RU2497105C1 - Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий - Google Patents

Abstract

Использование: для неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий. Сущность: заключается в том, что перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся, соответственно, на расстояниях x₁ и x₂ от плоскости высокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний x₁ и x₂ до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие в плоскости СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений. Технический результат: повышение оперативности и точности определения теплофизических характеристик строительных материалов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.

Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов [см., например, патент РФ №2263901, кл. G01N 25/18, 2004 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения подводом тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям.

Недостатками данного способа являются ограниченность функциональных возможностей, обусловленная необходимостью изготовления из строительных материалов и изделий образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда), это возможно только при нарушении целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых готовых изделий, малая точность измерения теплопроводности из-за влияния на результаты измерений собственной теплоемкости нагревателя и неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемого изделия в окружающую среду, значительное время проведения теплофизического эксперимента, обусловленное необходимостью вывода тепловой системы в квазистационарный (упорядоченный) режим.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов [см., например, патент РФ №2250454, кл. G01N 25/18, 2005 г.], состоящий в симметричном нагреве образцов в форме призмы квадратного сечения (параллелепипеда), измерении температурно-временных изменений в фиксированных точках исследуемого образца, определении момента наступления регулярного теплового режима в исследуемом образце с последующим расчетом искомой теплопроводности на основе полученной информации.

Недостатками этого способа являются необходимость также в разрушении целостности исследуемых изделий с целью изготовления образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда), значительное время проведения эксперимента, обусловленное необходимостью вывода системы в квазистационарный упорядоченный режим, невысокая точность измерений искомых теплофизических характеристик из-за неучтенных потерь в окружающую среду, которые пропорциональны времени эксперимента.

За прототип принят способ определения теплофизических характеристик строительных материалов [см., например, патент РФ №2399911, G01N 25/18, 2010 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) через неизолированную торцевую грань воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) от переменно-фазовой многощелевой антенны, при этом одну из торцевых и все боковые грани исследуемого образца теплоизолируют от окружающей среды, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения и контролируют изменение температуры на свободной от теплоизоляции грани и противоположной относительно нее торцевой грани исследуемого образца, определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхности грани СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые теплофизические характеристики. Во втором варианте данного способа осуществляют симметричный нагрев образца в виде призмы через торцевые противоположные грани с теплоизолированными боковыми гранями призмы воздействием СВЧ-излучения от двух переменно-фазовых многощелевых антенн, постепенно увеличивают мощность электромагнитного СВЧ-излучения, контролируют изменение температуры на свободных от теплоизоляции гранях и в среднем сечении исследуемого образца в виде призмы и определяют значение мощности СВЧ-излучения, при котором прекращается изменение температуры в контролируемых точках, измеряют установившиеся значения температур в контролируемых точках образца, а также температуру окружающей среды и мощность отраженного от поверхностей граней СВЧ-излучения и по измеренным данным на основе полученных математических соотношений определяют искомые теплофизические характеристики.

Недостатками способа-прототипа являются необходимость в разрушении исследуемых изделий с целью изготовления образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) для контроля искомых теплофизических характеристик, большое время теплофизических экспериментов, обусловленное необходимостью вывода исследуемой системы в квазистационарный упорядоченный режим, а также низкая точность измерения теплофизических характеристик из-за влияния на результаты неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемых образцов в окружающую среду, величина которых пропорциональная времени эксперимента.

Техническая задача предполагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей за счет контроля теплофизических характеристик исследуемых готовых изделий без разрушения их целостности и эксплуатационных характеристик, а также повышение оперативности и точности определения искомых теплофизических характеристик строительных материалов и изделий.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, состоящем в нагреве исследуемого объекта воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучение), измерении температурно-временных изменений в фиксированных точках образца и определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся, соответственно, на расстояниях x₁ и х₂ от плоскости сверхвысокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний x₁ и х₂ до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие по внутренней плоскости от СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

Вместе с тем измеряют в два заранее заданных момента времени τ₁ и τ₂ после подачи электромагнитного импульса избыточную температуру в одной точке, находящейся на расстоянии x₁ от плоскости теплового воздействия, затем на исследуемое изделие дополнительно воздействуют по линии вторым импульсом высокочастотного электромагнитного поля, мощность которого на 20-30% отличается от мощности первого импульса СВЧ-излучения, причем воздействие вторым импульсом осуществляют через интервал времени, необходимого для релаксации температурного поля в точках контроля от воздействия первого импульса, либо для повышения оперативности способа воздействие вторым импульсом осуществляют на другом участке поверхности исследуемого изделия, находящемся на расстоянии, значительно превышающем зону активного воздействия первого импульса, а для организации воздействия импульсом высокочастотного электромагнитного излучения на исследуемое изделие от СВЧ-генератора по линии заданной длины используют систему из рупорно-линзовых антенн, главный лепесток суммарной диаграммы направленности которых сфокусирован на поверхности исследуемого изделия в точку, расположенную посередине линии воздействия, причем фазовращатели каждой антенны соединены с устройством электронного качания диаграммы направленности, осуществляя качание электромагнитного луча в заданных пределах угла и с заданной частотой, обеспечивающими непрерывное тепловое воздействие на исследуемое изделие по линии заданной длины, а затем измеряют в ранее заданный интервал времени τ₁ избыточную температуру в точке поверхности исследуемого изделия, находящейся на расстоянии x₁ от плоскости воздействия СВЧ-излучением, а искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

Сущность способа заключается в следующем. Поверхность исследуемого объекта подвергают импульсному воздействию высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучения) по линии, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности тела и уходящей внутрь этого тела. Для организации такого воздействия электромагнитное излучение формируют рупорно-линзовой антенной. В целях получения максимально узкой диаграммы направленности и улучшения характеристик антенны (для выравнивания фазы в раскрыве рупора), в него встроена линза из радиопрозрачного диэлектрического материала. Данное техническое решение позволяет получить антенну с заданной диаграммой направленности.

Длина линии воздействия берется не менее 8-10 см, а ширина около 0,2 см. Величина длины линии микроволнового воздействия задается на порядок больше, чем расстояния от этой линии до точек контроля температур, чтобы концевые эффекты, обусловленные ограниченностью длины линии теплового воздействия, не влияли на контролируемое температурное поле. Измерительная система, реализующая предлагаемый способ, представлена на Фиг.1.

Учитывая конструктивные особенности рупорно-линзовой антенны и проникающую способность СВЧ излучения, обеспечивается нагрев исследуемого тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого изделия и уходящей внутрь его.

Нагрев исследуемого объекта 1 осуществляется импульсным воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) по линии 2 длительностью 10-15 секунд от излучающей антенны 3 с вмонтированной в нее линзой 4 и соединенной с СВЧ-генератором 5. После СВЧ-воздействия осуществляют контроль избыточных температур на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся соответственно на расстояниях х₁ и х₂ от линии электромагнитного воздействия, термопарами 6, которые через коммутатор 7, нормирующий прецизионный усилитель 8 и АЦП 9 подключают к микропроцессорному устройству 10. В эксперименте расстояния x₁ и х₂ берутся обычно равными 2 и 3 мм соответственно.

Микропроцессорное устройство 10 соединено с СВЧ-генератором через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 11 и порт ввода-вывода 12, а также с коммутатором 7. Данные эксперимента выводятся на индикатор 13. Используя полученную в ходе теплофизического эксперимента измерительную информацию, в микропроцессоре 10 определяют искомые теплофизические характеристики по алгоритмам, построенным на основании аналитических соотношений, описывающих тепловые процессы в исследуемом полуограниченном в тепловом отношении объекте.

Имея информацию о мощности теплового нагрева исследуемого тела по внутренней плоскости и о значениях избыточных температур в контролируемых точках плоскости изделия, теплоизолированной от окружающей среды, искомые ТФХ находят по соотношениям, полученным на основании следующих рассуждений.

Температурное поле в исследуемом полуограниченном в тепловом отношении теле при импульсном тепловом воздействии по плоскости определяются уравнением [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 462 с.]:

где х - координата, (- время, а - температуропроводность, b=Q/c_j - тепловая активность исследуемого тела, Q - удельная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости, c_j - теплоемкость исследуемого тела.

Температурное поле в контролируемых точка х₁ и x₂ в заданный момент времени τ^* после теплового воздействия описываются системой уравнений:

Поделив (2) на (3) и выполнив ряд несложных математических преобразований, получим формулу для определения коэффициента температуропроводности в виде:

Используя известное соотношение λ=ac_j и уравнение (1), получим формулу для определения коэффициента теплопроводности:

Поскольку электромагнитная волна, попадающая в диэлектрик с потерями, коими являются традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и т.д.) ослабляется в направлении распространения, то для определения мощности теплового воздействия, участвующего в формировании контролируемого температурного поля, рассчитаем глубину проникновения поля плоской волны в материал с потерями, используя выражение для удельной мощности рассеивания в диэлектрике, приведенной в работе [Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.]:

где Е - напряженность переменного электрического поля; f - частота излучения; Е - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.

Используя зависимость (6), данные о параметрах СВЧ-излучения и исследуемого материала, определяют глубину проникновения поля в исследуемый материал и рассеиваемую по глубине мощность теплового воздействия; а, входящую в расчетное соотношение удельную мощность, выделяемую с единицы площади плоскости нагрева, определяют по формуле Q=Q_ucm/(l·Z₁), где Q_ucm - мощность источника энергии (генератора СВЧ-излучения), l - длина линии воздействия СВЧ-излучения (линии нагрева на поверхности исследуемого изделия). Глубина Z₁ и длина l формируют плоскость активного теплового воздействия, где выделяется практически вся мощность источника СВЧ-излучения, участвующая в формировании температурного поля в контролируемых точках.

На формирование температуры в контролируемых точках поверхности изделия х₁ и х₂, находящихся на расстоянии не более 2-3 мм от плоскости теплового воздействия, оказывает влияние только часть энергии СВЧ-генератора, выделяемая в плоскости на глубине Z₁ не более 30 мм, т.е. на порядок больше расстояния х₁ и х₂. На Фиг.2 эта часть энергии обозначена Q₁, а величина ее рассчитывается по соотношению (6). Остальная небольшая часть энергии Q₂=Q-Q₁ не участвует в формировании контролируемых на поверхности изделия избыточных температур Т(х₁, τ^*) и Т(х₂, τ^*). Поэтому для повышения точности определения коэффициента теплопроводности исследуемых изделий вводится поправочный коэффициент к, определяемый по соотношению $$k=\frac{Q_1}{Q_1+Q_2}$$

. Тогда для уточненного расчета искомого коэффициента теплопроводности используют соотношение в следующем виде:

Так, например, на Фиг.2 приведен график, построенный для красного кирпича с влажностью 30%, позволяющий определить количество энергии, участвующей в формировании температурного поля в точках контроля x₁ и х₂.

Таким образом, измерив в заданный момент τ^* после импульсного теплового воздействия на исследуемый объект по плоскости от СВЧ-источника в двух точках х₁ и x₂ избыточную температуру поверхности этого объекта и осуществив коррекцию мощности воздействия, по соотношениям (4) и (7) можно определить весь комплекс ТФХ исследуемых строительных изделий.

Для повышения точности искомых ТФХ за счет устранения возмущающего воздействия на контролируемое температурное поле второго термоприемника, расположенного на поверхности в точке х₂, а также с целью устранения погрешности априорной справочной информации о диэлектрической проницаемости исследуемого материала и погрешностей из-за влияния на результаты тепловых потерь от плоскости теплового воздействия, вызванных конечностью размеров плоскости, измеряют избыточную температуру только одним термоприемником в два момента времени τ₁ и τ₂ после подачи первого СВЧ-импульса, затем на исследуемое изделие дополнительно воздействуют по этой же линии вторым импульсом высокочастотного электромагнитного поля, мощность которого на 20-30% отличается от мощности первого импульса СВЧ-излучения, причем воздействие вторым импульсом осуществляют через интервал времени, необходимого для релаксации температурного поля в точках контроля от воздействия первого импульса, либо для повышения оперативности способа воздействие вторым импульсом осуществляют на другом участке исследуемого изделия, находящемся на расстоянии значительно превышающем зону активного воздействия первого импульса, а затем измеряют в ранее заданный интервал времени τ₁ избыточную температуру в точке поверхности исследуемого изделия, находящейся на расстоянии x₁ от плоскости воздействия СВЧ-излучением, а искомые теплофизические характеристики определяют на основе математических соотношений, полученных на основании следующих рассуждений.

Температурное поле в точке х₁ при воздействии первым электромагнитным импульсом СВЧ-излучения мощностью Q₁ в два момента времени τ₁ и τ₂ описывается системой уравнений [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 462 с.]:

После несложных математических преобразований системы уравнений (8)-(9) получим формулу для определения коэффициента температуропроводности исследуемого изделия в следующем виде

При проведении теплофизического эксперимента реальная мощность теплового воздействия как в первом, так и во втором импульсном воздействии от СВЧ-излучателя будет определяться как

$$Q_{1реал}=Q_1-\Delta Q_1;Q_{2реал}=Q_2-\Delta Q_2.\left(11\right)$$

Погрешности ΔQ₁ и ΔQ₂ складываются из погрешностей, вызванных тепловыми потерями ΔQ_тепл от плоскости теплового воздействия, погрешностью ΔQ_ε информации о диэлектрической проницаемости (в формуле (7), другими неучтенными потерями ΔQ_пот, т.е. ΔQ=ΔQ_тепл+ΔQε+ΔQ_пот.А поскольку величины этих составляющих общей суммарной погрешности ΔQ₁ как при первом импульсном воздействии на исследуемое тело, так и погрешность ΔQ₂ при втором импульсе практически одинаковы, то с большой достоверностью можно записать, что ΔQ₁≈ΔQ₂ (см. Фиг.3).

С учетом вышеизложенного систему уравнении (8)-(9) для воздействия импульсами мощностью Q₁ и Q₂ можно записать в следующем виде:

Вычтя из уравнения (13) уравнение (12) и сделав ряд несложных преобразований с учетом того, что ΔQ₁≈ΔQ₂, получим следующую формулу для определения искомого коэффициента теплопроводности в следующем виде:

На практике реализовать воздействие высокочастотного электромагнитного излучения от СВЧ-генератора, сфокусировав его с помощью диэлектрической линзы, по линии заданной длины достаточно сложно. Это обусловлено наличием боковых лепестков диаграммы направленности рупора, которые не попадают на линзу.

Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы направленности шириной от 100…140 до 10…20 градусов. Возможность дальнейшего сужения диаграммы направленности ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора.

Для формирования узкой (игольчатой) диаграммы направленности (см. Фиг.4) и повышения коэффициента направленного действия антенны используется система из небольших, размером порядка 2-3 см, рупорно-линзовых антенн. Главный лепесток суммарной диаграммы направленности системы антенн фокусируется на поверхности исследуемого изделия в точку, расположенную по середине линии воздействия. Изменение фазового фронта каждой из антенн с помощью фазовращателей приводит к перемещению главного лепестка суммарной диаграммы направленности системы. Управляющий сигнал на фазовращатели подается таким образом, чтобы обеспечить перемещение точки фокусировки луча на поверхности исследуемого изделлия по линии заданной длины. Измерительная система, реализующая предлагаемый вариант способа, представлена на Фиг.5.

Нагрев исследуемого объекта 1 осуществляется импульсным воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) по линии 2 от системы излучающих антенн 3 (рупорно-линзовые антенны), соединенной с СВЧ-генератором 4 посредством блока волноводов 5 и блока фазовращателей 6.

Электронное качание (перемещение) луча диаграммы направленности системы антенн обеспечивается формированием управляющего сигнала на изменение фазового фронта каждой из антенн системы от схемы управления 15 к блоку фазовращателей 6. Угол качания и расстояние от системы антенн 3 до исследуемого изделия 1 выбираются таким образом, чтобы обеспечить воздействие высокочастотного электромагнитного излучения от СВЧ-генератора по линии заданной длины (8-10 см). Качание (перемещение) луча диаграммы направленности вдоль линии воздействия осуществляется с частотой 50 Гц, что обеспечивает равномерный нагрев исследуемого тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого изделия и уходящей внутрь его.

Для проверки работоспособности предложенного способа были проведены эксперименты на строительных материалах из керамзитного бетона, силикатного и красного кирпича. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 20°C в течение 5 секунд.

В таблицах 1-3 приведены данные экспериментов.

Таблица 1
Керамзитный бетон
измерение в двух точках x1 и х2 при одном τ1
x1=2 мм, х2=3 мм
№ п/п		T1(x1, τ1), К		Т2(х2, τ1), К		a·10-6 м2/с		λ, Вт/(м·К)		a справ·10-6 м2/с		λсправ, Вт/(м·К)		δa, %		δλ, %
1		7,27		5,28		0,261		0,597		0,283		0,562		7,77		6,23
2		7,31		5,29		0,258		0,603		0,283		0,562		8,83		7,30
3		7,34		5,31		0,259		0,601		0,283		0,562		8,48		6,94
4		7,25		5,28		0,263		0,599		0,283		0,562		7,07		6,58
5		7,29		5,29		0,260		0,602		0,283		0,562		8,13		7,12
измерение в одной точке x1 при различных τ1 и τ2
τ1=12 с, τ2=18 с
№ п/п	T1(x1, τ1), К		Т2(х1, τ2), К		a·10-6 м2/с		λ, Вт/(м·К)		a справ·10-6 м2/с		λсправ, Вт/(м·К)		δa, %		δλ, %
1	18,22		13,43		0,272		0,532		0,283		0,562		3,89		5,34
2	18,25		13,46		0,273		0,538		0,283		0,562		3,53		4,27
3	18,19		13,40		0,270		0,536		0,283		0,562		4,59		4,63
4	18,26		13,46		0,271		0,539		0,283		0,562		4,24		4,09
5	18,17		13,36		0,265		0,529		0,283		0,562		6,36		5,87

Таблица 2
Силикатный кирпич
измерение в двух точках x1 и х2 при одном τ1
x1=2 мм, х2=3 мм
№ п/п	T1(x1, τ1), К	Т2(х2, τ1), К	a·10-6 м2/с	λ, Вт/(м·К)	a справ·10-6 м2/с	λсправ, Вт/(м·К)	δa, %	δλ, %
1	9,43	6,21	0,601	0,779	0,558	0,721	7,71	8,04
2	9,48	6,24	0,594	0,781	0,558	0,721	6,45	8,32
3	9,51	6,28	0,602	0,776	0,558	0,721	7,89	7,63
4	9,39	6,17	0,598	0,775	0,558	0,721	7,17	7,49
5	9,41	6,18	0,595	0,778	0,558	0,721	6,63	7,91
измерение в одной точке x1 при различных τ1 и τ2
τ1=14 с, τ2=21 с
№ п/п	T1(x1, τ1), К	Т2(х1, τ12), К	a·10-6 м2/с	λ, Вт/(м·К)	a справ·10-6 м2/с	λсправ, Вт/(м·К)	δa, %	δλ, %
1	21,21	16,62	0,578	0,751	0,558	0,721	3,58	4,16
2	21,28	16,67	0,575	0,749	0,558	0,721	3,05	3,88
3	21,25	16,66	0,586	0,752	0,558	0,721	5,02	4,30
4	21,19	16,55	0,536	0,746	0,558	0,721	3,94	3,47
5	21,22	16,64	0,589	0,754	0,558	0,721	5,56	4,58

Таблица 3
Красный кирпич
измерение в двух точках x1 и х2 при одном τ1
x1=2 мм, х2=3 мм
№ п/п	T1(x1, τ1), К		Т2(х2, τ1), К		a·10-6 м2/с		λ, Вт/(м·К)		a справ·10-6 м2/с		λсправ, Вт/(м·К)		δa, %		δλ, %
1	8,41		5,79		0,390		0,699		0,362		0,657		7,73		6,39
2	8,46		5,84		0,392		0,708		0,362		0,657		8,29		7,76
3	8,49		5,85		0,388		0,707		0,362		0,657		7,18		7,61
4	8,39		5,79		0,391		0,704		0,362		0,657		8,01		7,15
5	8,43		5,80		0,387		0,706		0,362		0,657		6,91		7,46
измерение в одной точке x1 при различных τ1 и τ2
τ1=13 с, τ2=20 с
№ п/п		T1(x1, τ1), К		Т2(х1, τ2), К		a·10-6 м2/с		λ, Вт/(м·К)		a справ·10-6 м2/с		λсправ, Вт/(м·К)		δa, %		δλ, %
1		19,82		14,88		0,378		0,629		0,362		0,657		4,42		4,26
2		19,75		14,82		0,375		0,631		0,362		0,657		3,59		3,96
3		19,72		14,81		0,379		0,627		0,362		0,657		4,70		4,57
4		19,84		14,89		0,376		0,626		0,362		0,657		3,87		4,72
5		19,88		14,94		0,383		0,632		0,362		0,657		5,80		3,81

Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного способа определения теплофизических характеристик материалов, и позволяет сделать вывод о том, что разработанный способ найдет широкое применение в строительной теплотехнике, теплоэнергетике и т.д.

Основным преимуществом заявленного способа по сравнению со способом-прототипом является возможность определять искомые теплофизические характеристики без нарушения целостности и эксплуатационных характеристик исследуемых изделий, т.е. осуществлять неразрушающий контроль.

Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить время проведения теплофизического эксперимента, т.к. в способе-прототипе время эксперимента составляет около 2 минут, а в предложенном способе на проведение эксперимента затрачивается не более 30 секунд, что в 4 раза меньше по сравнению со способом-прототипом.

Поскольку неучтенные тепловые потери в теплофизических измерениях пропорциональны времени эксперимента, то повышение оперативности в несколько раз существенно повышает также и точность полученных результатов. Кроме того, повышение точности результатов контроля в заявленном техническом решении обусловлено прогревом большого объема исследуемого материала и получением усредненных по объему данных, что очень важно для строительных материалов, которые, как правило, неоднородны, дисперсны и т.д.

Следует также отметить, что введение дополнительной стадии эксперимента в разработанном способе, а именно, тепловое воздействие вторым тепловым импульсом, мощность которого на 20-30% отличается от мощности первого импульса, контроль избыточной температуры в заданный момент времени только в одной точке поверхности исследуемого изделия одним термоприемником, позволило существенно уменьшить такие составляющие общей погрешности измерений искомых теплофизических характеристик, как погрешность от возмущающих воздействий второго термоприемника, погрешность априорной справочной информации о диэлектрической проницаемости исследуемого строительного материала и т.д.

Вариант способа с воздействием вторым электромагнитным импульсом на другом участке поверхности исследуемого изделия существенно повышает оперативность способа из-за устранения длительного интервала времени, необходимого на релаксацию температурного поля от воздействия первого импульса. Для строительных материалов типа кирпич, бетон и т.д. это время составляет не менее 1,5-2 минут.

Кроме того, использование системы рупорно-линзовых антенн позволяет повысить точность за счет устранения неучтенных потерь энергии в рупорной антенне, используемой в первом варианте способа.

Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов имеет ряд существенных преимуществ (неразрушающий контроль, оперативность и точность контроля) перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.

Claims (3)

1. Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, состоящий в нагреве исследуемого объекта воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучение), измерении температурно-временных изменений в фиксированных точках образца и определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, отличающийся тем, что перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся соответственно на расстояниях x₁ и x₂ от плоскости высокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее чем на порядок больше заданных расстояний х₁ и х₂ до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие в плоскости СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют в два заранее заданных момента времени τ₁ и τ₂ после подачи электромагнитного импульса избыточную температуру в одной точке, находящейся на расстоянии x₁ от плоскости теплового воздействия, затем на исследуемое изделие дополнительно по линии вторым импульсом высокочастотного электромагнитного поля, мощность которого на 20-30% отличается от мощности первого импульса СВЧ-излучения, причем воздействие вторым импульсом осуществляют через интервал времени, необходимого для релаксации температурного поля в точках контроля от воздействия первого импульса, затем измеряют в ранее заданный интервал времени τ₁ избыточную температуру в этой же точке поверхности исследуемого изделия, находящейся на расстоянии x₁ от плоскости воздействия СВЧ-излучением, а искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что тепловое воздействие вторым импульсом осуществляют на другом участке поверхности исследуемого изделия, находящемся на заданном расстоянии, значительно превышающем зону активного теплового воздействия первого импульса, а для организации воздействия импульсом высокочастотного электромагнитного излучения на исследуемое изделие от СВЧ-генератора по линии заданной длины используют систему из рупорно-линзовых антенн, главный лепесток суммарной диаграммы направленности которых сфокусирован на поверхности исследуемого изделия в точку, расположенную посередине линии воздействия, причем фазовращатели каждой антенны соединены с устройством электронного качания диаграммы направленности, осуществляя качание электромагнитного луча в заданных пределах угла и с заданной частотой, обеспечивающими непрерывное тепловое воздействие на исследуемое изделие по линии заданной длины.

Images