RU2574229C1 - Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий - Google Patents
Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574229C1 RU2574229C1 RU2014145713/28A RU2014145713A RU2574229C1 RU 2574229 C1 RU2574229 C1 RU 2574229C1 RU 2014145713/28 A RU2014145713/28 A RU 2014145713/28A RU 2014145713 A RU2014145713 A RU 2014145713A RU 2574229 C1 RU2574229 C1 RU 2574229C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analysed
- microwave
- circular region
- frequency
- exposed
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 11
- 238000007689 inspection Methods 0.000 title 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000004566 building material Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 210000003284 Horns Anatomy 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated Effects 0.000 description 2
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 229910052570 clay Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 210000004286 T(FH) Anatomy 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011381 foam concrete Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Согласно заявленному способу на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела. Имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, информацию о тепловом потоке с поверхности круговой области, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 3 ил., 2 табл.
Description
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 [3] для определения теплофизических характеристик твердых материалов (авт. св. СССР N 1770871, кл. G01N 25/18, 1992 г., бюл. N 39), заключающийся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, в которой действует локальный источник тепла постоянной мощности, подводят тепло, измеряют температуру нагревателя, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам, приведенным в описании. Этот способ обеспечивает возможность неразрушающего определения теплофизических свойств - теплопроводности и температуропроводности. Однако точность определения теплофизических свойств недостаточна вследствие субъективности графической обработки экспериментальных данных, применения для определения теплофизических свойств закономерности развития температурного поля системы эталон - исследуемый материал, которое основано только на действии сферического источника тепла постоянной мощности, неучета конечности размеров образца и эталонного тела, недостаточности контроля за ходом термостатирования при подготовке к испытаниям.
За прототип взят способ комплексного определения теплофизических свойств материалов [пат. 2167412 РФ, МПК G01N 25/18]. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный нагреватель, измеряют разность температур между нагревателем и точкой плоскости контакта исследуемого и эталонного тел, расположенной на определенном расстоянии, до тех пор, когда эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины. Через равные промежутки времени измеряют разность температур, на каждом шаге измерения контролируют величину динамического параметра, испытания заканчивают при превышении контролируемым динамическим параметром заданного значения и определяют теплофизические свойства. Основным недостатком способа-прототипа является зависимость точности получаемых результатов от шероховатости поверхности исследуемого тела и теплоемкости нагревателя. Также недостатком следует считать сложные математические вычисления.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение точности и оперативности определения искомых ТФХ строительных материалов и изделий.
Поставленная техническая задача достигается тем, что на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела, измеряют тепловой поток с поверхности круговой области, имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Электромагнитная волна, попадающая в диэлектрик с потерями, которыми являются традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и т.д.), ослабляется в направлении распространения. Поэтому для определения мощности теплового воздействия, участвующего в формировании контролируемого температурного поля, рассчитывают глубину проникновения поля плоской волны в материал с потерями, используя выражение для удельной мощности рассеивания в диэлектрике, приведенное в работе [Пюшнер. Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.]:
где E - напряженность переменного электрического поля; f - частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.
Из теории распространения электромагнитных волн микроволнового диапазона известно, что электромагнитная волна в диэлектрике ослабляется в направлении распространения в соответствии с зависимостью:
где α - коэффициент затухания, определяемый по формуле:
где λ - длина волны,
- действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости смеси (вода + исследуемый материал).
Анализ соотношений (1) и (2) показал, что глубина проникновения электромагнитного поля СВЧ-диапазона, а следовательно, и скорость рассеяния (потерь) по глубине диэлектрика в наибольшей степени зависит от частоты СВЧ-излучения. На Фиг. 1 показано, как зависит глубина проникновения электромагнитных волн от частоты СВЧ-излучения, а следовательно, и глубина тепловыделяющей области от частоты излучения СВЧ-генератора при воздействии на традиционные строительные материалы, например пенобетон, известной влажности. На основании проведенных расчетов и полученных результатов (графиков) можно сделать вывод, что при воздействии на исследуемые строительные материалы электромагнитным излучением СВЧ-диапазона в виде круга с частотой не менее 10 ГГц практически вся тепловая мощность выделяется в поверхностном слое глубиной около 2 мм, т.е в объеме исследуемого материала в виде диска толщиной 2…3 мм.
Поскольку для достоверного определения ТФХ исследуемых строительных материалов необходимо их прогревать на глубину не менее чем на 5-10 см., то для определения температурного поля в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность СВЧ-излучения через круг заданного радиуса можно перейти к теплофизической модели (см. Фиг. 2), состоящей из полуограниченного в тепловом отношении тела, нагреваемого диском через круглую область на поверхности удельным тепловым потоком мощностью q(τ). При этом поверхность вне круга теплоизолирована.
Для определения распределения температуры в любой точке полуограниченного тела в любой момент времени τ необходимо решить следующую систему дифференциальных уравнений:
для области 0≤х≤Rн, z≥0; τ>0;
для области ∝>х>Rн; z>0, τ>0.
Начальные и граничные условия для системы (4) и (5) имеют следующий вид:
где Т0 - начальная температура исследуемого объекта, λ, а - тепло- и температуропроводность.
Применяя методы интегральных преобразований Фурье и Лапласа в системе (4) и (5) и используя начальные и граничные условия (6-12), получим решение для температурного поля на поверхности исследуемого тела (х=0) для полуограниченного тела z≥0 в следующем виде:
где
- коэффициент тепловой активности тела, ierfc(z) - интеграл вероятности (функция ошибок Гаусса),
- удельный тепловой поток через круг радиуса Rн, S - площадь крута. Pн=P-Pnom, где Pnom - тепловой поток с поверхности круга в окружающую среду (тепловые потери), измеряется ваттметром марки РСЕ IR-10, P - мощность СВЧ-генератора.
Из уравнения (13) при z=0 можно получить выражение для определения температурного поля в следующем виде:
После несложных математических преобразований зависимости (14) и при условии малых значений времени τ, получим формулу для определения тепловой активности исследуемого объекта:
Для определения коэффициента температуропроводности из соотношения (14) выведем функцию вероятности:
Преобразуем функцию вероятности следующим образом:
Для функции ierfc(x) существуют подробные таблицы, согласно которым по вычисленному значению правой части выражения (17) легко можно найти значение числа Fo. Тогда из выражения (18) искомый коэффициент температуропроводности определяем по соотношению:
Искомая теплопроводность определяется из известного в работе [5] соотношения:
Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на Фиг. 3.
На поверхность исследуемого строительного материала или изделия воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона, подаваемого через рупорную антенну 1, соединенную с СВЧ-генератором 2 волноводом 3, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела 4 через круговую область 5. При этом расстояние от рупорной антенны 1 СВЧ-генератора 2 подобрано так, чтобы минимизировать рассеивание электромагнитных волн в окружающую среду. Остальную поверхность исследуемого объекта 4 теплоизолируют от окружающей среды. После начала воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона измеряют избыточную температуру в центре круга бесконтактным датчиком инфракрасного диапазона 6. Тепловой поток с поверхности круга замеряют с помощью ваттметра 7. Полученные данные с бесконтактного датчика 6, ваттметра 7 и СВЧ-генератора 2 поступают на коммутатор 8, затем на нормирующий прецизионный усилитель 9 и через аналого-цифровой преобразователь 10 поступают на микропроцессор 11. Микропроцессор 11 соединен с СВЧ-генератором 1 через порт ввода-вывода 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13. Используя полученную измерительную информацию, в микропроцессоре 11 определяются искомые ТФХ по алгоритмам, построенным на основе аналитических соотношений, описывающих тепловые процессы в исследуемых объектах. Данные эксперимента могут быть вызваны оператором на индикатор 14.
Для подтверждения работоспособности вышеизложенного метода были произведены эксперименты на строительных материалах - красный кирпич, керамзитный бетон. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 21°C.
В таблицах 1 и 2 приведены данные экспериментов соответственно для красного кирпича и керамзитного бетона.
Основным преимуществом разработанного метода является неразрушающий бесконтактный контроль теплофизических характеристик материалов, что позволяет получать данные о исследуемых объектах с большой оперативностью и точностью.
Кроме того, использование бесконтактного СВЧ-нагрева исследуемого объекта позволяет получить результаты, независимые от коэффициента степени черноты, шероховатости исследуемых объектов, что исключает дополнительную погрешность в полученных результатах.
Нагрев происходит на поверхности материала без применения каких-либо нагревательных элементов (в роли нагревателя выступает часть исследуемого материала), что исключает зависимость от собственной теплоемкости нагревателя, искажающей температурное поле в исследуемых материалах, и повышает точность полученных результатов.
Следует также считать достоинством достаточно простые математические вычисления и возможность доступной реализации данного метода в строительной отрасли.
Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов имеет существенное преимущество в точности определения теплофизических характеристик перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.
Claims (1)
- Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, состоящий в нагреве исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела через круговую область, измерении температурно-временных изменений в центре круговой области и определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, отличающийся тем, что на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела, измеряют тепловой поток с поверхности круговой области, имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2574229C1 true RU2574229C1 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5795064A (en) * | 1995-09-29 | 1998-08-18 | Mathis Instruments Ltd. | Method for determining thermal properties of a sample |
RU2166188C1 (ru) * | 2000-01-05 | 2001-04-27 | Тамбовский государственный технический университет | Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2167412C2 (ru) * | 1999-02-22 | 2001-05-20 | Тамбовский государственный технический университет | Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов |
RU2399911C2 (ru) * | 2008-11-20 | 2010-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов (варианты) |
RU2497105C1 (ru) * | 2012-04-23 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ТГТУ") | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5795064A (en) * | 1995-09-29 | 1998-08-18 | Mathis Instruments Ltd. | Method for determining thermal properties of a sample |
RU2167412C2 (ru) * | 1999-02-22 | 2001-05-20 | Тамбовский государственный технический университет | Способ комплексного определения теплофизических свойств материалов |
RU2166188C1 (ru) * | 2000-01-05 | 2001-04-27 | Тамбовский государственный технический университет | Бесконтактный адаптивный способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов |
RU2399911C2 (ru) * | 2008-11-20 | 2010-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Способ определения теплофизических характеристик строительных материалов (варианты) |
RU2497105C1 (ru) * | 2012-04-23 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ТГТУ") | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЧЕРНЫШОВ В.Н., ОДНОЛЬКО В.Г., ЧЕРНЫШОВ А.В., " МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ И ИЗДЕЛИЙ", МОСКВА: ИЗ-ВО "СПЕКТР", 2012 г., с.137-150. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sbartaï et al. | Using radar direct wave for concrete condition assessment: Correlation with electrical resistivity | |
Hosseini et al. | Wideband nondestructive measurement of complex permittivity and permeability using coupled coaxial probes | |
RU2701775C1 (ru) | Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов | |
JP6253096B2 (ja) | 電磁波特性評価装置 | |
Curet et al. | Estimation of dielectric properties of food materials during microwave tempering and heating | |
RU2507506C2 (ru) | Свч способ обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металле | |
JP5197461B2 (ja) | 対象物中の誘電率算出装置及び誘電率算出方法 | |
Malheiros et al. | Estimation of thermal properties using only one surface by means of infrared thermography | |
RU2497105C1 (ru) | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий | |
Moll | Damage detection and localization in metallic structures based on jointed electromagnetic waveguides: a proof-of-principle study | |
RU2574229C1 (ru) | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий | |
Sheikh et al. | Measurement of thermal diffusivity of isotropic materials using a laser flash method and its validation by finite element analysis | |
Kirley et al. | Study of the effect of surface roughness and skin depth on the conductivity of metals at 650 GHz | |
RU2568983C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях | |
Yang et al. | Combination of terahertz radiation method and thermal probe method for non-destructive thermal diagnosis of thick building walls | |
Haddadi et al. | CW radar for monitoring water-to-cellular concrete | |
RU2698947C1 (ru) | Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий | |
Chernyshova et al. | Microwave adaptive method for non-destructive testing of thermophysical characteristics of building materials and products | |
Poblete et al. | Thermographic measurement of the effect of humidity in mortar porosity | |
Yigit et al. | Grain moisture detection by using a-scan radar measurement | |
Kosugi et al. | Application of laser ultrasound to noncontact temperature profiling of a heated hollow cylinder | |
Sener et al. | Nondestructive Approach for Complex‐Shaped Cracks in Concrete Structures by Electromagnetic Waves with FDTD Technique | |
Silva et al. | Thermal properties estimation of polymers using only one active surface | |
RU2744606C1 (ru) | Микроволновый способ определения теплофизических характеристик многослойных конструкций и изделий | |
Hengcharoen et al. | Microwave dielectric measurement of liquids by using waveguide plunger technique |