RU2166188C1

RU2166188C1 - Contactless adaptive nondestructive method for checking thermal characteristics of materials

Info

Publication number: RU2166188C1
Application number: RU2000100136/28A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Чернышов; Т.И. Чернышова; Э.В. Сысоев
Original assignee: Тамбовский государственный технический университет
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2001-04-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method involves attacking body surface with moving point source and measuring critical temperature with aid of thermal detector moving at same speed as source. Thermal detector is focused onto object surface point on line perpendicular to that along which heat source is moving; mentioned line crosses center of heated spot at distance R_o from heat source so as to provide shielding against effect of source on measurement results. Detector and source movement speeds are measured and thermal characteristics are calculated including mentioned speed measurement results. EFFECT: improved measurement accuracy. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технической физике, а именно к теплофизическим измерениям. The invention relates to technical physics, namely to thermophysical measurements.

Известен способ определения теплопроводности материалов (авт. св. СССР N 1032382, кл. G 01 N 25/18, 1983 г.), включающий нагрев поверхности исследуемого образца и эталона подвижным точечным источником энергии, измерение начальных температур исследуемого и эталонного образцов датчиком температуры, двигающегося с фиксированным отставанием от источника энергии, а также определение предельных избыточных температур образцов, с помощью которых рассчитывают искомую величину. A known method for determining the thermal conductivity of materials (ed. St. USSR N 1032382, class G 01 N 25/18, 1983), including heating the surface of the test sample and standard with a moving point source of energy, measuring the initial temperatures of the test and reference samples with a temperature sensor, moving with a fixed lag from the energy source, as well as the determination of the limiting excess temperatures of the samples by which the desired value is calculated.

Недостатком способа является то, что мощность источника энергии, скорость его движения относительно исследуемых образцов, расстояние смещения между источником и термоприемником задаются перед экспериментом произвольно, что в отсутствии априорной информации о теплофизических характеристиках исследуемых материалов приводит либо к перегреву образцов до избыточной температуры, выше температуры термодеструкции, либо значения контролируемых температур очень низки и появляются метрологические трудности при их измерении, что существенно ограничивает точность и достоверность получаемой измерительной информации. The disadvantage of this method is that the power of the energy source, its speed relative to the studied samples, the displacement distance between the source and the thermal receiver are set arbitrarily before the experiment, which in the absence of a priori information about the thermophysical characteristics of the studied materials either leads to overheating of the samples to an excess temperature above the temperature of thermal decomposition or the values of the controlled temperatures are very low and metrological difficulties appear when measuring them, which is significant o limits the accuracy and reliability of the received measurement information.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов, заключающийся в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела, движущихся со скоростью источника по линиям, параллельным линии его движения, изменении мощности источника энергии, измерении избыточных температур и вычислении по полученным данным искомых величин (авт. св. СССР N 1377695, кл. G 01 N 25/18, 1986 г.). There is a method of non-destructive testing of the thermophysical properties of materials, which consists in exposing the surface of the body to a point moving source of a certain power, measuring the excess temperature limit of the heated surface at points on the surface of the body moving at a source speed along lines parallel to its motion line, changing the power of the energy source, measuring excess temperatures and calculating the required quantities from the obtained data (ed. St. USSR N 1377695, class G 01 N 25/18, 1986).

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет адаптивно в зависимости от теплофизических свойств контролируемых материалов изменять энергетические и режимные параметры в процессе теплофизического эксперимента, что часто приводит к нарушению целостности исследуемых образцов из-за их перегрева. The disadvantage of this method is that it does not allow adaptively, depending on the thermophysical properties of the controlled materials, to change the energy and regime parameters during the thermophysical experiment, which often leads to a violation of the integrity of the studied samples due to their overheating.

За прототип принят способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов, в котором на поверхность исследуемого тела воздействуют точечным источником тепла, перемещаемым по прямой линии с постоянной скоростью, регистрируют избыточные температуры в точках поверхности с некоторым отставанием на той же линии и на параллельной ей и по величине избыточных температур вычисляют искомые теплофизические характеристики (авт. св. СССР N 1481656, кл. G 01 N 25/18, 1987 г.). The prototype adopted a method of non-contact control of the thermophysical characteristics of materials, in which the surface of the test body is exposed to a point heat source moving in a straight line at a constant speed, excessive temperatures are recorded at surface points with some lag on the same line and parallel to it and in excess the temperatures to calculate the desired thermophysical characteristics (ed. St. USSR N 1481656, CL G 01 N 25/18, 1987).

Недостатком способа-прототипа является невысокая точность определения искомых характеристик, так как мощность источника энергии и скорость его движения относительно исследуемых образцов задаются перед экспериментом произвольно, что в отсутствии априорной информации о теплофизических характеристиках исследуемых материалов приводит либо к перегреву образцов до избыточной температуры, выше температуры термодеструкции, либо значения контролируемых температур очень низки и появляются метрологические трудности при их измерении, что обуславливает дополнительную погрешность в результатах измерения. The disadvantage of the prototype method is the low accuracy of determining the desired characteristics, since the power of the energy source and its speed relative to the samples being studied are arbitrarily set before the experiment, which in the absence of a priori information about the thermophysical characteristics of the materials being studied either leads to overheating of the samples to an excess temperature above the temperature of thermal destruction or the values of the controlled temperatures are very low and metrological difficulties appear when measuring them, which buslavlivaet an error in the measurement results.

Техническая задача изобретения - повышение точности определения теплофизических характеристик материалов. The technical task of the invention is to increase the accuracy of determining the thermophysical characteristics of materials.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в бесконтактном адаптивном способе неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящем в воздействии на поверхность тела точечным подвижным источником определенной мощности, измерении избыточной предельной температуры нагреваемой поверхности в точках поверхности тела термоприемником, движущимся со скоростью источника по линии, параллельной линии его движения, изменении расстояния между точкой контроля температуры и центром пятна нагрева источника, регистрации взаимного положения точек подвода тепла и измерения температуры термоприемником, перед началом движения фокусируют термоприемник в центр пятна нагрева, включают источник энергии с начальной минимальной мощностью, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры, увеличивают мощность источника энергии и синхронно с его выключением измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева станет равной 0,8-0,9 температуры термодеструкции Т_терм исследуемого материала, фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него, при котором с использованием экранирования исключается влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник, частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча, начинают движение источника и термоприемника и смещают точку контроля температуры от пятна нагрева по линии, параллельной линии движения источника в сторону отставания от него на расстояние, при котором значение контролируемой избыточной температуры в точке ее регистрации достигнет максимального значения, измеряют это расстояние, увеличивают мощность источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура окажется в пределах установленного диапазона от заранее заданного значения избыточной температуры, измеряют это значение мощности источника энергии, затем плавно изменяют скорость движения термоприемника и источника энергии на величину, при которой измеряемая избыточная температура станет равной заданному значению температуры, измеряют это значение скорости движения, увеличивают первоначально заданное значение избыточной температуры в два раза и повторяют вышеописанные операции, а искомые теплофизические характеристики определяют из следующих соотношений:

где а - коэффициент температуропроводности, м²/с; λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/м²К; T_зад2 - второе заданное значение избыточной температуры; R₁ - расстояние между центром пятна нагрева и точкой экстремального (максимального) значения контролируемой избыточной температуры, м; x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м; V₁, V₂ - скорости движения источника и термоприемников относительно исследуемого тела, м/с; q₁, q₂ - мощности источника тепла, Вт.The stated technical problem is achieved by the fact that in the non-contact adaptive method of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials, which consists in exposing the surface of the body to a point moving source of a certain power, measuring the excess temperature of the heated surface at points on the surface of the body with a heat detector moving at a source speed along a line parallel to the line its movement, changing the distance between the temperature control point and the center of the source heating spot, reg the relative positions of the points of heat supply and temperature measurement by the heat detector, before starting the movement, focus the heat detector in the center of the heating spot, turn on the energy source with the initial minimum power, at which excess temperature appears at the center of the heating spot, the level of which is higher than the sensitivity of the measuring equipment, increase the power of the energy source and simultaneously with turning it off, measure the excess temperature in the center of the heating spot until the measured temperature in the center of the spot 0.8-0.9 overheating becomes equal temperature T _term thermal degradation of the material, to a point focus termopriemnik surface of the object on a line perpendicular to the line of motion and heat source passing through the heat spot center at a distance R ₀ from it, wherein the screening using the influence of the energy source on the results of temperature measurements is excluded due to direct exposure to the thermal receiver, partially reflected from the surface of the object of the laser beam, the movement of the source and the thermopile begin the receiver and shift the temperature control point from the heating spot along a line parallel to the source’s line of movement in the direction of lagging behind it by a distance at which the value of the controlled excess temperature at its registration point reaches its maximum value, measure this distance, increase the power of the energy source by which the measured excess temperature is within the specified range from a predetermined value of the excess temperature, measure this source power e energies, then smoothly change the speed of the thermal receiver and the energy source by the amount at which the measured excess temperature becomes equal to the set temperature value, measure this value of the speed of movement, double the initial set value of the excess temperature and repeat the above operations, and the desired thermophysical characteristics determine of the following ratios:

where a is the thermal diffusivity, m ² / s; λ is the thermal conductivity of the product, W / m ² K; T _{ass 2} - the second preset value of the excess temperature; R ₁ is the distance between the center of the heating spot and the point of the extreme (maximum) value of the controlled excess temperature, m; x ₁ - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point located at a distance R ₁ from it, on the line of motion of the heat source, m; V ₁ , V ₂ - the speed of movement of the source and thermal receivers relative to the investigated body, m / s; q ₁ , q ₂ - power of the heat source, watts.

Сущность способа заключается в следующем. Над исследуемым изделием 1 помещают точечный источник тепловой энергии 2 и термоприемник 3, сфокусированный на поверхность, подверженной тепловому воздействию, и регистрирующий температуру этой поверхности по ее электромагнитному излучению (фиг. 1). Термоприемник, установленный на высоте z от поверхности исследуемого образца, жестко связан с экраном 4, расположенного с зазором от поверхности образца на высоте z₀.The essence of the method is as follows. A point source of thermal energy 2 and a thermal receiver 3 are placed above the test article 1, focused on a surface exposed to heat, and registering the temperature of this surface by its electromagnetic radiation (Fig. 1). A thermal detector installed at a height z from the surface of the sample under study is rigidly connected to a screen 4 located with a gap from the surface of the sample at a height z ₀ .

Термоприемник фокусируют в центр пятна нагрева. Включают источник энергии с начальной минимальной мощностью q_min, при которой в центре пятна нагрева появляется избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры. Тепловое воздействие на поверхность исследуемого образца производят в течение некоторого времени τ_в, после чего выключают источник энергии (лазер) на время, необходимое для измерения избыточной температуры в центре пятна нагрева. Постепенно увеличивают мощность источника энергии и синхронно с его выключением измеряют избыточную температуру в центре пятна нагрева. Увеличение мощности источника энергии осуществляют до тех пор, пока измеряемая температура в центре пятна нагрева станет равной 0,8-0,9 температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала. При этом фиксируют значение мощности источника q₀.The thermal detector is focused in the center of the heating spot. They include an energy source with an initial minimum power q _min at which an excess temperature appears at the center of the heating spot, the level of which is higher than the sensitivity of the measuring equipment. Thermal action on the surface of the test sample is carried out for some time τ _in, after which the power source (laser) is turned off for the time required to measure the excess temperature in the center of the heating spot. Gradually increase the power of the energy source and simultaneously with its shutdown measure the excess temperature in the center of the heating spot. An increase in the power of the energy source is carried out until the measured temperature in the center of the heating spot becomes equal to 0.8-0.9 of the temperature of thermal destruction T _{term of} the material under study. In this case, the value of the source power q ₀ is fixed.

Далее фокусируют термоприемник в точку поверхности исследуемого объекта на линии, перпендикулярной линии движения источника тепла и проходящей через центр пятна нагрева на расстоянии R₀ от него (фиг. 1), и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым изделием с начальной скоростью V₀, величина которой берется такой, чтобы при выбранной мощности источника q₀ в точке контроля появлялась избыточная температура, уровень которой выше чувствительности измерительной аппаратуры. Значение расстояния R₀ берется таким, чтобы при расположении термоприемника на высоте z от поверхности исследуемого образца, а экрана - на высоте z₀, отсутствовало влияние источника энергии на результаты измерений температуры вследствие прямого воздействия на термоприемник, частично отраженного от поверхности объекта лазерного луча. Затем постепенно смещают термоприемник из начальной точки контроля R₀ по линии, параллельной линии движения источника энергии, в сторону отставания до тех пор, пока контролируемая избыточная температура в точке ее регистрации достигнет максимального значения.Next, focus the heat detector to a point on the surface of the test object on a line perpendicular to the line of motion of the heat source and passing through the center of the heating spot at a distance R ₀ from it (Fig. 1), and begin to move the energy source and heat detector over the test product with an initial speed V ₀ , the value of which is taken so that, at the selected source power q ₀ , an excess temperature appears at the control point, the level of which is higher than the sensitivity of the measuring equipment. The value of the distance R ₀ is taken so that when the thermal receiver is located at a height z from the surface of the test sample, and the screen is at a height z ₀ , there is no influence of the energy source on the temperature measurement results due to direct exposure to the thermal receiver, partially reflected from the surface of the laser beam object. Then, the thermal receiver is gradually displaced from the initial control point R ₀ along a line parallel to the line of movement of the energy source, in the direction of lag until the controlled excess temperature at the point of its registration reaches its maximum value.

Поиск максимального значения контролируемой избыточной температуры осуществляется следующим образом. Перемещают термоприемник относительно источника энергии, изменяя отставание термоприемника на расстояние
Δx = k₁[T(R_i) - T(R_i-1) ]/[x_i-x_i-1],
где T(R_i), T(R_i-1) - значения избыточных температур, измеряемых термоприемником в точках, расположенных соответственно на расстояниях R_i и R_i-1 от центра пятна нагрева при скорости V₀; x_i, x_i-1 - расстояния между центром пятна нагрева и проекцией точек, расположенных соответственно на расстояниях R_i и R_i-1 от него, на линию движения источника тепла; k_i - коэффициент пропорциональности.The search for the maximum value of the controlled excess temperature is as follows. The thermal receiver is moved relative to the energy source, changing the distance of the thermal receiver by a distance
Δx = k ₁ [T (R _i ) - T (R _i-1 )] / [x _i -x _i-1 ],
where T (R _i ), T (R _i-1 ) are the values of excess temperatures measured by the thermal receiver at points located respectively at distances R _i and R _i-1 from the center of the heating spot at a speed of V ₀ ; x _i , x _i-1 - the distance between the center of the heating spot and the projection of points located respectively at distances R _i and R _i-1 from it, on the line of motion of the heat source; k _i is the coefficient of proportionality.

Изменение расстояния (перемещение) между точкой измерения температуры термоприемником и точкой подвода теплоты осуществляют до тех пор, пока контролируемая температура в точке ее регистрации достигнет максимального значения, т.е. Changing the distance (movement) between the temperature measuring point of the thermal receiver and the heat supply point is carried out until the controlled temperature at its registration point reaches its maximum value, i.e.

T(R_i)-T(R_i-1)≤ ε,
где ε - чувствительность измерительной аппаратуры.T (R _i ) -T (R _i-1 ) ≤ ε,
where ε is the sensitivity of the measuring equipment.

Это будет соответствовать экстремуму функции T(x) при скорости V₀ (фиг. 2). При этом измеряют значение расстояния x₁ между центром пятна нагрева и проекцией точки контроля температуры на линию движения источника тепла и определяют значение расстояния R₁ между точкой подвода теплоты и точкой контроля температуры:

Далее постепенно увеличивают мощность источника энергии q на величину
Δq = k₂[T_зад1 - T(R₁)],
где T_зад1 - заданное значение избыточной температуры, величина которой задается в диапазоне 30-40% от температуры термодеструкции T_терм исследуемого материала; T(R₁) - значение избыточной температуры в точке контроля, расположенной на расстоянии R₁ от центра пятна нагрева; k₂ - коэффициент пропорциональности. Изменение мощности источника энергии q осуществляют до тех пор, пока измеряемая избыточная температура T(R₁) не окажется в пределах заданного диапазона от температуры T_зад1 (например, от 0,8·T_зад1 до T_зад1). При этом измеряют значение мощности источника энергии q₁.This will correspond to the extremum of the function T (x) at a speed of V ₀ (Fig. 2). In this case, the value of the distance x ₁ between the center of the heating spot and the projection of the temperature control point on the line of motion of the heat source is measured and the value of the distance R ₁ between the heat supply point and the temperature control point is determined:

Then gradually increase the power of the energy source q by
Δq = k ₂ [T _{ass 1} - T (R ₁ )],
where T _{ass 1} - the set value of the excess temperature, the value of which is set in the range of 30-40% of the temperature of thermal degradation T _{term of the} investigated material; T (R ₁ ) is the value of the excess temperature at the control point located at a distance R ₁ from the center of the heating spot; k ₂ - coefficient of proportionality. The change in power of the energy source q is carried out until the measured excess temperature T (R ₁ ) is within the specified range of temperature T _set1 (for example, from 0.8 · T _set1 to T _set1 ). In this case, measure the value of the power of the energy source q ₁ .

Затем плавно изменяют скорость движения V термоприемника и источника энергии в соответствии с зависимостью
V_i+1 = V_i - ΔV,
где Δ V = k₃[T_зад1 - T(V_i)] + k₄[T_зад1 - T(V_i)]·[V_i-1 - V_i] + k₅[T_зад1 - T(V_i)] /[V_i-1 - V_i], k₃, k₄, k₅ - коэффициенты пропорциональности. Изменение скорости движения V осуществляют до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R₁ избыточная температура T(V_i) станет равной заданному значению температуры T_зад1. При этом измеряют значение скорости движения V₁.Then smoothly change the speed V of the thermal detector and the energy source in accordance with the dependence
V _{i + 1} = V _i - ΔV,
where Δ V = k ₃ [T _{ass 1} - T (V _i )] + k ₄ [T _{ass 1} - T (V _i )] · [V _i-1 - V _i ] + k ₅ [T _{ass 1} - T (V _i )] / [V _i-1 - V _i ], k ₃ , k ₄ , k ₅ - proportionality coefficients. The change in the speed of movement V is carried out until the excess temperature T (V _i ) measured at the control point R ₁ becomes equal to the predetermined temperature T _set1 . In this case, the value of the speed of movement V ₁ is measured.

Затем, увеличив заданное значение избыточной температуры T_зад1 в два раза (T_зад2 = 2T_зад1), повторяют вышеописанные процедуры измерения.Then, increasing the setpoint of the excess temperature T _ass1 twice (T _ass2 = 2T _ass1 ), repeat the above measurement procedures.

В результате определяют значения параметров q₂ и V₂, при которых выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, а искомые теплофизические характеристики определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.As a result, the values of the parameters q ₂ and V _{2 are} determined at which the above ratio of controlled excess temperatures is satisfied, and the desired thermophysical characteristics are determined by the dependences obtained on the basis of the following considerations.

Известно (см. , например, Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.), что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником тепловой энергии избыточная предельная температура поверхности исследуемого тела в точке, перемещающейся вслед за источником соответственно со скоростями V₁ и V₂ и находящейся на расстоянии R₁ от него, определяется зависимостями:

где λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/мК; x₁ - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R₁ от него, на линию движения источника тепла, м; a - коэффициент температуропроводности исследуемого материала.It is known (see, for example, NN Rykalin, Calculation of thermal processes during welding. - M .: Mashgiz, 1951. - 296 pp.) That when the surface of a semi-infinite body in heat terms is heated by a moving point source of thermal energy, the excess surface temperature limit the studied body at a point moving after the source, respectively, with speeds V ₁ and V ₂ and located at a distance R ₁ from it, is determined by the dependencies:

where λ is the thermal conductivity of the product, W / mK; x ₁ - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point located at a distance R ₁ from it, on the line of motion of the heat source, m; a is the coefficient of thermal diffusivity of the studied material.

После несложных математических преобразований выражений (1) и (2) с учетом того, что
T₂(R₁) = 2T₁(R₁) = T_зад2,
получаем формулу для расчета температуропроводности в виде

Теплопроводность определяют по формуле, полученной при подстановке выражения (3) в (2) и имеющей вид

Таким образом, определив расстояние R₁, мощности источника энергии q₁ и q₂, скорости движения источника энергии над поверхностью тела V₁ и V₂, по формулам (3) и (4) можно определить искомые теплофизические характеристики.After simple mathematical transformations of expressions (1) and (2), given that
T ₂ (R ₁ ) = 2T ₁ (R ₁ ) = T _ass2 ,
we obtain the formula for calculating thermal diffusivity in the form

Thermal conductivity is determined by the formula obtained by substituting expression (3) in (2) and having the form

Thus, having determined the distance R ₁ , the power of the energy source q ₁ and q ₂ , the velocity of the energy source above the surface of the body V ₁ and V ₂ , by using formulas (3) and (4), one can determine the desired thermophysical characteristics.

Предложенный способ позволяет проводить адаптивный поиск оптимальных в метрологическом отношении расстояния от источника энергии до точки контроля температуры, так как в процессе проведения измерений производится поиск самых теплонагруженных точек на поверхности исследуемых объектов и контролируются в этих точках максимальные по уровню температуры, что уменьшает относительную погрешность измерений, а следовательно, повышает точность разработанного способа. The proposed method allows for an adaptive search in metrologically optimal distance from the energy source to the temperature control point, since during the measurement process, the most heat-loaded points on the surface of the studied objects are searched for and the maximum in temperature are controlled at these points, which reduces the relative measurement error, and therefore, improves the accuracy of the developed method.

Представленный здесь бесконтактный способ позволяет адаптивно выбрать такую мощность теплового воздействия на исследуемый объект, при которой избыточная температура в самых теплонагруженных точках не превышает температуру термодеструкции исследуемого материала, что полностью исключает возможность разрушения исследуемых изделий в процессе измерений. The non-contact method presented here makes it possible to adaptively select such a power of thermal action on the studied object at which the excess temperature at the most heat-loaded points does not exceed the temperature of thermal degradation of the test material, which completely eliminates the possibility of destruction of the investigated products during measurement.

Адаптивный поиск как координат измерения температуры, так и мощности источника энергии и скорости движения источника с термоприемником относительно исследуемого изделия в условиях недостаточной априорной информации о его теплофизических характеристиках, позволяет также расширить функциональные возможности предложенного способа, в частности, за счет увеличения перечня испытуемых материалов и диапазона определяемых теплофизических характеристик. An adaptive search for both the coordinates of temperature measurement and the power of the energy source and the speed of movement of the source with the thermal receiver relative to the studied product in conditions of insufficient a priori information about its thermophysical characteristics also allows you to expand the functionality of the proposed method, in particular, by increasing the list of tested materials and range defined thermophysical characteristics.

В предложенном способе тепловая система более плавно и за меньший интервал времени выводится на заданный тепловой режим, так как изменением мощности источника тепла система оперативно выводится на первый температурный подуровень T = (0,8·T_зад1 - T_зад1), а затем, за счет адаптивного изменения скорости, система плавно выводится на заранее заданный температурный уровень T_зад1, на котором и снимается измерительная информация для расчета искомых теплофизических характеристик.In the proposed method, the thermal system is more smoothly and for a shorter time interval displayed at the specified thermal mode, since by changing the power of the heat source the system is quickly brought to the first temperature sublevel T = (0.8 · T _set1 - T _set1 ), and then, due to adaptive change of speed, the system is smoothly displayed at a predetermined temperature level T _ass1 , at which the measurement information is taken to calculate the desired thermophysical characteristics.

То, что влияние изменения мощности на термограмму нагрева значительно выше, чем влияние изменения скорости легко доказать, определив функции влияния на контролируемую избыточную температуру изменения параметров V и q в выражении (1). Так функция чувствительности от влияния изменения мощности q определяется как

где T - температура.The fact that the effect of a change in power on a heating thermogram is much higher than the effect of a change in speed is easy to prove by determining the functions of the effect on a controlled excess temperature of a change in the parameters V and q in expression (1). So the sensitivity function from the influence of a change in power q is defined as

where T is the temperature.

Функция чувствительности от влияния скорости V будет равна:

Поскольку практически для всех исследуемых в теплофизике твердых материалов коэффициент температуропроводности а находится в диапазоне от 10^-7 м²/с до 10^-6 м²/с, а при реализации заявленного способа скорость движения V источника и термоприемника изменяется в диапазоне от 1 мм/с до 10 мм/с и разность (R-x) не выходит за пределы от 0,01 мм до 0,5 мм, то всегда функция чувствительности S_v<1, т.е. S_g >S_v. Отсюда следует, что изменение скорости оказывает меньшее, чем мощность, влияние на изменение избыточной температуры в точке контроля, что обеспечивает плавный вывод системы с предуровня на заданный температурный режим.The sensitivity function of the influence of speed V will be equal to:

Since for almost all the solid materials studied in thermal physics, the thermal diffusivity coefficient a is in the range from 10 ^-7 m ² / s to 10 ^-6 m ² / s, and when implementing the inventive method, the speed of movement of the V source and thermal receiver varies in the range from 1 mm / s to 10 mm / s and the difference (Rx) does not go beyond 0.01 mm to 0.5 mm, the sensitivity function is always S _v <1, i.e. S _g > S _v . It follows that the change in speed has a smaller effect than the power on the change in excess temperature at the control point, which ensures a smooth output of the system from a pre-level to a given temperature mode.

Таким образом, в разработанном способе предложенная последовательность операций позволяет минимизировать время выхода контролируемой избыточной температуры на заданный уровень, в результате чего значительно увеличивается оперативность теплофизического эксперимента, а следовательно, и точность определения искомых теплофизических характеристик за счет уменьшения влияния неучтенных тепловых потерь. Thus, in the developed method, the proposed sequence of operations allows minimizing the time required for the controlled excess temperature to reach a predetermined level, as a result of which the efficiency of the thermophysical experiment is significantly increased, and therefore the accuracy of determining the desired thermophysical characteristics is also reduced by reducing the effect of unaccounted for heat losses.

Проведенная экспериментальная проверка показала, что предложенное техническое решение по сравнению с известными способами позволило на 3-5% повысить точность результатов измерения. Результаты ряда экспериментов на изделиях с известными теплофизическими характеристиками, проведенные с использованием заявленного технического решения и прототипа, приведены в таблице. The conducted experimental verification showed that the proposed technical solution compared with the known methods made it possible to increase the accuracy of the measurement results by 3-5%. The results of a series of experiments on products with known thermophysical characteristics, carried out using the claimed technical solution and prototype, are shown in the table.

Claims

A non-contact adaptive method of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials, namely, that they act on the surface of the body with a point moving source of a certain power, measure the excess temperature of the heated surface at points on the surface of the body with a heat detector moving at a speed of the source along a line parallel to its movement line, change the distance between the temperature control point and the center of the source heating spot, register the relative position of the supply points t temperature and temperature measurements by the heat detector and the data obtained are used to determine the desired values, characterized in that before starting the movement, focus the heat detector in the center of the heating spot, turn on the energy source with an initial minimum power at which an excess temperature appears in the center of the heating spot, the level of which is higher than the sensitivity measuring equipment, increase the power of the energy source and simultaneously with its shutdown measure the excess temperature in the center of the heating spot until the measured temperature in the center of the heating spot will become equal to 0.8 - 0.9 temperature of thermal destruction T _{term of the} studied material, focus the thermal detector to a point on the surface of the test object on a line perpendicular to the line of motion of the heat source and passing through the center of the heating spot at a distance R ₀ from it, in which, using shielding, the influence of the energy source on the results of temperature measurements is excluded due to direct exposure to the thermal receiver of laser radiation partially reflected from the surface of the object cha, start the movement of the source and the heat sink and shift the temperature control point from the heating spot along a line parallel to the source movement line in the direction of lagging behind it by a distance at which the value of the controlled excess temperature at its registration point reaches its maximum value, measure this distance, increase the power energy source by the amount at which the measured excess temperature is within the specified range from a predetermined excess temperature from They measure this value of the power of the energy source, then smoothly change the speed of the thermal receiver and the energy source by the amount at which the measured excess temperature becomes equal to the set temperature value, measure this value of the speed of movement, double the initial set value of the excess temperature and repeat the above operations, and the desired thermophysical characteristics are determined from the following relationships:

where a is the coefficient of thermal diffusivity, m ² / s;
λ is the thermal conductivity of the product, W / m ² K;
T _{ass 2} - the second preset value of the excess temperature;
R ₁ is the distance between the center of the heating spot and the point of the extreme (maximum) value of the controlled excess temperature, m;
x ₁ - the distance between the center of the heating spot and the projection of the point located at a distance R ₁ from it, on the line of motion of the heat source, m;
V ₁ , V ₂ - the speed of movement of the source and thermal receivers relative to the investigated body, m / s;
q ₁ , q ₂ - power of the heat source, watts.