RU2011977C1 - Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials - Google Patents
Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2011977C1 RU2011977C1 SU5023262A RU2011977C1 RU 2011977 C1 RU2011977 C1 RU 2011977C1 SU 5023262 A SU5023262 A SU 5023262A RU 2011977 C1 RU2011977 C1 RU 2011977C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- source
- output
- input
- temperature
- distance
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них, используемых в машиностроительной, авиационной, радиотехнической, строительной и других отраслях промышленности. The invention relates to measuring equipment and can be used in non-destructive quality control systems for materials and finished products made of them, used in engineering, aviation, radio engineering, construction and other industries.
Известен способ определения теплопроводности материалов [1] , включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника энергии, а также определение предельных избыточных температур образцов, с помощью которых рассчитывают искомую величину. A known method for determining the thermal conductivity of materials [1], including heating the surface of the test sample and the reference with a moving point source of energy, measuring the initial temperatures of the test and reference samples with a temperature sensor moving with a fixed lag from the energy source, as well as determining the maximum excess temperatures of the samples with which calculate the desired value.
Недостатком способа является отсутствие возможности учета в результатах измерения определяемой теплофизической характеристики потерь тепла в окружающую среду, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации. The disadvantage of this method is the inability to take into account the determined thermophysical characteristics of heat loss to the environment in the measurement results, which significantly limits the accuracy and reliability of the received measurement information.
Известно также устройство [2] для определения теплопроводности материалов, содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, а также сосредоточенный источник тепловой энергии, два радиометра, закрепленный на подвижной платформе эталонный образец, регистратор и блок управления приводом, причем радиометры подключены к соответствующим входам регистра. Also known is a device [2] for determining the thermal conductivity of materials, comprising a movable platform and a platform drive connected in series, as well as a concentrated source of thermal energy, two radiometers, a reference sample mounted on a mobile platform, a recorder and a drive control unit, the radiometers being connected to the corresponding register inputs .
Недостатком известного устройства являются узкая область его функциональных возможностей, не позволяющая проводить комплексное определение теплофизических характеристик материалов, а также ограничения в точности и достоверности получаемой измерительной информации ввиду отсутствия возможности введения поправок в результат измерения на потери тепловой энергии в окружающую среду. A disadvantage of the known device is the narrow range of its functionality, which does not allow for a comprehensive determination of the thermophysical characteristics of materials, as well as limitations on the accuracy and reliability of the obtained measurement information due to the lack of the possibility of introducing amendments to the measurement result for thermal energy loss into the environment.
За прототип принят способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов [3] , в котором на поверхность исследуемого тела воздействуют точечным источником тепла, перемещаемым по прямой линии с постоянной скоростью, регистрируют избыточные температуры в точках поверхности с некоторым отставанием на той же линии и на параллельной ей и по величине избыточных температур вычисляют искомые теплофизические характеристики. The prototype adopted a method of non-contact control of the thermophysical characteristics of materials [3], in which the surface of the test body is affected by a point heat source moving in a straight line at a constant speed, excessive temperatures are recorded at surface points with some lag on the same line and parallel to it and by the magnitude of excess temperatures, the desired thermophysical characteristics are calculated.
Недостатком этого способа является невысокая точность определения искомых характеристик, так как в процессе эксперимента не учитываются тепловые потери от нагретой поверхности материалов в окружающую среду, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения. The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the desired characteristics, since the experiment does not take into account the heat loss from the heated surface of the materials into the environment, which leads to an additional error in the measurement results.
За прототип принято устройство для определения теплофизических характеристик материалов [4] , содержащее соединенные последовательно подвижную платформу и привод платформы, а также сосредоточенный источник тепловой энергии, четыре радиометра, которые подключены к соответствующим входам регистратора, и два эталонных образца, закрепленных на подвижной платформе. Устройство содержит, кроме того, блок управления приводом. The prototype is a device for determining the thermophysical characteristics of materials [4], containing a movable platform and a platform drive connected in series, as well as a concentrated source of thermal energy, four radiometers that are connected to the corresponding inputs of the recorder, and two reference samples mounted on a mobile platform. The device further comprises a drive control unit.
Недостатком этого устройства является невысокая точность, так как оно не позволяет учитывать и вводить поправки в результате измерения на тепловые потери в окружающую среду. The disadvantage of this device is its low accuracy, since it does not allow to take into account and introduce corrections as a result of measurements of heat losses to the environment.
Целью изобретения является повышение точности измерения теплофизических характеристик материалов. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the thermophysical characteristics of materials.
Цель достигается тем, что в способе бесконтактного измерения теплофизических характеристик материалов, состоящем в тепловом воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела, движущихся со скоростью источника по линии его движения и на параллельной ей линии, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода тепла и измерения температур, помещают точку контроля температуры в центр пятна нагрева, смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии движения источника в стороны отставания на заданное расстояние, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной предельной температуры на отрезке движения от пятна нагрева до заданного положения точки контроля, определяют избыточную температуру в заданном положении точки контроля, помещают точку контроля в центр пятна нагрева, а затем удаляют ее по произвольно выбранной прямой линии в сторону отставания от источника на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры, полученной при движении точки контроля по линии источника на заданное расстояние, перемещают точку контроля в центр пятна нагрева и изменяют мощность источника энергии на определенную величину, перемещают точку контроля из центра пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению интегральной температуры при движении по линии источника с первоначальной мощностью, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений:
a =
λ = , где λ, а - коэффициенты тепло- и температуропроводности [Вт/м˙к] ; [м2/с] ; R1, Rx1, Rx2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры [м] ; T1(R1), T2(Rx1) и T3(Rx2)- избыточные температуры в точках соответственно на расстояниях R1, Rx1 и Rx2 от центра пятна нагрева при мощности источника q1 и q2 [oC] ; V - скорость движения источника и термоприемника относительно исследуемого тела [м/с] ; ХI - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии Rx1, на линию движения источника энергии [м] .The goal is achieved by the fact that in the method of non-contact measurement of the thermophysical characteristics of materials, consisting in the thermal effect on the surface of the body by a point moving source of a certain power, measuring the excess temperature limit of the heated surface at points on the surface of the body moving with the speed of the source along its line of motion and in parallel to it , changing the distance between the temperature control point and the center of the source heating spot, recording the relative position of the heat supply points and temperature grazing, place the temperature control point in the center of the heating spot, shift the temperature control point from the heating spot along the line of movement of the source to the lag side by a predetermined distance, while measuring the distance-integrated value of the excess temperature limit on the segment of movement from the heating spot to the specified position of the point control, determine the excess temperature in a given position of the control point, place the control point in the center of the heating spot, and then remove it along an arbitrarily selected straight line and in the direction of lagging from the source by a distance at which the distance-integrated value of the excess temperature will be equal to the value of the integral temperature obtained when the control point moves along the source line for a given distance, the control point is moved to the center of the heating spot and the power of the energy source is changed by a certain amount , move the control point from the center of the heating spot along the line of movement of the source in the direction of lagging behind it by a distance at which the distance-integral value of the excess internal temperature would be equal to the value of the integral temperature during the motion of the source line with the initial capacity, and the desired thermal characteristics are determined from the following relationships:
a =
λ = where λ, а are the coefficients of heat and thermal diffusivity [W / m˙k]; [m 2 / s]; R 1 , R x1 , R x2 , respectively, the given and found distances between the center of the heating spot and the temperature control point [m]; T 1 (R 1 ), T 2 (R x1 ) and T 3 (R x2 ) are the excess temperatures at the points, respectively, at distances R 1 , R x1 and R x2 from the center of the heating spot at the source power q 1 and q 2 [ o C]; V is the speed of movement of the source and thermal receiver relative to the test body [m / s]; X I - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point located at a distance R x1 , on the line of motion of the energy source [m].
В устройстве по данному способу, содержащем закрепленные над поверхностью исследуемого тела сосредоточенный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированные на поверхность тела, механизм перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого образца, дополнительно включает четыре электронных ключа, преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик, два аналого-цифровых преобразователя, центральный процессор, блок ввода-вывода, клавишный пульт управления, инвертор, переключатель полярности цепи питания двигателя, два потенциометра со стабилизированным источником питания, блок задания опорных напряжений, два механизма перемещения термоприемника относительно источника тепловой энергии, блок вывода, причем выход термоприемника подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей, а выход первого ключа соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход котоpого в свою очередь подключен к информационному входу реверсивного счетчика, выход второго электронного ключа через первый аналого-циф- ровой преобразователь подключен к первому входу центрального процессора, второй вход которого через устройство ввода-вывода соединен с клавишным пультом управления, причем один из выходов пульта управления подключен к управляющему входу третьего ключа, информационный вход которого соединен с расходом первого потенциометра, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу блока задания опорных напряжений а вход блока задания опорных напряжений соединен с пультом управления, кроме того, выход компаратора подключен к управляющему входу первого электронного ключа и входу инвертора, выход которого соединен с управляющим блоком второго электронного ключа, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход ключа через второй аналого-цифровой преобразователь подключен к третьему входу центрального процессора, реохорд первого потенциометра соединен также с цепью управления магнитного пускателя реверсивного двигателя, силовая цепь которого через переключатель полярности подключена к блоку питания двигателя, а вал двигателя соединен с механизмом перемещения термоприемника относительно точечного источника энергии по направлению движения источника, а также с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном направлению источника, кроме того, потенциометры подключены к источнику стабилизированного напряжения, а реохорд первого потенциометра кинематически соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении движения источника тепла, реохорд второго потенциометра соединен с механизмом перемещения термоприемника в направлении, перпендикулярном направлению движения источника, реохорды двух потенциометров подключены соответственно к первому и второму информационным входам четвертого электронного ключа, выход которого соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход реверсивного счетчика подключен к управляющим входам второго и четвертого электронных ключей, а также к цепи управления магнитного пускателя, кроме того, выход компаратора подключен к магнитному пускателю и механизму перемещения источника энергии и термоприемника относительно исследуемого изделия, а блок управления соединен с блоком переключения полярности питания реверсивного двигателя, магнитным пускателем, механизмом перемещения источника и термоприемника и блоком питания источника энергии, информационный выход центрального процессора через блок вывода подключен к индикатору и информационным входам реверсивного счетчика. In the device according to this method, containing a concentrated source of thermal energy and a thermal detector fixed above the surface of the test body, focused on the surface of the body, the mechanism for moving the energy source and thermal detector relative to the test sample, additionally includes four electronic keys, a voltage to frequency converter, a reversible counter, two analog -digital converter, central processor, input-output unit, keypad, inverter, circuit polarity switch engine power supply, two potentiometers with a stabilized power source, a reference voltage setting unit, two mechanisms for moving the thermal receiver relative to the heat energy source, an output unit, the output of the thermal receiver being connected to the information inputs of the first and second electronic keys, and the output of the first key connected to the input of the voltage converter frequency, the output of which is in turn connected to the information input of the reverse counter, the output of the second electronic key through the first analog-to-digital the converter is connected to the first input of the central processor, the second input of which is connected to the keypad via the input-output device, one of the outputs of the control panel is connected to the control input of the third key, the information input of which is connected to the flow rate of the first potentiometer, and the output to the first input a comparator, the second input of which is connected to the output of the reference voltage setting unit and the input of the reference voltage setting unit is connected to the control panel, in addition, the output of the comparator is connected n to the control input of the first electronic switch and the input of the inverter, the output of which is connected to the control unit of the second electronic switch, the control input of which is connected to the output of the reverse counter, and the output of the key through the second analog-to-digital converter is connected to the third input of the central processor, the rechord of the first potentiometer is connected also with the control circuit of the magnetic starter of the reversing motor, the power circuit of which is connected to the motor power supply through the polarity switch, and the motor shaft I am connected to a mechanism for moving the thermal receiver relative to a point source of energy in the direction of movement of the source, and also to a mechanism for moving the thermal receiver in a direction perpendicular to the direction of the source, in addition, the potentiometers are connected to a stabilized voltage source, and the reochord of the first potentiometer is kinematically connected to the mechanism for moving the thermal receiver in the direction movement of the heat source, the rechord of the second potentiometer is connected to the mechanism for moving the thermal receiver in to the perpendicular to the direction of movement of the source, the rechords of two potentiometers are connected respectively to the first and second information inputs of the fourth electronic key, the output of which is connected to the input of the second analog-to-digital converter, the output of the reversible counter is connected to the control inputs of the second and fourth electronic keys, as well as to the circuit control of the magnetic starter, in addition, the output of the comparator is connected to the magnetic starter and the mechanism for moving the energy source and thermal receiver relative relative to the product under study, and the control unit is connected to the reversing motor power supply polarity switching unit, a magnetic starter, a source and thermal detector moving mechanism, and an energy source power supply unit, the information output of the central processor through the output unit is connected to the indicator and information inputs of the reverse counter.
При анализе известных технических решений по способам и устройствам неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов не обнаружены решения, имеющие существенные признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого способа и устройства. When analyzing known technical solutions for methods and devices of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials, no solutions were found that have significant features similar to the distinguishing features of the proposed method and device.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявленное техническое решение обладает существенными отличиями. Based on the analysis, we can conclude that the claimed technical solution has significant differences.
Наличие совокупности существенных признаков, а именно измерение избыточных температур в заданных и найденных соответствующим образом точках контроля T1(R1). T2( Rx1), T3(Rx2), изменение мощности источника энергии на определенную величину, перемещение точки контроля по линии движения источника энергии на расстояние, при котором интегральное по расстоянию значение избыточной температуры будет равно значению температуры при движении по линии источника с первоначальной мощностью, а также введение в устройство дополнительно четырех электронных ключей преобразователя напряжения в частоту, реверсивного счетчика, центрального процессора, блока ввода-вывода, клавишного пульта управления, инвентора, переключателя полярности цепи питания, двигателя, двух механизмов перемещения термоприемника, блока вывода обеспечивает повышение точности, что свидетельствует о достижении цели изобретения.The presence of a set of essential features, namely the measurement of excess temperatures at given and found accordingly control points T 1 (R 1 ). T 2 (R x1 ), T 3 (R x2 ), changing the power of the energy source by a certain amount, moving the control point along the line of movement of the energy source by a distance at which the distance-integrated value of the excess temperature will be equal to the temperature value when moving along the source line with initial power, as well as the introduction to the device of an additional four electronic keys of a voltage-to-frequency converter, a reverse counter, a central processor, an input-output unit, a keypad, an inventory , The polarity of the power switch circuit, the motor, the two displacement termopriemnika, the output unit increases the precision mechanisms, which indicates the achievement of the purpose of the invention.
Сущность способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием помещают точечный источник тепловой энергии и термоприемник, сфокусированный в точку поверхности, подверженной тепловому воздействию. Включают источник энергии и начинают перемещение его и термоприемника над исследуемым изделием с постоянной скоростью. Затем постепенно смещают точку контроля предельной избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания до достижения заданного расстояния R1 между источником и термоприемником, измеряя при этом интегральное по расстоянию значение избыточной температуры S1(R) на отрезке линии движения от пятна нагрева до точки контроля. Осуществляют измерение избыточной предельной температуры в точке R1. Далее, переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева, удаляют постепенно точки контроля избыточной температуры от пятна нагрева в сторону отставания от источника по произвольной выбранной прямой линии до тех пор, пока контролируемое интегральное по расстоянию перемещения значение избыточной температуры станет равным значению S1(R) (см. фиг. 1), т. е. S1(R) = S2(Rx1). Измеряют найденное значение расстояния Rx1 и значение избыточной температуры Т2(Rx1) при этом расстоянии точки контроля от центра пятна нагрева. Затем, переместив точку контроля температуры в центр пятна нагрева и изменив мощность источника на определенную величину, смещают точку контроля избыточной температуры от пятна нагрева по линии движения источника в сторону отставания от него до тех пор, пока контролируемое интегральное по расстоянию перемещения значение температуры станет равным интегральным значениям S1(R1) или S2(Rx1) (см. фиг. 1), т. е. S1(R1) = S3(Rx2). Измеряют найденное значение расстояния Rx2 и значение избыточной температуры при этом расстоянии точки контроля от центра пятна нагрева, а искомые теплофизические характеристики определяют по зависимостях, полученным на основании следующих рассуждений.The essence of the method is as follows. A point source of thermal energy and a thermal detector, focused at a point on the surface exposed to heat, are placed above the test product. They turn on the energy source and begin moving it and the thermal receiver over the test article at a constant speed. Then, the control point of the limiting excess temperature is gradually shifted from the heating spot along the line of movement of the source to the lagging direction until a predetermined distance R 1 between the source and the thermal receiver is reached, while measuring the distance-integrated value of the excess temperature S 1 (R) on the segment of the line of motion from the heating spot to the point of control. Measure the excess temperature at point R 1 . Further, by moving the temperature control point to the center of the heating spot, the points of excess temperature control are gradually removed from the heating spot in the direction of lagging from the source along an arbitrary chosen straight line until the value of the excess temperature controlled by the distance of movement becomes equal to S 1 (R ) (see Fig. 1), i.e., S 1 (R) = S 2 (R x1 ). The found value of the distance R x1 and the value of the excess temperature T 2 (R x1 ) are measured at this distance of the control point from the center of the heating spot. Then, by moving the temperature control point to the center of the heating spot and changing the source power by a certain amount, the excess temperature control point is shifted from the heating spot along the line of movement of the source in the direction of lagging from it until the temperature value controlled by the distance of movement becomes equal to the integral values of S 1 (R 1 ) or S 2 (R x1 ) (see Fig. 1), i.e. S 1 (R 1 ) = S 3 (R x2 ). The found value of the distance R x2 and the value of the excess temperature are measured at this distance of the control point from the center of the heating spot, and the desired thermophysical characteristics are determined by the dependences obtained on the basis of the following considerations.
Известно, что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным источником точечной энергии избыточная предельная температура поверхности этого тела в точках, перемещающихся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника энергии, определяемая зависимостью
Tт(R)= , (1) где q - мощность источника [Вт] ; - коэффициент теплопроводности изделия [Вт/м˙К] ; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры [м] .It is known that when the surface of a body semi-infinite in heat terms is heated by a moving source of point energy, the excess limit temperature of the surface of this body at points moving after the source along its line of motion at a speed equal to the speed of movement of the energy source, determined by the dependence
T t (R) = , (1) where q is the source power [W]; - coefficient of thermal conductivity of the product [W / m˙K]; R is the distance between the center of the heating spot and the temperature measuring point [m].
Поскольку поверхность исследуемого изделия в процессе эксперимента не теплоизолирована от окружающей среды, то после нанесения теплового воздействия часть тепла от нагретой поверхности изделия будет отводиться за счет конвективного и лучистого теплообмена в окружающую среду. Поэтому измеряемого значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения и отстающей от него на расстояние R1, будет определяться зависимостью
T1(R1)= , (2) где Δqпот - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена.Since the surface of the investigated product during the experiment is not thermally insulated from the environment, then after applying the heat, part of the heat from the heated surface of the product will be removed due to convective and radiant heat transfer to the environment. Therefore, the measured value of the excess limit temperature at a point moving after the source along the line of its movement and lagging behind it by a distance R 1 will be determined by the dependence
T 1 (R 1 ) = , (2) where Δq sweat is the loss of thermal power to the environment due to convective and radiant heat transfer.
Из теории теплопроводности известно (см. , например, Лыков А. В. Теория теплопроводности // Высш. шк. , 1967), что тепловой поток при конвективном и лучистом теплообмене между поверхностью нагретого тела и окружающей средой определяется выражением
q = α[Tт(R) - Tc] , (3) где α= αк + αлуч - суммарный коэффициент теплообмена [Вт/м2 К] ;
αк - коэффициент конвективного теплообмена; αлуч - коэффициент лучистого теплообмена; Тс - температура окружающей среды.From the theory of heat conduction it is known (see, for example, Lykov A.V. Theory of heat conduction // Higher school, 1967) that the heat flux during convective and radiant heat transfer between the surface of a heated body and the environment is determined by the expression
q = α [T t (R) - T c ], (3) where α = α к + α beam is the total heat transfer coefficient [W / m 2 K];
α to - convective heat transfer coefficient; α beam is the coefficient of radiant heat transfer; T with - ambient temperature.
Потери тепловой энергии в окружающую среду при прохождении точки контроля температуры расстояния от пятна нагрева до точки с координатой R1 при мощности q1 будут определяться выражением
Δq1= α [T1(R)-Tс] dR= S1(R) (4) Чтобы потери энергии в окружающую среду при мощности источника q1 были бы равны потерям Δq1. экспериментально находят такое расстояние Rx1между точкой контроля избыточной температуры и пятна нагрева, при котором
Δq2= α [T2(R)-Tс] dR= S2(R)= S1(R) (5) При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью источника и на расстояния Rx1 от него, определяется зависимостью
T2(R) = ·exp- (R-x′), (6) где V - скорость движения источника и термоприемника, а - коэффициент температуропроводности исследуемого материала; ХI - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки Rx на линию движения источника тепла (см. фиг. 1).The loss of thermal energy into the environment when passing the temperature control point, the distance from the heating spot to the point with coordinate R 1 at power q 1 will be determined by the expression
Δq 1 = α [T 1 (R) -T s ] dR = S 1 (R) (4) So that the energy loss to the environment when the source power q 1 would be equal to the loss Δq 1 . experimentally find such a distance R x1 between the control point of the excess temperature and the heating spot at which
Δq 2 = α [T 2 (R) -T s ] dR = S 2 (R ) = S 1 (R) (5) When the surface of the body under study is heated by a moving point source of energy, the excess limit temperature at the point moving after the source at the speed of the source and at a distance R x1 from it is determined by the dependence
T 2 (R) = Exp - (R -x ′) , (6) where V is the speed of movement of the source and thermal receiver, and is the coefficient of thermal diffusivity of the studied material; X I - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point R x on the line of motion of the heat source (see Fig. 1).
Поскольку из (4) и (5) следует, что Δ q1 пот= Δ q2 пот, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (6), получим формулу для расчета температуропроводности в виде:
a = (7) Чтобы тепловые потери в окружающую среду от конвективного и лучистого теплообмена при измененной мощности источника q2 были бы равны потерям Δq1 пот, экспериментально определяют такое расстояние Rx2по линии движения источника между точкой контроля температуры и пятном нагрева, при котором
Δq
T3(R) = (9) Так как из условия эксперимента Δ q1 пот= Δ q3 пот, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (9), получим формулу для расчета теплопроводности в следующем виде:
λ = . (10) Таким образом, определив расстояния Rx1 и Rx2, при которых тепловые потери в окружающую среду с поверхности исследуемого тела будут равны потерям при движении термоприемника на заданное расстояние R1 от источника тепла, а также измерив соответствующие этим трем расстояниям значения предельных избыточных температур, зная мощность источника и скорость его движения над поверхностью тела, по формулам (7) и (10) можно определить искомые теплофизические характеристики.Since it follows from (4) and (5) that Δ q 1 sweat = Δ q 2 sweat , then after simple mathematical transformations of expressions (2) and (6), we obtain a formula for calculating thermal diffusivity in the form:
a = (7) In order for the heat loss to the environment from convective and radiant heat transfer with a changed source power q 2 to be equal to losses Δq 1 sweat , experimentally determine such a distance R x2 from the source’s line of movement between the temperature control point and the heating spot at which
T 3 (R) = (9) Since from the experimental condition Δ q 1 sweat = Δ q 3 sweat , after simple mathematical transformations of expressions (2) and (9), we obtain a formula for calculating thermal conductivity in the following form:
λ = . (10) Thus, having determined the distances R x1 and R x2 at which the heat loss to the environment from the surface of the test body will be equal to the loss when the heat detector moves a predetermined distance R 1 from the heat source, and also by measuring the corresponding excess temperatures, knowing the power of the source and the speed of its movement above the surface of the body, using the formulas (7) and (10), one can determine the desired thermophysical characteristics.
На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ. In FIG. 2 shows a diagram of a device that implements the proposed method.
Устройство состоит из источника 1 тепловой энергии, сфокусированного на поверхность исследуемого изделия 2, термоприемника 3, расположенного над поверхностью исследуемого изделия, сфоку- сированного на нее. Термоприемник подключен к информационным входам первого и второго электронных ключей 4 и 5, выход первого ключа соединен с входом преобразователя 6 напряжения в частоту, выход которого в свою очередь подключен к информативному входу реверсивного счетчика 7. Выход второго электронного ключа через первый аналого-цифровой преобразователь 8 подключен к первому входу центрального процессора 9, второй вход которого через устройство 10 ввода-вывода соединен с клавишным пультом 11 управления. Один из выходов клавишного пульта 11 управления подключен к управляющему входу третьего электронного ключа 12, информационный вход которого соединен с реохордом первого потенциометра 13, а выход - с первым входом компаратора 14, второй вход подключен к выходу блока 15 задания опорных напряжений (уставок). Вход блока 15 соединен с пультом 11 управления. Выход компаратора 14 подключен к управляющему входу первого электронного ключа 4 и входу инвертора 16, выход которого соединен с управляющим входом второго электронного ключа 5. Реохорд первого потенциометра 13 подключен к первому информационному входу четвертого электронного ключа 17, управляющий вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 7, а выход через второй аналого-цифровой преобразователь 18 подключен к третьему входу центрального процессора 9. Реохорд потенциометра 13 соединен также с цепью управления магнитного пускателя 19 реверсивного двигателя 20, силовая цепь которого через переключатель 21 полярности подключена к блоку питания двигателя 22, а вал двигателя соединен с механизмом 23 перемещения термоприемника 3 относительно источника 1 вдоль оси Х-ков, а также с механизмом 24 перемещения термоприемника вдоль оси Y-ков. Потенциометры 13 и 25 подключены к источнику 26 стабилизированного напряжения. Механизм перемещения термоприемника 23 соединен с реохордом первого потенциометра 13, а механизм 24 перемещения - с реохордом второго потенциометра 25. Реохорд второго потенциометра 25 подключен к второму информационному входу электронного ключа 17. Выход блока питания 27 источника энергии подключен к входу источника 1 энергии, а цепь управления блока питания 27 соединена с блоком 11 управления, который в свою очередь соединен с блоком 21 переключения полярности и цепями управления магнитного пускателя 19 и механизма 28 перемещения источника 1 энергии и термоприемника 3 относительно образца 2. Информационный выход центрального процессора 9 через устройство 29 вывода подключен к индикатору 30 и информационным входам счетчика 5. Выход реверсивного счетчика 7 подключен к управляющим входам второго и четвертого электронных ключей 5 и 17, а также к цепи управления магнитного пускателя 19. Выход компаратора 14 подключен также к цепям управления магнитного пускателя 19 и механизма 28 перемещения. The device consists of a source of
Устройство реализует предлагаемый способ следующим образом. Оператором перед началом измерения с клавишного пульта 11 управления вводится программа расчета теплофизических характеристик, построенная в соответствии с зависимостями (7) и (10). Затем по команде с пульта управления устройство приводится в исходное состояние: закрываются первый 4, второй 5, третий 12 и четвертый 17 электронные ключи, обнуляется счетчик 7, устанавливается на блоке 15 уставок напряжение, пропорциональное значению заданного рассто- яния R1, включается магнитный пускатель 19, при этом реверсивный двигатель 20 через механизм 23 перемещения перемещает термоприемник 3 относительно источника 1 до совмещения точки контроля температуры с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенциометра 13 установится на нулевое положение, а нулевой сигнал с него выключит магнитный пускатель 19, т. е. осуществится блокировка двигателя 20.The device implements the proposed method as follows. The operator before starting the measurement from the
Запуск устройства осуществляется оператором подачей с пульта 11 управления команды на включение блока 27 питания источника 1 энергии, включение механизма 28 перемещения источника 1 и термоприемника 3 относительно исследуемого изделия 2, переключение полярности питания блоком 21, включение пускателя 19 и запуск двигателя 20, который через механизм 23 осуществляет перемещение термоприемника 3 в сторону отставания от источника 1, открытие электронных ключей 4, 5 и 12. При перемещении термоприемника от точки теплового воздействия на исследуемое изделие информация об интегральном значении контролируемой избыточной температуры S1(R) заносится в счетчик 7. Поскольку стабилизированное напряжение питания в блоке 24 подобрано таким образом, чтобы при перемещении реохорда потенциометра 13 на единицу длины значение напряжение, снимаемого с реохорда, было строго пропорционально выбранной единице линейного перемещения, то при прохождении термоприемником заданного расстояния R1 от источника 1 реохорд, кинематически связанный с термоприемником, тоже переместится на расстояние R1. При этом сигнал с реохорда, подаваемый через ключ 12 на вход компаратора 14, станет равным величине уставки, подаваемой на второй вход компаратора 14. Последний при этом переключится в состояние логической единицы, закрыв прямым выходом электронный ключ 4, выключив пускатель 19 двигателя 20, механизм 28 перемещения и открыв через инвертор 16 ключ 5. Информация об избыточной температуре T1(R1) в точке контроля на расстоянии R1 с термоприемника 3 через ключ 5 и первый аналого-цифровой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9. Затем по команде с пульта 11 управления выключается механизм 28 перемещения источника и термоприемника, переключается полярность питания реверсивного двигателя 20, включается магнитный пускатель 19 и термоприемник 3 с помощью механизма 23 перемещается к источнику 1 энергии до момента совпадения точки контроля температуры и точки теплового воздействия, при этом блокировка выключает пускатель двигателя 20. После этого по команде с пульта управления переключается блок 21, включается двигатель 20 и через механизм 23 перемещения термоприемник 3 перемещается до совмещения с точкой теплового воздействия, при этом реохорд потенциометра 13 устанавливается в нулевое положение и включается двигатель 20. Затем по команде с пульта 11 переключается полярность питания двигателя 20 и включаются при этом механизмы перемещения по оси Х-ов 23 и по оси Y-ков 24. Открывается электронный ключ 4, а реверсивный счетчик 7 переключается из режима суммирования в режим вычитания. Перемещение термоприемника относительно источника происходит до тех пор, пока не обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5) S1(R1) = S2(Rx1 ). При этом сигналом со счетчика 7 выключается магнитный пускатель и останавливается двигатель 20, открывается ключ 17 и информация с реохордов 13 и 25 о расстоянии хI, у через второй АЦП заносится в оперативную память процессора 9, где в соответствии с алгоритмом R= определяется расстояние Rx1 между источником 1 и термоприемником. При этом открывается ключ 5 и информация о температуре Т2(Rx1 ) в точке Rx1 с термоприемника 3 через ключ 5 и АЦП 8 запишется в оперативную память процессора. Далее по команде с пульта 11 управления термоприемник 3 перемещается в исходное нулевое положение, подается сигнал на блок 27 питания, по которому мощность теплового воздействия становится равной q2. Из оперативной памяти процессора 9 информация об интегральном значении температуры S1(R1) через блок 29 вывода по информативному входу заносится в счетчик 5. После этого по команде с пульта управления переключается блок 21, включается механизм 28 перемещения термоприемника и источника и механизм 23 перемещения, включается пускатель 19 и двигатель 20, открывается электронный ключ 4, а реверсивный счетчик 7 переключается в режим вычитания. Перемещение термоприемника относительно источника происходит до тех пор, пока не обнулится реверсивный счетчик 7, что произойдет при выполнении условия (5) S1(R1) = S3(Rx2), т. е. условия равенства контролируемых интегральных по расстоянию значений температур. При этом сигналом с выхода счетчика 7 выключается магнитный пускатель 19 и происходит остановка двигателя 20, открывается ключ 17 и информация о расстоянии Rx2 через второй аналого-цифровой преобразователь 18 заносится в оперативную память микропроцессора, открывается электронный ключ 5 и информация Т3(Rx2) об избыточной контролируемой температуре в точке Rx2 с термоприемника 3 через ключ 5 и аналого-цифровой преобразователь 8 запишется в оперативную память микропроцессора 9.The device is started by the operator by issuing a command from the
Используя найденное значение Rx1, Rx2, T1(R1) и T2(Rx1), T3(Rx2), а также информацию о мощности тепловых воздействий q1 и q2 и скорости V по программе, построенной в соответствии с формулами (7) и (10), введенной в микропроцессор 9, рассчитываются значения искомых величин. Найденные значения теплофизических характеристик хранятся в оперативной памяти микропроцессора и могут быть вызваны оператором на индикаторное устройство 30 в любое время после окончания эксперимента.Using the found value of R x1 , R x2 , T 1 (R 1 ) and T 2 (R x1 ), T 3 (R x2 ), as well as information on the power of thermal effects q 1 and q 2 and speed V according to the program built in in accordance with formulas (7) and (10), introduced into the
Предложенный способ позволяет учесть в результатах измерения искомых теплофизических характеристик потери тепла в окружающую среду, что существенно повышает метрологические качества разработанного способа. Большим преимуществом предложенного способа является то, что он позволяет в отсутствие информации о температуре окружающей среды, о коэффициенте теплообмена α, который определить с большой точностью невозможно и на практике его значение берут, как правило, приближенно, при отсутствии информации о состоянии поверхности контролируемых изделий, определить потери в окружающую среду и внести соответственно поправку в результаты измерения, что в итоге повышает достоверность и точность информации об искомых коэффициентах тепло- и температуропроводности. The proposed method allows to take into account in the measurement results the desired thermophysical characteristics of heat loss to the environment, which significantly improves the metrological quality of the developed method. A big advantage of the proposed method is that it allows in the absence of information about the ambient temperature, the heat transfer coefficient α, which cannot be determined with great accuracy, and in practice its value is taken, as a rule, approximately, in the absence of information about the surface condition of the controlled products, determine losses to the environment and amend the measurement results accordingly, which ultimately increases the reliability and accuracy of the information about the desired heat and temperature coefficients oprovodnosti.
Предложенное устройство позволяет автоматически определить и вводить поправки на тепловые потери от изделия в окружающую среду, регистрировать и обрабатывать измерительную информацию в цифровой форме, повышает помехозащищенность и достоверность результатов. The proposed device allows you to automatically determine and introduce corrections for heat loss from the product into the environment, register and process measurement information in digital form, increases noise immunity and reliability of the results.
Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами и устройствами позволило за счет учета потерь тепла с нагретой исследуемой поверхности в окружающую среду на 3-5% повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими характеристиками, проведенные с использованием заявленного решения и прототипов, приведены в таблице. The conducted experimental verification showed that the proposed technical solution compared to the known methods and devices made it possible to increase the accuracy of measurement results by taking into account heat losses from the heated test surface into the environment by 3-5%. The results of a series of experiments on products with known thermophysical characteristics, carried out using the claimed solution and prototypes, are shown in the table.
Claims (2)
a = ; ;
λ = , ,
где λ, a - коэффициенты тепло- и температуропроводности, Вт/м к; м2/с;
R1, Rx1, Rx2 - соответственно заданное и найденные расстояния между центром пятна нагрева и точкой контроля температуры, м;
T1(R1), T2(Rx2), T3(Rx2) - избыточные температуры в точках соответственно на расстояниях R1, Rx1 и Rх2 от центра пятна нагрева при мощности источника q1 и q2, oС;
V - скорость движения источника и термоприемника относительно исследуемого тела, м/с;
X1 - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии Rx1, на линию движения источника энергии, м.1. The method of non-contact measurement of the thermophysical characteristics of materials, which consists in the fact that they act on the surface of the body with a point moving source of heat of a certain power, measure the excess temperature of the heated surface of the line of its movement and on a parallel line, measure the distance between the temperature control point and the center of the heating spot the source and the magnitude of excess temperatures determine the desired values, characterized in that they place the temperature control point in the center of the spot on heating, shift the temperature control point from the heating spot along the line of movement of the source to the backward lag by a predetermined distance, while measuring the distance-integral value of the excess limit temperature in the segment of movement from the heating spot to the specified position of the control point, determine the excess temperature in the given position of the control point , place the control point in the center of the heating spot, and then remove it along an arbitrarily chosen straight line in the direction of the lag from the source by a distance at which the integral the distance value of the excess temperature will be equal to the value of the integral temperature obtained when the control point moves along the source line for a given distance, the control point is moved to the center of the heating spot and the power source is measured by a certain amount, the control point is moved from the center of the heating spot along the movement line the source in the direction of lagging behind it by a distance at which the distance-integral value of the excess temperature will be equal to the value of the integral temperature at izhenii of source lines with the initial capacity, and the desired thermal characteristics determined from the relations
a = ; ;
λ = ,,
where λ, a are the coefficients of heat and thermal diffusivity, W / m to; m 2 / s;
R 1 , R x1 , R x2 , respectively, the given and found distances between the center of the heating spot and the temperature control point, m;
T 1 (R 1 ), T 2 (R x2 ), T 3 (R x2 ) - excess temperatures at points, respectively, at distances R 1 , R x1 and R x2 from the center of the heating spot at the source power q 1 and q 2 , o WITH;
V is the speed of movement of the source and the thermal receiver relative to the investigated body, m / s;
X 1 - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point located at a distance R x1 , on the line of motion of the energy source, m
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5023262 RU2011977C1 (en) | 1991-07-23 | 1991-07-23 | Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5023262 RU2011977C1 (en) | 1991-07-23 | 1991-07-23 | Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011977C1 true RU2011977C1 (en) | 1994-04-30 |
Family
ID=21594933
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5023262 RU2011977C1 (en) | 1991-07-23 | 1991-07-23 | Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2011977C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000043763A1 (en) * | 1999-01-22 | 2000-07-27 | Jury Anatolievich Popov | Method for the express definition of the thermal conductivity of solid materials and device for realising the same |
US8444315B2 (en) | 2008-09-30 | 2013-05-21 | Schlumberger Technology Corporation | Method of determining thermophysical properties of solid bodies |
-
1991
- 1991-07-23 RU SU5023262 patent/RU2011977C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2000043763A1 (en) * | 1999-01-22 | 2000-07-27 | Jury Anatolievich Popov | Method for the express definition of the thermal conductivity of solid materials and device for realising the same |
US8444315B2 (en) | 2008-09-30 | 2013-05-21 | Schlumberger Technology Corporation | Method of determining thermophysical properties of solid bodies |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Madding | Emissivity measurement and temperature correction accuracy considerations | |
Meissner et al. | Experimental evidence on time-dependent specific heat in vitreous silica | |
CA2397102C (en) | Direct thermal conductivity measurement technique | |
US4568198A (en) | Method and apparatus for the determination of the heat transfer coefficient | |
RU2011977C1 (en) | Method of and device for contactless measurement of thermophysical characteristics of materials | |
JPH0479573B2 (en) | ||
Osséni et al. | Hot plate method with two simultaneous temperature measurements for thermal characterization of building materials | |
JP4585516B2 (en) | Method and apparatus for performing thermal analysis of materials | |
Haji-Sheikh et al. | Sensitivity analysis for thermophysical property measurements using the periodic method | |
RU2178166C2 (en) | Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials | |
RU2251098C1 (en) | Method of contact-free nondestructive testing of thermal- physical properties of materials | |
Abouellail et al. | Influence of destabilizing factors on results of thermoelectric testing | |
RU2166188C1 (en) | Contactless adaptive nondestructive method for checking thermal characteristics of materials | |
Davis | In vivo temperature measurements | |
Chudzik | Thermal diffusivity measurement of insulating material using infrared thermography | |
US3313140A (en) | Automatic calibration of direct current operated measuring instruments | |
RU2211446C2 (en) | Method of contact-free nondestructive test of thermophysical properties of materials and facility for its embodiment | |
SU1481656A1 (en) | Method of contactless check of material thermal physics characteristics | |
Sotnikova et al. | Radiometric studies of leakage currents in dielectrics | |
Lima e Silva et al. | A correlation function for thermal properties estimation applied to a large thickness sample with a single surface sensor | |
RU2084819C1 (en) | Method of nondestructive check of thickness of protective coats of articles and device for its realization | |
RU1796884C (en) | Method and device for non-destructive inspection of protective coating thickness of articles | |
Boháč et al. | Analysis of the influence of the heat source, heat capacity and the heat transfer coefficient between heat source and specimen for the pulse and step-wise transient methods | |
SU1124209A1 (en) | Method and device for non-destructive checking of material thermal physical characteristics | |
Troitsky et al. | Remote nondestructive monitoring of coatings and materials by the flash technique |