[go: up one dir, main page]

RU2161301C2 - Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов - Google Patents

Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов 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
English (en)
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/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2161301C2 publication Critical patent/RU2161301C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области технической физики. На теплоизолированную поверхность объекта испытания воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования. Перед тепловым воздействием измеряют разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, разноотстоящими от линии действия источника. Назначают период подачи тепловых импульсов Δτ по заранее определенному соотношению. Осуществляют тепловое воздействие импульсами, измеряют после каждого i-го импульса разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, на каждом i-ом шаге измерения определяют величину рассчитываемого наперед динамического параметра, сравнивают величину динамического параметра на i-ом шаге измерения со значением параметра на (i-1)-ом шаге измерения. Испытания заканчивают, когда значение динамического параметра на i-ом шаге измерения станет меньше значения динамического параметра на (i-1)-ом шаге измерения, и затем расчитывают теплофизические свойства по определенным формулам. Технический результат - повышение быстродействия и точности определения искомых теплофизических свойств. 6 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики, а именно к области определения теплофизических свойств материалов.
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.
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.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия и точности определения искомых теплофизических свойств.
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.
Сущность предлагаемого способа поясняется следующим теоретическим обоснованием.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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*.
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.
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.
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.

Claims (1)

  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.
RU99104568/28A 1999-03-03 1999-03-03 Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов RU2161301C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99104568/28A RU2161301C2 (ru) 1999-03-03 1999-03-03 Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99104568/28A RU2161301C2 (ru) 1999-03-03 1999-03-03 Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов

Publications (1)

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

Family

ID=20216788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99104568/28A RU2161301C2 (ru) 1999-03-03 1999-03-03 Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2161301C2 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2287152C1 (ru) * 2005-05-11 2006-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) Способ неразрушающего определения теплофизических свойств твердых материалов
RU2460063C1 (ru) * 2011-04-13 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме
RU2502989C1 (ru) * 2012-07-12 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме

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 (ru) * 1991-07-23 1994-04-30 Чернышов Владимир Николаевич Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

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 (ru) * 1991-07-23 1994-04-30 Чернышов Владимир Николаевич Способ бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2287152C1 (ru) * 2005-05-11 2006-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) Способ неразрушающего определения теплофизических свойств твердых материалов
RU2460063C1 (ru) * 2011-04-13 2012-08-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Способ определения теплопроводности и температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме
RU2502989C1 (ru) * 2012-07-12 2013-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4861167A (en) Line-heat-source thermal conductivity measuring system
WO2011065877A1 (en) Measurement of thermal properties
RU2161301C2 (ru) Способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов
RU2018117C1 (ru) Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов
RU2084879C1 (ru) Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов
RU2178166C2 (ru) Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых и дисперсных материалов
RU2284030C2 (ru) Способ определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов
JP6018630B2 (ja) 鋼部材、特に歯車の肌焼又は窒化の有効深さを求める装置及び方法
RU93018749A (ru) Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов
RU2149387C1 (ru) Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов
Sun Method for determining defect depth using thermal imaging
RU2303777C2 (ru) Способ идентификации комплекса теплофизических свойств твердых материалов
RU2243543C1 (ru) Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов
CN109470772B (zh) 一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法
RU2263306C1 (ru) Способ идентификации комплекса теплофизических характеристик твердых материалов
RU2149388C1 (ru) Способ контроля теплофизических характеристик материалов
RU2184952C2 (ru) Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов
RU2328724C1 (ru) Способ идентификации комплекса теплофизических свойств твердых материалов
RU2324164C1 (ru) Способ идентификации комплекса теплофизических свойств твердых материалов
RU2324166C1 (ru) Способ идентификации комплекса теплофизических свойств твердых материалов
SU1163232A1 (ru) Способ определени коэффициента температуропроводности материалов
SU855464A1 (ru) Способ определени коэффициента температуропроводности твердых тел
DE10206275B4 (de) Verfahren zur Messung der Temperaturleitfähigkeit
RU2167412C2 (ru) Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов
SU1201742A1 (ru) Способ неразрушающего контрол теплофизических характеристик материалов и устройство дл его осуществлени