Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

)4 С 01 И 25/18 ИЕ ИЗОБРЕТМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ПИС И ВТОРС ше ости теплоизолятора, Устройство соде источник питания и нагреватель, мопару, преобразователь напряжения в частоту, блок ввода-вывода, компаратор и регистратор времени, блок . управления, Новым является то, что в способе определяют интервалы от момента подачи одного теплового импульса до момента времени, когда температура в контролируемых точках станет равной ее первоначальному значенио, устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов и начинают увеличивать частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью, определяют такую частоту импульсов, при которой установившееся значение избыточной температуры в первой точке контроля станет равной наперед заданному значению, продблжают увеличивать частоту следования тепловых импульсов по первоначальной зависимости .до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры во второй точке контроля станет равным наперед заданному значению и определяют частоту следования тепловых импульсов . В устройство дополнительно введены вторая термопара, коммутатор, три логических элемента, два управляемых делителя частоты. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. ржит тем ого полу оиз олято тепла импульс ти, измерении ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Тамбовский институт химического машиностроения(54) СПОСОБ НЕРАЗРУ 1 ЦАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к технической физике, в частности к тепло- физическим измерениям, и может найти широкое применение в народном хозяйстве при производстве искусственных материалов и изделий из них. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения тецлофизических характеристик исследуемых ма" .териалов, Способ неразрушающего кон-. троля теплофизических характеристик материалов состоит в тепловом воздействии в плоскости контакта исслеаниченного тела и терлинейного источникаи постоянной мощносзбыточной установивемпературы в двух точках плосонтакта исследуемого тела иИзобретсние относится 1 техни" ескг 11 физике, в частности к теплофиэическим измерениям, и может найти ШИГОНОЕ ПР 1 гМЕ 1(НИЕ Б НЯРО ТНОМ ХОЗЯИ- СТБ ПРИ П ООИЯЕ 1 ОДС ТБ Е ИСКУССТВ ЕННЬХ МЯТЕРИЯЛОБ И ИЗДЕЛИЙ Иэ НК;.Целью изобретения является расаи Ление 1 ункциональных воэ 1 ожностеи способа и повышение точности измере-: ния теплофизических характеристик мате риалов.Сущность способа заключается Бследующем,На теплОизолировянную Ловехность,исследуемого тела помещают линейньгйИСТОЧНИК ТЕПГ 1 Я ЗЯДЯННОЙ МОЩНОСТИ ИОсуществлякт тепловое воздействиеодним им 11 ульсом, Затем определяютинтеРвал вРемени 1 г, и 1 А от на " г 1чала теплового Воздействия до момента, когда температура в точках конт."роля хи хстанет равной первона".чальной, после чего, определяют минимальную частоту следования импуль- ;-,1 1СОБ Ря= у 1 ИНь р Л Ф,МП, "Ц 11 )при которой не пройсходит рос а темПЕРЯТУРЬ. В ИССЛЕг,УЕМОМ ТЕБЕ, ./БЕЛИ"11 ЯЯ -ЯСТСтпгДЯЧИ ТЕПЛГБЫХ ИМПУЛЬ "ОБ;1 О ЭЯ;-;.1;ЕМГ 1 аратьур4 ОУвелтчение частоты сле-;нянин тепЛОБЬ;1 11 МПЛЬСОБ Б СООТБ Ет . ВИИ С УК З"Зан:гиЗЯ 131 СЮ:."; ТЬХ ОСуБ:СТВГ 1 яют ДСтеног. Пока устяновившеся ннтеГ- ГЧ . чг ".1;ЧЕНГ"- г:гТРО, 1 Р"ЕМЙНЕ."тР 1 Б ТОЧКЕ КОНТРОЛЯ Х, НЕ Станет равньм наперед заданному эняче- НПГ Т, и СГРЕДЕЛЯЮт ПгИ ЭТОМ ЧЯСУг Р . -отъ следо я 1 ия и 1.,пуль (1:, ПРО 1 ЭЛжЯЮТ УБь-,:Ч 11 ИЕ -, Яс ТОТ 11 СГ 1 ПО Бания тепловьгх импульсов по указан- КОЙ завис 1 Гмос Г;го тех пс р Гок, ьсГановивщееся -Качана.;е из 111 ТОч 1.-ОЙ т е.1-" пеРЯтУРы ЯО БТОРой точке 1 онт 1:алЯ х; СТЯГЕТ РЭБНЬП 1 НЯНЕРЕПЯ.,Я 1.1 Н,1:У ЗНЯ- чению Т, и определяют соответствующую этому тепловому режиму частоту с.гецования тепловьх импульсов Ы:становившееся зна-ние температуры достигается в тон:ах контролякогда очередной теплоВОЙ пульс не изменяет темперауру Б этих ТОЧКЯХ ПО НЯЙДЕННЬМ Зна 1 ЕНИЯ 11 ЧЯС тот Ъ и ; интервалам жизни им. НУльса гг я,1 ассчитьГБЯют искомые теплофизические характеристики исследуемого материала на основании формул поГученных на Основании следующих рассуждений.Процесс распространения тепла на теплоизолированной поверхности полу- бесконечного в тепловом отношении тела при действии линейного источника тепла описывается решением задачи теплопроводности, котре имеет Видгде Я - мощность линейного импульсного источника тепла 1 ВТ/м),"а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности; расстояние от линейного ис точника т=пла до точки контроля, м. ВР 1 МЯ (С) ь ш 1 г 1 он 11 Е, ЕНИЯО тьгГ 1 Бого импульса ня поверхностьтелаПри нанесении ОднОГО теплового импульса изменение; темпеэатуры в точкеКОНТРОЛЯ ОПРЕГЕГ 1 ЯЕТС с СООТНОЕНИЕМ С,) ь,Ло заданной Величине с- чу.ствительности измерительной яппаратурь иэ решения уравненияХ ь рОПРЕДЕЛЯЕ СЯ" г У = -Я-:аль 1 Бреме 1;и ж 11 эни теуло;,Ог.са1, .1ПГЛУЧЕР"г,; ИНТЕРБОЛ ьПОЛ:УССТЬС ОПРДЕГ 1 Я Е КО 1 ГЧ ЕС ТБО ГИГАЛЬСОБ БЛИ ягщщ 1 БЯ .;"Та-гЬ 1 вщущ, я ТЕ.111 Ера 1 ,Б г1"Л НР ЦРЧНЯПЛЕЖР -РБ Я" 11 -, 1, то он не Блняст ня тамг =."Туру Б точке контоол -., 1,о,гичеГз -Г.; ИМ 11 УЛ 1 ьСОБ,Г 1 ОДЯБЯЕМ:. ББ НнтЕРБЯз1402892лле имя с частотои Р, определяется Для решениясоотношением носительно с) и системы (7) (8) отвоспольэуемся разноп = Е (дмп Р) ) (4) ф)- хт- а так как) х жением в ряд е(6) 25 Для определения коэффициента теплопроводности найденное значение кокоэффициента подставляют в (7) пт Е(" имлтР кт)-Е( ) ) Ркт Р импт(4) где Е(х) - фУнкциЯ целаЯ части числа х.Таким образом, для двух точек контроля, расположенных на расстоянии х и хт от линии действия источника тепла, находятся интервалы временил лжизни импульсов ) имо 1) ,1 мпт из Решения уравнения (3). Увеличивая по закону (1) частоту подачи импульсов) определяют частоты Р к, и Р к ) при которых достигается установйвшееся заданное значение температуры Т здд, в точках контроля хи хт соответственно, Из, соотношения (4) находят число импульсов и 1, пт, влияющих на температуру в точках контроля хи хдт тоты подачи импульсов для соответствующих - точек контроля,Установившаяся температура в результате действия серии импульсов в токах контроля х, и хна основании (2) будет выражаться соотношениями где д=1)Рх,)ьГ 1/Рк - расстояния междупередними фронтами импульсов на интервалах ) имп, и )имп,л значение Х блиэко к нулю, ограничимся в разложении двумя слагаемыми:)11 2 )1ЯРх, с-х 1 Рх,с 1Т(9)з)д 12 л1 4 а . зт1:1 1-1 Поделив (9) на (10) выражаем Возможно и иное осуществение способа, Применяется только один тепло- . приемник, После определения частоты тепловых импульсов Р , соответствующей равенству текущего значения тем" пературы Т, наперед, заданного в точке контроля, увеличивают частоту тепловых импульсов до тех пор, пока значение избыточнойконтролируемой температуры в этой же точке не достигнет второго наперед заданного зна" чения Т эд . Определяют при этом час 1)А ттоту тепловых импульсов Р, а искокт) мые теплофизические характеристики определяют по формулам, полученным следующим образом,Система уравнений (9) - (10) для этого случая будет иметь вид: ТПосле несложных математических преобразований (13) и (14) по.пучим сле"дующие Формулы для определения коэФициентов тепло- и температуропро"водности." 49 О11 аф,х Е ф адх х х 4 ах(16) На чертеже показана схема устройства, реализующего предлагаемый спо О соб.Устройство для неразрушающего контроля теплоизических характе" ристик материалов состоит иэ линейного импульсного нагревателя 1, расположенного на поверхности исследуемого полуограниченного те" ла 2, термопар 3 и А располо" женных также на поверхности исследуе" мого тела соответственно на расстоя- Ы 1 И Х а И ХОТ ЛЧНРИ тЕЙГТВИЯ ИГ точника те.;ла. и подключенных к коммутатору 5 выход которого саед-;:нен с усилителем 6 постоянно" го тока, который через первый логический элемент 2 И 7 подключен к амплитудно .частотному преобразоватеки Р нагряжения, выход которого соединен с.входом гервого счетчика 9 им-., пульсов, информационный выход кота О рого подключен к первому входу вычнтающего уотройства 1 0 а второй его вход соединен. с информационным выходом вто 1 эого счетчика 11 импульсов Выход вычитающего .; Тройства 1 О сое а, динен с одним иэ информационньх входов микропроцессога 1 2 д Угие вхо+ ды которого подключены соответственно к блоку ввода"вывода 13, блоку 14 уа" равл;"Ия, генератору 15 тактовых импульсов . в управляющие выхОдь" м 1 ю,во " ПР;,ЦЕСсРРЗЭ Т 1 ОДКУРР:УЕНЬР ООТУ.-,с; . ственнэ к первОму управляемОму дели гелю 16, выход которого соединен с блоком 17 питания нагревателя, а вход .-: в ., ГенератОООм 15 тактовых импульсов, к второму управляемом делителю 1 О частоть 1 вхо":; которо с соедин нен с генератОром 15, а эьход " с управляющим входом вычитающего устройства 10.Выход усилителя 6, кроме того,через второй логический элемент 2 И 19соединен с Одним из входов компаратора 20,.второй вхац которого соединен с блоком 14 управления, а выход -с регистратором 21 времени, информа"ционный выход которогс подключен кмикропроцессору 12, а управляющийвход - к блоку 14 управления другиевыходы последнего соединены соответственно с управляющим входом коммутатора 5, генератором 15, блоком 17 питания наг 11 еватЕлЯ, с входами первого7, второго 19 и третьего 22 логическими элементами 2 Ч,-. причем второйвход логического элемента 22 подключен к генератору 15, а выход " к второму счетчику 11 импульсов. Кроме то"го, управляющие входы счетчиксв 9и 11 соединень:, с управляющим выходомкоммутатора 5.Устройство работает следующим образом,Перед началом измерений по команде с блока 1 А управления устройствоприводится в исходное состояние; коммутатор 5 подключает термопару 3 кусилителю 6, счетчики 9 и 11 обнуле"ны, логические элем:нты 7 и 22 закрыты, элемент 19 открыт. Затем по команце с блока 14 управления источник17 питания подает импульс на нагреватель 1 при этом включается регистратор 21 времени и на второй ус.ановочный вход компаратора 2 О подаетсяопорное напряжение, величина которогосоответствует сигналу тгрмопары прнначальной температуре Т, Или на 1-2 Жвыще Т ,. а на первый вход комгараторапоступает усиленное напряжение с термопарь 3. через интервал временисоответствующий времени действиЯ (соэданиЯ избыточной "1 емпературы в контролируемой точке х,) одчаготеплового импульса термОЗД: на пеОвом входе компаратора 20 станет равной заданном- опооному наиряжев 1:юкОмпарятОр перекиОчается и подр Р,ет сигнал на считывание информацииоб интервале времени 7, иэ регист"рата да э времени в ячеи;у памятим 1"с 53.роцессора 1 2За те; аналогиянь: Образам Определяется ин:ервалвремени ь ц,1, соотв ет "тв ующий в реме-,н, действйя одного теп;:Оного нмпудьса ". точке х., соел.,г. г( и м 1,:н:.,идав7 4028 ный интервал из цьм, и цп и егоЧмпзначение вводится в ячейку памяти микропроцес;ора, По команде блока управления в микропроцессор вводится подпрограмма управления работой дели 5 телей 16 и 18 частоты, а также подпрограмма расчета искомых теплофиэических характеристик. На основе введенной информации об интервале времени цвычисляется минимальная частота следования тепловых импульсов Г = 1/ми на управляемый делитель 16 подается команда, в соответствии с- которой частота генера" тора 15 делится блоком 16 на число И = Рр/Р ,. после чего с блока управления подается сигнал на запуск генератора 5, открытие элементов 22 и 7, закрытие элемента 19. При этом на исследуемое тело с нагревателя 1 подаются тепловые импульсы с частотой . Р, в счетчик 11 поступают импульсы с генератора 15 частотой Р . Сиггал с термопары 3, усиленный усили" 25 телем 6. поступает на амплитудно-частотный преобразователь 8. На счетчик 9, работающий в режиме суммирования, поступают импульсы, число которых пропорционально интегральному во вре- ЭО мени значению температуры в контролируемой точке х, Число импульсов в счетчике 11 растет пропорционально интегральному во времени заранее заданному значению температуры Т,Если коэффициент пропорциональности в преобразователе 8 установить равным 2/Г, т.е, Гари = 2/Рр Т где Тц, - текущее значенив температуры, Р и; - частота на выходе амчлитуд-40 но-частотного преобразователя 8, то на выходе вычитающего устройства 1 О будет сигнал, величина которого равна разности между интегральными во времени текущим значением темпера 45 туры Т , и заданным Т, т.е.Ыз - я (д Т 5 цзмПо сигналу с выхода второго управляемого делителя 18 частоты информация с вычитающего устройства заносится в оперативную память микропроцес 50 сора, где в соответствии с алгоритмом . определяется величина, на которую увеличивается частота следования теп". ловых импульсов, т,е. Рм+ ДР.При этом на второй управляемый делитель 10 подается сигнал, по которому частота считывания. информации с вычитающего устройства увеличивается обрато8нс пропорционально величине аТ . Таким .5образом, частота следования тепловыхимпульсов адаптивно увеличиваетсядс тех пор, пока интегральное вс времени значение Тстанет равнымТ 5 д , при этом ЛТ = О. Это будетв том случае, когда установившеесязначение температуры Т,. в точке х,станет равным Т д, Значение часЯ ЗаД,фтоты Р при этом заносится в памятьмикропроцессора и из него же подается на блок управления команда, покоторой коммутатор 5 подключает кусилйтелю 6 термопару 4, счетчики9 и 11 обнуляются по сигналу, которым переключается коммутатор, и процесс измерения и адаптивного цзменения частот на управляемых делцтелях1 б и 18 осуществляется по тем же алгоритмам управления, что и в. эксперименте.для точки контроля. В моментвремени, когда Т , в точке х 2 станетравным Т, фиксируется частотаследования тепловых имп;льсов Г .2 иосуществляется ца основе полученной измерительной информации расчетискомых теплсфизических характеристик пс алгоритму, построенному и со-,ответствии с формулами 1) и (2).Найденные значения о и 1 хранятся всперативной памяти микропроцессора имогут быть вызваны оператором ца индикаторное устройство блока ввода-вывода в любое время после окончанияэкспержчента,При реализации способа с одним .теплообменниксм измерительная инфор"мация снимается только с термопарыв точке х увеличение частоты следования тепловых импульсов осуществляют с частоты Ри до моментаравенства текущего значения интегральной температуры Тз ц, и напередзаданного значения Т, , причемЯ 3 т фТ,Тд, Найденное при этом эна"чение частоты Рвводится в оперативную память микропроцессора, а ис"комые теплофизические характеристикирассчитывают по алгоритму, построенному в соответствии с формулами (15)и 6).Недостатком известного способаявляется фиксированная частота подачи тепловых импульсов, которая выводит тепловую систему на установившуюся температуру, часто превышающуютемпературу термоиндукции исследуемого материала. В предлагаемом способе1 102892 1 Оизмерения, что в конечном счете повышает производительность измерений иточность. дТ Ящ ММЙ ЯЗВ уВфДьад 1;1 И; 9величина установившейся температуры задается на 10-157 меньше температуры, при которой проискодит нарушение целостности материала, а часГ тота следования тепловых импульсов, при которой достигается эта температура, определяется адаптивно и автоматически. Это позволяет применять предлагаемый способ практически для ,любого твердого материала, что расши,ряет его Функциональные воэможности.Повышение точности предлагаемогс способа происходит по следующим .при,чинам. В известном способе измерительная информация о температурно" временных изменениях в тепловдй системе снимается в аналоговой форме. В предлагаемом способе вся измерительная информация определяется в дискретной Форме, что повышает помехозащищенность способа, а следовательно, и его точность. В известном способе о наступлении установившего" ся значения температуры судят по иэ В мерениям на интервале времени,.величина которого равна скважности, и случайные отклонения температуры вызывают неверное определени.:. на этом малом интервале времени момента дос .нжения установившейся температуры, :3 и едлагаемом адаптивном способе момент д сгижения заданной температуры не определяет:я, а находится установившаяся частота ,которая явЗБ ляется информативньм параметром и опредечяртся на боль,ьом интервале времени, что исключает влияние случайнык погрешностей и повышает точность определения искомык характе-ригыуикФ.новнь 1 м преичуществом предо.агаемого устройства является возможность адагтивнсй автоматической подстройки частоты следования тепловых импуль1 сов псц заданное значени-. темлерату" ры эагОева ис( леуемык изделий, ч 1 о дает возможность с помощью даннога устройства исследовать практически все твердые материалы и изделия изИ ник, Кроме того получение иэмери- тел.ноч ин;омании о ча,"тотнс им- пульсной Форме, ее цифровая обработ" ка снижает погрешности ,скомык тепло" Физических характеристик эа сче; уст" В ранения температурно вр" ме.4 ных дрем фов повьшьает помрхсзашищеннссть ус трсйства и достове-ность р:зультатов измрсения уврлг 1 ивчетпеатив ность Формула изобретения1. Способ неразрушающегс контроля теплофизическик характеристик материалов, состоящий в тепловом воздействии в плоскости контакта исследуемого полуограниченнсго тела и теплоиэолятора от линейного источника тепла импульсами постоянной мощности, измерении избыточной установившейся температуры в разных точках плоскос" ти контакта исследуемого тела и теплоизолятора, расголоженных на фикси" рочанных расстояниях от ликии действия источника тепла, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей и повышения точности определения искомых теплофизических характеристик, определяют интервалы времении 7, , от момента подачи одного теплового импульса до моментов времени, когда температура в контролируемых точках станет равной ее первоначальному значению, затем устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов 1, ="нщл, д и начинают, увеличивать частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью- значение избыточной температуры в первой точке к(нтооля - наперед заданное значение температуры; " разность между заданным и контролируемымнрчГри тручроа ТУРопределяют такую частоту :.епловых им-. пульсов при:- отарой установившееся эчер :збы "очной температуры в цер.-:;ой топсе кснтроля, расположенной на ":.пеъ:,еь: расстоянии ст линии дейнстсчника тепл;.;, .- -анет рав:-ам наперед заданному значению " задзарем продолжают увеличивать частоту еле;рваная тепловых ,мяульсоь пс укаэанной иерэона.Ильяс зависимости до/ гтех пор, пока установившееся:. лечение избыточной температуры во второй точ" ке контроля :танет равным наперед заданному значению Тз , и определяют5 эту частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам:Л 2 л, 10 1 г ЬР ) , хР )хг 1 1 х-х 1 РхОРГ айаг.аФ ева - соответственно коэффици Оенты тепло- и температуропроводности, Вт/м.К),м с;.х - расстояния от линии действия источника тепла до 25точки контроля температуры, м;Р- частоты следования тепломгвых импульсов, при которых устанавливается заданная температура Т з. вЗм 1точках контроля х, и х.соответственно, Гц;,- мощность линейного импульсного источника тепла,Бт/м;35Рх Рха,- Е(-Ч - -); г.,= Е(;);мин минЕ - целая часть числа х,452, Устройство для неразрушающегоконтроля теплсфизических характерис-тик материалов, содержащее нагреватель с источником питания, первуютермопару, подключенную к усилителю,преобразователь напряжения в часто"45ту, подключенный к реверсивному счет 12 чцк у, блок ввода-вывода, соединенный с микропроцессором, кампаратор и регцстратср в ремени, выход которого подключен к микропроцессору, блок :правления, соединенный с кампа ра тором, регистра-:аром времецц, блокамвводавывода и микропроцессорам,о т и ц ч а ю щ е е с я тем чта.,целью расширения функциональных возможностей устройства и повышения точности измерений, в него дополнительно введены ьторая термспара, расположенная на поверхности исследуемого тела на расстоянии х, от линии действия источника тепла, коммутатор, информационные входы которого соединяются с термапарамц, выход - с усилителем, а управляющий вход - с блокам уг.равленця, трц логических элемента, первый цз которых включен между выходом усцлцгеляи входом амплитудно-частотнага преооразавателя, второй - между выходомусилителя и входом компараторов, атретий - между выходом генератора ивходом второго счетчика, причем вторь.е входы всех трех логических элемснтсв 2 И соединены с блоком управления, а информаионный выход второ" гс счетчика -.сдкличен к одном; цз вха,ов вычитающего устройства, второй вход которого соединен с цнформационным выходом первого счетчика, причем выход вь,чцтающего устройства соединен с одним из информационных-,:ходов микропроцессора, 2 ва управляемых делителя частоты, управляющие входы которых подключены к мцкропрацесссру, .выход первого делителя соединен с блоком питания нагревателя, второго - с вычитающим устройством, а информационные входы делителей подключены к генератору тактовых импулькроме того, выход коммутатора соединен с управляющим входам счетчиков .оставнтед 9 Ц фядехред Л.Кравчук товаКорректор И. Пож Редактор М. Бандура кав 2869732е тираж 87 Лодвиено НИИПН Государственного комитета ССС по делам изобретенФ :. открытий 35, Москва, Ж, Рау.":скан наб., д.