RU2698947C1 - Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles - Google Patents
Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2698947C1 RU2698947C1 RU2019106965A RU2019106965A RU2698947C1 RU 2698947 C1 RU2698947 C1 RU 2698947C1 RU 2019106965 A RU2019106965 A RU 2019106965A RU 2019106965 A RU2019106965 A RU 2019106965A RU 2698947 C1 RU2698947 C1 RU 2698947C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- frequency
- determined
- thermal
- pulses
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
Abstract
Description
Предполагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик (ТФХ) строительных материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.The alleged invention relates to thermophysical measurements and can be used to determine such thermophysical characteristics (TF) of building materials and products, such as coefficients of thermal and thermal diffusivity.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса ТФХ твердых строительных материалов [см., например, патент РФ №2263901, кл. G01N 25/18, 2004 г.], состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения путем подвода тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям.A known method of non-destructive testing of the complex of thermal characteristics of solid building materials [see, for example, RF patent No. 2263901, class. G01N 25/18, 2004], consisting in heating the test sample in the form of a rectangular prism by applying heat to its surface, measuring the temperature and density of the heat flux on the same surface, determining the desired thermophysical characteristics from the corresponding dependencies.
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 изделий, малая точность измерения теплопроводности из-за влияния собственной теплоемкости нагревателя и неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемого изделия в окружающую среду.The disadvantages of this method are the limited functionality due to the need to manufacture building materials from samples and in the form of a square prism (parallelepiped), this is possible only if the integrity and operational characteristics of the products under investigation are violated, the accuracy of thermal conductivity measurement is low due to the influence of the heater’s own heat capacity and unaccounted for heat loss from the surface of the investigated product into the environment.
Известен способ определения ТФХ 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 ТФХ.A known method for determining the TFC of building materials [see, for example, RF patent No. 2399911 G01N 25/18, 2010], which consists in heating the test sample in the form of a square prism (parallelepiped) through an uninsulated end face by exposure to a high-frequency electromagnetic field (microwave radiation) from an alternating-phase multi-slit antenna, while one of the end and all side faces of the studied sample is thermally insulated from the environment, gradually increase the power of electromagnetic microwave radiation and control the change temperatures on the face free from thermal insulation and the opposite end face of the test sample, determine the microwave radiation power at which the temperature changes at the controlled points, the steady-state temperatures at the controlled points of the sample are measured, as well as the ambient temperature and the power reflected from the surface face of microwave radiation and the measured data on the basis of the obtained mathematical relationships determine the desired thermophysical characteristics. In the second variant of this method, the sample is symmetrically heated in the form of a prism through opposite end faces with insulated lateral sides of the prism by the action of microwave radiation from two alternating-phase multi-slot antennas, gradually increase the power of electromagnetic microwave radiation, control the temperature change on faces free from thermal insulation and in the middle section of the test sample in the form of a prism and determine the value of the power of microwave radiation, at which the temperature changes in controlled points, measure the steady-state temperature values at the controlled points of the sample, as well as the ambient temperature and the power of the microwave radiation reflected from the surfaces of the faces, and determine the sought-for characteristic characteristics based on the obtained mathematical relationships.
Недостатками данного способа также являются необходимость в разрушении исследуемых изделий с целью изготовления образцов в виде призмы квадратного сечения (параллелепипеда) для контроля искомых теплофизических характеристик и низкая точность измерения ТФХ из-за влияния на результаты неучтенных тепловых потерь с поверхности исследуемых образцов в окружающую среду, величина которых пропорциональна времени эксперимента.The disadvantages of this method are the need to destroy the studied products in order to produce samples in the form of a square prism (parallelepiped) to control the desired thermophysical characteristics and low accuracy of the TFC measurement due to the influence on the results of unaccounted heat losses from the surface of the studied samples to the environment, the value which is proportional to the time of the experiment.
За прототип взят способ неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий [пат. 2399911 РФ, МПК G01N 25/18], состоящий в воздействии на исследуемый объект импульсом высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучения) по линии, нагреве исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности тела и уходящей внутрь этого тела. Для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ генератора фокусируют линзой из диэлектрического материала в линию заданных параметров. 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, а величина ширины линии определяется минимально возможной разрешающей способностью фокусировки СВЧ-излучения в линию, которая зависит от длины волны излучения, расстояния от линзы до поверхности исследуемого изделия и ряда других параметров.The prototype is a method of non-destructive testing of the performance characteristics of building materials and products [US Pat. 2399911 RF, IPC G01N 25/18], which consists in exposing the test object to a pulse of a high-frequency electromagnetic field (microwave radiation) along a line, heating the body under investigation in a thermal sense, which is half-thermally limited along a plane perpendicular to the external surface of the body and going inside this body. To organize this effect, the electromagnetic radiation of the horn antenna of the microwave generator is focused by a lens from a dielectric material into a line of predetermined parameters. The magnitude of the microwave line length is set an order of magnitude greater than the distance from this line to the temperature control points, so that the end effects due to the limited length of the thermal line do not affect the controlled temperature field, and the line width is determined by the minimum possible microwave focusing resolution radiation in a line, which depends on the radiation wavelength, the distance from the lens to the surface of the investigated product and a number of other parameters.
Недостатком способа-прототипа является малая точность определения искомых ТФХ из-за необходимости измерять низкие по уровню избыточные температуры в теплофизическом эксперименте, обусловленной одноимпульсным тепловым воздействием на исследуемые объекты, мощность которого ограничена сверху температурой термодеструкции исследуемых материалов. Кроме того, при воздействии одним тепловым импульсом ограниченной мощности прогревается небольшой объем исследуемого строительного материла (приповерхностный слой), что снижает также точность и достоверность получаемых результатов, так как из-за неоднородности, дисперсности, анизотропии и т.д. строительных материалов для получения достоверных результатов необходимо прогревать большой объем исследуемых материалов и использовать усредненную по этому объему измерительную информацию (температуру) для определения искомых ТФХ.The disadvantage of the prototype method is the low accuracy of determination of the desired TFH due to the need to measure low level excess temperatures in a thermophysical experiment due to a single-pulse thermal effect on the objects under study, whose power is limited from above by the temperature of thermal decomposition of the materials under study. In addition, when a single heat pulse of limited power is applied, a small volume of the studied building material (surface layer) is warmed up, which also reduces the accuracy and reliability of the results, since due to heterogeneity, dispersion, anisotropy, etc. building materials in order to obtain reliable results, it is necessary to warm up a large volume of the investigated materials and use the measurement information (temperature) averaged over this volume to determine the desired TFH.
Техническая задача предполагаемого изобретения - повышение точности определения искомых ТФХ строительных материалов и изделий.The technical task of the proposed invention is to increase the accuracy of determination of the required TFH of building materials and products.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий, состоящем в нагреве исследуемых объектов воздействием импульса СВЧ-излучения, сфокусированного в линию заданных размеров линзой из радиопрозрачного диэлектрического материала, измерении избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся на заданных расстояниях х1 и x2 от линии электромагнитного воздействия и определении искомых теплофизических характеристик по полученным математическим соотношениям, на поверхность исследуемого объекта воздействуют электромагнитным полем СВЧ диапазона с частотой не менее 20 ГГц, причем в начале воздействуют одиночным тепловым импульсом мощностью qи, которая задается временем подачи электромагнитного поля СВЧ-излучения указанной частоты, затем определяют интервал времени τрел от начала теплового воздействия до момента времени, когда температура в точке контроля х1 станет равной первоначальной температуре Т0=ε, где ε - чувствительность контрольно-измерительной аппаратуры, затем определяют минимальную частоту подачи импульсов СВЧ-излучения на исследуемый объект из соотношения , где k - коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, далее воздействуют на исследуемый объект импульсами заданной мощности qи, увеличивая частоту их подачи по закону где ΔT(τ)=Тзад-Т(τ) - разность между наперед заданным значением Тзад и текущим значением контролируемой температуры; ΔTi=Тзад-T(τi) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением , где K1÷K4 - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях, либо задаваемые соответственно в диапазоне K1=1÷10; K2=1÷100; K3=1÷50; K4=0,1÷1, увеличение частоты подачи тепловых импульсов осуществляют до тех пор, пока установившееся значение контролируемой температуры в точке x1 станет равным наперед заданному значению Тзад, определяют при этом частоту следования тепловых импульсов Fx, при этом измеряют также установившуюся избыточную температуру Тизм в точке контроля х2 на поверхности исследуемого объекта, а искомые теплофизические характеристики определяют по полученным математическим зависимостям.The stated technical problem is achieved by the fact that in the method of non-destructive testing of the thermal conductivity characteristics of building materials and products, which consists in heating the objects under study by the influence of a microwave pulse, focused in a line of the given dimensions by a lens made of a radio-transparent dielectric material, measuring excess temperature on the surface of the object under study that is insulated from the environment at two points located at given distances x 1 and x 2 from the line of electromagnetic exposure and the determination of the desired heat Of the official characteristics according to the obtained mathematical relationships, the surface of the test object is affected by an electromagnetic field of the microwave range with a frequency of at least 20 GHz, and at the beginning it is exposed to a single heat pulse with a power of q and , which is set by the time of applying the electromagnetic field of microwave radiation of a specified frequency, then the time interval is determined rel τ from the beginning of exposure to heat up to the time when the temperature at the control point x1 becomes equal to the initial temperature T 0 = ε, where ε - Sensitivity lnost test equipment then determines the minimum frequency supplying microwave pulses to the examined object from the relationship , where k is a coefficient specified in the range from 2 to 5, then they act on the object under study by pulses of a given power q and , increasing the frequency of their supply according to the law where ΔT (τ) = T ass -T (τ) is the difference between the previously set value of T ass and the current value of the controlled temperature; ΔT i = T ass -T (τ i ) is the difference between the set and the current temperature at time instants determined by the relation , where K 1 ÷ K 4 are the proportionality coefficients, the values of which are determined experimentally on the reference products, or set accordingly in the range K 1 = 1 ÷ 10; K 2 = 1 ÷ 100; K 3 = 1 ÷ 50; K 4 = 0.1 ÷ 1, an increase in the frequency of the supply of thermal pulses is carried out until the steady-state value of the controlled temperature at point x 1 becomes equal to the predetermined value T ass , the frequency of thermal pulses F x is determined, and the steady-state excess temperature T ISM at the control point x 2 on the surface of the investigated object, and the desired thermophysical characteristics are determined by the obtained mathematical dependencies.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.
Поскольку традиционные строительные материалы (кирпич, бетон, пенобетон, керамзитобетон и т.д.) являются диэлектриками, то под воздействие высокочастотного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона они нагреваются и удельная мощность рассеяния в исследуемом объекте в соответствии с работой [Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Г. Пюшнер. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.] определяется выражением:Since traditional building materials (brick, concrete, foam concrete, expanded clay concrete, etc.) are dielectrics, then under the influence of high-frequency electromagnetic radiation of the microwave range they heat up and the specific power dissipation in the studied object in accordance with the work [Pyushner, G. Heating with energy superhigh frequencies / G. Puschner. - M .: Energy, 1968. - 312 p.] Is determined by the expression:
где Е - напряженность переменного электрического поля, ƒ - частота СВЧ-излучения, εм - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.where E is the intensity of the alternating electric field, ƒ is the frequency of microwave radiation, ε m is the dielectric constant of the investigated material.
Из теории распространения электромагнитных волн микроволнового диапазона известно, что электромагнитная волна в диэлектрике ослабляется в направлении распространения в соответствии с зависимостью:From the theory of propagation of electromagnetic waves in the microwave range, it is known that an electromagnetic wave in a dielectric is attenuated in the direction of propagation in accordance with the dependence:
где α - коэффициент затухания, определяемый по формуле:where α is the attenuation coefficient, determined by the formula:
где γ - длина волны, и - действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости смеси (вода + исследуемый материал).where γ is the wavelength and - the real and imaginary components of the dielectric constant of the mixture (water + test material).
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 1-2 мм.An analysis of relations (1) and (2) showed that the depth of penetration of the electromagnetic field of the microwave range, and, consequently, the rate of scattering (loss) along the depth of the dielectric, is most dependent on the frequency of microwave radiation. In FIG. Figure 1 shows how the depth of penetration of electromagnetic waves depends on the frequency of microwave radiation, and, consequently, the depth of the heat-generating region on the frequency of radiation of a microwave generator when exposed to traditional building materials, for example, foam concrete, of known humidity. Based on the calculations and the results (graphs) obtained, it can be concluded that when exposed to the studied building materials with electromagnetic radiation of the microwave range in the form of a circle with a frequency of at least 10 GHz, almost all thermal power is released in the surface layer with a depth of 1-2 mm.
В начале воздействуют на поверхность исследуемого объекта импульсом длительностью 2-3 секунды высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучения) частотой не менее 20 ГГц по линии, длина которой задается 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 (фиг. 2).In the beginning, they act on the surface of the object under study with a pulse lasting 2-3 seconds of a high-frequency electromagnetic field (microwave radiation) with a frequency of at least 20 GHz along a line whose length is set to at least 8-10 cm and a width of about 0.2 cm. The length of the line microwave exposure is set an order of magnitude greater than the distance from this line to the temperature control points, so that the end effects due to the limited length of the heat exposure line do not affect the controlled temperature field (Fig. 2).
В целях получения максимально узкой диаграммы направленности и улучшения характеристик антенны (для выравнивания фазы в раскрыве рупора), в нее встроена линза из радиопрозрачного диэлектрического материала. Данное техническое решение позволяет получить антенну с заданной диаграммой направленности.In order to obtain the most narrow radiation pattern and improve the characteristics of the antenna (for phase equalization in the mouth of the horn), a lens made of radio-transparent dielectric material is built into it. This technical solution allows to obtain an antenna with a given radiation pattern.
Нагрев исследуемого объекта 1 осуществляют импульсным воздействием высокочастотного электромагнитного поля по линии 2 длительностью 2-3 секунд от излучающей антенны 3 с вмонтированной в нее линзой 4 и соединенной с СВЧ-генератором 5 (см. фиг. 2).Heating of the
После подачи импульса заданной мощности определяют интервал времени τрел от начала воздействия импульса СВЧ-излучения до момента времени, когда температура в точке контроля на заданной расстоянии х1 от линии действия СВЧ-импульса (см. фиг. 2) станет равной первоначальной температуре Т0±ε, где ε - чувствительность измерительной аппаратуры, т.е. определяют время релаксации температурного поля в точке х1 (см. фиг. 3а).After applying a pulse of a given power, determine the time interval τ rel from the beginning of exposure to a microwave pulse to the time when the temperature at the control point at a given distance x 1 from the line of action of the microwave pulse (see Fig. 2) becomes equal to the initial temperature T 0 ± ε, where ε is the sensitivity of the measuring equipment, i.e. determine the relaxation time of the temperature field at the point x 1 (see Fig. 3A).
Затем определяют минимальную частоту подачи импульсов СВЧ-излучения на исследуемый объект из соотношения , где k - коэффициент, задаваемый в диапазоне от 2 до 5, τрел - интервал времени от момента нанесения теплового импульса до момента, когда избыточная температура в точке контроля станет равной порогу чувствительности контрольно-измерительной аппаратуры. Осуществляют тепловое воздействие от линейного источника тепла, увеличивая частоту тепловых импульсов в соответствии с законом Then determine the minimum frequency of the supply of pulses of microwave radiation to the studied object from the ratio , where k is a coefficient specified in the range from 2 to 5, and rel is the time interval from the moment of applying the heat pulse to the moment when the excess temperature at the control point becomes equal to the sensitivity threshold of the control and measuring equipment. Carry out a thermal effect from a linear heat source, increasing the frequency of thermal pulses in accordance with the law
где ΔТ(τ)=Тзад-Т(τ) - разность между наперед заданным значением Тзад и текущим значением контролируемой температуры; ΔTi=Тзад-T(τi) - разность между заданной и текущей температурой в моменты времени, определяемые соотношением , где K1÷K4 - коэффициенты пропорциональности, значения которых определяются экспериментально на эталонных изделиях, либо задаваемые соответственно в диапазоне K1=1÷10; K2=1÷10; K3=1÷50; K4=0,1÷1. Значение коэффициента K4 определяет частоту вычисления разности ΔTi между наперед заданной температурой Тзад и текущей избыточной температурой в точке контроля, K4 - коэффициент, значение которого задают от 0,1 до 5, причем для материалов с большой теплопроводностью значение K4 целесообразно брать <1, а для теплоизоляторов - >1, т.к. в первом случае теплограмма нагрева изменяется динамичнее и для определения равенства установившейся температуры заданному значению необходимо чаще определять ΔTi, а при исследовании же теплоизоляционных материалов температурно-временные изменения в исследуемом теле происходят менее динамично, вследствие чего определять разность ΔTi можно через большие интервалы времени. Как показали эксперименты, коэффициенты K2 и K3 целесообразно задавать соответственно в диапазоне от 0,2 до 5 и от 10 до 50, причем для материалов с большой теплопроводностью следует брать нижние пределы указанных диапазонов, а для теплоизоляционных материалов - верхние значения этих диапазонов.where ΔТ (τ) = T ass -T (τ) is the difference between the previously set value of T ass and the current value of the controlled temperature; ΔT i = T ass -T (τ i ) is the difference between the set and the current temperature at time instants determined by the relation , where K 1 ÷ K 4 are the proportionality coefficients, the values of which are determined experimentally on the reference products, or set accordingly in the range K 1 = 1 ÷ 10; K 2 = 1 ÷ 10; K 3 = 1 ÷ 50; K 4 = 0.1 ÷ 1. The value of the coefficient K 4 determines the frequency of calculating the difference ΔT i between the predetermined temperature T ass and the current excess temperature at the control point, K 4 is a coefficient whose value is set from 0.1 to 5, and for materials with high thermal conductivity it is advisable to take the value of K 4 <1, and for heat insulators -> 1, because in the first case, the heating thermogram changes more dynamically and to determine the equality of the steady-state temperature to a given value, it is necessary to determine ΔT i more often, and when studying heat-insulating materials, the temperature-time changes in the body under study occur less dynamically, as a result of which the difference ΔT i can be determined at large intervals. As experiments showed, it is advisable to set the coefficients K 2 and K 3 in the range from 0.2 to 5 and from 10 to 50, respectively, and for materials with high thermal conductivity, the lower limits of these ranges should be taken, and for thermal insulation materials, the upper values of these ranges.
Увеличение частоты следования тепловых импульсов в соответствии с законом (4) осуществляют до тех пор, пока установившееся квазистационарное значение температуры в точке контроля достигнет наперед заданного значения Тзад, то есть ΔTi=Тзад-T(τi)=0 (см. фиг. 3б). Установившееся значение температуры в точке контроля достигается тогда, когда очередной тепловой импульс из серии импульсов, подаваемых линейным источником, изменяет температуру в этой точке на величину, меньшую порога чувствительности ε контрольно-измерительной аппаратуры (ε≤0,01°C). Определяют частоту тепловых импульсов Fx (см. фиг. 3б).The increase in the thermal pulse repetition rate in accordance with the law (4) is carried out until the steady-state quasistationary temperature value at the control point reaches the predetermined value T ass in advance, i.e. ΔT i = T ass -T (τ i ) = 0 (see Fig. 3b). The steady-state temperature value at the control point is reached when the next heat pulse from a series of pulses supplied by a linear source changes the temperature at this point by an amount lower than the sensitivity threshold ε of the control and measuring equipment (ε≤0.01 ° C). The frequency of thermal pulses F x is determined (see Fig. 3b).
Далее измеряют также установившуюся температуру Тизм в точке х2 на поверхности исследуемого объекта (см. фиг. 1), а искомые ТФХ определяют по формулам, полученным на основании следующих рассуждений.Further, as the established measured temperature T edited at the point X 2 on the surface of the test object (see. FIG. 1) and the required TPC determined by the formulas obtained on the basis of the following considerations.
Процесс распространения тепла на теплоизолированной от внешней среды поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела при действии линейного источника тепла qи описывается решением задачи теплопроводности, которое имеет вид [Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк., 1967. - 599 с]:The process of heat propagation in a thermally insulated from an outer surface of a semi-infinite medium in thermal relation to the body under the action of a linear heat source and q is described a solution heat conduction problem, which has the form [Luikov AV Theory of thermal conductivity. - M .: Higher. school, 1967. - 599 s]:
где х - расстояние от линейного источника тепла до точки контроля, м; τ - время, с; τi - момент нанесения i-го теплового импульса на поверхность тела; λ - коэффициент теплопроводности изделия, Вт/(м⋅К); а - коэффициент температуропроводности, м2/с.where x is the distance from the linear heat source to the control point, m; τ is the time, s; τ i - the moment of application of the i-th thermal pulse to the surface of the body; λ is the thermal conductivity of the product, W / (m⋅K); a - thermal diffusivity, m 2 / s.
При нанесении одного теплового импульса изменение температуры в точке контроля определяется соотношением:When applying one heat pulse, the temperature change at the control point is determined by the ratio:
Используя соотношение (5), по заданной величине ε - чувствительности измерительной аппаратуры - из решения уравнения Using relation (5), for a given value of ε - the sensitivity of the measuring equipment - from solving the equation
определяется интервал времени релаксации температурного поля τрел в точке на расстоянии x1 от воздействия теплового импульса мощностью qи.the relaxation time interval of the temperature field τ rel is determined at a point at a distance x 1 from the action of a thermal pulse with a power of q and .
Полученный интервал τрел полностью определяет количество импульсов, влияющих на установившуюся температуру в точке контроля в момент измерения τ, т.е. если τi - время подачи импульса не принадлежит интервалу [τ-τимп, τ], то он не влияет на температуру в точке контроля. Количество импульсов, подаваемых на интервале τрел с частотой F, определяется соотношением:The obtained interval τ rel completely determines the number of pulses affecting the steady-state temperature at the control point at the time of measurement of τ, i.e. if τ i - the pulse supply time does not belong to the interval [τ-τ imp , τ], then it does not affect the temperature at the control point. The number of pulses supplied in the interval τ rel with frequency F is determined by the ratio:
где Е(у) - функция целой части числа у.where E (y) is the function of the integer part of the number y.
Установившаяся температура в результате действия серии импульсов в точке контроля x1, х2 на основании (7) для двух заданных значений Тзад и Тизм будет определяться соотношениями:The steady-state temperature as a result of a series of pulses at the control point x 1 , x 2 based on (7) for two given values of T ass and T ISM will be determined by the relations:
где - интервал времени между передними фронтами тепловых импульсов.Where - the time interval between the leading edges of the thermal pulses.
Для решения системы (8)-(9) относительно а и λ воспользуемся разложением в ряд , а так как значение x1 и х2 малы (не более 0,05…0,1 м), ограничимся в разложении двумя слагаемыми:To solve system (8) - (9) with respect to a and λ, we use the series expansion , and since the values of x 1 and x 2 are small (not more than 0.05 ... 0.1 m), we restrict ourselves in the expansion to two terms:
Поделив (10) на (11), получим выражение для теплопроводности в виде:Dividing (10) by (11), we obtain the expression for thermal conductivity in the form:
Для определения коэффициента теплопроводности найденные значения коэффициента температуропроводности а подставим в (8) и получим соотношение:To determine the thermal conductivity coefficient, the found values of the thermal diffusivity coefficient а are substituted in (8) and we obtain the relation:
Для проверки работоспособности предложенного метода были проведены эксперименты на строительных материалах из силикатного и красного кирпича, керамзитного бетона. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 20±2°C. Частота следования импульсов 0,025 Гц, время релаксации температуры нагрева для силикатного кирпича - 440 с, для красного кирпича - 480 с, для керамзитного бетона - 560 с.To test the efficiency of the proposed method, experiments were carried out on building materials from silicate and red bricks, expanded clay concrete. The samples were heated at ambient temperature of 20 ± 2 ° C. The pulse repetition rate is 0.025 Hz, the relaxation time of the heating temperature for silicate brick is 440 s, for red brick - 480 s, for expanded clay concrete - 560 s.
В таблицах 1-3 приведены данные экспериментов.Tables 1-3 show the experimental data.
Экспериментальная проверка показала корректность основных теоретических выводов, положенных в основу предложенного способа неразрушающего контроля ТФХ строительных материалов и изделий.Experimental verification showed the correctness of the main theoretical conclusions underlying the proposed method of non-destructive testing of the thermal characteristics of building materials and products.
Преимуществом заявленного способа по сравнению со способом-прототипом является адаптивный вывод в процессе эксперимента тепловой системы на заданный тепловой режим, т.е. когда контролируемая избыточная температура в точке x1 будет равна заранее заданному значению Тзад, значение которого берется таким, чтобы, во-первых, погрешность его измерения была минимальной при использовании имеющихся в наличии измерительных средств (аппаратуры), а во-вторых, величина этой температуры берется значительно ниже температуры термодеструкции исследуемых материалов, что позволяет контролировать их ТФХ без нарушения целостности (плавление, горение, деформация и т.д.) и эксплуатационных характеристик.The advantage of the claimed method in comparison with the prototype method is the adaptive conclusion in the process of the experiment of a thermal system to a given thermal regime, i.e. when the controlled excess temperature at the point x 1 will be equal to a predetermined value of T ass , the value of which is taken so that, firstly, the error of its measurement was minimal when using available measuring means (equipment), and secondly, the value of this temperature is taken much lower than the temperature of thermal destruction of the studied materials, which allows you to control their thermal characteristics without violating the integrity (melting, burning, deformation, etc.) and operational characteristics.
Кроме того, существенным преимуществом заявленного технического решения по сравнению с прототипом является получение измерительной информации в число- и частотно-импульсной форме, что, во-первых, легко позволяет преобразовывать измерительную информацию в цифровую форму, во-вторых, повышает помехозащищенность при реализации разработанного способа измерения, во-третьих, существенно уменьшает случайную составляющую общей погрешности измерений, что, в итоге, повышает точность и достоверность искомых ТФХ.In addition, a significant advantage of the claimed technical solution compared to the prototype is the receipt of measurement information in a number-and frequency-pulse form, which, firstly, easily allows you to convert the measurement information into digital form, and secondly, increases the noise immunity when implementing the developed method measurements, thirdly, significantly reduces the random component of the total measurement error, which, in the end, increases the accuracy and reliability of the desired TFH.
Приведенные выше результаты численных и физических экспериментов показали работоспособность предложенного способа и существенные преимущества его по сравнению с известными техническими решениями, что позволяет сделать вывод о перспективности и эффективности применения разработанного способа при определении теплозащитных свойств строительных конструкций зданий и сооружений, а также в строительной теплотехнике, теплоэнергетике и т.д.The above results of numerical and physical experiments showed the operability of the proposed method and its significant advantages compared to the known technical solutions, which allows us to conclude that the developed method is promising and effective in determining the heat-shielding properties of building structures of buildings and structures, as well as in building heat engineering, heat power engineering etc.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019106965A RU2698947C1 (en) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019106965A RU2698947C1 (en) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2698947C1 true RU2698947C1 (en) | 2019-09-02 |
Family
ID=67851440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019106965A RU2698947C1 (en) | 2019-03-13 | 2019-03-13 | Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2698947C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4030802A1 (en) * | 1990-09-28 | 1992-04-02 | Siemens Ag | Contactless measurer for foils or thin surface layers - uses radiation receiver for heat radiation emitted from object when subjected to microwaves |
RU2250454C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-04-20 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of nondestructive control of thermo-physical characteristics of solid materials |
JP2005249427A (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Thermophysical property measuring method and device |
RU2263901C1 (en) * | 2004-05-25 | 2005-11-10 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of nondestructive testing of solid construction materials |
RU2399911C2 (en) * | 2008-11-20 | 2010-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Method of determining thermal and physical characteristics of construction materials (versions) |
RU2497105C1 (en) * | 2012-04-23 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ТГТУ") | Method for nondestructive testing of thermal characteristics of building materials and items |
-
2019
- 2019-03-13 RU RU2019106965A patent/RU2698947C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4030802A1 (en) * | 1990-09-28 | 1992-04-02 | Siemens Ag | Contactless measurer for foils or thin surface layers - uses radiation receiver for heat radiation emitted from object when subjected to microwaves |
JP2005249427A (en) * | 2004-03-01 | 2005-09-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Thermophysical property measuring method and device |
RU2250454C1 (en) * | 2004-04-12 | 2005-04-20 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of nondestructive control of thermo-physical characteristics of solid materials |
RU2263901C1 (en) * | 2004-05-25 | 2005-11-10 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of nondestructive testing of solid construction materials |
RU2399911C2 (en) * | 2008-11-20 | 2010-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") | Method of determining thermal and physical characteristics of construction materials (versions) |
RU2497105C1 (en) * | 2012-04-23 | 2013-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ТГТУ") | Method for nondestructive testing of thermal characteristics of building materials and items |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Maillet | A review of the models using the Cattaneo and Vernotte hyperbolic heat equation and their experimental validation | |
Fry et al. | Determination of absolute sound levels and acoustic absorption coefficients by thermocouple probes—Theory | |
Parsons | Microwave Attenuation-A New Tool for Monitoring Saturations in Laboratory Flooding Experiments (includes associated paper 6397) | |
Vitiello et al. | Thermal conductivity of insulating refractory materials: Comparison of steady-state and transient measurement methods | |
RU2497105C1 (en) | Method for nondestructive testing of thermal characteristics of building materials and items | |
Perry | Thermoelastic response of polycrystalline metals to relativistic electron beam absorption | |
Rattanadecho et al. | Interactions between electromagnetic and thermal fields in microwave heating of hardened type I-cement paste using a rectangular waveguide (influence of frequency and sample size) | |
RU2698947C1 (en) | Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles | |
RU2399911C2 (en) | Method of determining thermal and physical characteristics of construction materials (versions) | |
Maierhofer et al. | Quantitative numerical analysis of transient IR-experiments on buildings | |
Kochanowski et al. | Determination of thermal diffusivity of austenitic steel using pulsed infrared thermography | |
Ryabushkin et al. | Experimental determination and the theoretical model of an equivalent temperature of nonlinear optical crystals interacting with high-power laser radiation | |
Yang et al. | Combination of terahertz radiation method and thermal probe method for non-destructive thermal diagnosis of thick building walls | |
RU2570596C1 (en) | Method of non-destructive testing of thermophysical characteristics of construction materials and products | |
Hashimoto et al. | Temperature wave analysis | |
RU2245538C1 (en) | Nondestructive control method for thermal and physical properties of building materials for multilayer building structure erection | |
RU2744606C1 (en) | Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products | |
Silva et al. | Thermal properties estimation of polymers using only one active surface | |
Kosugi et al. | Application of laser ultrasound to noncontact temperature profiling of a heated hollow cylinder | |
Mordasov et al. | Nondestructive method of thermophysical properties monitoring and its implementing system using microwave heating | |
RU2287807C1 (en) | Method for determining thermo-physical properties of multi-layered building structures and products | |
RU2327148C1 (en) | Method of non-destructive testing of thermal properties of multilayered constructional structures | |
RU2574229C1 (en) | Method for nondestructive inspection of thermophysical properties of structural materials and articles | |
RU2263901C1 (en) | Method of nondestructive testing of solid construction materials | |
Drewniak et al. | Errors resulting from finite beamwidth and sample dimensions in the determination of the ultrasonic absorption coefficient |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210314 |