RU2123179C1

RU2123179C1 - Thermal probe for nondestructive inspection of heat conduction of materials

Info

Publication number: RU2123179C1
Application number: RU97119442A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Чернышов; М.В. Макаров; Т.И. Чернышова; А.В. Селезнев; А.В. Терехов
Original assignee: Тамбовский государственный технический университет
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 1998-12-10

Abstract

FIELD: technical physics. SUBSTANCE: in thermal probe holder is mounted for reciprocating motion inside case and is spring-loaded with reference to it. Heater is made linear. Heat sensitive element presents thermal battery composed of two thermocouples placed in symmetry with regard to line of heater on both sides of it. Electrodes of thermocouples are butt- welded and arranged in parallel to heater so that distance from cold junctions of thermocouples to heater is one order higher than distance from heater to hot junctions of thermocouples. Heater and heat sensitive element are separated from elastic plate put on holder by heat insulator. EFFECT: increased measurement accuracy and expanded functional capabilities of probe. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, в частности к теплофизическим измерениям и может найти широкое применение в системах неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий из них. The invention relates to the field of technical physics, in particular to thermophysical measurements and can find wide application in non-destructive quality control systems for materials and finished products from them.

Известен термозонд для измерения теплопроводности твердых тел (авт.св. СССР N 1004841, кл. G 01 N 25/18, 1981), работа которого основана на создании теплового воздействия на исследуемое тело и измерении его температуры при наступлении стационарного режима. Термозонд содержит корпус в виде стержня с алмазным наконечником, состоящим из двух частей: измерительной, выполненной из полупроводникового алмаза, и части, воспринимающей нагрузку и соединенной с корпусом. После прижима зонда к исследуемому телу через кристалл полупроводникового алмаза пропускают ток, при этом зонд нагревается до заданной температуры. Температура контролируется по известной для данного кристалла алмаза температурной зависимости от электрического сопротивления. Known thermal probe for measuring the thermal conductivity of solids (ed. St. USSR N 1004841, class G 01 N 25/18, 1981), the work of which is based on the creation of thermal effects on the test body and measuring its temperature when stationary conditions occur. The thermal probe contains a body in the form of a rod with a diamond tip, consisting of two parts: a measuring one made of semiconductor diamond, and a part that accepts the load and connected to the body. After the probe is pressed against the body under investigation, a current is passed through the semiconductor diamond crystal, while the probe heats up to a predetermined temperature. The temperature is controlled by the temperature dependence of the electrical resistance known for a given diamond crystal.

Недостатком этого термозонда является необходимость его термостатирования, в противном случае погрешность температурных измерений значительно возрастает из-за возникновения неконтролируемого температурного градиента между термозондом и исследуемым телом. Кроме того, существенным недостатком данного термозонда является значительная погрешность измерения, обусловленная невозможностью точного определения величины тепловых потерь по корпусу зонда, которые от эксперимента к эксперименту изменяются из-за случайного характера процесса теплообмена корпуса и окружающей среды. The disadvantage of this thermoprobe is the need for temperature control, otherwise the error in temperature measurements increases significantly due to the appearance of an uncontrolled temperature gradient between the thermoprobe and the body under study. In addition, a significant drawback of this thermoprobe is the significant measurement error due to the impossibility of accurately determining the magnitude of heat losses in the probe body, which vary from experiment to experiment due to the random nature of the heat transfer process of the body and the environment.

Известно устройство для измерения теплопроводности твердых материалов (авт. св. СССР N 741125, кл. G 01 N 25/18), которое состоит из нагревателя, представляющего собой спираль, опрессованную терморезистивным материалом в виде прямоугольника, и двух тонких металлических пластин. Между пластинами помещаются крышка и основание, изготавливаемые из испытываемого материала. В центре основания выполнено гнездо для нагревателя, а также канавки для выводов спирали и электродов, подсоединенных к двум противоположным торцам нагревателя и позволяющих использовать его в качестве терморезистора, включенного в измерительную цепь. Работа устройства заключается в создании нагревателем постоянного теплового потока, воздействующего на испытываемый материал, и измерении термосопротивления нагревателя, которое функционально связано с теплопроводностью этого материала. A device for measuring the thermal conductivity of solid materials (ed. St. USSR N 741125, class G 01 N 25/18), which consists of a heater, which is a spiral, crimped by a thermoresistive material in the form of a rectangle, and two thin metal plates. A lid and a base made of the test material are placed between the plates. In the center of the base there is a socket for the heater, as well as grooves for the leads of the spiral and electrodes connected to two opposite ends of the heater and allowing it to be used as a thermistor included in the measuring circuit. The operation of the device consists in creating a constant heat flow by the heater acting on the material under test, and measuring the thermal resistance of the heater, which is functionally related to the thermal conductivity of this material.

Недостатками этого устройства являются необходимость в разрушении исследуемых изделий, так как эксперимент предусматривает изготовление образца из испытываемого материала специальной формы, а также дополнительная погрешность измерений, обусловленная неучтенными тепловыми потерями по электродам термосопротивления. The disadvantages of this device are the need for the destruction of the studied products, since the experiment involves the manufacture of a sample from the tested material of a special shape, as well as an additional measurement error due to unaccounted heat losses through the thermistors.

За прототип принят термозонд, используемый в устройстве для измерения теплопроводности (авт.св. СССР N 694805, кл. G 01 N 25/18, 1979), содержащий корпус со встроенной в него измерительной головкой, состоящей из держателя, на котором размещена эластичная пластина с закрепленными на ней нагревателем в форме диска и термочувствительным элементом, представляющим собой дифференциальную термопару, горячие и холодные спаи которой расположены по двум концентрическим окружностям вокруг нагревателя. The thermoprobe used in the device for measuring thermal conductivity (ed. St. USSR N 694805, class G 01 N 25/18, 1979), comprising a housing with a measuring head built into it, consisting of a holder on which an elastic plate is placed, was adopted as a prototype with a disk-shaped heater mounted on it and a heat-sensitive element, which is a differential thermocouple, hot and cold junctions of which are located in two concentric circles around the heater.

Недостатком зонда-прототипа является наличие неучтенных тепловых потерь в зоне измерения, обусловленных отводом тепла по электродам термопар. Конструкция нагревателя в прототипе позволяет проводить измерения теплофизических характеристик только на плоских объектах, так как для нагрева в нем используется плоский круглый нагреватель. Кроме того, конструкция зонда-прототипа такова, что она не обеспечивает постоянства усилия прижатия зонда к исследуемому материалу, в результате чего возрастает случайная составляющая общей погрешности результатов измерения от контактного термосопротивления, которое меняется от эксперимента к эксперименту. The disadvantage of the prototype probe is the presence of unaccounted for heat losses in the measurement zone due to heat removal through the thermocouple electrodes. The design of the heater in the prototype allows the measurement of thermophysical characteristics only on flat objects, since it uses a flat round heater for heating. In addition, the design of the prototype probe is such that it does not ensure the constant pressure of the probe against the material being studied, as a result of which the random component of the total error of the measurement results from the contact thermal resistance increases, which varies from experiment to experiment.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей. The technical task of the invention is to increase the accuracy of measurements and expand the functionality.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемом зонде держатель имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинен относительно него, нагреватель выполнен линейным, термочувствительный элемент представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар, расположенных симметрично относительно линии нагревателя по обе стороны от него, причем электроды термопар сварены встык и расположены параллельно нагревателю таким образом, чтобы расстояние от холодных спаев термопар до нагревателя было на порядок больше, чем расстояние от нагревателя до горячих спаев термопар, нагреватель и термочувствительный элемент отделены от эластичной пластины теплоизолятором. The solution of the technical problem is achieved by the fact that in the proposed probe the holder has the possibility of reciprocating movement inside the housing and is spring-loaded relative to it, the heater is linear, the thermosensitive element is a thermopile consisting of two thermocouples located symmetrically relative to the heater line on either side of it moreover, the thermocouple electrodes are butt welded and parallel to the heater so that the distance from the cold junctions of the thermocouples the heater was an order of magnitude greater than the distance from the heater to the hot junctions of the thermocouples, the heater and the thermosensitive element were separated from the elastic plate by a heat insulator.

На фиг. 1 изображен предлагаемый термозонд; на фиг. 2 показано размещение нагревателя и термобатарей на теплоизоляционной подложке; на фиг. 3 показана схема соединения термопар в термобатарею. In FIG. 1 shows the proposed thermal probe; in FIG. 2 shows the placement of the heater and thermal batteries on a heat-insulating substrate; in FIG. 3 shows a diagram of the connection of thermocouples to a thermopile.

Термозонд (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус, состоящий из двух частей 1 и 2, соединенных между собой с помощью четырех винтов 3, на которых установлены пружины 4, обеспечивающие постоянную степень прижатия измерительной головки к поверхности исследуемого объекта или изделия 5, при этом измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного движения в цилиндрической полости корпуса. Измерительная головка состоит из держателя 6 с размещенными на нем эластичной пластиной 7 и теплоизоляционной подложкой 8. На поверхности теплоизоляционной подложки, контактирующей с объектом 5, имеется канавка, в которой помещен линейный электронагреватель 9, изготовленный из микропровода с высоким электрическим сопротивлением (нихром). Кроме того, на подложке 8 расположен термочувствительный элемент, который представляет собой термобатарею, состоящую из двух термопар 10, 11, расположенных в канавках теплоизолятора симметрично относительно линии нагревателя 9 таким образом, что расстояние от холодных спаев 12, 13 термопар 10, 11 до нагревателя 9 на порядок больше, чем расстояние от нагревателя 9 до горячих спаев 14, 15 термопар 10, 11. Постоянное натяжение нагревателя 9 и термопар 10, 11 обеспечивается пружинами 16. Такое расположение электродов термопар, а также выбор моментов времени снятия с них измерительной информации гарантирует то, что тепловая волна, достигнув горячих (рабочих) спаев 14, 15, не достигнет холодных спаев 12, 13 термопар 10, 11. Обычно расстояние от линейного нагревателя до горячих спаев 14, 15 берется равным 2-3 мм, а до холодных спаев 12, 13 - около 20 мм. The thermal probe (Fig. 1) contains a cylindrical body, consisting of two parts 1 and 2, interconnected by four screws 3, on which springs 4 are mounted, providing a constant degree of pressure of the measuring head to the surface of the object or article 5, while measuring the head has the ability to reciprocate in the cylindrical cavity of the housing. The measuring head consists of a holder 6 with an elastic plate 7 placed on it and a heat-insulating substrate 8. On the surface of the heat-insulating substrate in contact with object 5, there is a groove in which a linear electric heater 9 is placed, made of a microwire with high electrical resistance (nichrome). In addition, a heat-sensitive element is located on the substrate 8, which is a thermopile consisting of two thermocouples 10, 11 located in the grooves of the heat insulator symmetrically with respect to the line of the heater 9 so that the distance from the cold junctions 12, 13 of the thermocouples 10, 11 to the heater 9 an order of magnitude greater than the distance from the heater 9 to the hot junctions 14, 15 of the thermocouples 10, 11. The constant tension of the heater 9 and the thermocouples 10, 11 is ensured by the springs 16. This arrangement of the thermocouple electrodes, as well as the choice of time moments Measuring information from them ensures that the heat wave, having reached the hot (working) junctions 14, 15, does not reach the cold junctions 12, 13 of thermocouples 10, 11. Usually, the distance from the linear heater to the hot junctions 14, 15 is taken to be 2-3 mm, and to cold junctions 12, 13 - about 20 mm.

Термозонд работает следующим образом. В процессе измерения термозонд прижимается к объекту контроля контактной поверхностью измерительной головки. При этом пружины 4 обеспечивают постоянное усилие прижатия измерительной головки к объекту измерения, а пружины 16 обеспечивают натяжение термопар 10, 11 и нагревателя 9, причем использование эластичной пластины обеспечивает плотное прилегание без воздушных зазоров контактной поверхности измерительной головки как к плоским, так и к имеющим небольшой радиус кривизны объектам контроля. На нагреватель 9 подаются электрические импульсы заданной мощности, осуществляющие нагрев исследуемого материала, а с помощью дифференциальных термопар 10, 11 производится съем информации о разностной термоЭДС в зоне измерения. Полученная таким образом информация о температурно-временных изменениях в объекте контроля используется для расчета искомых теплофизических характеристик по известным соотношениям. Thermal probe works as follows. During the measurement, the thermal probe is pressed against the control object by the contact surface of the measuring head. In this case, the springs 4 provide a constant force of pressure of the measuring head to the measurement object, and the springs 16 provide tension for the thermocouples 10, 11 and heater 9, and the use of an elastic plate provides a snug fit without air gaps on the contact surface of the measuring head to both flat and small radius of curvature of the objects of control. Electric impulses of a given power are supplied to the heater 9, which heat the material under study, and using differential thermocouples 10, 11, information is taken on the differential thermoEMF in the measurement zone. The information obtained in this way about the temperature-time changes in the control object is used to calculate the desired thermophysical characteristics using known relations.

В предлагаемом термозонде устранены недостатки зонда-прототипа, так как использование в конструкции линейного нагревателя и сваренных встык термопар, электроды которых расположены параллельно нагревателю и находятся на линиях изотерм, проходящих параллельно линии нагревателя, значительно уменьшает отток тепла от зоны измерения температуры по электродам термопар, а это увеличивает точность температурных измерений. Применение подпружиненных и размещенных на эластичной подложке линейных нагревателя и термопар позволяет применять термозонд для измерения теплофизических характеристик материалов и изделий как с плоской, так и с имеющей небольшой радиус кривизны поверхностью. В предлагаемом термозонде измерительная головка имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса и подпружинена относительного него, что обеспечивает постоянную степень ее прижатия к исследуемому образцу от эксперимента к эксперименту, а следовательно, повышает воспроизводимость и точность измерений при любой ориентации исследуемой поверхности. Кроме того, основным преимуществом предложенного измерительного термозонда является то, что рабочие и вспомогательные спаи дифференциальных термопар прижимаются с одним и тем же усилием к поверхности исследуемых объектов, при этом состояние поверхности в этом случае для обоих спаев практически одинаково. Поэтому влияние контактных термосопротивлений в зоне измерения, зависящих от степени прижатия и состояния поверхности, на результаты температурных измерений в этом случае сводится к минимуму, так как в качестве измерительной информации используется разностный сигнал с дифференциальных термопар. Таким образом, предложенный термозонд по сравнению с известными техническими решениями имеет большие преимущества по точности определения искомых теплофизических характеристик из-за значительного уменьшения отвода тепла по электродам термопар из зоны измерения температуры, а также постоянного прижима измерительной головки к исследуемым образцам и изделиям, что обуславливает уменьшение случайной доли общей погрешности результатов. Кроме того, предложенный термозонд имеет более широкие возможности по виду и форме контролируемых материалов и изделий, так как включает и объекты с криволинейной поверхностью. Из вышесказанного следует, что предложенный термозонд найдет применение в приборах и системах оперативного неразрушающего контроля качества материалов и готовых изделий, а также в практике теплофизических исследований. In the proposed thermal probe, the disadvantages of the prototype probe are eliminated, since the use of a linear heater and butt welded thermocouples in the design, the electrodes of which are parallel to the heater and located on isotherm lines running parallel to the heater line, significantly reduce the heat outflow from the temperature measurement zone through the thermocouple electrodes, and this increases the accuracy of temperature measurements. The use of linear heaters and thermocouples spring-loaded and placed on an elastic substrate allows the use of a thermal probe to measure the thermophysical characteristics of materials and products with both a flat surface and a surface with a small radius of curvature. In the proposed thermal probe, the measuring head has the possibility of reciprocating movement inside the housing and is spring-loaded relative to it, which ensures a constant degree of its pressing against the test sample from experiment to experiment, and therefore, increases the reproducibility and accuracy of measurements for any orientation of the investigated surface. In addition, the main advantage of the proposed measuring thermoprobe is that the working and auxiliary junctions of differential thermocouples are pressed with the same force to the surface of the objects under study, while the surface condition in this case is almost the same for both junctions. Therefore, the influence of contact thermoresistance in the measurement zone, which depends on the degree of pressing and the state of the surface, on the results of temperature measurements in this case is minimized, since the difference signal from differential thermocouples is used as the measurement information. Thus, the proposed thermal probe, in comparison with the known technical solutions, has great advantages in the accuracy of determining the desired thermophysical characteristics due to a significant decrease in heat removal through the thermocouple electrodes from the temperature measurement zone, as well as the constant pressure of the measuring head to the samples and products under investigation, which leads to a decrease a random fraction of the total error of the results. In addition, the proposed thermal probe has wider capabilities in the form and form of controlled materials and products, since it also includes objects with a curved surface. It follows from the foregoing that the proposed thermal probe will find application in devices and systems for operational non-destructive quality control of materials and finished products, as well as in the practice of thermophysical research.

Claims

Thermal probe for non-destructive testing of the thermophysical properties of materials, comprising a housing with a measuring head built into it, consisting of a holder, on which an elastic plate is placed with a heater and a thermosensitive element located on it, characterized in that the holder has the possibility of reciprocating movement inside the case and is spring-loaded relative to it, the heater is linear, the thermosensitive element is a thermal battery, consisting of two, included after consequently, differential thermocouples located symmetrically with respect to the heater line on either side of it, and the thermocouple electrodes are butt-welded and parallel to the heater so that the distance from the cold junctions of the thermocouples to the heater is an order of magnitude greater than the distance from the heater to the hot junctions of the thermocouples, the heater and the heat-sensitive element is separated from the elastic plate by a heat insulator.