная возможностью определения только коэффициента теплопроводнос; ти, малая точность результатов измерения изза значительной доли случайной погрешности в общей погрешности измерений, а также низкая помехозащищенность при действии внешних возмущающих воздействий, так как из" мерительная информация снимается при этом с искаженной случайными по- мехами термограммы в виде мгновенного значения температуры. Кроме того, устройство не позволяет получить численное значение искомого коэффициента, а только фиксирует момент наступления максимума термограммы нагрева, что влечет за собой необходимость последующего расчета зна" чения теплопроводности.исследуемых тел.3 1124209Цель изобретения - повышение точности определения теплофизическнх характеристик исследуемых материалов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала с использованием полубесконечного в тепловом отношении тела, состоящему в импульсном тепловом воздействии по прямой 1 О линии на поверхность исследуемого тела, измерении температуры в точке поверхности тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействия, 15 и энергии теплового воздействия, по которым определяют теплофизические характеристики, фиксируют интегральное во времени значение температуры с момента подачи теплового импульса 2 О до момента наступления максимума температуры, измеряют момент времени когда интегральное во времени значение температуры после наступления максимума температуры станет равным 25 значению зафиксированной интегральной во времени температуры, а искомые теплофизнческие характеристики рассчитывают по формуламЗОФС С Гп ( /координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника теплового воздействия, и;заданный момент времени, с;момент наступления макси мума температуры;момент времени, когда интегральное во времени значение температуры после наступления максимума температуры равно значению интегральной во времени температуре на ин-, тервале времени от С"макс 55 интегральное во времени значение температуры на интервале времени от гф идо мдке 1 О - количество тепла, выделенное импульсным источником на единицу длины,Дж,/мсоответственно коэффици-енты тепло- и температуропроводности, Вт/(и К),м 2 /с,В устройство для неразрушающегоконтроля теплофизических характеристик материала, содержащее нагреватель с источником питания, термопару, подключенную к усилителю, ьыходкоторого соединен с компаратором иэлектронным ключом, в цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов, триггер и запоминающий конценсатор, включенныймежду электронным ключом и одним извходов компаратора, выход которогосоединен с входом триггера,и регистратор времени, дополнительно введеныпреобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов,блок ввода постоянных коэффициентов,микропроцессор и блок управления,причем вход преобразователя напряжения в частоту соединен с усилителема выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком, второйуправляющий вход которого подключенк выходу триггера, а информационныйвыход реверсивного счетчика соединенс. микропроцессором, к которому подключен также регистратор времени,адин нз управляющих входов которогосоединен с реверсивным счетчиком, авторой - с блоком управления, причем пять других выходов блока управления подключены соответственно кисточнику питания нагревателя,преобразователю напряжения в частоту,микропроцессору, триггеру и блокуввода постоянных коэффициентов, приэтом выход последнего соединен с микропроцессором.Кроме того, в устройстве выходпреобразователя напряжения в частотуподключен к цепи управления электронным ключом,На фиг. 1 показана термограмманагрева; на фиг. 2 - структурная схема устройства; на фиг. Э - структурная схема устройства, содержащегопреобразователь в частоту прямоугольных импульсов, на фиг, 4 - термограмма нагрева с дискретизацией.Сущность предлагаемого способазаключается в следующем.лю 4, электронный ключ 5 В цепь управления которого включен генератор прямоугольных импульсов 8, компаратОр 7 р Один из зхадав котарага подключен к усилителю, а второй - к электронному ключу 5 и запоминающему конденсатору 8, выход конденсатора соединен с одним из входов триггера 9, преобразователь 10 напряжения з частоту, вход которого соединен с О усилителем 4, а выход с реверсивным счетчиком 11, информационный выход которого подключен к микропроцессору 12, а выходная цепь управления - к регистратору 13 времени, Информацк онньп выход регистратора 13 времени соединен с мккрогроцессором 12, на вход которого поступает кнформагскя с блока 14 постоянньх коэффициентов. Блок 15 управления подключен соот О ветстзенно к преобразователю напряжения в частоту, регистратору 13 времени триггеру 9, блоку 14 введения постоянных коэффициентов и источнику 16 ггитанкя нагревателя,25Устройства работает следуюцкм образом,Линейный импульсный нагреватель 1 помещают на теплоизолирозанную поВерхность исследуемого тела 2 и на заданном расстоянии х от ликии дей стзкя источника тепла - термопару 3, По сигналу с блока 15 упрагления включается питание источника 16, при этом на поверхность исследуемого тела наносится тепловой импульс, осуществляется ввод постоянных коэффициентов з микропроцессор кз блока 11, включается регистратор времени 13 и триггер 9 приводится з исходное состояние, Сигнал с термопары 3 через усилитель ч поступает на один из входов компаратора 7 и через электронный ключ 5 на запоминающий конденсатор 8, Потенциал на емкости 8 дискретно изменяется во времени с частотой определяемой генератором прямоугольных импульсов 6. На входы компаратора 7 поступает разность потенциалов межцу постоянно растущим напряжением, снимаемым стермопары, к напряжением на запоминающем конденсаторе 8, При достижении момента времени, когда напряжения станут равными между собой, что соответствует максимуму температурной кривой, компаратор 7 переключает триггер 9.8 заданный момент времениблок 15 управления включает преобразователь 10 напряжения в частоту, при этом на вход реверсивного счетчика 11 работаащего в режиме суммирования, поступают импульсы, число которьгх пропорциональна интегральному зо времени значению температуры. Прк достк,.енк температурного максимума термограм=ы нагрева по ск с триггера 9 осуществляется сч нке кзмерктельной информации о ;Внии интегральной температуры нг интервале времени от Т до со с.четчкка з микропроцессор к гналу итыва- зна 5 х, ,)макспереключенке счетчика на Оежим вычктанкя,В момс.нт равенства интегрального значенкя температуры на первом интер лале от ь до Г , значению интег"максральной; емпературы на втором интер-. вале от Г да ь. Проксходкт абнумаксленке реверсивного счетчика 11, к с него подается сигнал на регистратор 13 Времени, По этому сигналу информация о значении х поступает з микрогроцессор. Затем с. блока упразле -ния подается команца змикропроцес"ор на обсчет полуенной измерительной информации по заданному алоритму, построенному з соответствии срас". етньм формулами (6) и (7), Значеккя полученньгл результатов хранятся - оперативкой памяти микропроцесса, а и могут бьгть Вызваны ОператОром на к ндик ат Ор н ое уст р ойство ми кр Опр о рессора в любое время после скончания эксперимента,Иа ,кг. 3 представлена структурная схема варианта устройства отличающегося от описанного вьпде тем,ТО С ПЕЛЬК ПОЗЬБПЕНКХ ТОЧНОСТИ ВЬЗССДпреобразователя напряжения з частотуподключен к цеги управления электронньпс ключом.Работа данного устройства отличается тем, что г;отенциал на емкости 8будет дискретно изменяться во яремени с: частотой возрастающей пропорцианапьна амплитуде сигналапары, т,.е, по мере приблкжения к максимуму температурной кривой щаг дискретизации уменьшается (Фкг,4).Ра входы компаратора 7 поступаетразность потенвиалов между постояннораступрм напряжением с термапары иналряжением на запоминающем конденсаторе 8, Прк достижении момента времени, когда эти напряжения станутразньюаа между собой, что соответстзу10 15 25 30 35 40 45 50 ет максимуму температурной кривой;компаратор 7 переключает триггер 9,осуществляя считывание измерительнойинформации о значении интегральнойтемпературы на интервале от , доь со счетчика в микропроцессор и.макспереключение счетчика в режим вычитания.Погрешность определения теплофизических характеристик в предлагаемомспособе значительно меньше, чем вспособе-прототипе по следующим причинам,В способе-прототипе измерительнуюинформацию о температурно-временныхизменениях на поверхности исследуемого тела определяют случайным образом (в любой точке термограммы нагрева), так как время наступлениямаксимального значения температурнойкривой не фиксируется и информативным:параметром для расчета искомыхкоэффициентов является мгновенноезначение температуры в любой моментвремени, отличающийся от оптимального значения для исследуемого материала с точки зрения амплитуды контролируемой температуры, которая может быть значительно меньшей максимального или близкого к нему значения.В предлагаемом способе измерительная информация о температурновременных изменениях снимается на.максимальном по амплитуде участкетермограммы нагрева, так как определяется момент наступления максимума температурной кривой, и температурно-временные измерения производят около этого значения, в результате относительная погрешность температурных измерений в предлагаемомспособе значительно меньше, чем,впрототипе, так как большие по амплитуде значения температуры измеряютсяс меньшей погрешностью, Например,измеряют температуру Т = 10 аС иТ 2 = 50 С одним и тем же приборомс абсолютной погрешностью ЬТ = +1 ОС,Тогда относительная погрешностьДТв первом случае с = + - 1003- Т11- 100 = 107. во втором случае10,0д 2- - , - .1007. = -100 = 2 Ж. ОчеЬТ 12 Т 2 50видно, что У ( д,В способе-прототипе измеряюттемпературу в двух точках поверхности исследуемого тела, тогда как впредлагаемом способе температуру измеряют только в одной точке, что значительно повышает точность измерительной информации иэ-за устранения погрешности от возмущающего воздействия второго термоприемника (отвод тепла по электродам, собсткзнная теплоемкость, контактное термосопротивление, погрешность расположения в заданной точке и т.д.), причем погрешность от перечисленных возмущающих факторов составляет 20-302.Доля случайной составляющей об" щей погрешности измерения в предлагаемом способе меньше, чем в способепрототипе, так как измерительнаяинформация усредняется на интервалевремени от т до Стогда как в прототипе измерительная информация определяется как мгновенное значение температуры в один момент времени, Отсюда достоверность результатов и помехозащищенность при реализации предложенного способа значительно вьппе,чем в прототипе.Основным преимуществом устройствапо изобретению по сравнению с уст. -ройством-прототипом является значительное увеличение информативности, обусловленное возможностью определения за один эксперимент всего комплекса теплофизических характеристик (о, Ъ, С), тогда как в прототипе определяется только теплопроводность.Точность определения искомых коэффициентов в предлагаемом устройстветакже вьппе, чем в прототипе, так какизмерительная информация о темпера,турно-временных изменениях в исследуемых объектах снимается с большой точностью, тогда как в прототипе информативным параметром является значение момента времени наступления максимума термограмми нагрева, который определяется со значительной долей случайной составляющей погрешности измерения. В метрологическом отношении устройство выгодно отличается от прототипа, так как реализуемый им способ позволяет подучить с .большей точностью измерительную информацию о температурных изменениях в исследуемых телах по сравнению с известными способами.Кроме того, устройство 1,63 ие позволяет получить численное значение искомого коэффициента, что влечет20 за собой необходимость последующегорасчета значения теплопроводности,тогда как в устройстве по изобретению осуществляется расчет и хранениеинформации о всем комплексе теплофизических параметров исследуемогообъекта,Погрешность определения временинаступления максимума температурнойкривой в прототипе определяется 10м 1ф. величиной д"=, где ас, - ин мысетервал дискретизации ( дС = содам ),й " - где Г - частота генераторра прямоугольных импульсов,- 15интервал времени от начала теплофизического эксперимента до момента наступления максимума Т( "с ); У - погрешность определенияв прототипе.В предлагаемом устройстве дГ =ум,гдетоинтервалы дискретизации на предпослед-нем и последнем шагах поиска температурного максимума Т( ),- интер вал дискретизации на первом шагепоиска температурного максимумаТ( ), д - интервал дискретизациив прототипе,Отсюда погрешность определения ЗОвремени наступления максимума температурной кривой вычисляется по форЬТ,муле д= , при этом очевидно,фюаксчто д (У,35 Таким образом, погрешность опреде.ления времени наступления максимуматемпературной кривой в предложенномустройстве меньше, чем в прототипе.Для проверки работоспособностиизобретения был создан макет, выполненный на интегральных микросхемахвторой и третьей степени интеграциисерии 133.140, 145 и микропроцессорной техники,Измерительный преобразовательустройства выполнен в виде выносного зонда, на контактной поверхностикоторого закреплены линейные нагреватели в виде нихромовой проволокиФ = 0,2 мм и хромель-копелевая микротермопара, электроды которой ф =О, 15 мм сварены встык и расположены параллельно линии действия источника тепла. При проведении эксйеримента измерительный зонд прижималис постоянным усилием к поверхностиисследуемого тела, на нагревательподавали мощность й = бОВт/м.В качестве микропроцессорной системы использовали клавишную ЭВИ Электроника-БЗ". Исследовали полубесконечные в тепловом отношении образцы из полиметилметакрилата, оптических стекол марки КВ.ЛК 5.ТФ,кварца КЗ, фторопласта и т,д.,Погрешность результатов измерениякомплекса ТФХ для данных материаловсоставляла 6-87, время измеренияне более 1 мин,