[go: up one dir, main page]

RU2161301C2 - Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials - Google Patents

Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials Download PDF

Info

Publication number
RU2161301C2
RU2161301C2 RU99104568/28A RU99104568A RU2161301C2 RU 2161301 C2 RU2161301 C2 RU 2161301C2 RU 99104568/28 A RU99104568/28 A RU 99104568/28A RU 99104568 A RU99104568 A RU 99104568A RU 2161301 C2 RU2161301 C2 RU 2161301C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermal
value
temperature difference
pulses
points
Prior art date
Application number
RU99104568/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Н.П. Жуков
Ю.Л. Муромцев
Н.Ф. Майникова
И.В. Рогов
А.А. Балашов
Original Assignee
Тамбовский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тамбовский государственный технический университет filed Critical Тамбовский государственный технический университет
Priority to RU99104568/28A priority Critical patent/RU2161301C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2161301C2 publication Critical patent/RU2161301C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: technical physics. SUBSTANCE: heat insulated surface of object of test is exposed to action of thermal pulses of constant power and repetition period. Difference of temperatures between two points on surface of object of test differently spaced from line of action of source is measured under thermal action. Period Δτ of feed of thermal pulses is assigned in correspondence with relation specified in advance. Thermal action by pulses is conducted, after each i-th pulse temperature difference between two points on surface of object of test is measured. Value of dynamic parameter computed beforehand is found across each i-th measurement step. Then value of dynamic parameter across i-th measurement step is compared with value of this parameter across i-1 measurement step. Test is terminated when value of dynamic parameter across i-th measurement step turns lesser than value of dynamic parameter across i-1 measurement step, then thermal physical properties are calculated with use of certain formulas. EFFECT: increased speed and accuracy of determination of sought-for thermal physical properties. 6 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики, а именно к области определения теплофизических свойств материалов. The present invention relates to the field of technical physics, and in particular to the field of determining the thermophysical properties of materials.

Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов (авт. св. СССР N 1381379, G 01 N 25/18, 1988), состоящий в тепловом воздействии на поверхности полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от линейного источника тепла импульсами с заданной скважностью и фиксировании числа нанесенных на поверхность импульсов от начала теплового воздействия до момента времени, когда температура в двух точках поверхности, разноотстоящих от линии действия источника, достигнет установившегося неизменного значения, причем мощность тепловых импульсов, наносимых на поверхность исследуемого тела, изменяют от начала воздействия до момента достижения установившегося значения температуры в точках контроля согласно зависимости, приведенной в описании, а затем определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, приведенным в описании. Недостатками этого способа являются: необходимость управления амплитудой тепловых импульсов, отсутствием контроля за ходом термостатирования, недостаточным быстродействием и отсутствие учета того, что реальные объекты испытания имеют конечные размеры. A known method for the comprehensive determination of the thermophysical characteristics of materials (ed. St. USSR N 1381379, G 01 N 25/18, 1988), consisting in the thermal effect on the surface of a semi-infinite thermally investigated body from a linear heat source by pulses with a given duty cycle and fixing the number of applied on the surface of the pulses from the onset of heat exposure to the point in time when the temperature at two points on the surface, different from the line of action of the source, reaches a steady-state constant value, and oschnost heat pulses applied to the surface of the test body is changed from the start of exposure until they reach a steady temperature value control points according to the relationship given in the description, and then define the required thermal characteristics of the formulas given in the description. The disadvantages of this method are: the need to control the amplitude of the thermal pulses, the lack of control over the course of thermostating, insufficient speed and the lack of accounting for the fact that the real test objects have finite dimensions.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов (авт. св. СССР N 1402892, G 01 N 25/18, 1988), состоящий в тепловом воздействии в плоскости контакта исследуемого полуограниченного тела и теплоизолятора от линейного источника тепла импульсами постоянной мощности, измерении избыточной установившейся температуры в разных точках плоскости контакта исследуемого тела и теплоизолятора, расположенных на фиксированных расстояниях от линии действия источника тепла, определении интервалов времени 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 и начинают увеличивать частоту следования тепловых импульсов в соответствии с зависимостью, приведенной в описании, определяют такую частоту тепловых импульсов, при которой установившееся значение избыточной температуры в первой точке контроля, расположенной на ближнем расстоянии от линии действия источника тепла, станет равным наперед заданному значению, затем продолжают увеличивать частоту следования тепловых импульсов по указанной первоначально зависимости до тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры во второй точке контроля станет равным наперед заданному значению, и определяют эту частоту следования тепловых импульсов, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам, приведенным в описании. Это способ обеспечивает возможность неразрушающею контроля теплофизических характеристик - теплопроводности и температуропроводности. Однако быстродействие и точность определения теплофизических свойств недостаточны вследствие необходимости проведения сложных подготовительных операций, а также в связи с отсутствием учета того, что реальные объекты испытания имеют конечные размеры. Closest to the proposed technical essence is a method of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials (ed. St. USSR N 1402892, G 01 N 25/18, 1988), which consists in thermal action in the contact plane of the investigated semi-limited body and heat insulator from a linear heat source by pulses constant power, measuring the steady-state excess temperature at different points of the contact plane of the body under investigation and the heat insulator located at fixed distances from the action line of the heat source a, determining the time intervals from the moment of supply of one heat pulse to the times when the temperature at the controlled points becomes equal to its initial value, then the minimum frequency of thermal pulses is set and the frequency of thermal pulses begins to increase in accordance with the dependence given in the description, determine such a frequency of thermal pulses at which the steady-state value of the excess temperature at the first control point located at a short distance from the line of action of the heat source, will become equal to the predetermined value in advance, then continue to increase the frequency of repetition of thermal pulses according to the initially indicated dependence until the steady-state value of the excess temperature at the second control point becomes equal to the predetermined value, and determine this frequency of repetition of thermal pulses, and the desired thermophysical characteristics are determined by the formulas given in the description. This method provides the possibility of non-destructive testing of thermophysical characteristics - thermal conductivity and thermal diffusivity. However, the speed and accuracy of determining the thermophysical properties are insufficient due to the need for complex preparatory operations, and also due to the lack of accounting for the fact that real test objects have finite dimensions.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия и точности определения искомых теплофизических свойств. The technical task of the invention is to increase the speed and accuracy of determination of the desired thermophysical properties.

Это достигается тем, что в способе неразрушающего определения теплофизических свойств материалов на теплоизолированную поверхность объекта испытания воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования, предварительно перед тепловым воздействием измеряют разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, разноотстоящих от линии действия источника на расстояниях r1 и r2, r2 > r1, до тех пор, пока эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины, при этом вторая точка находится на расстоянии от линии действия источника r2 не большем, чем толщина объекта испытания, назначают период подачи тепловых импульсов исходя из соотношения

Figure 00000002

где
Figure 00000003

1 и Fо2 определяются из уравнения
Figure 00000004

где δ - допустимая погрешность определения теплофизических свойств, amax - максимальное значение из диапазона определения температуропроводности, k - целое положительное число большее 5, r1 - расстояние от линии действия источника до ближней точки контроля поверхности объекта измерения,
Figure 00000005
Fо - число Фурье, осуществляют тепловое воздействие импульсами, измеряют после каждого 1-го импульса разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, определяют величины b1i и b0i согласно формулам
Figure 00000006

Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000009

где Tj* - разность температур после каждого j-го импульса, Δτ - период подачи импульсов, k - целое положительное число большее 5, сравнивают величину b1i с b1i-1, испытания заканчивают при выполнении условия b1i < b1i-1 и рассчитывают теплофизические свойства по формулам
Figure 00000010

Figure 00000011
(1)
где α,β - постоянные, определяемые конструктивными и режимными параметрами, применяемого устройства; b0i-1, b1i-1 - коэффициенты, непосредственно определяемые из снятой зависимости разности температур от времени на (i-1)-ом шаге измерения.This is achieved by the fact that in the non-destructive method of determining the thermophysical properties of materials, the thermally insulated surface of the test object is exposed to a line with constant-power heat pulses and a period of repetition, and before the thermal effect, the temperature difference is measured between two points of the surface of the test object that are different from the source action line at distances r 1 and r 2 , r 2 > r 1 , until this temperature difference becomes less than the predetermined value, while the second point and is located at a distance from the line of action of the source r 2 not greater than the thickness of the test object, designate the period of supply of thermal pulses based on the ratio
Figure 00000002

Where
Figure 00000003

Fo 1 and Fo 2 are determined from the equation
Figure 00000004

where δ is the permissible error in the determination of thermophysical properties, a max is the maximum value from the range of thermal diffusivity, k is a positive integer greater than 5, r 1 is the distance from the source line to the near point of control of the surface of the measurement object,
Figure 00000005
Fо is the Fourier number, the thermal action is performed by pulses, after each 1st pulse the temperature difference between two points of the surface of the test object is measured, the quantities b 1i and b 0i are determined according to the formulas
Figure 00000006

Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000009

where T j * is the temperature difference after each j-th pulse, Δτ is the pulse supply period, k is a positive integer greater than 5, compare the value of b 1i with b 1i-1 , the tests are completed under the condition b 1i <b 1i-1 and calculate the thermophysical properties by the formulas
Figure 00000010

Figure 00000011
(1)
where α, β are constants determined by the structural and operational parameters of the device used; b 0i-1 , b 1i-1 - coefficients directly determined from the measured dependence of the temperature difference on time at the (i-1) -th measurement step.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим теоретическим обоснованием. The essence of the proposed method is illustrated by the following theoretical justification.

В случае действия линейного импульсного источника тепла мощность на нагревателе является периодической функцией времени (фиг. 1) и может быть записана в виде

Figure 00000012
(2)
где qо - мощность одного импульса на единицу длины нагревателя, τ0 - длительность одного импульса, Δτ - период следования импульсов.In the case of a linear pulsed heat source, the power on the heater is a periodic function of time (Fig. 1) and can be written as
Figure 00000012
(2)
where q о is the power of one pulse per unit length of the heater, τ 0 is the duration of one pulse, Δτ is the pulse repetition period.

Согласно методу источников формула, определяющая температурное поле в полупространстве от линейного источника тепла с произвольным законом подачи мощности на нагревателе, имеет вид

Figure 00000013

Подставив (2) в (3), предварительно разложив (2) в ряд Фурье, имеем следующее выражение для описания температурного поля системы с линейным нагревателем, действующим на поверхности полуограниченного тела:
Figure 00000014

где
Figure 00000015
- экспоненциальный интеграл.According to the source method, the formula that determines the temperature field in half space from a linear heat source with an arbitrary law of power supply to the heater has the form
Figure 00000013

Substituting (2) in (3), having previously expanded (2) in the Fourier series, we have the following expression for describing the temperature field of a system with a linear heater acting on the surface of a semi-bounded body:
Figure 00000014

Where
Figure 00000015
is the exponential integral.

Сумма

Figure 00000016

стоящая в правой части уравнения (4), представляет собой ограниченную и периодическую функцию времени и при числе импульсов n > 5-7 ею можно пренебречь, отнеся к случайной погрешности измерения температуры. То есть для точки поверхности полуограниченного тела будет справедливо следующее выражение:
Figure 00000017

Так как реальные объекты измерения имеют конечные размеры, то формула (5) будет справедлива только некоторое ограниченное время испытания. С целью фиксирования времени, которое исследуемый объект можно считать полуограниченным, в предлагаемом способе измеряется разность температур между двумя точками его поверхности, причем дальняя точка находится на расстоянии от нагревателя, не большем толщины объекта испытания. Тогда можно записать выражение для этой разности температур
Figure 00000018

где T* - разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, τ - время, r1 - расстояние от линии действия источника тепла до ближней точки контроля,
Figure 00000019
- отношение расстояний между нагревателем и дальней точкой контроля температуры r2 и нагревателем и ближней точкой контроля температуры r1.Amount
Figure 00000016

standing on the right side of equation (4) is a limited and periodic function of time, and for the number of pulses n> 5-7 it can be neglected, referring to the random error of temperature measurement. That is, for the surface point of a semi-bounded body, the following expression will be valid:
Figure 00000017

Since real measurement objects have finite dimensions, formula (5) will only hold for a limited limited test time. In order to fix the time that the test object can be considered semi-limited, the proposed method measures the temperature difference between two points of its surface, and the far point is at a distance from the heater, not more than the thickness of the test object. Then we can write the expression for this temperature difference
Figure 00000018

where T * is the temperature difference between two points of the surface of the test object, τ is time, r 1 is the distance from the action line of the heat source to the nearest control point,
Figure 00000019
- the ratio of the distances between the heater and the far point of temperature control r 2 and the heater and the near point of temperature control r 1 .

Выражение (6) можно переписать в безразмерной форме

Figure 00000020

где
Figure 00000021
- число Фурье (безразмерное время)
Figure 00000022

Характерной особенностью функции Θ*(s,Fo) является то, что для любого заданного значения s > 1 на графике Θ*= Θ*(s,Fo) будет наблюдаться точка перегиба (фиг. 2), соответствующая значению Fо*:
Figure 00000023

которое получено из решения уравнения
Figure 00000024

Касательная к точке Θ*(s,Fo*) кривой Θ*(s,Fo) имеет вид (фиг.2)
Θ*(s,Fo) = p(s)(ln[Fo]+h(s)), (10)
где
Figure 00000025

На фиг. 3 представлена зависимость p=p(s), а на фиг. 4 - зависимость h= b(s). Точка перегиба будет соответствовать максимуму кривой
Figure 00000026

и будет соответствовать значению
Figure 00000027

Так как дальняя точка поверхности, относительно которой измеряется температура ближней точки поверхности объекта испытания, связана с его толщиной, то для точек экспериментальной кривой, расположенных правее Fо* (Fо > Fо*) начнут сказываться граничные условия у поверхности объекта испытания противоположенной поверхности, на которую оказывается тепловое воздействие, и в уравнение (7) необходимо вводить дополнительный член, который будет тем больше, чем правее относительно Fо* находится точка экспериментальной кривой (чем больше величина (Fо - Fо*)). Так как способ предполагает неразрушающее определение теплофизических свойств, то учет этих граничных условий в явном виде затруднителен.Expression (6) can be rewritten in dimensionless form
Figure 00000020

Where
Figure 00000021
- Fourier number (dimensionless time)
Figure 00000022

A characteristic feature of the function Θ * (s, Fo) is that for any given value s> 1 on the graph Θ * = Θ * (s, Fo) there will be an inflection point (Fig. 2) corresponding to the value of Fо * :
Figure 00000023

which is obtained from the solution of the equation
Figure 00000024

The tangent to the point Θ * (s, Fo * ) of the curve Θ * (s, Fo) has the form (Fig. 2)
Θ * (s, Fo) = p (s) (ln [Fo] + h (s)), (10)
Where
Figure 00000025

In FIG. 3 shows the dependence p = p (s), and in FIG. 4 - dependence h = b (s). The inflection point will correspond to the maximum of the curve
Figure 00000026

and will match the value
Figure 00000027

Since the far point of the surface, relative to which the temperature of the near point of the surface of the test object is measured, is related to its thickness, then for the points of the experimental curve located to the right of Fо * (Fо> Fо * ) the boundary conditions at the surface of the test object of the opposite surface, thermal effect occurs, and it is necessary to introduce an additional term in Eq. (7), which will be the greater, the more the point of the experimental curve is located to the right of Fo * (the larger the value ( Fo - Fo * )). Since the method involves a non-destructive determination of thermophysical properties, it is difficult to explicitly take into account these boundary conditions.

С учетом вышеизложенного, а также с учетом того, что разность температур измеряется с определенной случайной погрешностью, в которую также входит и отбрасываемая сумма ряда выражения (4), на экспериментально снятой термограмме в координатах T*= T*(ln[τ]) можно выделить прямолинейный (рабочий) участок, соответствующий уравнению

Figure 00000028

Данное уравнение можно записать в двух формах
Figure 00000029

и
Figure 00000030

где z = ln[τ] - новая переменная, α и β - постоянные, определяемые режимными и конструктивными особенностями устройства, реализующего способ:
Figure 00000031

β = h(s)-2ln[r1], (16)
b1 и b0 - величины, непосредственно определяемые из экспериментально снятых термограмм:
Figure 00000032

Figure 00000033

λ,a - искомые теплофизические свойства.Taking into account the foregoing, and also taking into account the fact that the temperature difference is measured with a certain random error, which also includes the discarded sum of a series of expression (4), on the experimentally recorded thermogram in the coordinates T * = T * (ln [τ]) select the rectilinear (working) section corresponding to the equation
Figure 00000028

This equation can be written in two forms
Figure 00000029

and
Figure 00000030

where z = ln [τ] is a new variable, α and β are constants determined by the regime and design features of a device that implements the method:
Figure 00000031

β = h (s) -2ln [r 1 ], (16)
b 1 and b 0 - values directly determined from experimentally captured thermograms:
Figure 00000032

Figure 00000033

λ, a are the desired thermophysical properties.

Тогда выражение для определения теплофизических свойств исследуемых материалов будут иметь вид

Figure 00000034

Figure 00000035

Для определения рабочих участков экспериментально снимаемых термограмм в предлагаемом способе использовали следующее:
1. свойства функции (7), согласно которым на термограммах в координатах T*(ln[τ]) рабочим участкам соответствуют прямолинейные отрезки;
2. качественную информацию, полученную при анализе выражения (7), на основе которого было получено расчетное соотношение (12). Рабочему участку термограммы будет соответствовать вершина кривой
Figure 00000036

3. необходимость статистической обработки результатов эксперимента, так как разность температур в эксперименте снимается в дискретных точках с определенной случайной погрешностью.Then the expression for determining the thermophysical properties of the studied materials will have the form
Figure 00000034

Figure 00000035

To determine the working areas of experimentally removed thermograms in the proposed method used the following:
1. properties of function (7), according to which on the thermograms in the coordinates T * (ln [τ]) the straight sections correspond to the working sections;
2. qualitative information obtained in the analysis of expression (7), on the basis of which the calculated relation (12) was obtained. The top of the curve will correspond to the working portion of the thermogram
Figure 00000036

3. the need for statistical processing of the experimental results, since the temperature difference in the experiment is removed at discrete points with a certain random error.

Считая, что не менее k точек принадлежат рабочему участку термограммы, а всего на термограмме n точек, рассматриваем последовательно отрезки термограмм с номерами точек 1...k, 2...k+1,..., n-k...n. Обозначаем каждый из отрезков индексом i (i=k...n). Для каждого из этих отрезков построим уравнения линейных зависимостей

Figure 00000037
i-k, k+1,..., n (21)
на основе следующих формул:
Figure 00000038

Figure 00000039

Figure 00000040

Figure 00000041

где Tj* - значение разности температур, полученное в результате эксперимента в точке с номером j для i-го отрезка, b0i, b1i - оценка коэффициентов α0i, α1i уравнения (21),
Figure 00000042
- температура, рассчитываемая по уравнению (21), z = ln[τ].
На графике зависимости b1i от
Figure 00000043
будет наблюдаться вершина, соответствующая рабочему участку термограммы. С целью уменьшения времени эксперимента в предлагаемом методе на каждом шаге измерения вычисляют b1i которое сравнивается с b1i-1. Испытания заканчивают, когда b1i< b1i-1, то есть тогда, когда b1i начнет уменьшаться. Для того, чтобы гарантировать определение теплофизических свойств с заданной точностью, в предлагаемом способе назначают период подачи импульсов исходя из следующего. Для определения теплопроводности используется коэффициент b1, непосредственно определяемый из термограммы, который представляет собой величину, прямо пропорциональную значению p(s), которое в свою очередь есть максимум кривой
Figure 00000044

соответствующее значению Fо*. Поэтому для точек, лежащих правее и левее Fо*, погрешность будет иметь вид
Figure 00000045

Решив это уравнение относительно Fо, получим два значения - Fо1, лежащее левее Fо*, и Fо2, лежащее правее Fо*. На основе Fо1 и Fо2 назначается частота подачи импульсов
Figure 00000046

Figure 00000047

Figure 00000048

где δ- погрешность определения теплофизических свойств, amax - максимальное значение из диапазона определения температуропроводности, k - целое положительное число большее 5, r1 - расстояние от линии действия источника до ближней точки контроля поверхности объекта измерения.Assuming that at least k points belong to the working section of the thermogram, and in total there are n points on the thermogram, we consider sequentially segments of thermograms with the numbers of points 1 ... k, 2 ... k + 1, ..., nk ... n. Denote each of the segments by the index i (i = k ... n). For each of these segments we construct the equations of linear dependencies
Figure 00000037
ik, k + 1, ..., n (21)
based on the following formulas:
Figure 00000038

Figure 00000039

Figure 00000040

Figure 00000041

where T j * is the value of the temperature difference obtained as a result of the experiment at the point with number j for the ith segment, b 0i , b 1i is the estimate of the coefficients α 0i, α 1i of equation (21),
Figure 00000042
is the temperature calculated by equation (21), z = ln [τ].
In the graph of the dependence of b 1i on
Figure 00000043
a vertex corresponding to the working portion of the thermogram will be observed. In order to reduce the experiment time in the proposed method, at each measurement step, b 1i is calculated which is compared with b 1i-1 . Tests end when b 1i <b 1i-1 , that is, when b 1i begins to decrease. In order to guarantee the determination of thermophysical properties with a given accuracy, in the proposed method, a pulse supply period is assigned based on the following. To determine the thermal conductivity, we use the coefficient b 1 directly determined from the thermogram, which is a value directly proportional to the value of p (s), which in turn is the maximum of the curve
Figure 00000044

corresponding to the value of Fo * . Therefore, for points to the right and left of Fo * , the error will have the form
Figure 00000045

Solving this equation with respect to Fo, we obtain two values - Fo 1 lying to the left of Fo * , and Fo 2 lying to the right of Fo * . Based on Fo 1 and Fo 2, the pulse frequency is assigned
Figure 00000046

Figure 00000047

Figure 00000048

where δ is the error in determining the thermophysical properties, a max is the maximum value from the range of thermal diffusivity, k is a positive integer greater than 5, r 1 is the distance from the source line to the near point of control of the surface of the measurement object.

Так как для определения коэффициента b1 используются точки, лежащие между τ1 и τ2,/ то реальная погрешность определения теплофизических свойств будет меньше величины δ, стоящей в правой части уравнения (26).Since the points lying between τ 1 and τ 2 are used to determine the coefficient b 1 , / the real error in determining the thermophysical properties will be less than the value δ on the right side of equation (26).

Осуществление способа иллюстрируется схемой, представленной на фиг. 6. При осуществлении способа используют исследуемый образец 1, который в реальных условиях может представлять собой готовое изделие. На свободной поверхности образца помещают линейный нагреватель 2 и датчик 3, измеряющий разность температур между двумя точками поверхности образца, расположенных на расстоянии r1 и r2 от нагревателя, так, чтобы выполнялось следующее условие:
Hн < r2,
где r2 - расстояние от нагревателя до дальней точки контроля, Hн - толщина образца (изделия).
The implementation of the method is illustrated in the diagram shown in FIG. 6. When implementing the method using the test sample 1, which in real conditions can be a finished product. A linear heater 2 and a sensor 3 are placed on the free surface of the sample, which measures the temperature difference between two points of the surface of the sample located at a distance r 1 and r 2 from the heater, so that the following condition is met:
H n <r 2 ,
where r 2 is the distance from the heater to the furthest point of control, H n is the thickness of the sample (product).

При подготовке к испытаниям создают тепловой контакт между нагревателем и образцом, а также между датчиком и образцом. Осуществляют контроль за процессом термостатирования с помощью измерительно-вычиcлительного устройства (ИВУ) 4. Когда величина разности температур T* станет меньше наперед заданного значения, определяемого точностью измерения температуры, ИВУ подает на нагреватель с помощью стабилизированного источника питания 5 электрический ток импульсами постоянной мощности и длительности с частотой Δτ, определяемой из выражения (27). Одновременно с подачей электрического тока после каждого импульса производят измерение разности температур Т*.In preparation for testing, a thermal contact is created between the heater and the sample, as well as between the sensor and the sample. The temperature control process is monitored using a measuring and computing device (IVU) 4. When the temperature difference T * becomes less than the predetermined value determined by the accuracy of temperature measurement, the IVU supplies an electric current with pulses of constant power and duration to the heater using a stabilized power source 5 with a frequency Δτ determined from expression (27). Simultaneously with the supply of electric current after each pulse, a temperature difference T * is measured.

На каждом i-ом шаге определяют значение коэффициента b1i согласно формуле (22) и сравнивают его со значением b1i-1 на (i-1)-ом шаге измерения. Испытания заканчивают на i-ом шаге при выполнении условия b1i < b1i-1. Теплофизические свойства определяют по формулам (1) в соответствии с изложенной выше методикой.At each i-th step, the value of the coefficient b 1i is determined according to formula (22) and compared with the value of b 1i-1 at the (i-1) -th measurement step. The tests are completed at the i-th step under the condition b 1i <b 1i-1 . Thermophysical properties are determined by formulas (1) in accordance with the above methodology.

С целью проверки способа проводили измерения на образцах из полиметилметакрилата (ПММА) и рипора с известными теплофизическими свойствами, а также образцах из фторопласта-4 и капролона-В, теплопроводность которых определялась на теплофизическом приборе ИТ-3 стационарным методом. В таблице представлены результаты определения теплофизических свойств перечисленных выше материалов. Испытания показали согласованность полученных значений теплопроводности и температуропроводности с известными и определенными стационарным методом. In order to verify the method, measurements were carried out on samples of polymethyl methacrylate (PMMA) and ripor with known thermophysical properties, as well as samples of fluoroplast-4 and caprolon-B, the thermal conductivity of which was determined on an IT-3 thermophysical instrument by the stationary method. The table shows the results of determining the thermophysical properties of the above materials. Tests showed the consistency of the obtained values of thermal conductivity and thermal diffusivity with the known and determined stationary method.

Предлагаемый способ позволяет снизить систематическую погрешность измерения теплофизических свойств материалов за счет контроля за ходом термостатирования по разности температур между двумя точками поверхности исследуемого образца (изделия). Так как разность температур между двумя точками поверхности образца фиксируется в течение всего времени испытания, снижается влияние систематической погрешности, связанной с тем, что не все время испытания образец можно считать полуограниченным. Контроль за величиной параметра b1 в процессе испытания позволяет снизить время эксперимента. Так как в предлагаемом способе используются не отдельные точки термограммы, а ее участок, то уменьшается случайная составляющая погрешности определения теплофизических свойств исследуемого материала. В случае исследования теплофизических свойств дисперсных материалов согласно предлагаемому способу определяются их среднеинтегральные значения, что также повышает точность определения теплофизических свойств.The proposed method allows to reduce the systematic error of measuring the thermophysical properties of materials by monitoring the progress of temperature control by the temperature difference between two points on the surface of the test sample (product). Since the temperature difference between two points of the surface of the sample is fixed during the entire time of the test, the influence of the systematic error due to the fact that not all the time of the test the sample can be considered semi-limited decreases. Monitoring the value of parameter b 1 during the test reduces the time of the experiment. Since the proposed method uses not individual points of the thermogram, but its portion, the random component of the error in determining the thermophysical properties of the material under study decreases. In the case of studying the thermophysical properties of dispersed materials according to the proposed method, their average integral values are determined, which also increases the accuracy of determining the thermophysical properties.

Claims (1)

Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов, состоящий в том, что на теплоизолированную поверхность объекта испытания воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования, отличающийся тем, что предварительно перед тепловым воздействием измеряют разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, разноотстоящих от линии действия источника на расстояниях r1 и r2, r2 > r1, до тех пор, пока эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины, при этом вторая точка находится на расстоянии от линии действия источника r2 не большем, чем толщина объекта испытания, назначают период подачи тепловых импульсов исходя из соотношения
Figure 00000049

где
Figure 00000050

а Fo1 и Fo2 определяются из уравнения
Figure 00000051

где δ - допустимая погрешность определения теплофизических свойств, аmax - максимальное значение из диапазона определения температуропроводности, k - целое положительное число большее 5, r1 - расстояние от линии действия источника до ближней точки контроля поверхности объекта измерения,
Figure 00000052
Fo - число Фурье, осуществляют тепловое воздействие импульсами, измеряют после каждого i-го импульса разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, определяют величины b1i и b0i согласно формулам
Figure 00000053

Figure 00000054

Figure 00000055

Figure 00000056

где Т*j - разность температур после каждого j импульса;
Δτ - период подачи импульсов;
k - целое положительное число,
сравнивают величину b1i с b1i-1, испытания заканчивают при выполнении условия b1i < b1i-1 и рассчитывают теплофизические свойства по формулам
Figure 00000057

Figure 00000058

где α, β - постоянные, определяемые конструктивными и режимными параметрами, применяемого устройства;
b0 i-1, b1 i-1 - коэффициенты, непосредственно определяемые из снятой зависимости разности температур от времени на i-1 шаге измерения.
A non-destructive method for determining the thermophysical properties of materials, which consists in the fact that the heat-insulated surface of the test object is affected by a line with constant-power heat pulses and a repetition period, characterized in that the temperature difference between two points of the test object’s surface that are different from the action line is measured first source at distances r 1 and r 2 , r 2 > r 1 , until this temperature difference becomes less than a predetermined value, at the second point is located at a distance from the line of action of the source r 2 not greater than the thickness of the test object, the period of supply of thermal pulses is assigned based on the ratio
Figure 00000049

Where
Figure 00000050

and Fo 1 and Fo 2 are determined from the equation
Figure 00000051

where δ is the permissible error in determining the thermophysical properties, and max is the maximum value from the range of thermal diffusivity, k is a positive integer greater than 5, r 1 is the distance from the source line to the near point of control of the surface of the measurement object,
Figure 00000052
Fo is the Fourier number, a thermal effect is performed by pulses, after each i-th pulse, the temperature difference between two points of the surface of the test object is measured, the quantities b 1i and b 0i are determined according to the formulas
Figure 00000053

Figure 00000054

Figure 00000055

Figure 00000056

where T * j is the temperature difference after each j pulse;
Δτ is the pulse supply period;
k is a positive integer
compare the value of b 1i with b 1i-1 , the tests are completed when the condition b 1i <b 1i-1 is fulfilled and the thermophysical properties are calculated by the formulas
Figure 00000057

Figure 00000058

where α, β are constants determined by the structural and operational parameters of the device used;
b 0 i-1 , b 1 i-1 - coefficients directly determined from the measured dependence of the temperature difference on time at the i-1 measurement step.
RU99104568/28A 1999-03-03 1999-03-03 Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials RU2161301C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99104568/28A RU2161301C2 (en) 1999-03-03 1999-03-03 Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99104568/28A RU2161301C2 (en) 1999-03-03 1999-03-03 Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2161301C2 true RU2161301C2 (en) 2000-12-27

Family

ID=20216788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99104568/28A RU2161301C2 (en) 1999-03-03 1999-03-03 Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2161301C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2287152C1 (en) * 2005-05-11 2006-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) Method for non-destructive detection of thermo-physical properties of solid materials
RU2460063C1 (en) * 2011-04-13 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Method of determining heat conductivity and temperature conductivity of solid-state body in nonsteady thermal conditions
RU2502989C1 (en) * 2012-07-12 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Method to determine temperature conductivity of solid body under transient thermal mode

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3533274A (en) * 1966-03-21 1970-10-13 Peter Harold Howard Bishop Apparatus and method for determining thermal conductivity
RU2011977C1 (en) * 1991-07-23 1994-04-30 Чернышов Владимир Николаевич Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3533274A (en) * 1966-03-21 1970-10-13 Peter Harold Howard Bishop Apparatus and method for determining thermal conductivity
RU2011977C1 (en) * 1991-07-23 1994-04-30 Чернышов Владимир Николаевич Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2287152C1 (en) * 2005-05-11 2006-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) Method for non-destructive detection of thermo-physical properties of solid materials
RU2460063C1 (en) * 2011-04-13 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Method of determining heat conductivity and temperature conductivity of solid-state body in nonsteady thermal conditions
RU2502989C1 (en) * 2012-07-12 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Method to determine temperature conductivity of solid body under transient thermal mode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4861167A (en) Line-heat-source thermal conductivity measuring system
WO2011065877A1 (en) Measurement of thermal properties
RU2161301C2 (en) Method of non-destructive determination of thermal physical properties of materials
RU2018117C1 (en) Method of complex determining of thermophysical properties of materials
RU2084879C1 (en) Nondestructive test of thermophysical characteristics of materials
RU2178166C2 (en) Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials
RU2284030C2 (en) Method for evaluating group of solid-material thermal properties
JP6018630B2 (en) Apparatus and method for determining effective depth of case hardening or nitriding of steel members, particularly gears
RU93018749A (en) METHOD OF NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS
RU2149387C1 (en) Method of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials
Sun Method for determining defect depth using thermal imaging
RU2303777C2 (en) Method of determining thermophysical properties of solids
RU2243543C1 (en) Method for comprehensive evaluation of material thermal characteristics
CN109470772B (en) A non-destructive measurement method for the intensity and location of an internal heat source based on ultrasound
RU2263306C1 (en) Method of identifying set of thermal-physical characteristics of solid materials
RU2149388C1 (en) Method testing thermophysical characteristics of materials
RU2184952C2 (en) Process of non-destructive inspection of thermophysical characteristics of materials
RU2328724C1 (en) Method for identification of solid materials thermal properties complex
RU2324164C1 (en) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
RU2324166C1 (en) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
SU1163232A1 (en) Method of determining thermal diffusivity of material
SU855464A1 (en) Method of determination of solid body thermal conductivity
DE10206275B4 (en) Method for measuring the thermal diffusivity
RU2255329C1 (en) Method of measuring thermo-physical properties of materials
RU2167412C2 (en) Method of complex determination of thermophysical properties of materials