RU2150694C1

RU2150694C1 - Method of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials

Info

Publication number: RU2150694C1
Application number: RU96120521A
Authority: RU
Inventors: И.Н. Ищук; А.И. Фесенко
Original assignee: Ищук Игорь Николаевич; Фесенко Александр Иванович
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 2000-06-10

Abstract

FIELD: study of materials. SUBSTANCE: method is good for nondestructive test of thermophysical characteristics of materials with use of point source of heat. Two point pulse sources of heat are placed on heat- insulated surface of tested material. Temperature-sensitive element is positioned on line of location of sources. Sequence of heat pulses with repetition period τ from first point source of heat is used to determine thermophysical characteristics of material, then second point source of heat starts to operate in step with first source. First excessive temperature and doubled first excessive temperature are achieved and steady-state power of heat source is registered. EFFECT: enhanced accuracy of measurement of thermophysical characteristics of materials , decreased energy consumption. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. The present invention relates to technical physics, in particular to thermophysical measurements.

Существует импульсный способ определения теплофизических характеристик материалов (ТФХ), состоящий в импульсном тепловом воздействии по прямой линии на поверхность образца и регистрации момента времени, когда интегральное во времени значения температуры с момента подачи теплового импульса до момента наступления максимума температуры в контролируемой точке станет равной интегральной во времени температуре в той же точке после наступления максимума температуры Т_max (авторское свидетельство СССР N 1201742, кл. G 01 N 25/18, 1985).There is a pulsed method for determining the thermophysical characteristics of materials (TPC), consisting in pulsed thermal action in a straight line to the surface of the sample and recording the point in time when the temperature-integral temperature value from the moment the heat pulse is applied until the temperature reaches its maximum at the controlled point becomes equal to the integral time temperature at the same point after the maximum temperature T _max (USSR author's certificate N 1201742, CL G 01 N 25/18, 1985).

Недостатком этого способа является значительная погрешность определения наступления максимума и величины температуры Т_max.The disadvantage of this method is the significant error in determining the onset of the maximum and the temperature T _max .

Известен также способ наиболее близкий к данному техническому решению определения ТФХ, заключающийся в следующем: при использовании одного теплоприемника определяют интервал времени от момента подачи первого теплового импульса от линейного источника тепла до момента времени, когда температура в точке расположения датчика станет равной ее первоначальному значению, устанавливают минимальную частоту следования тепловых импульсов и начинают ее увеличивать в соответствии с известной зависимостью. В точке расположения датчика регистрируют такую частоту следования тепловых импульсов, при которой устанавливается значение избыточной, наперед заданной температуры, затем опять увеличивают частоту следования тепловых импульсов пока не достигнут второго наперед заданного значения температуры. Установившееся значение температуры достигается в точке расположения датчика тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуру в этой точке. При этом производится замена исходной функции двумя членами ряда Маклорена (авторское свидетельство СССР N 1402892, кл. G 01 N 25/18, 1986). There is also known a method closest to this technical solution for determining the thermal characteristics, which consists in the following: when using a single heat sink, determine the time interval from the moment of the first heat pulse from the linear heat source to the time when the temperature at the sensor location becomes equal to its initial value, set the minimum repetition rate of thermal pulses and begin to increase it in accordance with the known dependence. At the location of the sensor, a thermal pulse repetition rate is recorded at which the value of the excess predetermined temperature is set, then the thermal pulse repetition rate is increased again until the second predetermined temperature value is reached. A steady-state temperature is reached at the point where the sensor is located when the next heat pulse does not change the temperature at that point. In this case, the initial function is replaced by two members of the Maclaurin series (USSR copyright certificate N 1402892, class G 01 N 25/18, 1986).

Недостатком этого способа является значительное энергопотребление источником тепла и возникающая погрешность в силу произведенной замены исходной функции. The disadvantage of this method is the significant energy consumption of the heat source and the resulting error due to the replacement of the original function.

Для определения погрешности способа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения датчика температуры. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела, описывается выражением вида:

где Q - мощность источника тепла;
F - частота следования импульсов;
а - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности;
R - расстояние между источником тепла и датчиком;
k - порядковый номер следования тепловых импульсов.To determine the error of the method on an IBM 486 personal computer, computer simulation of temperature measurement processes at the location of the temperature sensor was performed. The process of heat propagation on the surface of a body that is thermally insulated from the environment in the heat sense of the body is described by an expression of the form:

where Q is the power of the heat source;
F is the pulse repetition rate;
a is the coefficient of thermal diffusivity;
λ is the coefficient of thermal conductivity;
R is the distance between the heat source and the sensor;
k is the sequence number of the thermal pulses.

Разложение этой функции в ряд Маклорена и использование его двух членов дает выражение вида:

При расчете избыточных температур для исходных величин Q=1 Дж; F=1 Гц; а= 10^-5м²/с; λ =1 Вт/м • К; R=10^-3 м погрешность, возникающая в результате произведенной замены, составляет 10,91%. Для Q=1 Дж; F=1 Гц; а=5•10^-6м²/с; λ =1 Вт/м•К; R=10^-3м погрешность уже составляет 145,8%.The expansion of this function in the Maclaurin series and the use of its two terms gives an expression of the form:

When calculating excess temperatures for the initial values Q = 1 J; F = 1 Hz; a = 10 ^-5 m ² / s; λ = 1 W / m • K; R = 10 ^-3 m, the error resulting from the replacement is 10.91%. For Q = 1 J; F = 1 Hz; a = 5 • 10 ^-6 m ² / s; λ = 1 W / m • K; R = 10 ^-3 m the error is already 145.8%.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения ТФХ материалов. The technical result of the invention is to increase the accuracy of the measurement of the thermal characteristics of materials.

Сущность изобретения заключается в следующем: на теплоизолированной поверхности исследуемого материала помещают два точечных импульсных источника тепла. На линии размещения источников тепла располагают термодатчик (термопару) на расстоянии R₁ и R₂ от каждого источника соответственно, при этом количество тепла, выделяемое первым источником тепла, равно Q₁, а вторым источником Q₂. Определение ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения τ от первого точечного источника тепла до тех пор, пока в точке расположения термодатчика не установится избыточное значение температуры T₁, которую фиксируют. Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс не изменяет температуры в этой точке, затем синхронно с первым источником тепла начинает действовать второй источник, при этом устанавливается такая мощность источника тепла, что в точке расположения термодатчика фиксируют избыточную температуру, равную удвоенному значению температуры T₁. Количество тепла, выделяемого вторым источником тепла Q₂, регистрируют.The essence of the invention is as follows: on a thermally insulated surface of a test material, two point pulsed heat sources are placed. A temperature sensor (thermocouple) is located on the line of placement of heat sources at a distance of R ₁ and R ₂ from each source, respectively, while the amount of heat generated by the first heat source is Q ₁ and the second source Q ₂ . Determination of the TFC of the material is carried out by exposure to a sequence of thermal pulses with a repetition period τ from the first point heat source until an excess temperature T ₁ is fixed at the location of the temperature sensor, which is fixed. The steady-state temperature value at the control point is achieved when the next heat pulse does not change the temperature at this point, then the second source starts acting in synchronism with the first heat source, and the heat source is set such that the excess temperature is fixed at the location of the temperature sensor, which is doubled temperature value T ₁ . The amount of heat generated by the second heat source Q ₂ is recorded.

По заданному и определенному значениям количества тепла Q₁ и Q₂ искомые ТФХ исследуемого материала рассчитывают по формулам:

где

a - коэффициент температуропроводности;
τ - период повторения импульсов;
R₁, R₂ - расстояние между термодатчиком и соответствующими источниками тепла;
Q₁, Q₂ - количество тепла, выделяемого первым и вторым точечными источниками тепла;
λ коэффициент теплопроводности;
T₁ - избыточная температура;
k - порядковый номер следования тепловых импульсов;
n_max - количество тепловых импульсов, воздействующих на исследуемый материал до момента установления избыточной температуры.For a given and determined values of the amount of heat Q ₁ and Q _{2, the} desired TFC of the test material is calculated by the formulas:

Where

a is the thermal diffusivity;
τ is the pulse repetition period;
R ₁ , R ₂ - the distance between the temperature sensor and the corresponding heat sources;
Q ₁ , Q ₂ - the amount of heat generated by the first and second point heat sources;
λ thermal conductivity coefficient;
T ₁ - excess temperature;
k is the sequence number of the thermal pulses;
n _max - the number of thermal pulses acting on the test material until the excess temperature is established.

Приведенные формулы получают на основании следующих рассуждений. Процесс распространения тепла на теплоизолированной от окружающей среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при воздействии n тепловых импульсов с периодом повторения τ от точечного источника тепла в момент подачи очередного теплового импульса описывается выражением вида:

Воспользовавшись разложением (3) в рад Маклорена:

и взяв первые два члена ряда, установившееся значение температуры в точке расположения датчика будет определятся выражениями:

Взяв отношение выражений (4) и (5), получают формулу для определения коэффициента температуропроводности (1), подставив найденное значение коэффициента температуропроводности в выражение (4), получают формулу для определения коэффициента теплопроводности (2).The given formulas are obtained on the basis of the following considerations. The process of heat propagation on the surface of a body that is thermally semi-infinite thermally insulated from the environment when exposed to n thermal pulses with a repetition period τ from a point heat source at the time of the next heat pulse is described by an expression of the form:

Using the decomposition (3) in rad Maclaurin:

and taking the first two members of the series, the steady-state temperature at the location of the sensor will be determined by the expressions:

Taking the ratio of expressions (4) and (5), we obtain a formula for determining the thermal diffusivity (1), substituting the found value of the thermal diffusivity in expression (4), we obtain a formula for determining the thermal conductivity (2).

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа. На теплоизолированной поверхности исследуемого материала 1 помещают два точечных импульсных источника тепла 2 и 3. На линии размещения источников тепла располагают термодатчик (термопару) 4 на расстоянии R₁ и R₂ от каждого источника соответственно, при этом количество тепла, выделяемое первым источником тепла 2, равно Q₁, а вторым источником 3 равно Q₂. Определение ТФХ материала осуществляют путем воздействия последовательностью тепловых импульсов с периодом повторения τ от первого точечного источника тепла 2 до тех пор, пока в точке расположения термодатчика 4 не установится значение избыточной температуры T₁, которую фиксируют, затем синхронно с первым источником тепла начинает действовать второй источник 3, при этом устанавливается такая мощность источника тепла 3, что в точке расположения термодатчика 4 фиксируют избыточную температуру, равную удвоенному значению температуры T₁. Количество тепла, выделяемого вторым источником тепла Q₂, регистрируют. На фиг.2 приведены измеренные дискретно во времени значения температуры.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of the proposed method. Two point-type pulsed heat sources 2 and 3 are placed on the heat-insulated surface of the material under study 1. A thermal sensor (thermocouple) 4 is placed on the heat source location line 4 at a distance of R ₁ and R ₂ from each source, respectively, while the amount of heat generated by the first heat source 2, equal to Q ₁ , and the second source 3 is equal to Q ₂ . Determination of the thermal characteristics of the material is carried out by exposure to a sequence of thermal pulses with a repetition period τ from the first point heat source 2 until the value of the excess temperature T ₁ is fixed at the location of the temperature sensor 4, which is fixed, then the second source begins to act in synchronism with the first heat source 3, the power of the heat source 3 is set such that at the location of the temperature sensor 4, an excess temperature equal to twice the temperature T _{1 is} fixed. The amount of heat generated by the second heat source Q ₂ is recorded. Figure 2 shows the temperature values measured discretely in time.

Для предлагаемого способа на персональном компьютере IBM 486 производилось машинное моделирование процессов измерения температуры в точке расположения термодатчика. При расчете избыточных температур для исходных величин Q=1 Дж; τ =1 с; а=10^-5м²/с; λ =1 Вт/м•К; R=10^-3 м погрешность, возникающая в результате произведенной замены, составляет 0,014%. Для Q=1 Дж; F=1 Гц; а= 5•10^-6м²/с; λ= 1 Вт/м•К; R=10^-3 м погрешность составляет 1,48%.For the proposed method on an IBM 486 personal computer, computer simulation of temperature measurement processes at the location of the temperature sensor was performed. When calculating excess temperatures for the initial values Q = 1 J; τ = 1 s; a = 10 ^-5 m ² / s; λ = 1 W / m • K; R = 10 ^-3 m, the error resulting from the replacement is 0.014%. For Q = 1 J; F = 1 Hz; a = 5 • 10 ^-6 m ² / s; λ = 1 W / m • K; R = 10 ^-3 m the error is 1.48%.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить точность измерения ТФХ материалов, уменьшить энергопотребление источником тепла. Application of the proposed method allows to increase the accuracy of measuring the thermal characteristics of materials, to reduce the energy consumption of a heat source.

Claims

A method of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials, which consists in using pulsed heating of the surface of a thermally insulated test material and measuring the temperature with a thermal sensor at one control point, characterized in that two point heat sources are used, with the help of the first heat source they act on the test material so that at the location point the temperature sensor reaches the first excess temperature, then act with the help of the first and second heat sources, while such a power of the second source is compressed that they reach an excess temperature equal to twice the value of the first excess temperature, and the desired thermophysical characteristics of the materials are calculated by the formulas

Where

a is the coefficient of thermal diffusivity;
Q ₁ , Q ₂ - the amount of heat generated by point heat sources;
τ is the pulse repetition period;
λ is the coefficient of thermal conductivity;
R ₁ , R ₂ - the distance between the respective heat sources and the temperature sensor;
T ₁ - excess temperature;
k is the sequence number of the thermal pulses;
n _max - the number of thermal pulses acting on the test material until the excess temperature is established.