RU2224245C2 - Method of determination of thermophysical characteristics of materials - Google Patents
Method of determination of thermophysical characteristics of materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2224245C2 RU2224245C2 RU2002108341/28A RU2002108341A RU2224245C2 RU 2224245 C2 RU2224245 C2 RU 2224245C2 RU 2002108341/28 A RU2002108341/28 A RU 2002108341/28A RU 2002108341 A RU2002108341 A RU 2002108341A RU 2224245 C2 RU2224245 C2 RU 2224245C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- thermal
- scanner
- specimen
- temperature
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплофизике, в частности к технике измерения таких параметров, как коэффициенты температуропроводности и теплопроводности различных материалов. Разработанный способ может быть использован в энергетике, металлургии, горном деле, машиностроении. The invention relates to thermal physics, in particular to a technique for measuring parameters such as thermal diffusivity and thermal conductivity of various materials. The developed method can be used in energy, metallurgy, mining, engineering.
Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, который заключается в воздействии на поверхность испытуемого материала импульсным источником теплоты и фиксацией изменения температуры точечным регистратором температуры, находящимся на некотором расстоянии от места теплового воздействия (см. авт. св. СССР 1636752, кл. G 01 N 25/18, 1988). There is a method of determining the thermophysical characteristics of materials, which consists in exposing the surface of the test material to a pulsed heat source and fixing the temperature change with a point temperature recorder located at a certain distance from the place of heat exposure (see ed. St. USSR 1636752, class G 01 N 25 / 18, 1988).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в данном способе используется контактное измерение температуры с помощью термопары, фиксируемой в отдельной точке изделия. Крепление термопар к ряду диэлектриков, например полимерам, затруднено. Малая чувствительность термопар приводит к тому, что к образцу необходимо подводить большие мощности и учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Кроме того, локальное измерение температуры не позволяет оценить особенности распространения теплового потока в анизотропном материале. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method include the fact that this method uses contact temperature measurement using a thermocouple fixed at a separate point of the product. Attaching thermocouples to a series of dielectrics, such as polymers, is difficult. The low sensitivity of thermocouples leads to the fact that it is necessary to supply large powers to the sample and take into account the heat transfer between the thermocouple and the sample. In addition, local temperature measurement does not allow one to evaluate the features of the heat flux propagation in an anisotropic material.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является принятый за прототип способ тепловых измерений на изделии, заключающийся в том, что на образец воздействуют тепловым потоком в течение заданного времени эксплуатации изделия или его испытания, и при этом измерение температуры производится путем использования термоиндикаторов, нанесенных на поверхность образца в отдельных произвольных точках (см. патент РФ 2003085, кл. G 01 N 25/18, 1991). The closest method of the same purpose to the claimed invention is the prototype method of thermal measurements on the product, which consists in the fact that the sample is exposed to a heat flux for a given time of operation of the product or its testing, and the temperature is measured using thermal indicators applied on the surface of the sample at separate arbitrary points (see RF patent 2003085, CL G 01 N 25/18, 1991).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в данном способе затруднен надежный контакт термоиндикаторов с электроизоляционными и теплоизоляционными материалами в различных точках поверхности. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method adopted for the prototype include the fact that in this method reliable contact of thermal indicators with electrical and thermal insulation materials at various points on the surface is difficult.
Термопары и термоиндикаторы являются инерционными датчиками, изменяющими характер протекания тепловых потоков, увеличивающими теплоотвод в местах крепления. Применение методов, описанных выше, вызывает трудности при испытаниях диэлектрических электроизоляционных материалов, характеризующихся малыми значениями коэффициентов температуропроводности и теплопроводности. Локальное использование термопар и термоиндикаторов не позволяет в полной мере оценить анизотропные свойства материала. Thermocouples and thermal indicators are inertial sensors that change the nature of the flow of heat fluxes, increase the heat sink in the attachment points. The application of the methods described above causes difficulties in testing dielectric insulating materials, characterized by small values of the coefficients of thermal diffusivity and thermal conductivity. Local use of thermocouples and thermal indicators does not allow to fully evaluate the anisotropic properties of the material.
В отдельных случаях измерение температуры производится дистанционным методом с применением фотоэлектрических преобразователей (фотодиоды, фоторезисторы и т.п.), например в составе пирометров. Этот бесконтактный способ регистрации температуры также имеет существенный недостаток, обусловленный тем, что пирометры, в частности, из-за их апертурных характеристик, например поля зрения, определяют усредненную температуру значительной поверхности изделия, фиксируя температуру не локальной точки, а протяженной области. In some cases, the temperature is measured remotely using photoelectric converters (photodiodes, photoresistors, etc.), for example, as part of pyrometers. This non-contact temperature recording method also has a significant drawback due to the fact that pyrometers, in particular, due to their aperture characteristics, for example, the field of view, determine the average temperature of a significant surface of the product, fixing the temperature not of a local point, but of an extended region.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по повышению точности и чувствительности методов тепловых измерений, расширению класса исследуемых объектов при измерениях коэффициентов температуропроводности и теплопроводности. The claimed invention is aimed at solving the problem of improving the accuracy and sensitivity of thermal measurement methods, expanding the class of objects under study when measuring the coefficients of thermal diffusivity and thermal conductivity.
Поставленная цель достигается тем, что после воздействия импульсного теплового потока на образец (тепловой удар) изменение температуры поверхности со временем измеряется с помощью тепловизора - прибора, регистрирующего излучение от объекта и определяющего температуру одновременно во всех точках поверхности в режиме реального времени. В процессе испытаний производится непрерывный контроль температуры в любой точке поверхности по мере продвижения теплового фронта от области нагрева. This goal is achieved by the fact that after the impact of a pulsed heat flux on the sample (heat stroke), the surface temperature change over time is measured using a thermal imager - a device that records radiation from the object and determines the temperature simultaneously at all points on the surface in real time. During the tests, the temperature is continuously monitored at any point on the surface as the heat front moves from the heating region.
Для детализации оценки анизотропных свойств материала или образца, фиксации неоднородности распространения теплового потока в различных направлениях предусмотрено применение зеркального отражателя излучения, с помощью которого можно следить за изменением температуры задней поверхности объекта. To detail the assessment of the anisotropic properties of the material or sample, to fix the heterogeneity of the heat flux in different directions, it is possible to use a mirror radiation reflector, with which you can monitor the temperature change of the rear surface of the object.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается непрерывным измерением температуры с помощью тепловизора во всех точках поверхности в отсутствие присоединенных внешних устройств (в виде термопар, термоиндикаторов) при прохождении теплового фронта по образцу во всех направлениях в зависимости от свойств образца. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by continuous temperature measurement using a thermal imager at all points of the surface in the absence of connected external devices (in the form of thermocouples, thermal indicators) when the heat front passes through the sample in all directions depending on the properties of the sample.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено взаимное расположение испытуемого материала и тепловизионного приемника излучения. The invention is illustrated by the drawing, which shows the relative position of the test material and the thermal imaging radiation detector.
Позиции на чертеже: образец (изделие) - 1; источник нагрева - 2; отражающее зеркало - 3; сканер тепловизора - 4; ЭВМ - 5; теплограмма - 6. Positions in the drawing: sample (product) - 1; heat source - 2; reflecting mirror - 3; thermal imager scanner - 4; Computers - 5; the thermogram is 6.
В том случае, когда сканер 4 тепловизора (приемник излучения) направлен на переднюю поверхность объекта (например, в форме параллелепипеда), то на сканер будет попадать инфракрасное излучение только от передней грани, и на теплограмме будет видно тепловое изображение передней поверхности параллелепипеда, находящейся в поле зрения сканера тепловизора. Если же за объектом установить зеркало, например, как указано на чертеже, то, выбирая наклон зеркала и расстояние от зеркала до образца (изделия), можно добиться того, что на теплограмме будет представлено тепловое изображение передней грани - ближайшей к сканеру поверхности образца за счет непосредственной регистрации инфракрасного излучения сканером, а также тепловое изображение противоположной - задней поверхности образца, с помощью зеркального отражателя, расположенного под углом к оси сканера. In the case when the scanner 4 of the thermal imager (radiation receiver) is directed to the front surface of the object (for example, in the form of a parallelepiped), then infrared radiation will come from the scanner only from the front face, and the thermal image will show a thermal image of the front surface of the parallelepiped located in field of view of a thermal imager scanner. If you install a mirror behind the object, for example, as indicated in the drawing, then by choosing the mirror tilt and the distance from the mirror to the sample (product), you can ensure that the thermal image displays a thermal image of the front face - the sample surface closest to the scanner due to direct registration of infrared radiation by the scanner, as well as a thermal image of the opposite - the back surface of the sample, using a mirror reflector located at an angle to the axis of the scanner.
Из представленного чертежа видно, что в данном случае на теплограмме тепловое изображение задней поверхности будет расположено выше, чем тепловое изображение передней поверхности. From the presented drawing it can be seen that in this case, the thermal image of the back surface will be located higher than the thermal image of the front surface.
В образце (изделии) 1 с помощью источника нагрева 2 на торце образца создается тепловой поток, направленный по оси X. В зависимости от задачи испытаний тепловой поток может быть импульсный, гармонический или постоянный. По мере распространения теплового потока по оси Х изменяется интенсивность теплового излучения, исходящего от поверхностей образца (изделия). Сканер тепловизора 4 регистрирует инфракрасное излучение как от передней поверхности, ближайшей к сканеру, так и от противоположной (задней) поверхности с помощью отражающего зеркала 3, расположенного под углом к оси сканера. Видеосигнал от сканера тепловизора 4 поступает в ЭВМ 5 для хранения информации и ее дальнейшей обработки. Тепловизионное изображение представляется в виде цветной (или черно-белой) теплограммы объекта 6, цветовая гамма (или оттенки серого цвета) которой соответствует определенным значениям температуры любой точки поверхности образца (изделия) 1 в фиксированный момент времени. С помощью ЭВМ 5 значение температуры каждой точки теплограммы поверхности может быть оценено с точностью до 0,1oС. Таким образом, на теплограмме 6 присутствуют одновременно тепловые изображения нескольких поверхностей образца (изделия).In the sample (product) 1 using a heat source 2, a heat flux directed along the X axis is created at the end of the sample. Depending on the test task, the heat flux can be pulsed, harmonic or constant. As the heat flux propagates along the X axis, the intensity of thermal radiation emanating from the surfaces of the sample (product) changes. The scanner of the thermal imager 4 registers infrared radiation both from the front surface closest to the scanner and from the opposite (rear) surface using a reflecting mirror 3 located at an angle to the axis of the scanner. The video signal from the scanner of the thermal imager 4 enters the computer 5 for storing information and its further processing. The thermal image is presented in the form of a color (or black and white) thermogram of object 6, the color gamut (or shades of gray) of which corresponds to certain values of the temperature of any point on the surface of the sample (product) 1 at a fixed point in time. Using computer 5, the temperature value of each point of the surface heatgram can be estimated with an accuracy of 0.1 o C. Thus, thermal image 6 simultaneously contains thermal images of several surfaces of the sample (product).
Поскольку сканер тепловизора 4 воспринимает излучение от каждого отдельного объекта, не суммируя его, тепловые изображения различных граней анализируются независимо. Since the scanner of the thermal imager 4 receives radiation from each individual object, without summing it, thermal images of various faces are analyzed independently.
Перемещая зеркало и изменяя его наклон относительно образца в пределах 40-45o (от оптической оси сканера), в зависимости от оптической системы используемого тепловизора, можно добиться того, что тепловые изображения передней и задней граней находятся рядом друг с другом для сравнения распределения температуры по поверхности и дальнейшего анализа. Путем обработки теплограммы на ЭВМ можно рассчитать температуру любой точки поверхности передней или задней грани на момент времени регистрации данной теплограммы.By moving the mirror and changing its inclination relative to the sample within 40-45 o (from the optical axis of the scanner), depending on the optical system of the thermal imager used, it is possible to ensure that the thermal images of the front and rear faces are next to each other to compare the temperature distribution over surface and further analysis. By processing the thermogram on a computer, you can calculate the temperature of any point on the surface of the front or back face at the time of registration of this thermogram.
Способ определения теплофизических характеристик осуществляется следующим образом. По мере распространения теплового потока от нагревателя на теплограмме происходит одновременная фиксация тепловых изображений как передней, так и задней граней. В процессе испытаний происходит последовательная фиксация распространения теплового потока на теплограммах, информация о которых сохраняется в памяти ЭВМ. The method of determining thermophysical characteristics is as follows. As the heat flux from the heater spreads on the thermogram, the thermal images of both the front and back faces are simultaneously fixed. In the process of testing, sequential fixation of the distribution of the heat flux in the thermograms takes place, information about which is stored in the computer memory.
В результате испытаний после обработки теплограмм можно получить распределение температуры по поверхности образца с учетом времени, прошедшего от момента теплового воздействия. As a result of tests after processing the thermograms, it is possible to obtain the temperature distribution over the surface of the sample, taking into account the time elapsed from the moment of thermal exposure.
Одним из возможных способов определения теплофизических характеристик материалов на основе заявляемого метода является создание условий теплового режима постоянной температуры (тепловой удар), при котором температура торца, подвергаемого нагреву, "мгновенно" возрастает и остается постоянной с момента времени t= 0. После этого импульсного теплового воздействия фронт тепловой волны распространяется от места воздействия теплового источника в координате Х=0 и за время τ достигает точки с координатой Z по оси X. One of the possible ways to determine the thermophysical characteristics of materials based on the proposed method is to create the conditions of the thermal regime of constant temperature (heat stroke), at which the temperature of the end face subjected to heating "instantly" increases and remains constant from the moment t = 0. After this pulse thermal The front of the heat wave propagates from the point of exposure of the heat source in the coordinate X = 0 and in time τ reaches a point with the coordinate Z along the X axis.
Достоинством применяемой методики с помощью тепловизора и зеркала является визуальное определение местоположения границы теплового фронта как на передней, так и на задней поверхностях образца (изделия). The advantage of the applied technique using a thermal imager and a mirror is the visual determination of the location of the boundary of the heat front on both the front and rear surfaces of the sample (product).
Особенностью реализации изобретения является то, что в определение теплофизических характеристик образца осуществляют после обработки теплограмм с учетом распределения температуры Т(Х) по поверхности образца и времени, прошедшего от момента теплового воздействия. A feature of the implementation of the invention is that in determining the thermophysical characteristics of the sample is carried out after processing the thermograms taking into account the temperature distribution T (X) on the surface of the sample and the time elapsed from the moment of thermal exposure.
Например, при тепловом ударе можно оценить значение коэффициента температуропроводности по формуле
a = z2/2τ, (1)
где а - коэффициент температуропроводности;
z - расстояние, измеренное по нормали к поверхности образца от места воздействия источника тепла до точки местоположения теплового фронта;
τ - время от момента теплового воздействия.For example, during thermal shock, you can evaluate the value of the coefficient of thermal diffusivity according to the formula
a = z 2 / 2τ, (1)
where a is the coefficient of thermal diffusivity;
z is the distance measured normal to the surface of the sample from the point of exposure to the heat source to the point of location of the heat front;
τ is the time from the moment of heat exposure.
Теплограммы могут фиксироваться в произвольные моменты времени τ, прошедшие с момента теплового воздействия, в зависимости от типа материала, условий и задачи эксперимента. Время испытаний зависит от свойств материала, размеров исследуемого образца (изделия), а также от выбранного теплового режима. В случае испытаний образцов (изделий) из диэлектрических материалов с величиной коэффициента температуропроводности а≈10-7 м2/с в условиях режима постоянной температуры (тепловой удар) и расчета значения коэффициента температуропроводности по соотношению (1), расстояние, например, z=2 см, тепловой фронт пройдет за время τ≈2000 с, z=4 см - τ≈8000 с и т.д.Thermograms can be recorded at arbitrary instants of time τ that have passed since the moment of thermal exposure, depending on the type of material, the conditions and the task of the experiment. The test time depends on the properties of the material, the dimensions of the test sample (product), as well as on the selected thermal regime. In the case of testing samples (products) of dielectric materials with a thermal diffusivity coefficient a≈10 -7 m 2 / s under constant temperature conditions (thermal shock) and calculating the thermal diffusivity coefficient by relation (1), the distance, for example, z = 2 cm, the heat front will pass in a time τ≈2000 s, z = 4 cm - τ≈8000 s, etc.
Способ согласно изобретению позволяет оценить влияние анизотропии тепловых свойств на параметры образца (изделия). Если материал обладает анизотропией тепловых свойств или в материале имеются, например, внутренние дефекты, то распределение температуры на передней и задней гранях будет неидентичным. The method according to the invention allows to evaluate the effect of thermal anisotropy on the parameters of the sample (product). If the material has an anisotropy of thermal properties or there are, for example, internal defects in the material, then the temperature distribution on the front and back faces will be non-identical.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002108341/28A RU2224245C2 (en) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | Method of determination of thermophysical characteristics of materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002108341/28A RU2224245C2 (en) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | Method of determination of thermophysical characteristics of materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002108341A RU2002108341A (en) | 2003-12-27 |
| RU2224245C2 true RU2224245C2 (en) | 2004-02-20 |
Family
ID=32172489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002108341/28A RU2224245C2 (en) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | Method of determination of thermophysical characteristics of materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2224245C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488102C1 (en) * | 2012-02-21 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Method of determining thermal conductivity of solid body by active method of heat non-destructive testing |
| RU2530473C1 (en) * | 2013-04-23 | 2014-10-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) | Device and method for complex determination of basic thermophysical properties of solid body |
| RU2547901C1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device to determine extent of material surface blackness |
| RU2548921C1 (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Method to determine extent of material surface blackness |
| RU2616343C1 (en) * | 2015-12-03 | 2017-04-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") | Method for determination of parameters of process bulk material layer thermal properties |
| RU2659300C1 (en) * | 2017-10-02 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "МГТУ") | Method for determining quality of cable gland sealant |
-
2002
- 2002-04-02 RU RU2002108341/28A patent/RU2224245C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488102C1 (en) * | 2012-02-21 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Method of determining thermal conductivity of solid body by active method of heat non-destructive testing |
| RU2530473C1 (en) * | 2013-04-23 | 2014-10-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) | Device and method for complex determination of basic thermophysical properties of solid body |
| RU2547901C1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Device to determine extent of material surface blackness |
| RU2548921C1 (en) * | 2013-10-09 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") | Method to determine extent of material surface blackness |
| RU2616343C1 (en) * | 2015-12-03 | 2017-04-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") | Method for determination of parameters of process bulk material layer thermal properties |
| RU2659300C1 (en) * | 2017-10-02 | 2018-06-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "МГТУ") | Method for determining quality of cable gland sealant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6367969B1 (en) | Synthetic reference thermal imaging method | |
| US6367968B1 (en) | Thermal resonance imaging method | |
| US6394646B1 (en) | Method and apparatus for quantitative nondestructive evaluation of metal airfoils using high resolution transient thermography | |
| JP6301951B2 (en) | Sample inspection method and system using thermography | |
| US7549789B2 (en) | Method and apparatus for thermographic nondestructive evaluation of an object | |
| US8692887B2 (en) | Thermal imaging method and apparatus for evaluating coatings | |
| ES2262168T3 (en) | NON-DESTRUCTIVE TESTS: TRANSITORY DEPTH THERMOGRAPHY. | |
| WO2001041421A2 (en) | Method and system for reference-free thermographic detection of subsurface defects using compressed image data | |
| WO2015027210A1 (en) | Lit method and system for determining material layer parameters of a sample | |
| Zalameda et al. | A comparison of image processing algorithms for thermal nondestructive evaluation | |
| JP2015500476A (en) | Sample inspection method by heat flow thermography | |
| US20030230717A1 (en) | Method and apparatus for the portable identification of material thickness and defects along uneven surfaces using spatially controlled heat application | |
| RU2224245C2 (en) | Method of determination of thermophysical characteristics of materials | |
| ITGE970086A1 (en) | CONSTANT IMPULSE THERMOGRAPHY. | |
| Koshti | Normalized Temperature Contrast Processing in Infrared Flash Thermography | |
| Krankenhagen et al. | Determination of the spatial energy distribution generated by means of a flash lamp | |
| RU2725695C1 (en) | Method for determining thermal conductivity of optically transparent materials | |
| Shepard et al. | Flash duration and timing effects in thermographic NDT | |
| Zong et al. | Quantitative detection of subsurface defects by pulse-heating infrared thermography | |
| Lhota et al. | Critical timing issues in flash thermography | |
| Kephart et al. | Laser Scanning Thermal Probe: A Novel Approach to Non‐Destructive Evaluation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040403 |