RU2153664C1 - Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials - Google Patents
Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2153664C1 RU2153664C1 RU99104768A RU99104768A RU2153664C1 RU 2153664 C1 RU2153664 C1 RU 2153664C1 RU 99104768 A RU99104768 A RU 99104768A RU 99104768 A RU99104768 A RU 99104768A RU 2153664 C1 RU2153664 C1 RU 2153664C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- samples
- thermal conductivity
- temperature
- platform
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, а более точно к способам экспрессного определения теплопроводности твердых материалов и к устройствам для их осуществления. The invention relates to thermophysical instrumentation, and more specifically to methods of rapid determination of thermal conductivity of solid materials and to devices for their implementation.
Известен способ определения теплопроводности материалов, включающий нагрев поверхности исследуемого образца подвижным точечным источником нагрева и регистрацию температуры поверхности образца по линии перемещения источника нагрева датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника нагрева [1]. A known method for determining the thermal conductivity of materials, including heating the surface of the test sample with a moving point source of heat and recording the temperature of the surface of the sample along the line of movement of the heat source by a temperature sensor moving with a fixed lag from the heat source [1].
При осуществлении данного способа искомая величина определяется с большой погрешностью ввиду того, что не определены оптимальные соотношения между характеристиками источника нагрева, датчика температуры и расстоянием между ними и скоростью их перемещения. When implementing this method, the desired value is determined with a large error due to the fact that the optimal relations between the characteristics of the heating source, temperature sensor and the distance between them and the speed of their movement are not determined.
Известен также способ экспрессного определения теплопроводности твердых материалов [2] , включающий нагрев поверхности исследуемого образца и поверхности эталонного образца при перемещении друг относительно друга платформы с образцами и блока нагрева образцов и регистрации их температуры, содержащего источник нагрева и датчик температуры. Измеряя температуры поверхности этих образцов датчиком температуры на участке регистрации температуры, расположенном по линии перемещения пятна нагрева позади него, определяют предельные избыточные температуры исследуемого образца T-T0 и эталонного образца TR-TR0, где T и TR - соответственно предельные температуры нагретых исследуемого и эталонного образцов, T0 и TR0 - начальные температуры исследуемого и эталонного образцов, и рассчитывают искомую теплопроводность по формуле:
λ = λR(TR-TR0)/(T-T0), (1)
где λR - известная величина теплопроводности эталонного образца. Расстояние x0 от участка регистрации температуры до центра пятна нагрева устанавливают таким, чтобы выполнялось соотношение x0 > 5/K1/2, где K - коэффициент сосредоточенности источника (пятна нагрева) с размерностью м2, что предпринимается с целью приблизить избыточную температуру поверхности исследуемого и эталонного образцов на участке ее регистрации к избыточной температуре при нагреве образцов точечным источником.There is also a method for the rapid determination of the thermal conductivity of solid materials [2], which includes heating the surface of the test sample and the surface of the reference sample when moving relative to each other the platform with the samples and the heating block of the samples and recording their temperature, containing a heating source and a temperature sensor. By measuring the surface temperatures of these samples with a temperature sensor at the temperature recording site located along the line of movement of the heating spot behind it, the limiting excess temperatures of the test sample TT 0 and the reference sample T R -T R0 are determined, where T and T R are respectively the limiting temperatures of the heated test and reference samples, T 0 and T R0 are the initial temperatures of the investigated and reference samples, and the desired thermal conductivity is calculated by the formula:
λ = λ R (T R -T R0 ) / (TT 0 ), (1)
where λ R is the known thermal conductivity of the reference sample. The distance x 0 from the temperature recording site to the center of the heating spot is set so that the ratio x 0 > 5 / K 1/2 is satisfied, where K is the concentration coefficient of the source (heating spot) with a dimension of m 2 , which is undertaken in order to approximate the excess surface temperature of the studied and reference samples in the area of its registration to excess temperature when the samples are heated by a point source.
К недостаткам способа-прототипа [2] относится следующее. Выбор расстояния x0 отставания участка поверхности, в котором осуществляется регистрация температуры, от пятна нагрева из условия x0 > 5/K1/2 не обеспечивает измерений теплопроводности с контролируемой или заданной точностью и может быть причиной недопустимо больших погрешностей измерений при прецизионных измерениях. Это связано с тем, что данное условие не учитывает влияние скорости движения (сканирования) источника нагрева и датчика температуры, размеров участка регистрации температуры, тепловых свойств нагреваемого и эталонного образцов. Данное условие неприменимо, если форма пятна нагрева отлична от круговой, а распределение удельной мощности источника по пятну нагрева не отвечает нормальному закону. Отсутствие критериев выбора размеров и формы участка регистрации температуры на поверхности эталонных и исследуемых образцов, отсутствие критериев выбора скорости сканирования и эталонного образца также приводит к большим погрешностям измерений теплопроводности. Отсутствие критериев выбора оптимальных параметров режима измерений в их взаимосвязи (размеры пятна нагрева и участка регистрации температуры, расстояние x0 отставания центра участка регистрации температуры от центра пятна нагрева, скорость сканирования, начальные температуры эталонов и исследуемых образцов, мощность источника нагрева), критериев оценки допустимых уровней начальных температур эталонного и исследуемого образцов и критериев выбора соотношения теплопроводности эталонного и исследуемого образцов также приводит к снижению точности измерений. Кроме того, при регистрации начальной температуры и температуры нагретых поверхностей образцов двумя датчиками температуры без согласования сигналов от них во времени могут возникать дополнительные погрешности измерений для образцов с изменяющейся вдоль поверхности начальной температурой или при переходе при сканировании от одного образца к другому в связи с тем, что датчики удалены один от другого вдоль линии сканирования и регистрируют температуру различных участков поверхности или даже различных образцов.The disadvantages of the prototype method [2] include the following. The choice of the distance x 0 of the lag of the surface area in which the temperature is recorded from the heating spot from the condition x 0 > 5 / K 1/2 does not provide thermal conductivity measurements with controlled or specified accuracy and can be the cause of unacceptably large measurement errors in precision measurements. This is due to the fact that this condition does not take into account the influence of the speed of movement (scanning) of the heating source and temperature sensor, the size of the temperature recording section, and the thermal properties of the heated and reference samples. This condition is not applicable if the shape of the heating spot is different from circular, and the distribution of the specific power of the source over the heating spot does not meet the normal law. The absence of criteria for choosing the size and shape of the temperature recording area on the surface of the reference and studied samples, the absence of criteria for choosing the scanning speed and the reference sample also leads to large errors in the measurements of thermal conductivity. The absence of criteria for choosing the optimal parameters of the measurement mode in their relationship (dimensions of the heating spot and temperature recording area, distance x 0 of the lag of the center of the temperature recording section from the center of the heating spot, scanning speed, initial temperatures of the standards and test samples, power of the heating source), assessment criteria for acceptable levels of initial temperatures of the reference and studied samples and criteria for choosing the ratio of thermal conductivity of the reference and studied samples also leads to lower eniyu accuracy. In addition, when registering the initial temperature and the temperature of the heated surfaces of the samples with two temperature sensors without matching the signals from them in time, additional measurement errors may arise for samples with an initial temperature varying along the surface or during the transition when scanning from one sample to another due to that the sensors are spaced apart from each other along the scan line and record the temperature of various surface areas or even different samples.
Известный способ реализуется устройством [3] , являющимся наиболее близким к вариантам заявляемого устройства и содержащим платформу для размещения исследуемых и эталонных образцов и блок нагрева-регистрации, включающий датчик температуры и источник нагрева образцов в виде лампы, лазера или конвективного источника нагрева, при этом датчик температуры расположен таким образом, что центр участка поверхности образца, в котором осуществляется регистрация температуры, расположен на линии движения центра пятна нагрева с расстоянием отставания X0 > 5/K1/2.The known method is implemented by the device [3], which is the closest to the variants of the claimed device and contains a platform for placing the studied and reference samples and a heating-registration unit, including a temperature sensor and a heating source of samples in the form of a lamp, laser or convective heating source, while the sensor the temperature is located so that the center of the surface area of the sample in which the temperature is recorded is located on the line of motion of the center of the heating spot with a distance of Nia X 0> 5 / K 1/2.
Известному устройству также присущи вышеотмеченные недостатки для способа. Кроме этого, устройство характеризуется значительными затратами времени и сложностью процесса измерений, что связано с использованием эталонных образцов при каждом измерении. The known device also has the aforementioned disadvantages for the method. In addition, the device is characterized by significant time and complexity of the measurement process, which is associated with the use of reference samples for each measurement.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для экспрессного определения теплопроводности твердых материалов, в которых за счет выбора наилучшего взаимосочетания параметров режима измерений, включая размеры пятна нагрева и участка регистрации температуры, расстояние отставания центра участка регистрации температуры от центра пятна нагрева, скорость сканирования, мощность источника нагрева, расстояние между линиями на поверхности образцов, по которым движутся центры пятна нагрева и участка регистрации температуры поверхности образцов, повышают точность измерений теплопроводности и обеспечивают детальную регистрацию распределения теплопроводности в каждом неоднородном образце.SUMMARY OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide a method and apparatus for the rapid determination of the thermal conductivity of solid materials, in which by choosing the best combination of parameters of the measurement mode, including the dimensions of the heating spot and the temperature recording section, the lag of the center of the temperature recording section from the center of the heating spot, the scanning speed, power of the heating source, the distance between the lines on the surface of the samples along which the centers of the heating spot and the istratsii temperature sample surface, improve accuracy and provide thermal conductivity measurements of thermal conductivity detailed registration nonuniform distribution in each sample.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения теплопроводности, включающем подготовительную настройку устройства к измерениям, нагрев поверхностей исследуемых образцов при перемещении друг относительно друга платформы с исследуемыми образцами и блока нагрева и регистрации температуры исследуемых образцов, определение предельных избыточных температур поверхностей исследуемых образцов по линии перемещения участка регистрации температуры по поверхности исследуемых образцов и определение теплопроводности исследуемых образцов по формуле
λ = λR(TR-TR0)/(T-T0) или
λ = λR(UR-UR0)/(U-U0) (2)
где λ - теплопроводность исследуемого образца, λR - теплопроводность эталонного образца, T и TR - избыточные предельные температуры исследуемого и эталонного образцов; T0 и TR0 - начальные температуры исследуемого и эталонного образцов, UR и U - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие температурам нагрева соответственно эталонного и исследуемого образцов, UR0 и U0 - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие начальным температурам соответственно эталонного и исследуемого образцов, в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям устанавливают ширину L в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями L1 и L2, которые выбирают в пределах 0,01< L1/L2 < 1, и ширину L2 выбирают меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, и устанавливают ширину l участка регистрации температуры в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями l1 и l2, которые выбирают в пределах 0,001 < l1/l2 < 1, при этом ширину l2 выбирают меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, причем в пределах ширины пятна нагрева L вводят более 60% полезной мощности источника нагрева, а в пределах ширины l участка регистрации температуры сосредоточивают более 60% полезного сигнала датчика 12 температуры, и осуществляют также взаимное смещение линий, по которым по поверхностям образцов движутся пятно нагрева и участок регистрации температуры, подбирая оптимальное расстояние между ними до достижения минимального влияния на результаты измерений теплопроводности формы пятна нагрева и участка регистрации температуры.The specified technical result is achieved due to the fact that in the known method for determining thermal conductivity, including preparatory adjustment of the device to measurements, heating the surfaces of the samples under study when moving relative to each other the platform with the samples and the heating unit and recording the temperature of the samples, determining the maximum excess temperatures of the surfaces of the studied samples along the line of movement of the temperature recording section over the surface of the samples under study and determine the thermal conductivity of the studied samples according to the formula
λ = λ R (T R -T R0 ) / (TT 0 ) or
λ = λ R (U R -U R0 ) / (UU 0 ) (2)
where λ is the thermal conductivity of the test sample, λ R is the thermal conductivity of the reference sample, T and T R are the excess temperature limits of the test and reference samples; T 0 and T R0 are the initial temperatures of the studied and reference samples, U R and U are the values of the electrical signals of the temperature sensor corresponding to the heating temperatures of the reference and studied samples, U R0 and U 0 are the values of the electrical signals of the temperature sensor corresponding to the initial temperatures, respectively, of the reference and of the studied samples, in the process of preparatory adjustment of the device for measurements, set the width L in the range between its minimum and maximum values of L 1 and L 2 , which are selected within 0.01 <L 1 / L 2 <1, and the width L 2 is chosen smaller than the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot, and the width l of the temperature recording section is set in the range between its minimum and maximum values l 1 and l 2 , which are selected in the range of 0.001 <l 1 / l 2 <1, while the width l 2 is chosen smaller than the distance x 0 from the center of the temperature recording portion to the center of the heating spot, and within the limits of the width of the heating spot L enter more than 60% of the useful power of the heating source, and within the width l of the section p temperature recordings concentrate more than 60% of the useful signal of the
Целесообразно в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям формировать набор эталонных образцов с различными известными величинами теплопроводности и температуропроводности, диапазон которых выбирают исходя из предполагаемых диапазонов теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов, определяют уровни нагрева эталонных образцов, и далее используют данные об уровне нагрева эталонных образцов при определении теплопроводности исследуемых образцов. It is advisable in the preparatory setup of the device for measurements to form a set of reference samples with various known values of thermal conductivity and thermal diffusivity, the range of which is selected based on the expected ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied samples, determine the heating levels of the reference samples, and then use the data on the heating level of the reference samples when determining thermal conductivity of the studied samples.
Возможно также, что в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям формируют набор эталонных образцов с различными известными величинами теплопроводности и температуропроводности, диапазон которых выбирают исходя из предполагаемых диапазонов теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов. Далее, в процессе определения теплопроводности исследуемых образцов определяют уровни нагрева эталонных образцов, и используют данные об уровне нагрева эталонных образцов для определения теплопроводности исследуемых образцов. It is also possible that in the process of preparatory adjustment of the device for measurements, a set of reference samples with various known values of thermal conductivity and thermal diffusivity is formed, the range of which is selected based on the expected ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied samples. Further, in the process of determining the thermal conductivity of the test samples, the heating levels of the reference samples are determined, and data on the heating level of the reference samples are used to determine the thermal conductivity of the test samples.
В процессе подготовительной настройки устройства к измерениям проводят также сопоставительные измерения теплопроводности на эталонных образцах с одинаковой или близкой теплопроводностью, но существенно отличающихся по температуропроводности, и, учитывая степень влияния температуропроводности на результаты измерений, изменяют параметры режима измерений теплопроводности, добиваясь наименьшего влияния температуропроводности на результаты измерений теплопроводности, и тем самым определяют оптимальные параметры режима работы устройства. In the process of preparatory adjustment of the device to measurements, comparative measurements of thermal conductivity are also carried out on reference samples with the same or similar thermal conductivity, but significantly different in thermal diffusivity, and, taking into account the degree of influence of thermal diffusivity on the measurement results, the parameters of the thermal conductivity measurement mode are changed, achieving the least influence of thermal diffusivity on the measurement results thermal conductivity, and thereby determine the optimal parameters of the device oystva.
Технический результат достигается также использованием в изобретении устройства для экспрессного определения теплопроводности твердых материалов, содержащего платформу для размещения исследуемых и эталонных образцов, блок нагрева и регистрации, включающий источник нагрева образцов и датчик температуры, при этом платформа с образцами и блок нагрева и регистрации установлены с возможностью перемещения друг относительно друга, причем источник нагрева или формирователь пятна нагрева и датчик температуры или элемент оптической связи расположены друг относительно друга с возможностью движения один за другим вдоль линии перемещения участка регистрации температуры по поверхности образцов, отличающегося тем, что блок нагрева и регистрации содержит формирователь пятна нагрева и/или элемент оптической связи, при этом в блоке нагрева и регистрации источник нагрева или формирователь пятна нагрева и датчик температуры или элемент оптической связи установлены на таком расстоянии от поверхности образцов и под таким углом относительно поверхности образцов, а излучение от источника нагрева на образцы и излучение от образцов на датчик температуры сфокусировано или ограничено по площади и форме таким образом, что достигнута ширина L пятна нагрева в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями L1 и L2, которые выбраны в пределах 0,01<L1/L2<1, и ширина L2 выбрана меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, и достигнута ширина l участка регистрации температуры в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями l1 и l2, которые выбраны в пределах 0,001 < l1/l2 < 1, при этом ширина l2 выбрана меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, причем в пределах ширины L пятна нагрева вводится более 60% полезной мощности источника нагрева, а в пределах ширины l участка регистрации температуры сосредоточено более 60% полезного сигнала датчика температуры, конструктивные параметры блока нагрева и регистрации определены исходя из того, что расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева выбрано по отношению к минимальной длине l0min исследуемого и эталонного образцов в пределах (d1/2 + d2/2) < x0 < 410min, где d1 - длина пятна нагрева вдоль линии движения, d2 - длина участка регистрации температуры вдоль линии движения, l0min выбрана в пределах от 1 до 2000 мм, для обеспечения необходимого качества результатов скорость относительного движения образцов выбрана в пределах от 0,1 до 300 мм/с, длина d1 пятна нагрева выбрана из условия d1 < lmin, и длина d2 участка регистрации температуры выбрана из условия d2 < lmin.The technical result is also achieved by using in the invention a device for the rapid determination of the thermal conductivity of solid materials, containing a platform for placing test and reference samples, a heating and recording unit, including a heating source for samples and a temperature sensor, while the platform with samples and the heating and registration unit are installed with the possibility displacements relative to each other, the heat source or the shaper of the heating spot and the temperature sensor or optical communication element positioned relative to each other with the possibility of moving one after the other along the line of movement of the temperature recording section over the surface of the samples, characterized in that the heating and registration unit contains a heating spot former and / or an optical communication element, while in the heating and recording unit there is a heating source or former heating spots and a temperature sensor or optical coupling element are installed at such a distance from the surface of the samples and at such an angle relative to the surface of the samples, and radiation from and source of heat for the samples and the radiation from the sample to the sensor temperature is focused or limited in size and shape so that the width L is reached the heating spot in the range between its minimum and maximum value L 1 and L 2, which are selected in the range 0.01 <L 1 / L 2 <1, and the width L 2 is chosen smaller than the distance x 0 from the center of the temperature recording portion to the center of the heating spot, and the width l of the temperature recording portion in the range between its minimum and maximum values l 1 and l 2 , which selected within 0.001 < l 1 / l 2 <1, while the width l 2 is chosen smaller than the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot, more than 60% of the useful power of the heating source being introduced within the width L of the heating spot, and within the width l of the temperature recording section, more than 60% of the useful temperature sensor signal is concentrated, the design parameters of the heating and recording unit are determined on the basis that the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot is selected with respect to the minimum length e l 0min the test and reference samples within the (d 1/2 + d 2/2) <x 0 <41 0min, where d 1 - spots length heating along a line of movement, d 2 - the length of the temperature registration along the line of motion, l 0min is selected in the range from 1 to 2000 mm, to ensure the required quality of the results, the relative velocity of the samples is selected in the range from 0.1 to 300 mm / s, the length d 1 of the heating spot is selected from the condition d 1 <l min , and the length d 2 plot temperature registration is selected from the condition d 2 <l min .
Устройство включает также набор эталонных образцов с различными величинами теплопроводности и температуропроводности, диапазон которых выбирают исходя из предполагаемых диапазонов теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов так, чтобы диапазоны теплопроводности и температуропроводности исследуемых и эталонных образцов совпадали или были близки. The device also includes a set of reference samples with different values of thermal conductivity and thermal diffusivity, the range of which is selected based on the expected ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied samples so that the thermal conductivity and thermal diffusivity ranges of the studied and reference samples coincide or are close.
Устройство может быть выполнено так, что между образцами и платформой размещены теплоизоляционные прокладки или его платформа изготовлена из теплоизоляционного материала. The device can be made so that between the samples and the platform are insulating gaskets or its platform is made of insulating material.
Согласно изобретению, устройство может быть выполнено так, что блок нагрева и регистрации содержит дополнительный датчик температуры и/или дополнительный элемент оптической связи датчика температуры с поверхностью образцов, а также блок временной задержки сигнала, соответствующего начальной температуре образцов, относительно сигнала, соответствующего температуре нагретой поверхности образцов, при этом источник нагрева или формирователь пятна нагрева в блоке нагрева и регистрации расположены между основным и дополнительным датчиками температуры или основным и дополнительным элементами оптической связи, а время задержки сигнала блоком временной задержки сигнала выбрано равным S/v, где S - расстояние между центрами участков регистрации начальной температуры и температуры нагретой поверхности образцов, v - скорость движения блока нагрева и регистрации относительно образцов. According to the invention, the device can be configured such that the heating and recording unit comprises an additional temperature sensor and / or an additional optical connection element for the temperature sensor with the surface of the samples, as well as a time delay unit for the signal corresponding to the initial temperature of the samples relative to the signal corresponding to the temperature of the heated surface samples, while the heating source or the shaper of the heating spot in the heating and registration unit are located between the main and additional sensor temperature or the main and additional elements of optical communication, and the signal delay time by the signal time delay unit is chosen equal to S / v, where S is the distance between the centers of the recording areas of the initial temperature and temperature of the heated surface of the samples, v is the speed of movement of the heating and registration unit relative to the samples .
Предпочтительно, чтобы платформа была выполнена в виде двухкоординатного стола с возможностью перемещения во взаимно перпендикулярных направлениях. Preferably, the platform was made in the form of a two-coordinate table with the ability to move in mutually perpendicular directions.
Платформа может содержать механизм ее передвижения в продольном направлении, а блок нагрева и регистрации закреплен на каретке, размещенной на раме, с возможностью перемещения рамы в поперечном направлении относительно платформы. The platform may contain a mechanism for its movement in the longitudinal direction, and the heating and registration unit is mounted on a carriage located on the frame, with the possibility of moving the frame in the transverse direction relative to the platform.
Платформа может содержать механизм ее передвижения в поперечном направлении, а блок нагрева и регистрации закреплен на каретке на раме, выполненной с возможностью перемещения каретки вдоль рамы в продольном направлении. The platform may contain a mechanism for its movement in the transverse direction, and the heating and registration unit is mounted on the carriage on the frame, made with the possibility of moving the carriage along the frame in the longitudinal direction.
Возможно исполнение устройства, когда при неподвижной платформе блок нагрева и регистрации закреплен на каретке, размещенной на раме, с возможностью перемещения каретки в продольном направлении вдоль рамы, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим в поперечном направлении относительно платформы. It is possible to implement the device when, when the platform is stationary, the heating and registration unit is mounted on a carriage located on the frame, with the possibility of moving the carriage in the longitudinal direction along the frame, made with the possibility of its movement along the guides in the transverse direction relative to the platform.
Предусмотрено также, что блок нагрева и регистрации установлен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной нагреваемой поверхности образцов. It is also envisaged that the heating and registration unit is mounted with the possibility of rotation around an axis perpendicular to the heated surface of the samples.
Устройство выполняется так, что формирователь пятна нагрева и/или элементы оптической связи датчиков температуры с поверхностью образцов представляют собой световод, и/или линзу, и/или поворотное зеркало, и/или призму. The device is configured such that the heat spot former and / or optical communication elements of the temperature sensors with the surface of the samples are a fiber, and / or a lens, and / or a swivel mirror, and / or a prism.
Возможно также исполнение устройства, когда блок нагрева и регистрации выполнен с возможностью колебательного движения вокруг оси, параллельной поверхности платформы и перпендикулярной плоскости, проходящей через линию расположения образцов перпендикулярно к поверхности платформы. It is also possible to implement the device when the heating and registration unit is made with the possibility of oscillatory motion around an axis parallel to the surface of the platform and perpendicular to the plane passing through the line of location of the samples perpendicular to the surface of the platform.
Устройство может быть выполнено так, что при размещении в блоке нагрева и регистрации источника нагрева или формирователя пятна нагрева и датчика температуры или обоих датчиков температуры или элементов оптической связи все они вместе и/или каждый из них выполнены с возможностью осуществления их синхронного колебательного движения с обеспечением постоянных расстояний между центром пятна нагрева и центрами участков регистрации температуры. The device can be configured so that when a heating spot or a heat spot former and a temperature sensor or both temperature sensors or optical communication elements are placed in the heating and registration unit, all of them together and / or each of them are capable of performing their synchronous oscillatory movement with constant distances between the center of the heating spot and the centers of the temperature recording sections.
Платформа может быть выполнена в виде роторного колеса, вращающегося относительно блока нагрева и регистрации, при этом исследуемые и эталонные образцы и блок нагрева и регистрации могут быть расположены как с внешней стороны роторного колеса, так и внутри его. The platform can be made in the form of a rotor wheel rotating relative to the heating and registration unit, while the studied and reference samples and the heating and registration unit can be located both on the outside of the rotor wheel and inside it.
Платформа может быть выполнена в виде замкнутой ленты, вращающейся относительно блока нагрева и регистрации. The platform can be made in the form of a closed tape rotating relative to the heating and registration unit.
Возможно исполнение устройства, при котором оно снабжено блоком хранения исходных данных, содержащим информацию о параметре q/(2πx0), где q - полезная мощность источника нагрева, x0 - расстояние от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, или об уровне нагрева эталонных образцов, которые определены при подготовительной настройке устройства к измерениям, и связанным электрически с блоком регистрации и обработки информации.It is possible to implement a device in which it is equipped with a source data storage unit containing information on the parameter q / (2πx 0 ), where q is the net power of the heating source, x 0 is the distance from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot, or about the heating level reference samples, which are determined during the preparatory setup of the device for measurements, and connected electrically with the unit for recording and processing information.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает функциональную схему устройства для экспрессного определения теплопроводности твердых материалов,
фиг. 2 - вид измерительного блока устройства сверху,
фиг. 3 - вид измерительного блока устройства, в котором блок нагрева и регистрации установлен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной поверхности платформы (вид сбоку),
фиг. 4 - устройство с неподвижной платформой и перемещающийся в двух взаимно перпендикулярных направлениях блок нагрева и регистрации, вид сверху,
фиг. 5 - то же, что и фиг. 4, вид по стрелке А,
фиг. 6 - вариант выполнения платформы в виде роторного колеса (показано в разрезе), вращающегося относительно блока нагрева и регистрации, расположенного, как и образцы, внутри роторного колеса;
фиг. 7 - вариант выполнения платформы в виде замкнутой ленты, вращающейся относительно блока нагрева и регистрации;
фиг. 8 - блок нагрева и регистрации с двумя датчиками температуры;
фиг. 9 - измерительный блок с формирователем пятна нагрева и элементами оптической связи датчиков температуры с поверхностью образцов.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
In the future, the invention is illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 depicts a functional diagram of a device for the rapid determination of thermal conductivity of solid materials,
FIG. 2 is a top view of the measuring unit of the device,
FIG. 3 is a view of a measuring unit of a device in which a heating and recording unit is mounted to rotate about an axis perpendicular to the surface of the platform (side view),
FIG. 4 - device with a fixed platform and moving in two mutually perpendicular directions heating and registration unit, top view,
FIG. 5 is the same as FIG. 4, view along arrow A,
FIG. 6 is an embodiment of a platform in the form of a rotor wheel (shown in section), rotating relative to the heating and registration unit, located, like the samples, inside the rotor wheel;
FIG. 7 is an embodiment of a platform in the form of a closed tape rotating relative to a heating and recording unit;
FIG. 8 - heating and registration unit with two temperature sensors;
FIG. 9 is a measuring unit with a heating spot former and optical communication elements of the temperature sensors with the surface of the samples.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ осуществляют следующим образом. Определяют (например, по имеющимся данным, при помощи справочника или путем пробных приближенных измерений) возможный диапазон температуропроводности исследуемых образцов. Затем, при круговой форме пятна нагрева и при нормальном законе распределения плотности полезной (то есть реально поглощаемой нагреваемым образцом) мощности источника нагрева по пятну нагрева и при прямоугольной форме участка регистрации температуры поверхности образцов, задаваясь погрешностью δλ измерений теплопроводности, устанавливают коэффициент K сосредоточенности источника нагрева, размеры b, c площадки регистрации температуры, выбирают скорость v сканирования источника нагрева и датчика температуры, расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, допустимый диапазон начальных температур эталонного и исследуемых образцов, эталонный образец с температуропроводностью αR так, чтобы выполнялось соотношение
где n - показатель преобразования температуры в регистрируемый сигнал, t0 = 1/(4aK), t0R=1/(4aRK), α - температуропроводность исследуемого образца в возможном диапазоне ее значений, t - переменная интегрирования, τ - время, необходимое для достижения предельного значения температуры нагрева исследуемого и эталонного образцов, x, y - пространственные координаты - переменные интегрирования.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The method is as follows. Determine (for example, according to available data, using the reference book or by trial approximate measurements) the possible range of thermal diffusivity of the studied samples. Then, with the circular shape of the heating spot and with the normal law of density distribution of the useful (that is, actually absorbed by the heated sample) power of the heating source over the heating spot and with the rectangular shape of the surface temperature recording area of the samples, setting the error δλ of the thermal conductivity measurements, establish the concentration coefficient K of the heating source , dimensions b, c of the temperature registration platform, select the scanning speed v of the heating source and temperature sensor, the distance x 0 from the center temperature recording to the center of the heating spot, allowable range of initial temperatures of the reference and test samples, a reference sample with thermal diffusivity α R so that the relation
where n is the indicator of the conversion of temperature into a recorded signal, t 0 = 1 / (4aK), t 0R = 1 / (4a R K), α is the thermal diffusivity of the test sample in a possible range of its values, t is the integration variable, τ is time, necessary to achieve the limiting value of the heating temperature of the studied and reference samples, x, y - spatial coordinates - integration variables.
Эталонный образец с необходимыми характеристиками подбирают из имеющегося набора. После этого размещают на специальной платформе последовательно эталонный образец и один или более исследуемых образцов, которые предварительно помещали в условия, обеспечивающие установленный диапазон их начальных температур. Источник нагрева поверхности образцов и датчик температуры устанавливают перед образцами (в случае использования контактного датчика температуры, например термопары, приводят этот датчик в процессе измерений в контакт с поверхностью образцов) так, чтобы при сканировании вдоль поверхностей изучаемых и эталонного образцов центры пятна нагрева и площадки регистрации температуры двигались по одной линии. Возможно также расположение источника нагрева и датчиков температуры под или над образцами в зависимости от ориентации нагреваемой поверхности. Затем измеряют начальные температуры TR0 и Т0 эталонного и исследуемого образцов соответственно. Начальные температуры можно определить, например, перемещая только датчик температуры вдоль поверхностей указанных образцов или используя отдельный датчик начальной температуры, расположенный перед источником нагрева и перемещаемый вместе с источником нагрева и датчиком температуры в процессе измерений. Затем источник нагрева постоянной мощности и датчик температуры, жестко связанный с источником и поэтому имеющий постоянное расстояние отставания, перемещают с постоянной скоростью вдоль поверхностей эталона и исследуемых образцов. В процессе нагрева регистрируют предельную температуру TR и T нагреваемой поверхности соответственно для эталонного образца и для каждого исследуемого образца по линии движения источника. Затем по разности предельной температуры нагрева и измеренной ранее начальной температуры определяют избыточные предельные температуры, а теплопроводность каждого из исследуемых образцов рассчитывают по формуле λ = λR(TR-TR0)/(T-T0) или λ = λR(UR-UR0)/(U-U0), (2) где: λ - теплопроводность исследуемого образца, λR - теплопроводность эталонного образца, T и TR - избыточные предельные температуры исследуемого и эталонного образцов, T0 и TR0 - начальные температуры исследуемого и эталонного образцов, UR и U - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие температурам нагрева соответственно эталонного и исследуемого образцов, UR0 и U0 - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие начальным температурам соответственно эталонного и исследуемого образцов.A reference sample with the necessary characteristics is selected from the available set. After that, a reference sample and one or more test samples are sequentially placed on a special platform, which were previously placed in conditions providing a specified range of their initial temperatures. A source of heating the surface of the samples and a temperature sensor is installed in front of the samples (in the case of using a contact temperature sensor, for example thermocouples, bring this sensor into contact with the surface of the samples during measurements) so that when scanning along the surfaces of the studied and reference samples, the centers of the heating spot and the recording area temperatures moved in one line. It is also possible the location of the heating source and temperature sensors under or above the samples, depending on the orientation of the heated surface. Then, the initial temperatures T R0 and T 0 of the reference and test samples are measured, respectively. Initial temperatures can be determined, for example, by moving only a temperature sensor along the surfaces of these samples or using a separate initial temperature sensor located in front of the heating source and moved together with the heating source and temperature sensor during the measurement process. Then, the heating source of constant power and the temperature sensor, rigidly connected to the source and therefore having a constant lag distance, are moved at a constant speed along the surfaces of the standard and the test samples. In the process of heating, the limiting temperature T R and T of the heated surface is recorded, respectively, for the reference sample and for each sample under study along the line of motion of the source. Then, the excess temperature is determined from the difference between the limiting heating temperature and the previously measured initial temperature, and the thermal conductivity of each of the test samples is calculated by the formula λ = λ R (T R -T R0 ) / (TT 0 ) or λ = λ R (U R - U R0 ) / (UU 0 ), (2) where: λ is the thermal conductivity of the test sample, λ R is the thermal conductivity of the reference sample, T and T R are the excess temperature limits of the test and reference samples, T 0 and T R0 are the initial temperatures of the test and reference samples, U R and U are the values of the electrical signals of the temperature sensor atures corresponding to the heating temperatures of the reference and studied samples, U R0 and U 0 are the values of the electrical signals of the temperature sensor corresponding to the initial temperatures of the reference and studied samples, respectively.
Набор эталонных образцов с различными известными величинами теплопроводности и температуропроводности формируют исходя из предполагаемых диапазонов величин теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов таким образом, чтобы диапазоны теплопроводности и температуропроводности исследуемых и эталонных образцов совпадали или были близки. A set of reference samples with various known values of thermal conductivity and thermal conductivity is formed on the basis of the expected ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied samples so that the thermal conductivity and thermal diffusivity ranges of the studied and reference samples coincide or are close.
Измерения можно осуществлять таким образом, что уровень нагрева каждого эталонного образца, определяемый как избыточная предельная температура нагрева TR-TR0 или соответствующая ей разность напряжений UR-UR0, будут определены заранее в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям. Далее, поддерживая постоянными полезную мощность q источника нагрева, расстояния x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева и другие параметры режима измерений, при измерениях теплопроводности исследуемых образцов определяют лишь избыточные предельные температуры нагрева T-T0 исследуемых образцов или соответствующие им разности напряжений U-U0, после чего определяют теплопроводность исследуемых образцов по одной из формул (2), используя определенные заранее данные об уровне нагрева эталонных образцов. Выбор эталонного образца и определение оптимальных параметров режима измерений осуществляется одинаково как в случае определения уровня нагрева эталонных образцов при подготовительной настройке устройства к измерениям, так и при определении этого уровня вместе с уровнем нагрева исследуемых образцов в случае последовательного нагрева исследуемых и эталонных образцов с одновременным размещением их в одной серии на платформе.Measurements can be carried out in such a way that the heating level of each reference sample, defined as the excess limiting heating temperature T R -T R0 or the corresponding voltage difference U R -U R0 , will be determined in advance during the preparatory setup of the device for measurements. Further, keeping the useful power q of the heating source constant, the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot and other parameters of the measurement mode, when measuring the thermal conductivity of the samples to be studied, only excess heat limit temperatures TT 0 of the samples to be studied or the corresponding voltage differences UU 0 and then determine the thermal conductivity of the test samples according to one of the formulas (2), using predefined data on the heating level of the reference samples. The choice of a reference sample and determination of the optimal parameters of the measurement mode is the same both in the case of determining the level of heating of reference samples during the preparatory setup of the device for measurements, and in determining this level together with the level of heating of the studied samples in the case of sequential heating of the studied and reference samples with their simultaneous placement in one series on the platform.
Соотношение (3) обосновывается следующим образом. Relation (3) is justified as follows.
Реально при измерениях теплопроводности используется следующее из соотношений (2), вытекающее из формулы (1):
λ = λR(TR-TR0)/(T-T0) = λR(UR-UR0)/(U-U0). (4)
При регистрации начальной температуры T0 на элементарной площадке dx•dy поверхности изучаемого или эталонного образцов регистрируемый электрический сигнал dU0 определяется соотношением
dU0=CT0 n dx•dy + B, (5)
где B, C, n - постоянные, определяемые характеристиками конкретного измерительного устройства; T0 - абсолютная температура в кельвинах.Actually, when measuring thermal conductivity, the following from relations (2) is used, which follows from formula (1):
λ = λ R (T R -T R0 ) / (TT 0 ) = λ R (U R -U R0 ) / (UU 0 ). (4)
When recording the initial temperature T 0 at the elementary site dx • dy of the surface of the studied or reference samples, the recorded electrical signal dU 0 is determined by the ratio
dU 0 = CT 0 n dx • dy + B, (5)
where B, C, n are constants determined by the characteristics of a particular measuring device; T 0 - absolute temperature in kelvins.
При регистрации температуры нагретых тел T0+Θ, где Θ - избыточная предельная температура, изменение сигнала, регистрируемого на элементарной площадке dx-dy, определяется соотношением
dU-dU0 = C(T0+Θ)ndxdy-CT
Поскольку в реальных условиях обеспечивается условие Θ ≪ T0, то из (6) следует
d(U-U0) = Cn(T0)n-1θ•dx•dy. (7)
Тогда полное приращение сигнала U-U0 с площадки регистрации температуры, характеризующейся линейными размерами b, c, при изменении температуры от T0 до T0+θ равно
(8)
куда вместо Θ можем подставить с использованием данных работы (Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951, с. 167):
где q - полезная мощность источника тепловой энергии.When registering the temperature of the heated bodies T 0 + Θ, where Θ is the excess temperature limit, the change in the signal recorded at the elementary site dx-dy is determined by the relation
dU-dU 0 = C (T 0 + Θ) n dxdy-CT
Since the condition Θ ≪ T 0 is satisfied under real conditions, it follows from (6)
d (UU 0 ) = Cn (T 0 ) n-1 θ • dx • dy. (7)
Then the total increment of the signal UU 0 from the temperature recording site, characterized by linear dimensions b, c, when the temperature changes from T 0 to T 0 + θ is
(eight)
where instead of Θ we can substitute using the data of work (Rykalin N.N. Calculations of thermal processes during welding. M., Mashgiz, 1951, p. 167):
where q is the net power of the heat source.
Аналогично определяется величина UR-UR0 для эталонного образца, которая может быть записана соотношением, соответствующим соотношению (8) с учетом выражения (9) и с подстановкой в эти соотношения параметров эталонного образца TR0, λR, αR вместо соответствующих параметров исследуемого образца.The value U R -U R0 for the reference sample is determined similarly, which can be written by the relation corresponding to relation (8) taking into account expression (9) and substituting the parameters of the reference sample T R0 , λ R , α R instead of the corresponding parameters of the studied sample.
Относительная систематическая погрешность измерений теплопроводности δλ определяется из соотношения
(10)
где λ′ - фактический результат измерений теплопроводности, λ - действительная теплопроводность образца. Подставляя в (10) вместо λ′, согласно (4),
(11)
а вместо λ, согласно /2/,
(12)
где, согласно /2/,
TR-TR0 = q/(2πλRx0), (13)
T-T0 = q/(2πλx0), (14)
и заменяя UR-UR0 и U-U0 на выражения (8) с использованием (9), получаем, в соответствии с (10), соотношение (3).The relative systematic error in the measurements of thermal conductivity δλ is determined from the relation
(10)
where λ ′ is the actual result of measurements of thermal conductivity, λ is the actual thermal conductivity of the sample. Substituting in λ (10) instead of λ, according to (4),
(eleven)
and instead of λ, according to / 2 /,
(12)
where, according to / 2 /,
T R -T R0 = q / (2πλ R x 0 ), (13)
TT 0 = q / (2πλx 0 ), (14)
and replacing U R -U R0 and UU 0 with expressions (8) using (9), we obtain, in accordance with (10), relation (3).
В случае произвольного распределения плотности полезной мощности по пятну нагрева, произвольной формы пятна нагрева и в случае произвольной формы участка регистрации температуры поверхности образцов чрезмерная ширина пятна нагрева, то есть размер пятна нагрева в направлении, перпендикулярном направлению движения, или сканирования пятна нагрева по поверхности образцов, и чрезмерная ширина участка регистрации температуры поверхности образцов, то есть размер участка регистрации температуры в направлении, перпендикулярном направлению движения или сканирования по поверхности образцов, могут привести к недопустимым погрешностям измерений теплопроводности вследствие отклонений идеализированных соотношений (13), (14) от более реального соотношения (9), в то время как размеры пятна нагрева и участка регистрации температуры в направлении сканирования являются менее критичными, что следует из соотношений (13) и (14) и принципа суперпозиции температурных полей. В то же время, чрезмерно малая ширина пятна нагрева приводит к недопустимому перегреву образцов, а при уменьшении мощности источника - к недопустимо малому уровню температуры нагрева на участке ее регистрации позади источника и недопустимо малому соотношению сигнал-шум для датчика температуры. Чрезмерно малая ширина участка регистрации приводит к недопустимому влиянию отдельных выступов шероховатости поверхности на показания датчика температуры, а также к чрезмерно низкому уровню сигнала датчика температуры и недопустимо малому соотношению сигнал-шум для датчика температуры. In the case of an arbitrary distribution of the useful power density over the heating spot, an arbitrary shape of the heating spot, and in the case of an arbitrary shape of the registration surface temperature of the samples, the excessive width of the heating spot, i.e. the size of the heating spot in the direction perpendicular to the direction of movement, or scanning the heating spot along the surface of the samples, and excessive width of the surface temperature recording portion of the samples, i.e., the size of the temperature recording portion in a direction perpendicular to the direction movements or scans on the surface of the samples can lead to unacceptable errors in the measurements of thermal conductivity due to deviations of the idealized relations (13), (14) from the more real relation (9), while the dimensions of the heating spot and the temperature recording section in the scanning direction are less critical , which follows from relations (13) and (14) and the principle of superposition of temperature fields. At the same time, an excessively small width of the heating spot leads to unacceptable overheating of the samples, and with a decrease in the source power, to an unacceptably low level of the heating temperature in the region of its registration behind the source and an unacceptably small signal-to-noise ratio for the temperature sensor. An excessively small width of the registration section leads to an unacceptable effect of individual protrusions of the surface roughness on the temperature sensor readings, as well as to an excessively low level of the temperature sensor signal and an unacceptably small signal-to-noise ratio for the temperature sensor.
Поэтому в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям, которая осуществляется перед сдачей устройства в эксплуатацию, устанавливают ширину L пятна нагрева в диапазоне между его минимальным и максимальным значениями L1 и L2 которые выбирают в пределах 0,01< L1/L2 < 1, при этом выбирают L2 меньше, чем x0. Ширину l участка регистрации температуры устанавливают в диапазоне между его минимальным и максимальным значениями l1 и l2, которые выбирают в пределах 0,001 < l1/l2 < 1, при этом выбирают l2 меньше, чем x0. Вместе с тем важно, чтобы именно средняя часть пятна нагрева обеспечивала основной нагрев образцов, поэтому пятно нагрева формируют так, чтобы в пределах его ширины L (в пределах средней части шириной L пятна нагрева при неопределенных границах пятна нагрева) в образцы вводилось не менее 60% полезной мощности источника нагрева. Необходимо, чтобы средняя часть участка регистрации температуры обеспечивала в основном регистрируемый сигнал, характеризующий температуру нагретых поверхностей образцов, поэтому участок регистрации температуры формируют так, чтобы в пределах его ширины l (в пределах средней части шириной l участка регистрации температуры при неопределенных границах участка регистрации температуры) было сосредоточено не менее 60% полезного сигнала датчика температуры. Осуществляют также взаимное смещение линий, по которым по поверхностям образцов движутся пятно нагрева и участок регистрации температуры, подбирая оптимальное расстояние между ними до достижения минимального влияния на результаты измерений теплопроводности формы пятна нагрева и участка регистрации температуры.Therefore, in the process of preparatory adjustment of the device to measurements, which is carried out before putting the device into operation, set the width L of the heating spot in the range between its minimum and maximum values of L 1 and L 2 which are selected in the range of 0.01 <L 1 / L 2 <1 while choosing L 2 less than x 0 . The width l of the temperature recording portion is set in the range between its minimum and maximum values of l 1 and l 2 , which are selected in the range of 0.001 <l 1 / l 2 <1, while l 2 less than x 0 is selected. At the same time, it is important that it is the middle part of the heating spot that provides the main heating of the samples; therefore, the heating spot is formed so that at least 60% is introduced into the samples within its width L (within the middle part of the width L of the heating spot with undefined boundaries of the heating spot) net power of the heating source. It is necessary that the middle part of the temperature registration section mainly provides a recorded signal characterizing the temperature of the heated surfaces of the samples, therefore, the temperature registration section is formed so that within its width l (within the middle part of the width l of the temperature registration section at undefined boundaries of the temperature registration section) At least 60% of the useful temperature sensor signal was concentrated. Mutual displacement of the lines is also carried out along which the heating spot and the temperature recording section move along the surfaces of the samples, choosing the optimal distance between them to achieve the minimum effect on the thermal conductivity measurements of the shape of the heating spot and the temperature recording section.
В случае, когда условия измерений позволяют иметь круговую форму пятна нагрева, при нормальном законе распределения плотности мощности источника нагрева по пятну нагрева и прямоугольной форме участка регистрации температуры образца (данный случай был рассмотрен выше) движение центра пятна нагрева и центра участка регистрации температуры осуществляют по одной линии. In the case where the measurement conditions make it possible to have a circular shape of the heating spot, under the normal law of the distribution of the power density of the heating source over the heating spot and the rectangular shape of the sample temperature recording section (this case was discussed above), the center of the heating spot and the center of the temperature registration section are moved lines.
В случае произвольного распределения полезной мощности по пятну нагрева, произвольной формы пятна нагрева и в случае произвольной формы участка регистрации температуры возникает необходимость во взаимном смещении на поверхности исследуемого и эталонного образцов линий, по которым движутся пятно нагрева и участок регистрации температуры, и в подборе оптимального расстояния между ними до достижения минимального влияния на результаты измерений теплопроводности неидеальной формы пятна нагрева и участка регистрации температуры. In the case of an arbitrary distribution of the useful power over the heating spot, an arbitrary shape of the heating spot, and in the case of an arbitrary shape of the temperature recording area, there is a need for mutual displacement of the lines along which the heating spot and temperature registration section move on the surface of the studied and reference samples, and in choosing the optimal distance between them until the minimum effect on the results of measurements of thermal conductivity of an imperfect shape of the heating spot and the temperature recording area is achieved.
Для проведения измерений теплопроводности и осуществления подготовительной настройки устройства к измерениям формируют набор эталонных образцов с различными известными величинами теплопроводности и температуропроводности, диапазон которых выбирают исходя из предполагаемых диапазонов теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов так, чтобы диапазоны теплопроводности и температуропроводности исследуемых и эталонных образцов совпадали или были близки. To conduct thermal conductivity measurements and carry out preparatory adjustment of the device to measurements, a set of reference samples is formed with various known values of thermal conductivity and thermal diffusivity, the range of which is selected based on the expected ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied samples so that the ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity of the studied and reference samples coincide or are close .
Возможно осуществлять измерения, не используя эталонные образцы при каждом процессе измерений. В этом случае в процессе проведения подготовительной операции определяют параметр q/(2πx0). Этот параметр можно определить, например, путем измерений значений q и x0. Согласно соотношению (13), этот параметр равен значению параметра λR(TR-TR0), поэтому по его значению из формулы (2) можно определять теплопроводность исследуемых образцов, определив избыточную предельную температуру T-T0. В дальнейшем при нагреве исследуемых образцов источником нагрева определяют значения их избыточных предельных температур T-T0, используют данные о значении параметра q/(2πx0). Далее по формуле (2), подставляя в нее вместо параметра λR(TR-TR0) параметр q/(2πx0), рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов.It is possible to carry out measurements without using reference samples during each measurement process. In this case, during the preparatory operation, the parameter q / (2πx 0 ) is determined. This parameter can be determined, for example, by measuring the values of q and x 0 . According to relation (13), this parameter is equal to the value of the parameter λ R (T R -T R0 ), therefore, from its value from formula (2), we can determine the thermal conductivity of the samples under study by determining the excess temperature limit TT 0 . Subsequently, when heating the samples under study, the heating source determines the values of their excess limiting temperatures TT 0 , using data on the value of the parameter q / (2πx 0 ). Then, using formula (2), substituting the parameter q / (2πx 0 ) instead of the parameter λ R (T R -T R0 ), the desired values of the thermal conductivity of the studied samples are calculated.
В другом случае в процессе проведения подготовительной операции определяют уровень нагрева эталонных образцов по избыточной предельной температуре TR-TR0. При этом путем сканирования каждого из набора эталонных образцов определяют для каждого из них уровень нагрева в виде избыточной предельной температуры TR-TR0. В дальнейшем при помощи блока нагрева и регистрации осуществляют нагрев исследуемых образцов, определяют уровень их нагрева в виде избыточных предельных температур T-T0. После этого используют ранее полученные данные об уровнях нагрева эталонных образцов в виде параметра TR-TR0, выбирая эталонный образец, наиболее близкий по теплопроводности к исследуемому образцу и отвечающий условию (3). Далее по формуле (2) рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов.In another case, during the preparatory operation, the level of heating of the reference samples is determined from the excess temperature limit T R -T R0 . In this case, by scanning each of the set of reference samples, the heating level is determined for each of them in the form of an excess temperature limit T R -T R0 . Subsequently, using the heating and registration unit, the studied samples are heated, their heating level is determined in the form of excess temperature limits TT 0 . After that, the previously obtained data on the heating levels of the reference samples are used in the form of the parameter T R -T R0 , choosing the reference sample that is closest in thermal conductivity to the test sample and meets condition (3). Then, using the formula (2), the desired values of the thermal conductivity of the samples are calculated.
Вместо определения избыточной предельной температуры TR-ТR0 можно определять уровень нагрева эталонных образцов по соответствующей ему разности напряжений UR-UR0 или эквивалентной ей электрической величине. Для этого путем сканирования каждого из набора эталонных образцов определяют для каждого из них разность напряжений UR-UR0 (или эквивалентную ей электрическую величину). В дальнейшем при помощи блока нагрева и регистрации осуществляют нагрев исследуемых образцов, определяют уровень их нагрева путем регистрации значения U-U0 или эквивалентной ему электрической величины для исследуемых образцов. После этого используют информацию о разности напряжений UR-UR0 для эталонного образца, наиболее близкого по теплопроводности к исследуемому образцу и отвечающего условию (3). Далее по формуле (2) рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов.Instead of determining the excess temperature limit T R -T R0, it is possible to determine the level of heating of the reference samples from the corresponding voltage difference U R -U R0 or equivalent electrical value. To do this, by scanning each of the set of reference samples, the voltage difference U R -U R0 (or equivalent electrical value) is determined for each of them. Subsequently, using the heating and registration unit, the samples under study are heated, their heating level is determined by recording the UU 0 value or an equivalent electric value for the samples under study. After that, information on the voltage difference U R -U R0 is used for the reference sample that is closest in thermal conductivity to the test sample and meets condition (3). Then, using the formula (2), the desired values of the thermal conductivity of the samples are calculated.
В другом случае измерений один или несколько эталонных образцов из сформированного набора эталонных образцов размещают на платформе вместе с исследуемыми образцами, нагревают последовательно образцы при помощи блока нагрева и регистрации, регистрируя уровень их нагрева (равный или пропорциональный их предельным избыточным температурам) при помощи блока нагрева и регистрации и определяют теплопроводность исследуемых образцов при помощи одной из формул (2). In another case of measurements, one or more reference samples from the generated set of reference samples are placed on the platform together with the samples to be studied, the samples are heated sequentially using a heating and recording unit, recording their level of heating (equal to or proportional to their maximum excess temperatures) using a heating unit and registration and determine the thermal conductivity of the studied samples using one of the formulas (2).
Для более точного определения оптимальных параметров режима измерений (размеры пятна нагрева и участка регистрации температуры, расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, скорость сканирования, начальные температуры эталонов и исследуемых образцов, полезная мощность источника нагрева, расстояние между линиями на поверхности образцов, по которым движутся пятно нагрева и участок регистрации температуры поверхности образцов) в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям необходимо проводить сопоставительные измерения теплопроводности на эталонных образцах с одинаковой или близкой теплопроводностью, но существенно отличающихся по температуропроводности. Из соотношений (13) и (14), которые являются основой соотношения (2), следует, что температуропроводность не должна влиять на результаты измерений, если применяют точечное пятно нагрева, точечный участок регистрации температуры, точное совпадение линий сканирования пятна нагрева и участка регистрации температуры, исключают влияние теплоотдачи в окружающую среду. Однако при реальных измерениях этого добиться невозможно, поэтому результаты измерений для образцов с одинаковой теплопроводностью, но различной температуропроводностью будут различными и тем большими, чем больше параметры режима измерений отличаются от оптимальных. Поэтому заранее при различных параметрах режима измерений проводят измерения теплопроводности на образцах с одинаковой или близкой теплопроводностью и различной температуропроводностью (при различии последней не менее чем на 5%) во всем диапазоне теплопроводности исследуемых образцов при различных параметрах режима измерений. Параметры режима измерений, при которых достигается наименьшее влияние температуропроводности на результаты измерений теплопроводности, выбирают как оптимальные параметры режима измерений.For a more accurate determination of the optimal parameters of the measurement mode (dimensions of the heating spot and temperature recording section, distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot, scanning speed, initial temperatures of standards and test samples, net power of the heating source, distance between lines on the surface samples along which the heating spot and the registration area of the surface temperature of the samples move) in the process of preparatory setup of the device for measurements, it is necessary carry out comparative measurements on the thermal conductivity of the reference samples with the same or close thermal conductivity, but differ significantly in thermal conductivity. From relations (13) and (14), which are the basis of relation (2), it follows that thermal diffusivity should not affect the measurement results if a point heating spot, a point temperature recording section, exact coincidence of the scanning lines of the heating spot and the temperature recording section are used , exclude the influence of heat transfer to the environment. However, this cannot be achieved with real measurements, therefore, the measurement results for samples with the same thermal conductivity but different thermal diffusivity will be different and larger, the more the measurement mode parameters differ from the optimal ones. Therefore, in advance, for various parameters of the measurement mode, conductivity measurements are carried out on samples with the same or similar thermal conductivity and different thermal diffusivity (with a difference of not less than 5%) in the entire range of thermal conductivity of the samples under study for different parameters of the measurement mode. The parameters of the measurement mode, at which the smallest effect of thermal diffusivity on the results of measurements of thermal conductivity is achieved, is chosen as the optimal parameters of the measurement mode.
Устройство для определения теплопроводности твердых материалов (фиг. 1) включает измерительный блок 1, блок 2 регистрации и обработки информации, узел 3 изменения скорости сканирования, блок 4 временной задержки сигнала, блок 5 хранения исходных данных. A device for determining the thermal conductivity of solid materials (Fig. 1) includes a measuring unit 1, an information recording and processing unit 2, a scanning speed change unit 3, a signal delay time unit 4, a source data storage unit 5.
Измерительный блок 1 устройства для определения теплопроводности твердых материалов (фиг. 2, 3) в общем виде содержит рабочий стол 6, на котором установлена платформа 7 для размещения исследуемых и эталонных образцов 8 и 9 соответственно, и блок 10 нагрева и регистрации, содержащий источник 11 нагрева, в качестве которого может быть применена лампа, лазер, контактный или струйный источник, и по крайней мере один датчик 12 температуры. При этом платформа 7 может быть выполнена в виде двухкоординатного стола с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях по продольным (вдоль линии движения блока 10 нагрева и регистрации при измерениях) и поперечным (перпендикулярно к линии движения блока 10 нагрева и регистрации при измерениях) направляющим 13 и 14 соответственно. The measuring unit 1 of the device for determining the thermal conductivity of solid materials (Fig. 2, 3) in general contains a working table 6, on which a
Для исключения чрезмерного теплоотвода от исследуемых и эталонных образцов 8 и 9 в материал платформы 7, что влечет за собой отклонение теоретических предпосылок, платформу 7 выполняют из теплоизоляционного материала, либо между платформой 7 и образцами 8 и 9 размещают теплоизоляционные прокладки 16 так, чтобы образцы 8 и 9 не контактировали непосредственно с платформой 7. To avoid excessive heat removal from the studied and
В зависимости от конструктивных особенностей реализации поставленных задач возможны различные комбинации взаимного перемещения платформы 7 и блока 10 нагрева и регистрации. Например, если блок 10 нагрева и регистрации неподвижен, то в этом случае платформа 7 выполнена с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях по продольным и поперечным направляющим 13 и 14. В случае, если неподвижна платформа 7, то блок 10 нагрева и регистрации должен быть выполнен с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно платформы (см. фиг. 4 и 5); в таком случае блок 10 нагрева и регистрации может быть размещен на каретке, которая движется в продольном направлении вдоль рамы 15, которая выполнена с возможностью перемещения в поперечном направлении относительно платформы 7 по направляющим 14. Если платформа 7 выполнена подвижной в продольном направлении, вдоль линии расположения исследуемых и эталонных образцов 8 и 9, то блок 10 нагрева и регистрации может быть расположена на раме 15, которая выполнена с возможностью ее движения по поперечным направляющим 14; если платформа 7 выполнена подвижной в поперечном направлении, то блок 10 нагрева и регистрации может быть расположен на каретке, которая подвижно размещена на раме 15 и может двигаться вдоль нее в продольном направлении. Исследуемые и эталонные образцы 8 и 9 могут быть расположены на теплоизоляционных прокладках 16, либо саму платформу 7 выполняют из теплоизоляционного материала. Depending on the design features of the implementation of the tasks, various combinations of mutual movement of the
Платформа 7 может быть также выполнена в виде замкнутого контура, например круга в виде роторного колеса, эллипса, прямоугольника, и ориентирована горизонтально или вертикально, наподобие горизонтальной или вертикальной карусели, замкнутой ленты-транспортера, что обеспечит непрерывный процесс измерений при безостановочном одностороннем движении платформы 7 относительно блока 10 нагрева и регистрации или блока 10 нагрева и регистрации относительно платформы 7. The
На фиг. 6 показано устройство с платформой 7 (в разрезе), выполненной в виде роторного колеса 17, с блоком 10 нагрева и регистрации и исследуемыми и эталонными образцами 8 и 9, расположенными вместе с блоком 10 нагрева и регистрации внутри роторного колеса 7, приводимого во вращение приводом 18. Блок 10 нагрева и регистрации и исследуемые и эталонные образцы 8 и 9 могут быть расположены и с внешней стороны роторного колеса 7. Возможен вариант устройства с вращением блока 10 нагрева и регистрации относительно роторного колеса 17. In FIG. 6 shows a device with a platform 7 (in section) made in the form of a
На фиг. 7 показано устройство для экспрессного определения теплопроводности твердых материалов с платформой, выполненной в виде замкнутой ленты 19, с блоком 10 нагрева и регистрации и исследуемыми и эталонными образцами 8 и 9, расположенными снаружи ленты 19, приводимой во вращение приводом 20. In FIG. 7 shows a device for the rapid determination of the thermal conductivity of solid materials with a platform made in the form of a
Перечисленные комбинации позволяют осуществлять сканирование пятна нагрева от источника 11 нагрева по поверхности образцов 8, 9 при соответствующем сканировании поверхности образцов 8, 9 датчиком 12 температуры и тем самым решать задачу регистрации неоднородности теплопроводности исследуемых образцов 8. Повышается также производительность измерений, поскольку на платформе 7 можно разместить значительное количество исследуемых образцов 8 в несколько рядов (фиг. 2). The listed combinations allow scanning the heating spot from the
В качестве источника 11 нагрева может быть использован бесконтактный оптический, конвективный, либо контактный источник поверхностного нагрева образцов 8, 9. As the
В блоке 10 нагрева и регистрации также могут быть использованы различные элементы, регулирующие направление движения светового, в частности, лазерного луча, представляющие собой выходной узел световода, линзу, призму, кристалл, зеркало; систему линз, и/или призм, и/или зеркал и тому подобных элементов, оптически связанных с источником 11 нагрева, например, с лазером, который находится вне блока 10 нагрева и регистрации (см. фиг. 4 и 5). In the
Для повышения быстродействия устройства блок 10 нагрева и регистрации может содержать дополнительный датчик 21 температуры (фиг. 8), который расположен перед источником нагрева по ходу движения блока 10 нагрева и регистрации. Дополнительный датчик 21 температуры может быть выполнен так, что по своим оптико-электрическим характеристикам он аналогичен основному датчику 12 температуры. В таком случае по завершении одного цикла измерения, выполненного при одностороннем движении платформы 7, новый цикл осуществляют при движении платформы 7 или блока 10 нагрева и регистрации в противоположном направлении. При этом изменяются функции основного датчика 12 температуры и дополнительного датчика 21 температуры. В этом случае основной датчик 12 температуры будет использоваться для регистрации начальных температур исследуемых и эталонных образцов 8 и 9, а дополнительный датчик 21 температуры будет регистрировать их предельные температуры. При различном расстоянии от центра пятна нагрева до центра участков регистрации температуры датчиков 12 и 21 и при повторении измерений с противоположным направлением движения блока 10 нагрева и регистрации для одних и тех же неоднородных исследуемых образцов 8 получают возможность изменять глубинность измерений с получением дополнительной информации о строении исследуемых образцов 8 (тепловая томография). To improve the speed of the device, the heating and
На фиг. 9 изображен измерительный блок 1, в котором блок 10 нагрева и регистрации выполнен с формирователем 24 пятна нагрева и элементами 25 и 26 оптической связи датчиков температуры с поверхностью образцов 8 и 9 (в дальнейшем именуемыми как элементы оптической связи), сопряженными с датчиками 12 и 21 температуры, установленными стационарно за пределами блока 10 нагрева и регистрации и взаимодействующими с поверхностью образцов 8 и 9 через элементы 25 и 26 оптической связи. Элементы 25 и 26 оптической связи и формирователь 24 пятна нагрева связаны с датчиками 12 и 21 температуры и источником 11 нагрева линиями 27, 28 и 29 оптической связи. Возможно также, что линии 27 и 28 оптической связи связывают элементы 25 и 26 оптической связи не с двумя датчиками 12 и 21 температуры, а лишь с одним датчиком 12 или 21 температуры, при этом датчик 12 или 21 температуры поочередно через малые интервалы времени (меньшие, чем минимальное время сканирования одного образца 8 и 9) соединяют с линиями оптической связи 27 и 28. In FIG. 9 shows the measuring unit 1, in which the heating and
Перемещение платформы 7 в продольном направлении осуществляется (см. фиг. 2) с помощью механизма 30 продольного перемещения платформы 7, а в поперечном направлении с помощью механизма 31 поперечного перемещения платформы 7. The movement of the
В случае, если платформа 7 является неподвижной (см. фиг. 4 и 5), то блок 10 нагрева и регистрации закреплен на каретке на раме 15 с возможностью перемещения каретки вдоль рамы 15 в продольном направлении, при этом обеспечена возможность перемещения рамы 15 по направляющим 14 в поперечном направлении. If the
На фиг. 4 и 5 представлен один из возможных вариантов оптической связи источника 11 нагрева с поверхностью исследуемого и эталонного образцов 8 и 9 через фокусирующие элементы, регулирующие направление движения светового или лазерного луча, представленные в виде двух поворотных зеркал 22 и 23, которые направляют световой или лазерный луч на образцы 8 и 9. Зеркало 22 закреплено посредством кронштейна на одном из концов рамы 15. При перемещении блока 10 нагрева и регистрации на каретке вдоль рамы 15 в продольном направлении вдоль образцов 8 и 9 излучение лазера 11 будет все время попадать на зеркало 22 и отражаться на зеркало 23, установленное в блоке 10 нагрева и регистрации. Отражаясь от поворотного зеркала 23, лазерный луч попадает на поверхность образцов 8 и 9, осуществляя их нагрев. In FIG. 4 and 5 show one of the possible optical connections between the
Достижение технического результата устройством обеспечивается за счет того, что в блоке 10 нагрева и регистрации источник нагрева 11 и датчик температуры 12 установлены на таком расстоянии от поверхности образцов 8 и 9 и под таким углом относительно поверхности образцов 8 и 9, а излучение от источника 11 нагрева на образцы 8 и 9 и излучение от образцов 8 и 9 на датчик 12 температуры сфокусировано или ограничено по площади и по форме пятна нагрева и по площади и по форме участка регистрации температуры таким образом, что в пределах части пятна нагрева, ширина которой установлена равной L, в образец вводится более 60% полезной мощности источника нагрева, а в пределах зоны шириной l участка регистрации температуры сосредоточено более 60% полезного сигнала датчика температуры. Вместе с тем достигнута ширина L этой части пятна нагрева в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями L1 и L2, которые выбраны в пределах 0,01 < L1/L2 < 1, и ширина L2 выбрана меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева. Ширина l зоны или части участка регистрации температуры достигнута в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями l1 и l2, которые выбраны в пределах 0,001 < l1/l2 < 1, при этом ширина l2 выбрана меньшей, чем x0. Размеры пятна нагрева и участка регистрации температуры в направлении сканирования должны выбираться такими, чтобы исключалось наложение пятна нагрева и участка регистрации температуры. Поэтому конструктивные параметры блока 10 нагрева и регистрации определены исходя из того, что расстояние x0 от центра области регистрации температуры до центра пятна нагрева выбрано по отношению к минимальной длине l0min исследуемого и эталонного образцов 8 или 9 в пределах (d1/2 + d2/2) < x0 < 410min, где d1 - длина пятна нагрева вдоль линии движения вдоль линии движения пятна нагрева и участка регистрации температуры, d2 - длина участка регистрации температуры вдоль линии движения пятна нагрева и участка регистрации температуры, при этом величина l0min выбрана в пределах от 0,5 до 2000 мм. Длина пятна нагрева d1 выбрана из условия d1 < lmin, и длина участка регистрации температуры выбрана из условия d2 < lmin.The achievement of the technical result by the device is ensured by the fact that in the heating and
При длине образцов 8 и 9 менее 1 мм невозможна реализация заявляемого способа измерений теплопроводности при помощи известных датчиков температуры и источников нагрева. При длине образцов более 2000 мм элементы устройства становятся чрезмерно большими и нереальными для их реализации. При значениях x0, больших чем 410min температура нагрева исследуемых и эталонных образцов 8 и 9 не достигает своего предельного значения, необходимого для определения теплопроводности исследуемых образцов 8 согласно соотношению (2). Для обеспечения необходимой точности измерений теплопроводности, достаточно представительной для неоднородных исследуемых образцов 8, достижения необходимой глубинности измерений, возможности выделения границ участков с переменной теплопроводностью, исключения перегрева образцов 8 и 9 в пятне нагрева, обеспечения уровня температуры нагретых поверхностей образцов 8 и 9, достаточного для надежной регистрации, скорость относительного движения образцов 8 и 9 выбрана в пределах от 0,1 до 300 мм/с. Как показывает практика, мощность q источника нагрева 6 должна быть выбрана в пределах 0,01 < q < 1000 Вт.When the length of the
Блок 10 нагрева и регистрации может включать бесконтактный - оптический, или конвективный, или контактный источник 11 нагрева образцов 8 и 9. Возможен вариант исполнения блока 10 нагрева и регистрации, при котором в его состав входит формирователь 24 пятна нагрева образцов 8 и 9, представляющий собой выходной узел световода, и/или линзу, и/или призму, и/или зеркало, систему линз, призм, зеркал, оптически связанные с источником 11 нагрева, например с лазером, который находится вне блока 10 нагрева и регистрации. Один из вариантов оптической связи представлен на фиг. 4 и 5. Блок 10 нагрева и регистрации может также содержать (фиг. 9) один или два элемента 25 и/или 26 оптической связи в виде световода (например, в виде гибкого оптического волокна), и/или линзы, и/или зеркала, и/или призмы, и/или системы линз, зеркал, призм, которые формируют участок регистрации температуры на поверхности образцов 8 и 9 при бесконтактной регистрации температуры образцов 8 и 9 по оптическому излучению их поверхности. The heating and
Устройство включает набор эталонных образцов 9 с различными известными величинами теплопроводности и температуропроводности, диапазон которых выбирают исходя из возможных диапазонов теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов 8 так, чтобы диапазоны теплопроводности и температуропроводности исследуемых и эталонных образцов 8 и 9 совпадали или были близки. При проведении измерений теплопроводности исследуемых образцов 8 определенные эталонные образцы 9 из этого набора (один, два или несколько) выбирают и устанавливают на платформе 7 с исследуемыми образцами 8. Выбор эталонных образцов 9 осуществляют так, чтобы их теплопроводность и температуророводность были близки к теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов 8 и исходя из необходимого соотношения сигнал/шум для сигналов датчиков 12 и 21 температуры и связанной с этим случайной погрешностью измерений, допустимого уровня систематической погрешности измерений, допустимого уровня нагрева эталонных и исследуемых 9 и 8 образцов, требуемой производительности измерений, а также с учетом соотношения (3). Для повышения точности измерений на платформу 7 устанавливают не один, а два или более эталонных образцов 9 одинаковой или различной теплопроводности, характеристики которых близки к теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов и отвечают вышеприведенным условиям, при этом определение теплопроводности исследуемых образцов 8 осуществляют независимо по каждому из эталонных образцов 9 при помощи формулы (2) с последующим усреднением результатов измерений. Это позволяет, во-первых, учесть возможные колебания мощности источника 11 нагрева, чувствительности датчиков 12 и 21 температуры и других параметров устройства в течение цикла измерений теплопроводности исследуемых образцов 8, размещенных на платформе 7, и, во-вторых, снизить случайную погрешность измерений теплопроводности. The device includes a set of
Устройство может быть снабжено узлом 3 изменения скорости сканирования (фиг. 1). В этом случае достижение оптимальных параметров режима измерений (форма и размеры пятна нагрева, расстояние отставания пятна нагрева от участка регистрации температуры, форма и размеры участка регистрации температуры, скорость сканирования, теплопроводность и температуропроводность эталонных образцов 9, взаимное расположение линий сканирования пятна нагрева и области регистрации температуры) обеспечивается при подготовительной настройке устройства к измерениям при помощи контрольных измерений теплопроводности одних эталонных образцов 9 путем сопоставления их с другими эталонными образцами 9, причем каждый раз используют различные скорости сканирования, то есть движения блока 10 нагрева и регистрации относительно образцов 8, 9, что при реальных условиях измерений влияет на избыточные предельные температуры (см. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951, с. 167). Проводя контрольные измерения при различных скоростях сканирования, подбирают оптимальные параметры устройства путем достижения наименьшего влияния скорости сканирования на результаты контрольных измерений и наилучшего соответствия результатов контрольных измерений реальным значениям теплопроводности эталонных образцов 9. The device can be equipped with a node 3 changes the scanning speed (Fig. 1). In this case, the achievement of optimal parameters of the measurement mode (the shape and dimensions of the heating spot, the distance of the lag of the heating spot from the temperature registration area, the shape and size of the temperature registration area, scanning speed, thermal conductivity and thermal diffusivity of the
Определение оптимальных параметров режима осуществляют исходя из конкретных особенностей и условий измерений теплопроводности. Так, выбор параметра L близким к максимально возможному его значению позволяет использовать более высокую мощность q источника 11 нагрева без перегрева исследуемого и эталонного образцов 8 и 9, тем самым увеличивая температуру в области ее регистрации, что улучшает отношение сигнал-шум датчиков 12 и 21 температуры и снижает случайную погрешность измерений, но вместе с тем увеличивает систематическую погрешность измерений. Уменьшение L снижает систематическую погрешность измерений, так как приближает пятно нагрева к точечному, но вместе с тем приводит к повышению плотности энергии в пятне нагрева и увеличению максимальной температуры нагрева образцов 8 и 9, что может привести к их разрушению или недопустимым изменениям. The determination of the optimal parameters of the regime is carried out on the basis of specific features and conditions for measuring thermal conductivity. So, the choice of the parameter L close to its maximum possible value allows you to use a higher power q of the
Увеличение мощности q источника 11 нагрева повышает точность измерений, так как при этом увеличивается температура в области регистрации и улучшается отношение сигнал-шум датчиков 12 и 21 температуры, однако при этом возможно разрушение или недопустимое термическое изменение исследуемого или эталонного образцов 8 и 9. Вместе с тем, при исследованиях влагонасыщенных образцов 8 это приводит к повышенной миграции влаги, испарению насыщающего флюида, что снижает точность измерений. Уменьшение q снижает точность измерений в связи с уменьшением температуры в области ее регистрации и ухудшением отношения сигнал-шум датчиков 12 и 21 температуры, но обеспечивает большую сохранность образцов 8 и 9 в связи с их меньшим нагревом и более высокую точность измерений на влагонасыщенных образцах 8. An increase in the power q of the
Увеличение ширины l участка регистрации температуры приводит к возрастанию систематической погрешности измерений теплопроводности, так как регистрируется температура не только на линии нагрева, как это предусматривается в расчетной формуле (2), но и в многочисленных точках в стороне от линии нагрева. Вместе с тем, увеличение l позволяет улучшить отношение сигнал-шум датчиков 12 и 21 температуры и тем самым понизить случайную погрешность измерений. Уменьшение l снижает систематическую погрешность по ее абсолютной величине, но в то же время повышает случайную погрешность измерений, так как ухудшает отношение сигнал-шум датчиков 12 и 21 температуры. An increase in the width l of the temperature recording section leads to an increase in the systematic error of thermal conductivity measurements, since the temperature is recorded not only on the heating line, as provided for in the calculation formula (2), but also at numerous points away from the heating line. At the same time, an increase in l makes it possible to improve the signal-to-noise ratio of the
Увеличение расстояния x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева приводит к увеличению глубинности измерений, так как при этом увеличивается глубина проникновения в исследуемый образец 4 тепловой энергии от источника нагрева. Увеличение x0 приводит к уменьшению систематической погрешности измерений теплопроводности, так как при этом отклонение реальных размеров пятна нагрева и области регистрации температуры от идеализированных точечных становится менее существенным, однако случайная погрешность измерений при этом увеличивается, так как уменьшается температура в области регистрации. Уменьшение x0 приводит к увеличению систематической погрешности измерений, но случайная погрешность при этом уменьшается в связи с увеличением температуры в области ее регистрации. Вместе с тем, уменьшение x0 вызывает уменьшение глубинности измерений, что снижает достоверность результата для неоднородных исследуемых образцов 8.An increase in the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot leads to an increase in the measurement depth, since this increases the penetration depth of thermal energy into the sample 4 from the heating source. An increase in x 0 leads to a decrease in the systematic error of measurements of thermal conductivity, since in this case the deviation of the actual dimensions of the heating spot and the temperature registration region from idealized point ones becomes less significant, however, the random measurement error increases in this case, since the temperature in the registration region decreases. A decrease in x 0 leads to an increase in the systematic error of measurements, but the random error in this case decreases due to an increase in temperature in the region of its registration. At the same time, a decrease in x 0 causes a decrease in the depth of measurements, which reduces the reliability of the result for
Увеличение скорости v движения блока 10 нагрева и регистрации относительно исследуемого и эталонного образцов 8 и 9 приводит к уменьшению глубинности измерений и возрастанию систематической погрешности измерений, так как увеличивается влияние отличия реальных пятна нагрева и области регистрации температуры от идеализированных точечных, при этом увеличивается производительность измерений. Вместе с тем уменьшается максимальная температура образцов 8 и 9 в пятне нагрева. Уменьшение скорости v движения блока 10 нагрева и регистрации вызывает увеличение глубинности измерений и повышение их точности, но снижает производительность измерений и приводит к перегреву образцов 8 и 9 в пятне нагрева, что недопустимо для влагонасыщенных и нетермостойких исследуемых образцов 8. An increase in the speed v of the movement of the heating and
Для дополнительного снижения систематической погрешности измерений теплопроводности устройство выполняют таким образом, что блок 5 хранения исходных данных содержит значения систематических погрешностей измерений теплопроводности в зависимости от измеряемой величины, которые вводят в блок 5 хранения исходных данных при подготовительной настройке устройства к измерениям и учитывают при сравнении уровней предельных избыточных температур и при обработке этих данных блоком 2 регистрации и обработки информации. Эти значения систематических погрешностей определяют однажды после сборки устройства или при его дополнительной настройке при помощи набора эталонных образцов 9, подобранных в диапазоне теплопроводности исследуемых образцов 8 и имеющих температуропроводность, выбранную в средней части диапазона возможных значений температуропроводности исследуемых образцов 8. Для этого при помощи устройства проводят контрольные определения теплопроводности эталонных образцов 9 по другим эталонным образцам 9 и зафиксированную разницу между измеренными и действительными значениями теплопроводности эталонных образцов 9 определяют как систематические погрешности измерений. Систематические погрешности измерений в диапазонах между значениями теплопроводности эталонных образцов 9 определяют путем интерполяции. Установленные значения систематических погрешностей в зависимости от измеренной величины теплопроводности вводят в блок 5 хранения исходных данных и учитывают в виде поправок при измерениях. To further reduce the systematic error of thermal conductivity measurements, the device is implemented in such a way that the source data storage unit 5 contains the values of the systematic errors of thermal conductivity measurements depending on the measured value, which are entered into the source data storage unit 5 during the preparatory setup of the device for measurements and taken into account when comparing the limits excessive temperatures and in the processing of this data by the unit 2 registration and information processing. These values of systematic errors are determined once after the assembly of the device or when it is additionally configured using a set of
При регистрации температуры по электромагнитному излучению и нагреве поверхности исследуемого и эталонного образцов 8 и 9 световым пучком их поверхности предварительно покрывают тонким слоем одинакового вещества (например, эмалью), хорошо поглощающим излучение от источника 11 нагрева, для выравнивания оптических характеристик (поглощательной и излучательной способности) образцов 8 и 9. Поверхностям может быть с этой же целью придана шероховатость. When registering the temperature with electromagnetic radiation and heating the surfaces of the test and
Для повышения быстродействия устройства блок 10 нагрева и регистрации может содержать второй датчик 21 температуры (фиг. 8) и/или второй элемент 26 оптической связи датчика 12 температуры или датчика 21 температуры с поверхностью образцов 8 и 9 (фиг. 9). Второй датчик 21 температуры и/или второй элемент 26 оптической связи датчика температуры 21 расположены перед источником 11 нагрева или формирователем 24 пятна нагрева по ходу движения блока 10 нагрева и регистрации. Второй датчик температуры 21 или элемент 26 оптической связи датчика 21 температуры с поверхностью образцов 8 и 9 могут выполнять функцию регистратора начальной температуры образцов 8 и 9. Второй датчик 21 температуры и/или элемент 26 оптической связи датчика 21 температуры с поверхностью образцов 8 и 9 могут быть также выполнены так, что по своим оптико-электрическим характеристикам они аналогичны первому датчику 12 температуры или первому элементу 25 оптической связи датчика 12 температуры. В таком случае по завершении цикла измерений новый цикл осуществляют при движении блока 10 нагрева и регистрации в противоположном направлении. При этом изменяют функции датчиков 12 и 21 температуры или элементов 25 и 26 оптической связи датчиков 12 и 21 температуры с поверхностью образцов 8 и 9 в отношении регистрации начальных и предельных избыточных температур образцов 8 и 9. To increase the speed of the device, the heating and
Для повышения производительности и точности измерений устройство содержит блок 4 временной задержки сигнала датчика 21 температуры или элемента 26 оптической связи датчика температуры 21 с поверхностью образцов 8 и 9 (в дальнейшем именуемый блоком 4 временной задержки сигнала) (фиг. 1). Время задержки сигнала блоком 4 временной задержки сигнала выбрано равным S/v, где S - расстояние между центрами участков регистрации начальной температуры и температуры нагретой поверхности образцов 8 и 9, v - скорость движения блока 10 нагрева и регистрации относительно образцов 8 и 9. Задержку используют для того, чтобы значения предельной избыточной температуры T и TR на каждом участке образцов 8 и 9 можно было определять с учетом начальной температуры T0 и TR0 именно этого участка. Задержка необходима в связи с тем, что начальная температура в пределах образцов 8 и 9 может значительно изменяться (например, в связи со специфическими условиями хранения образцов 8 и 9) перед измерениями, при работе с водонасыщенными образцами 8, когда причиной изменений начальной температуры является разная степень испарения флюида на разных участках образца 8. Кроме того, задержка приводит к устранению погрешности, возникающей при каждом измерении при переходе от одного образца 8 или 9 к другому, когда один датчик температуры регистрирует начальную температуру уже следующего образца, а другой датчик температуры еще регистрирует избыточную температуру нагрева предыдущего образца 8 или 9, что в условиях различных начальных температур образцов может приводить к значительному снижению точности измерений.To increase the productivity and accuracy of measurements, the device comprises a time delay unit 4 of the signal of the
Дополнительный датчик 21 температуры или элемент 26 оптической связи могут быть изготовлены с оптико-электрическими характеристиками, отличными от соответствующих характеристик датчика 12 температуры или элемента 25 оптической связи. В этом случае блок 10 нагрева и регистрации выполняют таким образом, чтобы обеспечить возможность его поворота на 180o относительно оси, перпендикулярной к плоскости нагрева образцов 8 и 9, чтобы при движении платформы 7 или блока 10 нагрева и регистрации в противоположном направлении датчик температуры 12 продолжал бы измерять предельные температуры нагрева, а дополнительный датчик температуры 21 регистрировал бы начальные температуры образцов 8 и 9. При этом для выполнения каждого нового цикла измерения теплопроводности необходимо повернуть блок 10 нагрева и регистрации на 180o.An
Возможно такое конструктивное исполнение блока 10 нагрева и регистрации, в котором содержится один датчик температуры или элемент оптической связи, а между датчиком температуры или элементом оптической связи и поверхностью образцов 8, 9 расположен оптический элемент (например, зеркало, призма, линза), колеблющийся или вращающийся таким образом, что он обеспечивает поочередную оптическую связь датчика температуры с участком поверхности образца впереди пятном нагрева и участком поверхности этого же образца позади пятна нагрева вдоль линии движения блока 10 нагрева и регистрации относительно образцов 8 и 9, при этом интервал времени между моментами перехода от связи с одним участком поверхности (например, впереди пятна нагрева) к другому участку поверхности (например, позади пятна нагрева) должен быть менее, чем минимальное время сканирования одного образца 8 и 9. Это позволит с одного датчика попеременно снимать сигналы, характеризующие температуру участка поверхности образца до его нагрева (начальная температура образца) и температуру нагретого участка (предельная температура после прохождения пятна нагрева). Таким образом, отпадает необходимость во втором датчике температуры для измерения начальной температуры исследуемого и эталонного образцов 8 и 9. Электрический сигнал датчика температуры, соответствующий участку поверхности образца впереди пятном нагрева может быть задержан на время S/v, где S - расстояние между центрами участков регистрации начальной температуры и температуры нагретой поверхности образцов 8 и 9, v-скорость движения блока 10 нагрева и регистрации относительно образцов 8 и 9, при помощи блока 4 временной задержки сигнала. Such a design of the heating and
Блок 10 нагрева и регистрации может быть выполнен таким образом, что обеспечивается его колебательное движение вокруг оси, параллельной поверхности платформы 7 и перпендикулярной плоскости, проходящей через линию расположения образцов 8 и 9 перпендикулярно к поверхности платформы 7. Для обеспечения синхронности колебательного движения блок 10 нагрева и регистрации в целом или источник 11 нагрева, и/или формирователь 24 пятна нагрева, и датчик 12 и/или 21 температуры, или элемент 25 и/или 26 оптической связи датчиков 12 и 21 температуры с поверхностью образцов 8 и 9, выполняют кинематически связанными с приводом единого механизма их синхронного колебательного движения. The heating and
Те же элементы конструкции могут быть кинематически связаны с приводами отдельных механизмов их колебательного движения, при этом, по крайней мере, один из механизмов связан с блоком управления скоростью привода по программе, обеспечивающей сохранение постоянных значений расстояний от центров каждого из участков регистрации температуры до центра пятна нагрева. Для осуществления возможности исследования большей площади поверхности неоднородных исследуемых образцов 8 и в целях получения более достоверной информации об их теплопроводности блок 10 нагрева и регистрации закрепляют на раме 15, поперечно расположенной относительно направления сканирования лазерного луча по поверхности образцов 8 и 9, с возможностью движения блока 10 нагрева и регистрации вдоль рамы 15 (фиг. 4, 5). Сама рама 15 может быть выполнена с возможностью перемещения по продольным направляющим 14. В последнем случае блок 10 нагрева и регистрации может дополнительно содержать второй датчик 21 температуры или элемент 26 оптической связи датчика 21 с поверхностью образцов 8 и 9, при этом сам блок 10 нагрева и регистрации может быть выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной поверхности образцов 8 и 9. Измерение теплопроводности неоднородных образцов осуществляют путем неоднократного сканирования образцов 8 и 9, перед каждым измерением сдвигая раму 15 в поперечном направлении. The same structural elements can be kinematically connected with the drives of individual mechanisms of their oscillatory movement, while at least one of the mechanisms is connected to the drive speed control unit according to a program that ensures constant values of the distances from the centers of each of the temperature recording sections to the center of the spot heating up. To make it possible to study a larger surface area of
Устройство может быть реализовано таким образом, что эталонные образцы 9 не используются при каждом процессе измерений. В этом случае лишь в процессе проведения подготовительной операции определяют параметр q/(2πx0) и вводят его в блок 5 хранения исходных данных, в который вносят информацию о параметрах режима измерений и уровнях нагрева эталонных образцов 9. Этот параметр можно определить, например, путем измерений значений q и x0. В дальнейшем при нагреве исследуемых образцов 8 источником 11 нагрева определяют значения их избыточных предельных температур T-T0, регистрируя их в блоке 2 регистрации и обработки информации, используют данные о значении параметра q/(2πx0), переводя его вместе с данными о значении избыточных предельных температур T-T0 из блока 5 хранения исходных данных в блок 2 регистрации и обработки информации, который осуществляет автоматизированную регистрацию уровней нагрева исследуемых и эталонных образцов 8, 9, передачу информации в блок хранения исходных данных, обработку информации и расчет теплопроводности исследуемых образцов 8. Далее по формуле (2), подставляя в нее вместо параметра λR(TR-TR0) параметр q/(2πx0), рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов 8.The device can be implemented in such a way that the
В другом случае подобной реализации устройства в процессе проведения подготовительной операции определяют уровень нагрева эталонных образцов 9 по избыточной предельной температуре TR-TR0. При этом путем сканирования каждого из набора эталонных образцов 9 определяют для каждого из них уровень нагрева в виде избыточной предельной температуры TR-TR0 и вводят его в блок 5 хранения исходных данных. В дальнейшем при помощи блока 10 нагрева и регистрации осуществляют нагрев исследуемых образцов 8, определяют уровень их нагрева в виде избыточных предельных температур T-T0. После этого используют хранящуюся в блоке 5 хранения исходных данных информацию данные об уровнях нагрева эталонных образцов 9 в виде параметра TR-TR0, выбирая эталонный образец 9, наиболее близкий по теплопроводности к исследуемому образцу 8, и переводят эту информацию из блока 5 хранения исходных данных в блок 2 регистрации и обработки информации. Далее по формуле (2) рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов 8.In another case, a similar implementation of the device during the preparatory operation determine the level of heating of the
Вместо определения избыточной предельной температуры TR-TR0 можно определять уровень нагрева эталонных образцов 9 по соответствующей ему разности напряжений UR-UR0 или эквивалентной ей электрической величине. Для этого путем сканирования каждого из набора эталонных образцов 9 определяют для каждого из них разность напряжений UR-UR0 (или эквивалентную ей электрическую величину) и вводят ее в блок 5 хранения исходных данных. В дальнейшем при помощи блока 10 нагрева и регистрации осуществляют нагрев исследуемых образцов 8, определяют уровень их нагрева путем регистрации значения U-U0 или эквивалентной ему электрической величины для исследуемых образцов 8. После используют хранящуюся в блоке 5 хранения исходных данных информацию о разности напряжений UR-UR0 для эталонного образца 9, наиболее близкого по теплопроводности к исследуемому образцу 8, переводя эту информацию из блока 5 хранения исходной информации в блок 2 регистрации и обработки информации. Далее по формуле (2) рассчитывают искомые значения теплопроводности исследуемых образцов 8.Instead of determining the excess temperature limit T R -T R0, it is possible to determine the heating level of the
Перечисленные комбинации позволяют осуществлять сканирование пятна нагрева по поверхности образцов (и соответствующее сканирование датчика температуры) и тем самым решить задачу определения неоднородности тепловых свойств исследуемых материалов. Повышается также и производительность измерений, поскольку на платформе 7 можно в несколько рядов разместить большую партию исследуемых образцов 8 (см. фиг. 2 и 3). These combinations allow you to scan the heating spot on the surface of the samples (and the corresponding scan of the temperature sensor) and thereby solve the problem of determining the heterogeneity of the thermal properties of the investigated materials. The measurement performance is also increased, since on the
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Предлагаемые способ и устройство позволяют осуществлять измерения теплопроводности твердых тел в широком ее диапазоне - более чем от 0,06 до 250 Вт/м•К - с полной погрешностью не более чем 2.5% при доверительной вероятности 0,95.INDUSTRIAL APPLICABILITY
The proposed method and device allows to measure the thermal conductivity of solids in its wide range - from more than 0.06 to 250 W / m • K - with a total error of not more than 2.5% with a confidence level of 0.95.
Высокая точность измерений предложенного способа и устройства позволяет использовать их для контроля точности измерений применяемых на практике способов и устройств для определения теплофизических характеристик, а также для изготовления эталонных образцов. The high accuracy of the measurements of the proposed method and device allows you to use them to control the accuracy of measurements of the methods and devices used in practice for determining the thermophysical characteristics, as well as for the manufacture of reference samples.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Попов Ю.А. Некоторые особенности применения активного теплового метода контроля. "Дефектоскопия", 1975, N 2, с. 56.SOURCES OF INFORMATION
1. Popov Yu.A. Some features of the application of the active thermal control method. "Defectoscopy", 1975, N 2, p. 56.
2. Авторское свидетельство N 1032382. Способ определения теплопроводности материалов. Коростелев В.М., Попов Ю.А., Семенов В.Г., Скорняков С.М., Соловьев Г.А. Бюл. N 28, 30.07.1983. 2. Copyright certificate N 1032382. A method for determining the thermal conductivity of materials. Korostelev V.M., Popov Yu.A., Semenov V.G., Skornyakov S.M., Soloviev G.A. Bull.
3. Попов Ю.А., Семенов В.Г., Коростелев В.М., Березин В.В. Бесконтактное определение теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла. Физика Земли, N 7, с. 86-93. 3. Popov Yu.A., Semenov V.G., Korostelev V.M., Berezin V.V. Non-contact determination of thermal conductivity of rocks using a movable heat source. Physics of the Earth,
Claims (20)
λ = λR(TR-TR0)/(T-T0) (1)
или
λ = λR(UR-UR0)/(U-U0) (2),
где λ - теплопроводность исследуемого образца;
λR - теплопроводность эталонного образца;
T и TR - избыточные предельные температуры исследуемого и эталонного образцов;
T0 и TR0 - начальные температуры исследуемого и эталонного образцов;
UR и U - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие температурам нагрева соответственно эталонного и исследуемого образцов;
UR0 и U0 - величины электрических сигналов датчика температуры, соответствующие начальным температурам соответственно эталонного и исследуемого образцов,
отличающийся тем, что в процессе подготовительной настройки устройства к измерениям устанавливают ширину L пятна нагрева в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями L1 и L2, которые выбирают в пределах 0,01 < L1/L2 < 1, и ширину L2 выбирают меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, и устанавливают ширину l участка регистрации температуры в диапазоне между ее минимальным и максимальным значениями l1 и l2, которые выбирают в пределах 0,001 < l1/ l2 < 1, при этом ширину l2 выбирают меньшей, чем расстояние x0 от центра участка регистрации температуры до центра пятна нагрева, причем в пределах ширины пятна нагрева L вводят более 60% полезной мощности источника (11) нагрева, а в пределах ширины l участка регистрации температуры сосредоточивают более 60% полезного сигнала датчика (12) температуры, осуществляют также взаимное смещение линий, по которым по поверхностям образцов движутся пятно нагрева и участок регистрации температуры, подбирая оптимальное расстояние между ними до достижения минимального влияния на результаты измерений теплопроводности формы пятна нагрева и участка регистрации температуры.1. A method for the rapid determination of the thermal conductivity of solid materials, including preparatory adjustment of the device to measurements, heating the surfaces of the samples (8) when moving relative to each other platform (7) with the samples (8) and the block (10) for heating and recording the temperature of the samples ( 8), the determination of the limiting excess temperatures of the surfaces of the studied samples (8) along the line of movement of the temperature recording section along the surface of the studied samples (8) and the determination of thermal conductivity and tracked samples (8) according to the formula
λ = λ R (T R -T R0 ) / (TT 0 ) (1)
or
λ = λ R (U R -U R0 ) / (UU 0 ) (2),
where λ is the thermal conductivity of the test sample;
λ R is the thermal conductivity of the reference sample;
T and T R are the excess temperature limits of the test and reference samples;
T 0 and T R0 are the initial temperatures of the investigated and reference samples;
U R and U are the values of the electrical signals of the temperature sensor corresponding to the heating temperatures of the reference and the studied samples, respectively;
U R0 and U 0 - the magnitude of the electrical signals of the temperature sensor corresponding to the initial temperatures, respectively, of the reference and studied samples,
characterized in that during the preparatory setup of the device for measurements, the width L of the heating spot is set in the range between its minimum and maximum values L 1 and L 2 , which are selected within 0.01 <L 1 / L 2 <1, and the width L 2 choose a smaller distance x 0 from the center of the temperature recording portion to the center of the heating spot, and set the width l of the temperature recording portion in the range between its minimum and maximum values l 1 and l 2 , which are selected in the range 0.001 <l 1 / l 2 < 1, while the width l 2 choose less than the distance x 0 from the center of the temperature recording section to the center of the heating spot, more than 60% of the useful power of the heating source (11) is introduced within the width of the heating spot L, and more than 60% of the useful sensor signal is concentrated within the width l of the temperature recording section (12 ) temperatures, they also carry out mutual displacement of the lines along which the heating spot and the temperature recording section move along the surfaces of the samples, choosing the optimal distance between them until the minimum effect on the results is measured nd thermal conduction heating spot shape and temperature detecting portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99104768A RU2153664C1 (en) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99104768A RU2153664C1 (en) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2153664C1 true RU2153664C1 (en) | 2000-07-27 |
Family
ID=20216925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99104768A RU2153664C1 (en) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2153664C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8444315B2 (en) | 2008-09-30 | 2013-05-21 | Schlumberger Technology Corporation | Method of determining thermophysical properties of solid bodies |
RU2495409C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Apparatus for determining thermal conductivity coefficient of material |
CN109991275A (en) * | 2019-04-29 | 2019-07-09 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | A kind of test macro and application method for Fracture System heat exchange efficiency |
CN110501372A (en) * | 2018-05-16 | 2019-11-26 | 安东帕普卢泰克有限责任公司 | For preparing the device and method and liquid analysis system of the distillation measurement of liquid |
RU2722088C1 (en) * | 2019-05-06 | 2020-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
RU2811342C1 (en) * | 2023-06-26 | 2024-01-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук | Thermal conductivity measuring device |
-
1999
- 1999-03-04 RU RU99104768A patent/RU2153664C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Попов Ю.А. и др. Бесконтактное определение теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла. Физика земли. 1983, N 7, c.86 - 93. Попов Ю.А. и др. Некоторые особенности применения активного теплового метода контроля. Дефектоскопия. 1975, N 2, с.56. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8444315B2 (en) | 2008-09-30 | 2013-05-21 | Schlumberger Technology Corporation | Method of determining thermophysical properties of solid bodies |
RU2495409C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Apparatus for determining thermal conductivity coefficient of material |
CN110501372A (en) * | 2018-05-16 | 2019-11-26 | 安东帕普卢泰克有限责任公司 | For preparing the device and method and liquid analysis system of the distillation measurement of liquid |
CN109991275A (en) * | 2019-04-29 | 2019-07-09 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | A kind of test macro and application method for Fracture System heat exchange efficiency |
RU2722088C1 (en) * | 2019-05-06 | 2020-05-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) | Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof |
RU2811342C1 (en) * | 2023-06-26 | 2024-01-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Дагестанский федеральный исследовательский центр Российской академии наук | Thermal conductivity measuring device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3613708B2 (en) | Cross-sectional shape measuring device | |
US3803413A (en) | Infrared non-contact system for inspection of infrared emitting components in a device | |
CN103155106B (en) | Laser machining device and laser processing method | |
US4136949A (en) | Method for optically measuring a distance | |
CN103644854A (en) | Film thickness detection method based on laser scanning thermal wave imaging technology | |
US3909131A (en) | Surface gauging by remote image tracking | |
RU2153664C1 (en) | Method and device for proximate determination of thermal conductivity of solid materials | |
US4622462A (en) | Method and apparatus for three-dimensional scanning | |
US20150055676A1 (en) | Method and apparatus for determining thermal conductivity and thermal diffusivity of a heterogeneous material | |
CN103673904A (en) | Laser-scanning thermal wave imaging film thickness measuring method | |
BR102021006214A2 (en) | Combined optical system for dimensional and thermal measurements and related operating method | |
CN112930475B (en) | Method for determining the relative reflectivity of a measuring surface | |
JP2012220341A (en) | Shape measuring device, shape measuring method, and program therefor | |
CN108871619A (en) | A kind of high speed thermocouple time constant measuring device and measurement method | |
KR20070033062A (en) | Laser-induced ultrasonic apparatus for measuring defects of substance and the implemented method thereof | |
CN104303275B (en) | Determined in pulsed laser anneal using the depth of fusion of infrared-interference technique | |
US4950898A (en) | Method of position monitoring and apparatus therefor | |
CN108139266A (en) | The delay line alignment of automation | |
CN109900737A (en) | Optical element weak absorbing test device and method based on equivalent temperature | |
CN116087147A (en) | Liquid concentration measuring system and method | |
RU2224245C2 (en) | Method of determination of thermophysical characteristics of materials | |
CN109029738A (en) | Laser scanning temperature measuring equipment and laser scanning system | |
SU1260799A1 (en) | Method for determining heat conduction of solids | |
SU1179186A1 (en) | Method of determining material heat conductivity | |
RU2776103C1 (en) | Method for time synchronization between an automatic means of movement and a contactless means of detection located on the specified automatic means of movement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | License on use of patent |
Effective date: 20091030 |
|
QB4A | License on use of patent |
Effective date: 20100211 |