RU1778658C

RU1778658C - Method of contactless control of thermophysical characteristics of materials

Info

Publication number: RU1778658C
Application number: SU904866121A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Чернышов; Анатолий Петрович Пудовкин; Лидия Ивановна Рожнова
Original assignee: Тамбовский институт химического машиностроения
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1992-11-30

Abstract

Использование: изобретение относитс к области технической физики и может быть использовано при определении теплофизи- ческих свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности. Сущность изобретени заключаетс в нагреве поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником энергии, измерении избыточной предельной температуры на линии , параллельной линии движений источника энергии, термоприемником, перемещаемым относительно исследуемого образца с одинаковой с источником энергии скоростью. При двух различных значени х избыточных температур, меньших значений температуры термодеструкции материалов, уменьшают скорость движени источников энергии и термоприемника и контролируют максимальное значение термограмм и соответствующее ему рассто ние между источником и термоприемником до тех пор, пока контролируемое при этом максимальное значение избыточной температуры станет равным меньшему из заданных зкачений, а затем другому заданному значению, а искомые теплофизические характеристики определ ют с использованием измеренных значений скорости движени и рассто ний до точки контрол максимальных Температур . 2 ил. ЈUsage: the invention relates to the field of technical physics and can be used in determining the thermophysical properties of solids in the aviation industry, in the production of polymeric materials, in the construction and chemical industries. The essence of the invention consists in heating the surface of the test sample with a moving point source of energy, measuring the excess temperature limit on a line parallel to the line of motion of the source of energy, a heat detector moving relative to the sample at the same speed as the source of energy. At two different values of excess temperatures lower than the temperature of thermal degradation of materials, they reduce the speed of movement of energy sources and a thermal receiver and control the maximum value of thermograms and the corresponding distance between the source and thermal receiver until the controlled maximum temperature becomes equal to a lower value from given values, and then to another specified value, and the desired thermophysical characteristics are determined using and measured values of speed of movement and distances to the point of control of maximum Temperatures. 2 ill. Ј

Description

Изобретение относитс к технической физике и может быть использовано при определении теплофизических свойств твердых тел в авиационной промышленности, при производстве полимерных материалов, в строительной и химической промышленности .The invention relates to technical physics and can be used in determining the thermophysical properties of solids in the aviation industry, in the production of polymeric materials, in the construction and chemical industries.

Известен способ определени теплофизических свойств твердых материалов, включающий нагрев поверхности эталонного и исследуемого образцов подвижным точечным источником энергии, измерение начальных и предельных избыточных температур поверхности эталона и образцов поA known method for determining the thermophysical properties of solid materials, including heating the surface of the reference and studied samples with a moving point source of energy, measuring the initial and limiting excess temperatures of the surface of the standard and samples from

линии перемещени источника энергии датчиком температуры, двигающимс с фиксированным отставанием от источника энергии, и определение коэффициента теплопроводности по расчетной формуле.lines of movement of the energy source by a temperature sensor moving with a fixed lag from the energy source, and determining the thermal conductivity coefficient by the calculation formula.

Недостатком данного способа вл етс ограниченность функциональных возможностей , обусловленна неспособностью комплексного измерени теплофизических свойств материалов, а также низка точность результатов измерени , обусловленна тем, что ввиду отсутстви информации о теплофизических свойствах исследуемых образцов не представл етс возможным усVIThe disadvantage of this method is the limited functionality due to the inability to comprehensively measure the thermophysical properties of materials, as well as the low accuracy of the measurement results, due to the fact that, due to the lack of information on the thermophysical properties of the samples under study, it is not possible to

чh

0000

о елabout eating

0000

тановить рассто ние между термоприемником и источником энергии, а также скорости их движени такими, чтобы уровень измер емой предельной температуры удовлетвор л бы по разрешающей способности точности требовани , используемой в эксперименте контрольно-измерительной аппаратуре .set the distance between the thermal receiver and the energy source, as well as the speed of their movement, so that the level of the measured limiting temperature satisfies the resolution accuracy of the requirements used in the test instrumentation.

За прототип прин т способ определени теплофизических свойств материалов, включающий нагрев последовательно установленных эталонов и образца подвижным точечным источником энергии и регистрацию избыточной предельной температуры поверхности эталонов и образца вдоль линии движени источника энергии датчиком температуры, перемещаемым относительно образцов и эталонов с одинаковой с источником энергии скоростью с фиксированной задержкой относительно источника энергии , смещение области измерени температуры на эталонах и исследуемом образце на линию, параллельную линии движени источника энергии, и измерение при этом избыточной предельной температуры с последующим определением по расчетным формулам искомых теплофизических характеристик .The prototype adopted a method for determining the thermophysical properties of materials, including heating sequentially established standards and a sample with a moving point source of energy and recording the excess temperature limit of the surface of the standards and the sample along the line of movement of the energy source with a temperature sensor that moves relative to the samples and standards at the same speed as the energy source with fixed delay relative to the energy source, the offset of the temperature measurement area on the standards and research sample to a line parallel to the line of motion of the energy source, and the measurement of the excess temperature limit with the subsequent determination of the desired thermophysical characteristics by calculation formulas.

Недостатком данного способа вл етс отсутствие поиска такого рассто ни между термоприемником и источником энергии, при котором измер ема избыточна температура , вл юща с информативным параметром , имела бы максимальное значение дл данного режима теплового воздействи .The disadvantage of this method is the lack of searching for such a distance between the thermal detector and the energy source at which the measured excess temperature, which is an informative parameter, would have a maximum value for this heat exposure mode.

Целью предлагаемого изобретени вл етс оптимизаци режимных параметров теплофизического эксперимента и повышение точности определени теплофизических характеристик исследуемых образцов.The aim of the invention is to optimize the operational parameters of the thermophysical experiment and to increase the accuracy of determining the thermophysical characteristics of the samples under study.

На фиг. 1 приведена схема расположени источника тепловой энергии и датчика температуры относительно исследуемого тела в процессе ее измерени . Схема включает точечный источник тепловой энергии 1 и датчик температуры 2, регистрирующий температуру поверхности исследуемого тела по электромагнитному излучению, перемещаемые относительно исследуемого образца 3, Выход датчика температуры 2 подключен к информационным входам электронных ключей 4, 5 и 6, управл ющие входы которых соединены с управл ющими выходами микропроцессора 7, а выходы ключей 4 и 5 подключены к запоминающим устройствам 8 и 9, которые через электронные ключи 10 и 11 соединены соответственно с первыми вторым входом вычитающего устройства 12. Выход вычитающего устройства 12 через усилитель мощности 13 подключен к реверсивному двигателю РД 14, вал которого кинематически соединен с реохордом потенциометра 15 и механизмомIn FIG. Figure 1 shows the layout of the source of thermal energy and the temperature sensor relative to the body under study during its measurement. The circuit includes a point source of thermal energy 1 and a temperature sensor 2, which registers the surface temperature of the test body by electromagnetic radiation, which are moved relative to the test sample 3, The output of the temperature sensor 2 is connected to the information inputs of electronic keys 4, 5 and 6, the control inputs of which are connected to the control the microprocessor 7 outputs, and the key outputs 4 and 5 are connected to the storage devices 8 and 9, which are connected via electronic keys 10 and 11 to the first second input of the subtract, respectively ayuschego device 12. The output of the subtracter 12 via a power amplifier 13 connected to a reversible motor RD 14, which shaft is kinematically connected to the potentiometer 15 and slidewire mechanism

перемещени 16 термоприемника 2 относительно источника 1. Потенциометр 15 подключен к источнику стабилизированного напр жени 17, а реохорд потенциометра подключен к цепи питани двигател по0 сто нного тока 18, вал которого кинематически соединен с механизмом 19 перемещени источника и термоприемника относительно исследуемого издели , а также соединен с тахогенератором 20, выходmovement 16 of the thermal receiver 2 relative to the source 1. The potentiometer 15 is connected to a stabilized voltage source 17, and the potentiometer rheochord is connected to the DC motor 18 power supply circuit, the shaft of which is kinematically connected to the source and thermal receiver moving mechanism 19 relative to the product under study, and is also connected with tachogenerator 20, output

5 которого подключен к информационному входу микропроцессора 7. Термоприемник 2 соединен с информационным входом датчика положени 21, регистрирующего рассто ние чиежду термоприемником и5 of which is connected to the information input of the microprocessor 7. The thermal receiver 2 is connected to the information input of the position sensor 21, which registers the distance between the thermal receiver and

0 источником тепла, причем выход датчика 21, а также и управл ющий вход, подключены к микропроцессору 7.0 a heat source, and the output of the sensor 21, as well as the control input, are connected to the microprocessor 7.

Сущность способа заключаетс в следующем . Включают источник энергии 1 и на5 чинают перемещение его и датчика температуры 2 над исследуемым телом 3 с некоторой посто нной скоростью VH, величина которой беретс такой, чтобы при выбранной мощности источника избыточна The essence of the method is as follows. They turn on the energy source 1 and begin to move it and the temperature sensor 2 over the test body 3 with a certain constant velocity VH, the value of which is taken so that, at the selected source power,

0 температура исследуемого тела была небольшой (10-15°С).0 the temperature of the test body was small (10-15 ° C).

Датчик температуры 2, движущийс при этом по линии, параллельной линии перемещени источника энергии с отставанием отTemperature sensor 2, moving along a line parallel to the line of movement of the energy source with a lag from

5 него, будет регистрировать предельную избыточную температуру нагреваемой поверхности , соответствующую установившемус квазистационарному режиму нагрева, причем зависимость избыточной температуры5 of it, will register the maximum excess temperature of the heated surface corresponding to the established quasistationary heating mode, and the dependence of the excess temperature

0 поверхности от рассто ни между термоприемником и источником энергии дл различных скоростей их движени относительно исследуемого тела имеет вид, представленный на фиг. 2, Затем мен ют0 of the surface from the distance between the thermal receiver and the energy source for different speeds of their movement relative to the body under study has the form shown in Fig. 2, then change

5 рассто ние между точкой контрол избыточной температуры и центром п тна нагрева источника энергии до тех пор, пока контролируема избыточна температура в точке ее регистрации достигнет максималь0 ного значени Тмакс(Нопт) (см. фиг. 2). Поиск экстремального значени Тмакс осуществл етс следующим образом. По команде с микропроцессора 7 открываетс ключ 5 и информаци об избыточной температуре5, the distance between the control point of the excess temperature and the center of the spot of heating the energy source until the controlled excess temperature at its registration point reaches the maximum value Tmax (Nopt) (see Fig. 2). The search for the extreme value of Tmax is carried out as follows. On command from microprocessor 7, key 5 and information about excess temperature are opened

5 ТИзб(Р2н) с датчика 2 заноситс в запоминающее устройство 9. Затем по сигналу с микропроцессора механизм перемещени термоприемника 16 изменит рассто ние между источником энергии 1 и термоприемником 2 на рассто ние равное 0,5-1 мм.5 TIb (P2n) from the sensor 2 is stored in the storage device 9. Then, according to the signal from the microprocessor, the movement mechanism of the thermal receiver 16 will change the distance between the energy source 1 and the thermal receiver 2 by a distance equal to 0.5-1 mm.

Далее по команде с микропроцессора открываетс ключ 4 и информаци об избыточной температуре ТИзб(Кн+ Д RI) с датчика 2 заноситс в посто нное запоминающее устройство 8. По сигналу микропроцессора 7 открываютс ключи 10 и 11,на вычитающее устройство 12 подаютс сигналы с запоминающих устройств 8 и 9. Разностный сигнал AT(R) Тиэб(Р н-ТИЗб(Кн+ ARi) усиливаетс усилителем 13 и подаетс на реверсивный двигатель 14, который в соответствии с зависимостью ARi К ЛТц) (1) переместит термоприемник 2 относительно источника энергии 1. Затем информаци с датчика 2 Тизб(Р2) через открытый ключ 5 заноситс в запоминающее устройство 9, при этом предыдуща информаци Тизб(Нн) в этом устройстве стираетс . По команде с микропроцессора 7 открываютс ключи 10 и 11 и с вычитающего устройства разность AT2(R) Тизб(Рн+ ARi) - T(R) через усилитель 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от знака и величины разности AT2(R) и в соответствии с зависимостью (1) переместит термоприемник 2 в точку Ra. Перемещение термоприемника в соответствии с вышеописанным циклом будет осуществл тьс до тех пор, пока разность ATj(R) Тизб((Км) станет равной нулю. Это будет соответствовать экстремуму функции Тизб), т.е. в точке ТМакс(Р|опт) )(СМ. фиг. 2).Then, on command from the microprocessor, the key 4 is opened and information about the excess temperature TIb (Kn + RI) from the sensor 2 is entered into the permanent storage device 8. At the signal of the microprocessor 7, the keys 10 and 11 are opened, signals from the storage devices are sent to the subtractor 12 8 and 9. The difference signal AT (R) Thieb (P n-TIZb (Kn + ARi) is amplified by an amplifier 13 and supplied to a reversing motor 14, which, in accordance with the dependence ARi K LTs) (1) will move the thermal detector 2 relative to the energy source 1 Then the information from the sensor 2 Tizb (P2) through the public key 5 is stored in the storage device 9, while the previous information Tees (HH) in this device is erased. At the command of microprocessor 7, keys 10 and 11 are opened, and from the subtractor, the difference AT2 (R) Тизб (Рн + ARi) - T (R) through the amplifier 13 is supplied to the reversing motor 14, which, depending on the sign and magnitude of the difference AT2 (R ) and, in accordance with dependence (1), will move the thermal detector 2 to the point Ra. In accordance with the cycle described above, the thermal detector will be moved until the difference ATj (R) Tees ((Km) becomes equal to zero. This will correspond to the extremum of the Tees) function, i.e. at the point TMax (P | opt)) (see. Fig. 2).

Затем постепенно уменьшают скорость движени источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца в соответствии с зависимостью V VH - Д V (2), где VH - начальна скорость движени источника термоприемника Д V .1 -T(V), Тзад.1 - наперед заданное значение температуры, величина которок задаетс меньшей на 30-40% от температуры термодеструкции исследуемого материала, К - коэффициент пропорциональности, величина которого задаетс , например, в диапазоне от 0,1 до 3. Эта операци реализуетс следующим образом. На первый вход вычитающего устройства 12 с микропроцессора 7 подаетс сигнал, величина которого пропорциональна значению Т3ад.1, а на второй вход через открытый ключ подаетс сигнал с датчика 2. Разностный сигнал Д T(V) с выхода вычитающего устройства 12 через усилитель мощности 13 поступает на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от величины рассогласовани перемещает реохорд потенциометра 15, что приводит к уменьшению напр жени питани двигател посто нного тока 18, который за счет уменьшени числа оборотов черезThen, the speed of movement of the energy source and the heat detector relative to the test sample is gradually reduced in accordance with the dependence V VH - Д V (2), where VH is the initial speed of the motion of the source of the heat detector Д V .1 -T (V), Тзад.1 - predetermined value temperature, the value of which is set lower by 30-40% of the temperature of thermal destruction of the test material, K is the proportionality coefficient, the value of which is set, for example, in the range from 0.1 to 3. This operation is carried out as follows. A signal is input to the first input of the subtractor 12 from the microprocessor 7, the value of which is proportional to the value of T3ad.1, and a signal from the sensor 2 is fed to the second input through the public key. The differential signal Д T (V) from the output of the subtractor 12 through the power amplifier 13 to a reversible motor 14, which, depending on the amount of mismatch, moves the reochord of the potentiometer 15, which leads to a decrease in the supply voltage of the DC motor 18, which, due to a decrease in the number of revolutions through

механизм (редуктор) 19 уменьшает скорость движени источника энергии 1 и термоприемника 2 до тех пор, пока избыточна контролируема температура Тизб. станетa mechanism (reducer) 19 reduces the speed of movement of the energy source 1 and the thermal receiver 2 until the controlled temperature Tizb is excessive. will become

приближатьс к заданному значению Т3зд.1. Затем в соответствии с вышеописанным алгоритмом поиска экстремального значени термограммы нагрева наход т рассто ние Rom.1 между нагревателем и термоприемником , которое соответствует максимуму избыточной температуры Тмакс i (Rom-. 1). Далее, измен скорость движени источника и термоприемника и наход дл каждого ее значени максимум избыточной температуры Тмакс (Rom.) за счет варьировани рассто ни R по вышеописанному алгоритму, определ ют такую скорость У1 и рассто ниеapproach the set value T3zd. 1. Then, in accordance with the above-described algorithm for searching for the extreme value of the heating thermogram, the distance Rom. 1 between the heater and the thermal receiver is found, which corresponds to the maximum of the excess temperature Tmax i (Rom-. 1). Further, changing the speed of movement of the source and the thermal receiver and finding for each of its values the maximum of excess temperature Tmax (Rom.) By varying the distance R according to the above algorithm, determine such a speed U1 and the distance

Roni.1, при КОТОрЫХ Тмакс.1 (Ronr.l) Тзад.1.Roni. 1, at which Tmax. 1 (Ronr.l) Tzad. 1.

Аналогичным образом определ ют скорость V2 и рассто ние Rom.2, при которых Тмакс.2Similarly determine the speed V2 and the distance Rom.2, at which Tmax.2

(Rorn.2.) Тзад.2.(Rorn.2.) Tzad. 2.

Информаци о скорост х движени источника и термоприемника Vi и V2, рассто ни х до точек контрол максимальных температур, максимальных температурахInformation about the velocities of the source and thermal receiver Vi and V2, the distances to the points of control of maximum temperatures, maximum temperatures

Тмакс.1 (Ronr.l) И ТМакс.2 (Rorrr.2) ЗЭНОСЯТСЯ ВTmax. 1 (Ronr.l) And Tmax. 2 (Rorrr. 2)

оперативную пам ть микропроцессора. На основе полученной измерительной информации в микропроцессоре осуществл етс microprocessor random access memory. Based on the obtained measurement information, the microprocessor

расчет теплофизических характеристик материалов по алгоритму, построенному в соответствии с формулами, полученными на основании следующих рассуждений.calculation of thermophysical characteristics of materials according to an algorithm constructed in accordance with formulas obtained on the basis of the following reasoning.

Известно, что при нагреве поверхностиIt is known that when heating the surface

полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником энергии избыточна температура поверхности тела Т(х, R) в точке, перемещающейс вслед за источником со скоростью, равнойthermally semi-infinite body with a moving point source of energy, the body surface temperature T (x, R) is excessive at a point moving after the source at a speed equal to

скорости перемещени источника энергии, определ етс выражением:the speed of movement of the energy source is determined by the expression:

Т(х R) 21ЙГР ехр 27 (R х)T (x R) 21YGR exp 27 (R x)

(3)(3)

где q - мощность источника, Я, а, - тепло и температуропроводность исследуемого издели , R - рассто ние до точки контрол температуры; х - рассто ние между центром п тна нагрева поверхности издели и проекцией точки контрол температуры на линию движени источника энергии; V - скорость перемещени источника и термоприемника относительно издели . Тогдаwhere q is the power of the source, I, a, is the heat and thermal diffusivity of the investigated product, R is the distance to the temperature control point; x is the distance between the center of the spot of heating the surface of the product and the projection of the temperature control point on the line of motion of the energy source; V is the speed of movement of the source and thermal receiver relative to the product. Then

TwaKC1 27rARcnT.i 6Xp 21 ХTwaKC1 27rARcnT.i 6Xp 21 X

х (Ronr.1 - xi)(4)x (Ronr. 1 - xi) (4)

Тмакс2 - л ; ь4 . Л Л. Копт 2Tmax2 - l; b4. L. L. Copt 2

X (Ronr.2 - Х2)X (Ronr. 2 - X2)

ехр -1| хexp -1 | x

После несложных математических преобразований получим формулу дл расчета температуропроводностиAfter simple mathematical transformations, we obtain a formula for calculating thermal diffusivity

V2(Ronr.2-X2) - Vl(RonT.1-Xl)V2 (Ronr. 2-X2) - Vl (RonT. 1-Xl)

2ln2ln

ТмаксЧ RonT.1 Тмакс2 Яопт.2TmaxCh RonT.1 Tmax2 Jaopt.2

Теплопроводность определ ют по формуле , полученной при подстановке выраже- ии (6) в (4), имеющей вид:Thermal conductivity is determined by the formula obtained by substituting expression (6) in (4), having the form:

А тA t

тт-г-т- L-B ехр хtt-g-t-l-b exp x

f-7l 1макс1 Копт. 1f-7l 1max1 Kopt. 1

- - O nfe- - O nfe

(7)(7)

V2(Roni.2 - Х2) - Vl(Ronr.1 - Xl)V2 (Roni. 2 - X2) - Vl (Ronr. 1 - Xl)

Таким образом, измерив рассто ние Ronr.1 и RonT.,2, определив установившиес скорости Vi, V2 и зна мощность источника энергии и значение ТМакс.1, по формулам (6) и (7) легко определить искомые теплофизи- ческие характеристики исследуемых материалов .Thus, by measuring the distance Ronr. 1 and RonT., 2, by determining the steady-state velocities Vi, V2 and the power source power and the value of Тmax. 1, it is easy to determine the desired thermophysical characteristics of the materials under study by formulas (6) and (7) .

Таким образом, предложенный способ по сравнению с известными техническими решени ми значительно расшир ет функциональные возможности по классам исследуемых материалов, позвол ет с большой точностью определить весь комплекс теплофизических характеристик материалов .Thus, the proposed method, in comparison with the known technical solutions, significantly expands the functionality of the classes of materials under study, allows us to determine with great accuracy the whole complex of thermophysical characteristics of materials.

00

55

00

55

00

55

00

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A method for non-contact control of the thermophysical characteristics of materials, which consists in heating the surface of the test sample with a moving point source of energy, measuring the excess temperature limit on a line parallel to the line of movement of the source of energy, a heat detector moving relative to the sample at the same speed as the source of energy, different the fact that, in order to optimize the regime parameters of the thermophysical experiment and increase the accuracy, two different the excess temperatures lower than the temperature of the thermal destruction of the samples, reduce the speed of the energy source and the thermal receiver, and, varying the distance between the source and the thermal receiver, control the maximum value of the thermogram and the corresponding distance between the source and the thermal receiver until the maximum value of the excess temperature will be equal to the smaller of the set values, then continue to decrease the speed of movement of the source and the thermal receiver, while determining the poppy the maximum value of the thermogram and the corresponding distance between the thermal receiver and the source, until the maximum controlled value of the excess temperature becomes equal to the second predetermined value, and the desired thermophysical characteristics are determined using the measured values of the speed of movement and the distance to the control points maximum temperatures.

Fig i

Rj Ronr.j Pop. 2 Fig. 2

R

hpax sh. g)

t

rfiat Cj (RonT.i)

tnax (K1)

-K jVtoj. t (,)