Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

(511 4 С 01 М 25/18 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Н А 8 ТОРСНОМ ЕТЕЛЬСТ имического СССР1979,СССР1978.СССР1983. импульсом, равньму, и т.д., измвания тепловыхтеплофиэическиесчитывают по фо м по мощности перво"ряют частоту следомпульсов, а искомыехарактеристики расла 5 л (я где же нии наст х теплинте е аГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Тамбовский институт хмашиностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 305397, кл, 0 01 Б 25/18, 1969.Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные методы измерениятепловых величин. Л.: Машиностроение,1974, с. 150.Авторское свидетельствоР 774384, кл. 0 01 Б 25/18,Авторское свидетельствоУ 694805, кл. О 01 И 25/18,Авторское свидетельствоЯф 1124209, кл. О О 1 Б 25/18(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЦЕГО КОНТРОЛЯТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК. МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦ 1 ЕСТВЛЕНИЯ,(57) .1. Способ неразрушающего кон роля теплофизических характеристи материалов, заключающийся в импул . сном тепловом воздействии по прямой линии на поверхности исследуемого тела, измерении момента времени,когда интегральное во временизначение температуры с момента подачи теплового импульса до моментанаступления максимума температуры в контролируемой точке поверхноти станет равным значению интегральной во времени температуре той же точки после наступления максимума температуры, и измерении энергии теплового воздействия, о т л и ч ЯО 1201742 А ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности определения теплофизических характеристик материалов, в момент наступления равенства интегральных значений температур осуществляют тепловое воздействие на исследуемое тело от источника тепла вторым импульсом,равным по мощности первому, затеммомент времени, когда интегральноево времени значение температуры вконтролируемой точке поверхности смомента подачи второго тепловогоимпульса до момента наступления масимума станет равным интегральномузначению температуры той же точкипосле наступления максимума, воздействуют на тело третьим тепловым Х - координата точки, располоой на заданном расстоянии от лидействия источника тепла; 1 - за щ момент времени;7 , - момент упления максимума температуры; - частота следования импульсов свого воздействия; Я,(х ) - гральное во времени значение тем туры на интервале времени ото1201 до; Я. - количество тепла,выделяемое единым импульсом на единицу длины; Л,а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности.2. Устройство для неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, содержащее нагреватель с блоком питания, термопреобразователь, подключенный к усилителю, выход которого соединен с компаратором и электронным .ключом, триггер и запоминающей конденсатор, включенный между электронным ключом и одним из входов компаратора, выход которого соединен с входом триггера, преобразователь напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем, первый выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком, а второй " с цепью управления электронным ключом, причем второй управляющий 742вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера, а информационный выход реверсивного счетчика соединен с микропроцессором, к которому подключены блок постоянных коэффициентов и блок управления, три других выхода которого подключены соответственно к блоку питания нагревателя, к преобразователю напряжения в частоту, к триггеру и блоку постоянных коэффициентов, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения теплофизических характеристик материалов, в него дополнительно введен частотомер-хронометр, один вход которого подключен к счетному выходу реверсивного счетчика, другой - к блоку управления, а выход частотомера-хронометра соединен с входом микропроцессора, кроме того, счетный выход реверсивного счетчика подключен к блоку питания и входу триггера.1Изобретение относится к теплофизическим измерениям,Целью изобретения является повышение точности определения теплофизических характеристик исследуемых ма" териалов.Сущность способа заключается в следующем.На теплоизолированную поверхность исследуемого тела помещают линейный импульсный источник тепла постоянной мощности. После подачи теплового импульса фиксируют интегралальное во времени значение температуры в точке поверхности исследуемого тела, расположенной на заданном расстоянии от линии действия источника тепла. При наступлении равенства интегральных значений температуры до и после максимума термограюы нагрева, который опреде- . ляется дифференцированием температурнои кривой осуществляется тепловое воздействие исследуемого тела от того жее источника вторым тепловым импульсом, равным по мощности перво 2му импульсу. Затем в момент времени, когда интегральное во времени значение температуры в контролируемой точке с момента подачи второго тепло вого импульса до момента наступления максимума термограммы станет равным максимальному значению после максимума, воздействуют на исследуемое тело третьим тепловым импуль- О сом той же мощности и т,д. При этомизмеряют частоту следования тепловых импульсов от источника на исследуемое тело, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам, полученным на основании следующих исчислений.Тепловой процесс при действии линейного импульсного источника тепла на поверхность полуограниченно- го в тепловом отношении тела описын Нвается следующей кривои задачей теп- лопроводностигде Т - температура; хк - текущие координаты; Д., а - коэффициенты . тепло- и температуропроводности;Я - количество тепла, выделяемое с единицы длины линейного источника;8(с) - дельта-функция (функция Дирака);- время.Применяя к (1) -( 4) преобразование Лапласа и косинус-преобразованиеФурье, а затем производя обратные преобразования, получим решение данной краевой задачи для поверхности исследуемого тела (к=о) в следующем виде 1 О 15 20 л ЯХТСХ с)= - ,дахр(- -гав ( ссд; / 5) 25 Используя выражение (5) температурного поля для поверхности исследуемого тела и условия осуществления предлагаемого способа, после несложных математических преобразований получим формулы для расчета коэффициента тепло- и температуропроводности в следующем видеХ (4 С х ) (6)Й, Гн(с "х) 30 35 где х - координата точки, расположенной на заданном расстоянии от линии действия импульсного источника. тепла; с - заранее заданный момент времени; (,д - момент наступления максимальной температуры в контрольной точке; Г - частота следования импульсов теплового воздействия;лЯ(Хс ) - интегральное значение температуры с на интервапе времени с - с, ; Я - количество тепла, выделяемое одним импульсом на. единицу длины источника.Таким образом, измерив частоту следования тепловых импульсов от источника тепла к исследуемому телу,45 50) - амр -- т) Й, (1) оЯ г Х м2 Т 15,) (Х 1, с ) 1 с Яс. 42 4интегральное во времени значение температуры 5,(х;,"с), и зная мощность теплового воздействия, время наступления максимума термограмм нагрева, по формулам (б) и (7) можно рассчитать значения коэффициентов тепло- и температуропроводности исследуемых тел.На чертеже представлейа схема устройства, реализующего способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материала.Устройство включает в себя линейный импульсный нагреватель 1, расположенный на поверхности иссле. дуемого полуограниченного тела 2, термопару 3, подключенную к усилителю 4, электронный ключ 5, входкоторого подключен к выходу усилнтеля, компаратор б, один из входов, которого подключен к усилителю 4, а . второй - к электронному ключу 5:и, запоминающему конденсатору 7, выход компаратора соединен с одним из входов триггера 8, преобразователь 9 напряжения в частоту, вход которого соединен с усилителем 4, а один выход - с первым входом управления реверсивным счетчиком 10, а второй - с цепью управления электронным ключом,5, причем второй управляющий вход реверсивного счетчика подключен к выходу триггера 8. Информационный выход реверсивного . счетчика 1 О подключен к микропроцессору 11, а выходная цепь управления - к частотомеру-хронометру 12, блоку 13 питания нагревателя и ус-тановочному входу триггера 8. Информационный выход частотомера-хронометра 12 соединен с микропроцессором 11, на вход которого поступает также информация с блока 14 постоянных коэффициентов. Блок 15 управления подключен соответственно к преобразователю 9 напряжения вчастоту, частотомеру-хронометру 12, триггеру 8, блоку 14 введенияпостоянных коэффициентов, блоку 13нагревателя 1 и микропроцессору 11,Устройство для осуществления способа работает следующим образом. Линейный импульсный нагреватель 1 помещают на теплоизолироианную поверхность исследуемого тела 2и на заданном расстоянии х, отлинии действия источника тепла располагается термопара 3. По сигналу с блока 15 управления включает 1201742ся блок 13 питания, при этом на поверхности исследуемого тела наносится тепловой импульс, осуществляется ввод постоянных коэффициентов в микропроцессор 11 из блока постоян ных коэффициентов 14, включается частотомер-хронометр 12 и приводится триггер 8. в исходное состояние. Сигнал с термопары 3 через усилитель поступает на один из входов компаратора 6 и через электронный ключ 5 - на запоминающую емкость 7. Потенциал на емкости 7 дискретно изменяется во времени с частотой, определяемой преобразователем 9 15 напряжения в частоту. На входы компаратора 6 поступает разность потенциалов между постоянно растущим напряжением, снимаемым с термопары, и напряжением на запоминающем кон денсаторе 7. При достижении момента времени, когда эти напряжения станут равными между собой что соответствует максимуму температурной кривой, компаратор 6 переключает триггер 8.В заданный момент времениблок 15 управления включает преобразователь 9 напряжения в частоту, при этом 1 на вход реверсивного счетчика ЗО 10, работающего в. режиме суммирования, поступают импульсы, число которых пропорционально интегральному во времени значению температуры. При достижении температурного максимума З 5 термограммы нагрева по сигналу с триггера 8 осуществляется считывание измерительной информации о значении интегральной температуры 8 (х,) на интервале времени 40со счетчика в микропроцессор и переключение счетчика на режим вычитания. В момент равенства интегрального значения температуры налпервом интервале 1, - , значе- "5 . нию интегральной температуры на втором интервале, -происходит обнуление реверсивного счетчика 1 О, с него подается сигнал на частотомер-хронометр 12, блок пита О ния нагревателя 13 и установочный вход триггера 8, При этом на поверхность исследуемого тела наносится второй тепловой импульс, мощность которого равна первому, а триггер 55 8 занимает исходное положение, При достижении момента равенства интегральньм значений температуры до и после максимума термограммы нагрева от действия второго тепловогоимпульса происходит снова обнуление реверсивного счетчика 10 и снего поступает сигнал на частотомер-хронометр, блок питания и триггер, На поверхность исследуемого тела наносится следующий тепловойимпульс и цикл повторяется. При этомчастотомер-хронометр фиксирует частоту следования тепловых импульсов иданная информация по команде с блока 15 управления из частотомера-хронометра .12 заводится в микропроцессор 11. Затем с блока управления подается команда в микропроцессор наобсчет полученной измерительной информации по заданному алгоритму,построенному в соответствии с расчетными формулами (6) и (7). Значенияполученных результатов хранятся воперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны операторомна индикаторное устройство микропроцессора в любое время после окончания эксперимента,Погрешность определения теплоФизических характеристик согласнопредлагаемому способу значительноменьше, чем по способу-прототипу.Измерительная информация о температурно-временных изменениях наповерхности исследуемого тела согласно способу-прототипу определяется при однократном тепловом воздействии, т,е, получение измерительной информации ограничиваетсяоднократным измерением. Предлагаемый способ позволяет получить измерительную информацию при многократных измерениях, так как осуществляется многократное тепловоевоздействие на исследуемый образец.Оценим аналитически погрешностьопределения искомых теплофизических параметров в обоих случаях.Так, например, погрешность определения коэффициента температуропроводности согласно способу-прототипуопределяется как Согласно предлагаемому способу погрешность определения коэффициента температуропроводности определяется соответственно12 лл Составитель В.БитюковРедактор Н.Горват Техред С.Мигунова Корректор В.Бутяга,аказ 7998/45 ВНИИПИ Государс по делам изо 113035, Москва, Тираж 896енного комитеетений и откры-35, Раушская ПодписиСССРийаб., д. 4/5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лСравним погрешности 66 и й Г в способе-прототипе и предлагаемом. Из теории погрешностей известно, что погрешность многократных измерений в п раз меньше, чем погрешность измерений тел той же величины при однократном эксперименте, т.е. Так как согласно предлагаемому способу и = 60-80, то прочность результатов измерений более чем в 8 раз превышает точность результатов.в способе-прототипе.Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает высокую точность результатов измерения, так как измерительная информация о температурно-временных изменениях в процессе эксперимента снимается; преобразуется и используется для вычисления. искомых параметров в дискретной форме, на которую практически не оказывают влияние температурно-временные 01742 8дрейфы, изменения в цепях питанияблоков устройства, флуктуации и т.д.,Для проверки .работоспособностипредлагаемого устройства был создан 5 его макет, выполненный на интегральных микросхемах второй и третьей степени интеграции серии 133,140, 155 и микропроцессорной техники.1 О Измерительный преобразовательустройства выполнен в виде выносного зонда, на контактной поверхности которого закреплены линейныенагреватели в виде нихромовой прово-15 локи Ф = 0,2 мм и хромель-копелеваямикротермопара, электроды которой= 0,15 мм сварены встык и расположены параллельно линии действияисточника тепла, При проведении 20 эксперимента измерительный зондприжимается с постоянным усилиемк поверхности исследуемого тела,на нагреватель подавалась мощность импульсов 11 =60-75 Вт/м.В качестве мик ропроцессорной системы использоваласьклавишная ЭВМ "Электроника Б 3-34.Исследовались полубесконечные в тепловом отношении образцы из полиметилметакрилата, оптических стекол мар ки КВ, ЛК 5, ТФ, кварца КВ, фотопласта и т.д. Погрешность результатовизмерения комплекса ТФК для данныхматериалов 5-6 Е.