RU2192000C2 - Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials - Google Patents

Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials Download PDF

Info

Publication number
RU2192000C2
RU2192000C2 RU2000123040A RU2000123040A RU2192000C2 RU 2192000 C2 RU2192000 C2 RU 2192000C2 RU 2000123040 A RU2000123040 A RU 2000123040A RU 2000123040 A RU2000123040 A RU 2000123040A RU 2192000 C2 RU2192000 C2 RU 2192000C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermal
heater
temperature
heat
circle
Prior art date
Application number
RU2000123040A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000123040A (en
Inventor
М.Г. Клебанов
В.В. Обухов
Т.А. Фесенко
Original Assignee
Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тамбовский военный авиационный инженерный институт filed Critical Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Priority to RU2000123040A priority Critical patent/RU2192000C2/en
Publication of RU2000123040A publication Critical patent/RU2000123040A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2192000C2 publication Critical patent/RU2192000C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: thermal-physical measurements. SUBSTANCE: heat source in the form of circle is positioned on heat-insulated surface of tested material. Surface of tested material is subjected to action of heat pulses of equal energy fed at moments of onset of specified relation of integral values of temperatures in points of location of temperature-sensitive elements. Heat pulse repetition frequency and temperature in one test point are recorded at moment of termination of heat test and thermal-physical characteristics of tested material are computed on basis of formulas given in description of invention. EFFECT: enhanced accuracy of determination of thermal-physical characteristics thanks to increase of excess temperature in test points. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов. The invention relates to the field of thermophysical measurements and can be used to determine the thermophysical characteristics of materials.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик (ТФХ), при котором осуществляют импульсное тепловое воздействие по прямой линии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала (изделия), и фиксируют момент времени, когда отношение избыточных температур в двух разноотстоящих от источника точках поверхности материала достигнет наперед заданного значения (авторское свидетельство 834480 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1979). There is a method of non-destructive testing of thermophysical characteristics (TPC), in which a pulsed thermal effect is applied in a straight line to the thermally insulated surface of the investigated material (product), and the time is fixed when the ratio of excess temperatures at two points of the surface of the material different from the source reaches the predetermined value in advance ( copyright certificate 834480 of the USSR, MKI G 01 N 25/18, 1979).

Недостатком этого способа является сравнительно малая точность определения ТФХ из-за низкой избыточной температуры в контрольных точках. The disadvantage of this method is the relatively low accuracy of the determination of TPC due to the low excess temperature at the control points.

Повысить избыточную температуру в контрольных точках можно путем многократной подачи тепловых импульсов. Для этого на теплоизолированной поверхности исследуемого материала размещают линейный нагреватель импульсно выделяющий равные количества энергии в моменты времени, когда соотношений температур в контрольных точках соответствует заданному ряду чисел (авторское свидетельство 1728755 СССР, МКИ G 01 N 25/18, 1992). ТФХ исследуемого материала рассчитывают на основании регистрируемой частоты следования тепловых импульсов и избыточной температуры в одной из контрольных точек. To increase the excess temperature at the control points is possible by repeatedly supplying thermal pulses. For this, a linear heater is pulsed on the heat-insulated surface of the material under study to pulse equal amounts of energy at times when the temperature ratios at the control points correspond to a given series of numbers (copyright certificate 1728755 USSR, MKI G 01 N 25/18, 1992). The TLC of the test material is calculated on the basis of the recorded thermal pulse repetition rate and excess temperature at one of the control points.

Недостатком этого способа является то, что в ходе тепловых испытаний на точность регистрации температуры (например при использовании термопар) могут существенное влияние оказывать внешние электромагнитные поля, что приводит к росту погрешности определения ТФХ. The disadvantage of this method is that during thermal tests the accuracy of temperature registration (for example, when using thermocouples) can be significantly affected by external electromagnetic fields, which leads to an increase in the error in the determination of TFC.

В известном техническом решении, наиболее близком к предлагаемому (патент на изобретение РФ 149387, МКИ G 01 N 25/18, 2000), на теплоизолированную поверхность исследуемого материала осуществляют многократное импульсное тепловое воздействие точечным источником тепла. Тепловые импульсы подаются в моменты достижения заданных соотношений интегральных значений температур, регистрируемых на поверхности исследуемого материала на заданных расстояниях от источника тепла. В ходе тепловых испытаний регистрируется частота следования тепловых импульсов и интегральные значения температур в контрольных точках. In the known technical solution, which is closest to the proposed one (patent for the invention of the Russian Federation 149387, MKI G 01 N 25/18, 2000), a multiple pulsed thermal effect of a point heat source is carried out on the heat-insulated surface of the test material. Thermal pulses are applied when the specified ratios of the integral temperature values are reached, recorded on the surface of the material under study at given distances from the heat source. During thermal tests, the pulse repetition rate and the integral temperature values at the control points are recorded.

Регистрация интегральных значений температур существенно снижает влияние внешних электромагнитных полей на точность определения ТФХ, однако данный способ не позволяет обеспечить большие избыточные температуры в контрольных точках, т.к. при этом растет температура в точке размещения нагревателя, что может привести к деструкции исследуемого материала. Registration of integral temperature values significantly reduces the influence of external electromagnetic fields on the accuracy of determining the TFC, however, this method does not allow for large excess temperatures at control points, because at the same time, the temperature rises at the location of the heater, which can lead to destruction of the material under study.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения ТФХ за счет увеличения избыточной температуры в точках размещения термодатчиков. The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the TPC by increasing the excess temperature at the points of placement of the temperature sensors.

Сущность предлагаемого способа состоит в многократном импульсном тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала нагревателем в виде окружности и регистрации частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты достижения заданных соотношений интегральных значений температур в точках размещения термодатчиков. The essence of the proposed method consists in multiple pulsed thermal effects on the thermally insulated surface of the test material by the heater in the form of a circle and registration of the repetition rate of the thermal pulses applied at the moments of reaching the given ratios of the integral temperature values at the points of placement of the temperature sensors.

На теплоизолированной поверхности исследуемого материала располагают нагреватель в виде окружности радиуса г и два термодатчика (термопары) Тп1 и Тп2, в точках размещения которых регистрируют интегральные значения температур I1(τ) и I2(τ). Термопару Тп1 устанавливают на окружности нагревателя, а термопару Тп2 - в центре окружности. В момент начала тепловых испытаний τ = 0 нагреватель импульсно выделяет энергию Q из расчета на единицу длины нагревателя, после чего регистрируют момент наступления равенства отношения I1(τ)/I2(τ) заданной величине h1 и подают второй тепловой импульс. Условием подачи третьего импульса является наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = h2 и т.д. Всего подают N тепловых импульсов.On the insulated surface of the test material, a heater is arranged in the form of a circle of radius r and two temperature sensors (thermocouples) T p1 and T p2 , at the points of placement of which integral values of temperatures I 1 (τ) and I 2 (τ) are recorded. The thermocouple T p1 is installed on the circumference of the heater, and the thermocouple T p2 is installed in the center of the circle. At the moment of the start of the thermal tests τ = 0, the heater pulsedly emits energy Q per unit length of the heater, after which the moment of the equality of the ratio I 1 (τ) / I 2 (τ) of the given value h 1 is recorded and a second thermal pulse is applied. The condition for giving the third impulse is the occurrence of the equality I 1 (τ) / I 2 (τ) = h 2 , etc. In total, N thermal pulses are supplied.

Величины hi, (i=1,2,...,N) рассчитывают, используя выражение:

Figure 00000002

где ε - заданная постоянная;
Figure 00000003
табличный интеграл.The values of h i , (i = 1,2, ..., N) are calculated using the expression:
Figure 00000002

where ε is a given constant;
Figure 00000003
table integral.

Расчет величин hi в соответствии с (1) позволяет обеспечить постоянный период следования тепловых импульсов τ0, зависящий от ТФХ исследуемого материала. В процессе контроля регистрируют частоту следования тепловых импульсов F = 1/τ0 и интегральное значение температуры I2 в точке размещения термопары Тп2 в момент наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = hN.
На основании полученных данных коэффициент температуропроводности определяют по формуле

Figure 00000004

а коэффициент теплопроводности из соотношения
Figure 00000005
(3)
где Q - энергия, выделяемая единицей длины нагревателя; r - радиус окружности нагревателя; ε - заданная постоянная; F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов; N - количество подаваемых тепловых импульсов; I2 - температура в точке размещения термопары Тп2 в момент наступления равенства I1(τ)/I2(τ) = hN;
Figure 00000006
табличный интеграл.The calculation of the values of h i in accordance with (1) allows us to provide a constant period of repetition of thermal pulses τ 0 , depending on the thermal characteristics of the material under study. During the monitoring process, the thermal pulse repetition rate F = 1 / τ 0 and the integral temperature value I 2 at the point of placement of the thermocouple T p2 at the moment of equality I 1 (τ) / I 2 (τ) = h N are recorded .
Based on the data obtained, the thermal diffusivity is determined by the formula
Figure 00000004

and the coefficient of thermal conductivity from the ratio
Figure 00000005
(3)
where Q is the energy released by the unit length of the heater; r is the radius of the circumference of the heater; ε is the given constant; F is the recorded pulse repetition rate; N is the number of supplied thermal pulses; I 2 is the temperature at the point of placement of the thermocouple T p2 at the time of equality I 1 (τ) / I 2 (τ) = h N ;
Figure 00000006
table integral.

С учетом (2) можно записать

Figure 00000007

Если коэффициент температуропроводности исследуемого материала находится в пределах от amin до аmax, то на сновании (4) можно определить наибольший и наименьший периоды следования тепловых импульсов
Figure 00000008

и наибольшее время проведения тепловых испытаний, которое составит
Figure 00000009
или
Figure 00000010

где N - количество подаваемых тепловых импульсов; r - радиус окружности нагревателя; ε - заданная постоянная; аmin - минимальное значение коэффициента температуропроводности исследуемого материала.In view of (2), we can write
Figure 00000007

If the thermal diffusivity of the studied material is in the range from a min to a max , then on the basis of (4) it is possible to determine the largest and smallest periods of the following thermal pulses
Figure 00000008

and the longest thermal test time, which will be
Figure 00000009
or
Figure 00000010

where N is the number of supplied thermal pulses; r is the radius of the circumference of the heater; ε is the given constant; and min is the minimum value of the coefficient of thermal diffusivity of the investigated material.

Таким образом, выбор ε целесообразно производить с учетом диапазона ТФХ материалов, подвергаемых контролю, и требований оперативности контроля. Thus, the choice of ε is advisable to take into account the range of thermal characteristics of the materials subjected to control, and the requirements of control efficiency.

На фиг.1 показана схема размещения нагревателя и термопар на поверхности исследуемого материала. Figure 1 shows the layout of the heater and thermocouples on the surface of the test material.

При подаче одного теплового импульса от точечного нагревателя избыточная температура в точке размещения источника может быть найдена как

Figure 00000011

а на расстоянии r от нагревателя как
Figure 00000012

где
Figure 00000013
энергия, выделяемая точечным источником тепла; τ - текущее время;
Figure 00000014
и а - соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности исследуемого материала.When one heat pulse is supplied from a point heater, the excess temperature at the source location can be found as
Figure 00000011

and at a distance r from the heater as
Figure 00000012

Where
Figure 00000013
energy released by a point heat source; τ is the current time;
Figure 00000014
and a are, respectively, the coefficients of thermal and thermal diffusivity of the test material.

При использовании нагревателя в виде окружности радиуса r температура в точке окружности будет определяться выражением

Figure 00000015

а в центре окружности как
Figure 00000016

где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя в виде окружности.When using a heater in the form of a circle of radius r, the temperature at the point of the circle will be determined by the expression
Figure 00000015

and in the center of the circle as
Figure 00000016

where Q is the amount of heat released by the unit length of the heater in the form of a circle.

При расчете температуры с учетом конечной длительности теплового импульса может быть использовано соотношение

Figure 00000017

где τи - длительность теплового импульса; T(r,τ) - температура, определяемая в зависимости от формы источника тепла равенствами (6)-(9).When calculating the temperature, taking into account the finite duration of the thermal pulse, the relation
Figure 00000017

where τ and is the duration of the thermal pulse; T (r, τ) is the temperature determined depending on the shape of the heat source by equalities (6) - (9).

При проведении тепловых испытаний температура в точке нагрева (при использовании точечного нагревателя) и на линии действия нагревателя в виде окружности в момент подачи теплового импульса не должна превышать максимально допустимую температуру, при которой происходит деструкция исследуемого материала. Если за счет выбора соответствующей энергии нагрева обеспечивается равенство избыточных температур в момент подачи теплового импульса в точке действия точечного нагревателя и на линии действия нагревателя в виде окружности, то на основании (6)-(10) можно показать, что в последующие моменты времени нагреватель в виде окружности обеспечивает большую избыточную температуру в контрольных точках по сравнению с точечным нагревателем. When conducting thermal tests, the temperature at the heating point (when using a point heater) and on the line of action of the heater in the form of a circle at the time of the heat pulse should not exceed the maximum allowable temperature at which the destruction of the test material occurs. If, by choosing the appropriate heating energy, the equality of excess temperatures is ensured at the time of the heat pulse at the point of action of the point heater and on the line of action of the heater in the form of a circle, then on the basis of (6) - (10) it can be shown that at subsequent times the heater The shape of a circle provides a large excess temperature at the control points compared to a point heater.

На фиг. 2 представлены графики изменения температур в точке нагрева при действии точечного нагревателя (линия 1) и на линии действия нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 2) при одинаковой температуре в момент подачи теплового импульса, построенные с учетом равенств (6), (8) и (10) при

Figure 00000018
Дж; Q= 178 Дж/м; τи = 0.1 с; r=2.5•10-3 м; λ = 1.2 Дж/(м•К); а= 3.5•10-6 м2/с.In FIG. Figure 2 shows the graphs of temperature changes at the heating point under the action of a point heater (line 1) and on the line of action of the heater in the form of a circle of radius r (line 2) at the same temperature at the time of the heat pulse, constructed taking into account equalities (6), (8) and (10) for
Figure 00000018
J; Q = 178 J / m; τ and = 0.1 s; r = 2.5 • 10 -3 m; λ = 1.2 J / (m • K); a = 3.5 • 10 -6 m 2 / s.

На фиг. 3 представлены графики изменения температур на расстоянии r от точечного нагревателя (линия 3) и в центре нагревателя в виде окружности радиуса r (линия 4), рассчитанные на основании (7) и (9). In FIG. Figure 3 shows graphs of temperature changes at a distance r from a point heater (line 3) and in the center of the heater in the form of a circle of radius r (line 4), calculated on the basis of (7) and (9).

Claims (1)

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, включающий в себя многократное импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты наступления заданных соотношений интегральных значений температур в двух контрольных точках поверхности исследуемого материала, отличающийся тем, что используют нагреватель в виде окружности и два термодатчика, регистрирующие температуру на окружности нагревателя и в ее центре, а коэффициенты тепло- и температуропроводности рассчитывают по формулам:
Figure 00000019

Figure 00000020

где Q - количество теплоты, выделяемое единицей длины нагревателя;
r - радиус окружности нагревателя;
ε - заданная постоянная;
N - количество подаваемых тепловых импульсов;
F - регистрируемая частота следования тепловых импульсов;
I2 - температура в центре окружности нагревателя в момент окончания тепловых испытаний.
A method of non-destructive testing of the thermophysical characteristics of materials, which includes multiple pulsed thermal effects on the thermally insulated surface of the studied material and registration of the repetition rate of thermal pulses supplied at the moments of the set temperature ratios at two control points on the surface of the studied material, characterized in that the heater is used in the form of a circle and two temperature sensors that record the temperature on the circumference of the heater and in its center, and the coefficients of heat and thermal diffusivity are calculated by the formulas:
Figure 00000019

Figure 00000020

where Q is the amount of heat released by the unit length of the heater;
r is the radius of the circumference of the heater;
ε is the given constant;
N is the number of supplied thermal pulses;
F is the recorded pulse repetition rate;
I 2 is the temperature in the center of the circumference of the heater at the end of the heat test.
RU2000123040A 2000-09-04 2000-09-04 Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials RU2192000C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000123040A RU2192000C2 (en) 2000-09-04 2000-09-04 Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000123040A RU2192000C2 (en) 2000-09-04 2000-09-04 Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000123040A RU2000123040A (en) 2002-08-20
RU2192000C2 true RU2192000C2 (en) 2002-10-27

Family

ID=20239760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000123040A RU2192000C2 (en) 2000-09-04 2000-09-04 Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2192000C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gatowski et al. An experimental investigation of surface thermometry and heat flux
US4848147A (en) Thermal transient anemometer
Vendrik et al. A method for the measurement of the thermal conductivity of human skin
RU2192000C2 (en) Procedure of nondestructive test of thermal-physical characteristics of materials
RU2534429C1 (en) Measurement method of thermal and physical properties of solid materials by method of instantaneous flat heat source
RU2184954C2 (en) Method of non-destructive test of thermophysical characteristics of solid materials
Park et al. A new method for measuring time constants of a thermocouple wire in varying flow states
RU2149389C1 (en) Method of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials
RU2149388C1 (en) Method testing thermophysical characteristics of materials
RU2179718C2 (en) Process of non-destructive test of thermal and physical characteristics of materials
RU2184953C2 (en) Process of non-destructive test of thermophysical characteristics of materials
RU2181199C2 (en) Method for non-destruction testing of thermal properties of materials
RU2150694C1 (en) Method of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials
RU2149386C1 (en) Method determining thermophysical characteristics of materials
Longo A steady-state apparatus to measure the thermal conductivity of solids
RU2150695C1 (en) Process of nondestructive test of thermophysical characteristics of materials
RU2179719C2 (en) Process of non-destructive inspection of thermal-physical characteristics of materials
SU1395939A1 (en) Method of checking thickness of sheet material
RU2179717C2 (en) Process of non-destructive test of thermal-physical characteristics of materials
JP3246860B2 (en) Thermal characteristic measuring device and soil moisture content measuring device using the same
Sapozhnikov et al. Bismuth-based gradient heat-flux sensors in thermal experiment
RU2184952C2 (en) Process of non-destructive inspection of thermophysical characteristics of materials
RU2287807C1 (en) Method for determining thermo-physical properties of multi-layered building structures and products
Budwig et al. A new method for in situ dynamic calibration of temperature sensors
RU2611080C1 (en) Apparatus for determining critical value of radiant heat flux for different materials and substances