RU2744606C1 - Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products - Google Patents
Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744606C1 RU2744606C1 RU2020124454A RU2020124454A RU2744606C1 RU 2744606 C1 RU2744606 C1 RU 2744606C1 RU 2020124454 A RU2020124454 A RU 2020124454A RU 2020124454 A RU2020124454 A RU 2020124454A RU 2744606 C1 RU2744606 C1 RU 2744606C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- outer layers
- layer
- microwave
- thermophysical characteristics
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.The proposed invention relates to thermophysical measurements and can be used to determine such thermophysical characteristics (TPC) of materials and products, such as the coefficients of thermal and thermal diffusivity.
Известен способ определения теплофизических свойств многослойных строительных конструкций и изделий [см., например, патент РФ №2287807, кл. G01N 25/18, 2006 г.], состоящий в адиабатическом тепловом воздействии на поверхность наружного слоя конструкции дисковым нагревателем, расположенным в контактной плоскости измерительного зонда, окаймленного охранным теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого изделия от времени, на контактной поверхности второго зонда вместо дискового нагревателя помещают датчик теплового потока, а над наружным слоем исследуемого объекта помещают точечный источник тепловой энергии (лазер) и термоприемник, сфокусированный на поверхность, подверженную тепловому воздействию, и регистрирующий температуру этой поверхности по электромагнитному излучению, при этом для определения теплофизических свойств первого наружного слоя конструкции первоначально термоприемник фокусируют в точку поверхности этого слоя, находящуюся на первом заданном расстоянии от центра пятна нагрева и начинают перемещение источника энергии и термоприемника над исследуемым слоем равномерно с заданной постоянной скоростью, осуществляют бесконтактное воздействие тепловыми импульсами от лазера и измеряют термоприемником значение температуры в заданных точках поверхности исследуемого слоя, при этом изменяют частоту тепловых импульсов точечного источника тепла (лазера) до тех пор, пока контролируемая избыточная температура, фиксируемая термоприемником, станет равной заранее заданному значению, определяют при этом частоту тепловых импульсов, затем изменяют расстояние между центром пятна нагрева и точкой фокусировки термоприемника на второе заданное значение и изменяют частоту подачи тепловых импульсов от источника до тех пор, пока контролируемая температура на втором расстоянии станет равной первоначально заданной температуре, определяют при этом установившуюся частоту тепловых импульсов, далее осуществляют вышеописанные измерительные процедуры для второго наружного слоя изделия и, используя полученные результаты измерений, по соответствующим математическом зависимостям определяют теплофизические свойства наружных слоев конструкции, для определения теплофизических свойств внутреннего слоя осуществляют тепловое воздействие дисковым нагревателем первого зонда, регистрируют величину теплового потока при помощи датчика, расположенного на контактной плоскости второго зонда, а также измеряют температуру в точках, расположенных соответственно под дисковым нагревателем и на контактной поверхности датчика теплового потока, используя измеренные значения температур в указанных точках и измеренное значение теплового потока, пронизывающего слои исследуемой конструкции, а также ранее полученные значения теплофизических свойств наружных слоев, при помощи математических зависимостей, описывающих перепад температур в каждом из трех слоев, определяют искомые теплофизические свойства внутреннего слоя исследуемой конструкции.A known method for determining the thermophysical properties of multilayer building structures and products [see, for example, RF patent No. 2287807, class. G01N 25/18, 2006], consisting in the adiabatic thermal effect on the surface of the outer layer of the structure by a disk heater located in the contact plane of the measuring probe, bordered by a protective heat-insulating ring, and recording the dependence of the surface temperature of the investigated product on time, on the contact surface of the second probe instead of a disk heater, a heat flux sensor is placed, and a point source of thermal energy (laser) and a thermal detector focused on the surface exposed to thermal action and recording the temperature of this surface by electromagnetic radiation are placed above the outer layer of the object under study, while determining the thermophysical properties of the first outer layer of the structure, initially, the thermal detector is focused to a point on the surface of this layer, located at the first specified distance from the center of the heating spot, and the energy source and thermal detector begin to move over the investigated layer uniformly with at a given constant speed, a non-contact effect of thermal pulses from the laser is carried out and the temperature value is measured with a thermal detector at specified points of the surface of the layer under study, while the frequency of thermal pulses of a point heat source (laser) is changed until the controlled excess temperature recorded by the thermal detector becomes equal in advance the set value, the frequency of heat pulses is determined, then the distance between the center of the heating spot and the focal point of the thermal detector is changed to a second set value and the frequency of supply of heat pulses from the source is changed until the controlled temperature at the second distance becomes equal to the initially set temperature, it is determined with the steady-state frequency of heat pulses, then the above-described measuring procedures are carried out for the second outer layer of the product and, using the obtained measurement results, according to the corresponding mathematical relationships, it is determined They determine the thermophysical properties of the outer layers of the structure, to determine the thermophysical properties of the inner layer, they carry out a thermal effect with a disk heater of the first probe, record the value of the heat flux using a sensor located on the contact plane of the second probe, and also measure the temperature at points located, respectively, under the disk heater and on the contact surface of the heat flux sensor, using the measured values of temperatures at the indicated points and the measured value of the heat flux penetrating the layers of the structure under study, as well as the previously obtained values of the thermophysical properties of the outer layers, using mathematical dependences describing the temperature difference in each of the three layers, determine the desired thermophysical properties of the inner layer of the structure under study.
Недостатками данного способа является использование дискового нагревателя для определения теплофизических свойств внутреннего слоя, т.к. это обуславливает значительную погрешность измерений из-за влияния контактных термосопротивлений между дисковым нагревателем и поверхностью исследуемого объекта, значение которых носит случайный характер, зависит от состояния поверхности контактирующих тел, степени их прижатия друг к другу и т.д., что не позволяет определить величину термосопротивления для внесения поправок или коррекции результатов измерений. Кроме того, недостатком данного способа является длительность эксперимента, обусловленная большим временем вывода тепловой системы на два заданных установившихся квазистационарных тепловых режима для достижения заданных температур в точке контроля, а также сложность проведения эксперимента, обусловленная необходимостью обеспечения передвижения источника тепла и термоприемника с постоянной скоростью над поверхностью исследуемого объекта, задание и поддержание постоянным расстояния между источником тепла и термоприемниками в процессе их движения.The disadvantages of this method is the use of a disk heater to determine the thermophysical properties of the inner layer, because this causes a significant measurement error due to the influence of contact thermal resistances between the disk heater and the surface of the investigated object, the value of which is random, depends on the state of the surface of the contacting bodies, the degree of their pressing against each other, etc., which does not allow determining the value of thermal resistance for correcting or correcting measurement results. In addition, the disadvantage of this method is the duration of the experiment, due to the long time of output of the thermal system to two specified steady-state quasi-stationary thermal regimes to achieve the specified temperatures at the control point, as well as the complexity of the experiment, due to the need to ensure the movement of the heat source and the thermal detector at a constant speed over the surface. the object under study, setting and maintaining a constant distance between the heat source and thermal detectors in the process of their movement.
Известен способ определения теплофизических характеристик строительных материалов многослойных конструкций [см., например, патент РФ №2140070, кл. G01N 25/18, 1999 г.], состоящий в адиабатическом воздействии на поверхность каждого наружного слоя соответствующим дисковым нагревателем, расположенным в полости зонда, окаймленного теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени. Для определения коэффициентов температуропроводности наружных слоев конструкции регистрируют зависимость температуры от времени в четырех поверхностных точках: под обоими нагревателями и в двух точках поверхности, расположенных под соответствующими охранными кольцами и отстоящих от края нагревателя на расстояния, равные соответствующим толщинам наружных слоев конструкции. Для определения теплофизических характеристик внутренних слоев конструкции один из нагревателей отключают и регистрируют зависимость температуры поверхности от времени в двух из указанных точек.A known method for determining the thermophysical characteristics of building materials of multilayer structures [see, for example, RF patent No. 2140070, class. G01N 25/18, 1999], consisting in the adiabatic action on the surface of each outer layer with a corresponding disk heater located in the cavity of the probe, bordered by a heat-insulating ring, and recording the dependence of the surface temperature of the material under study on time. To determine the coefficients of thermal diffusivity of the outer layers of the structure, the temperature dependence on time is recorded at four surface points: under both heaters and at two points on the surface located under the corresponding protective rings and spaced from the edge of the heater at distances equal to the corresponding thicknesses of the outer layers of the structure. To determine the thermophysical characteristics of the inner layers of the structure, one of the heaters is turned off and the dependence of the surface temperature on time is recorded at two of the indicated points.
Недостатком данного способа также является осуществление нагрева контактным методом, что приводит к значительной погрешности измерений из-за влияния контактных термосопротивлений. Еще одним существенным недостатком является большая методическая погрешность определения искомых ТФХ, обусловленная неадекватностью математической модели для описания температурного поля по толщине изделия физике реальных тепловых процессов, а также сложность и громоздкость вычислений при определении контролируемых ТФХ, что существенно затрудняет реализацию способа.The disadvantage of this method is also the implementation of heating by the contact method, which leads to a significant measurement error due to the influence of contact thermal resistances. Another significant drawback is the large methodological error in determining the desired TPH, due to the inadequacy of the mathematical model for describing the temperature field over the thickness of the product to the physics of real thermal processes, as well as the complexity and cumbersomeness of calculations in determining the controlled TPH, which significantly complicates the implementation of the method.
За прототип принят способ неразрушающего контроля теплофизических свойств строительных материалов многослойных конструкций [пат. 2245538 РФ, МПК G01N 25/18], состоящий в адиабатическом тепловом воздействии на поверхность наружного слоя конструкции дисковым нагревателем, расположенным в плоскости измерительного зонда, окаймленного охранным теплоизоляционным кольцом, и регистрации зависимости температуры поверхности исследуемого материала от времени, на контактной поверхности второго зонда вместо дискового нагревателя помещают датчик теплового потока и на заданном расстоянии от дискового нагревателя первого зонда и датчика теплового потока второго зонда дополнительно устанавливают по два линейных нагревателя, а на фиксированном расстоянии от линейных нагревателей помещают термобатареи, расположенные на линии, параллельной линии нагревателей, при этом для определения теплофизических свойств наружных слоев конструкции осуществляют воздействие одним тепловым импульсом от линейных источников тепла, определяют время релаксации температурного поля в контролируемых точках, затем в обоих зондах осуществляют воздействие тепловыми импульсами от линейных источников тепла, изменяют частоту тепловых импульсов до тех пор, пока значение температуры в точках, расположенных на заданных расстояниях от линейных нагревателей, не станет равной заранее заданным двум значениям, определяют при этом частоты тепловых импульсов соответственно для первого и второго наружного слоя и, используя эту информацию, при помощи полученных математических зависимостей определяют теплофизические свойства наружных слоев конструкции, для определения теплофизических свойств внутреннего слоя осуществляют тепловое воздействие дисковым нагревателем первого зонда, регистрируют величину теплового потока при помощи датчика, расположенного на контактной плоскости второго зонда, а также измеряют температуру в точках, расположенных соответственно под дисковым нагревателем и на контактной поверхности датчика теплового потока, используя измеренные значения температур в указанных точках и измеренное значение теплового потока, пронизывающего слои исследуемой конструкции, а также ранее полученные значения теплофизических свойств наружных слоев, при помощи математических зависимостей, описывающих перепад температур в каждом из трех слоев, определяют искомые теплофизические свойства внутреннего слоя исследуемой конструкции.For the prototype adopted a method of non-destructive testing of thermophysical properties of building materials of multilayer structures [US Pat. 2245538 RF, IPC G01N 25/18], consisting in the adiabatic thermal effect on the surface of the outer layer of the structure by a disk heater located in the plane of the measuring probe, bordered by a protective heat-insulating ring, and recording the dependence of the surface temperature of the material under study on time, on the contact surface of the second probe instead of of the disk heater, a heat flux sensor is placed, and at a given distance from the disk heater of the first probe and the heat flux sensor of the second probe, two additional linear heaters are installed, and thermopiles are placed at a fixed distance from the linear heaters, located on a line parallel to the line of the heaters, while determining the thermophysical properties of the outer layers of the structure are exposed to one thermal pulse from linear heat sources, the relaxation time of the temperature field at the controlled points is determined, then in both probes the influence of those heat pulses from linear heat sources, change the frequency of heat pulses until the temperature value at points located at specified distances from the linear heaters becomes equal to preset two values, while determining the frequencies of heat pulses for the first and second outer layers, respectively and, using this information, using the obtained mathematical dependencies, the thermophysical properties of the outer layers of the structure are determined, to determine the thermophysical properties of the inner layer, the thermal effect is carried out with a disk heater of the first probe, the value of the heat flux is recorded using a sensor located on the contact plane of the second probe, and temperature at points located, respectively, under the disk heater and on the contact surface of the heat flux sensor, using the measured temperatures at these points and the measured value of the heat flux penetrating the layers of the of the following design, as well as the previously obtained values of the thermophysical properties of the outer layers, using mathematical dependencies describing the temperature difference in each of the three layers, determine the desired thermophysical properties of the inner layer of the structure under study.
Недостатком способа-прототипа является большая длительность теплофизического эксперимента, обусловленная необходимостью вывода системы на два заданных установившихся квазистационарных тепловых режима для достижения заранее заданных температур в точке контроля. Большим недостатком также является использование дискового нагревателя для определения теплофизических свойств внутреннего слоя, т.к. на результаты измерений большое влияние оказывают собственная теплоемкость нагревателя, контактное термосопротивление между нагревателем и исследуемым объектом, степень прижатия нагревателя к объекту и шерховатость поверхности. Кроме того, при предложенном в прототипе режиме нагрева для достижения в точке контроля заданного значений контролируемых избыточных температур возможен прогрев наружного слоя насквозь, и в контролируемом температурном поле будут принимать участие теплофизические свойства внутреннего материала, что существенно влияет на точность определения искомых теплофизических свойств наружных слоев. А также, определение теплофизических свойств наружных слоев требует передвижения источника тепла и термоприемников с постоянной скоростью над поверхностью исследуемого объекта, задание и поддержание постоянным расстояния между источником тепла и термоприемниками в процессе их движения, т.е. реализация способа очень сложная и длительная по времени.The disadvantage of the prototype method is the long duration of the thermophysical experiment, due to the need to bring the system to two specified steady-state quasi-stationary thermal conditions to achieve predetermined temperatures at the control point. A big disadvantage is also the use of a disk heater to determine the thermophysical properties of the inner layer, because The measurement results are greatly influenced by the intrinsic heat capacity of the heater, the contact thermal resistance between the heater and the object under study, the degree of pressing the heater to the object and the roughness of the surface. In addition, with the heating mode proposed in the prototype, in order to achieve the set values of controlled excess temperatures at the control point, the outer layer can be heated through and through, and the thermophysical properties of the inner material will take part in the controlled temperature field, which significantly affects the accuracy of determining the desired thermophysical properties of the outer layers. And also, the determination of the thermophysical properties of the outer layers requires the movement of the heat source and thermal detectors at a constant speed over the surface of the investigated object, setting and maintaining a constant distance between the heat source and thermal detectors in the process of their movement, i.e. the implementation of the method is very complex and time-consuming.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение точности определения искомых ТФХ многослойных конструкций и изделий.The technical problem of the present invention is to improve the accuracy of determining the desired TPC of multilayer structures and products.
Поставленная техническая задача достигается тем, что тепловое воздействие на поверхность исследуемой трехслойной конструкции осуществляют электромагнитным полем СВЧ-излучения, причем для определения теплофизических характеристик наружных слоев в начале, имея информацию о толщине наружных слоев трехслойной конструкции, диэлектрической проницаемости материалов этих слоев и используя известное соотношение для определения ослабления мощности (потерь) в направлении распространения электромагнитной волны СВЧ-излучения в диэлектрике, определяют расчетным путем частоту электромагнитной волны СВЧ-диапазона, при которой тепловому воздействию будет подвергаться не более двух третьих толщины каждого из наружных слоев конструкции, нагрев наружных поверхностей исследуемого изделия осуществляют импульсным воздействием высокочастотного магнитного поля с найденной частотой в течение заданного интервала времени τи, при этом электромагнитное излучение фокусируют линзой из радиопрозрачного материала рупорно-линзовой антенной с максимально узкой диаграммой направленности в линию заданных размеров, осуществляя нагрев исследуемых наружных слоев по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности пластины верхнего слоя и уходящей внутрь на не более двух третьих ее толщины, измеряют избыточную температуру на поверхности каждого из наружных слоев в двух точках, находящихся соответственно на расстояниях x1 и x2 от линии электромагнитного СВЧ-воздействия, и используя полученную информацию о температурных измерениях и мощности СВЧ-воздействия по полученным математическим зависимостям определяют теплофизические характеристики наружных слоев конструкции, а для определения теплофизических характеристик внутреннего слоя в начале, имея информацию о диэлектрической проницаемости материалов наружного слоя и используя известное соотношение для определения ослабления мощности в направлении распространения электромагнитной волны СВЧ-излучения в диэлектрике с потерями, определяют расчетным путем частоту электромагнитной волны СВЧ-диапазона, при которой тепловому воздействию будет подвергаться не более 2-3 мм наружного слоя, тепловое воздействие осуществляют через круговую область электромагнитным воздействием СВЧ-диапазона с найденной частотой, измеряют бесконтактным датчиком температуру в центре круга микроволнового нагрева, а датчиком теплового потока измеряют тепловые потери с поверхности круга в окружающую среду, подвод тепла через круговую область осуществляют до тех пор, пока на противоположной стороне от теплового воздействия трехслойной конструкции появится тепловой поток, измеряют датчиком теплового потока величину установившегося теплового потока и температуру в плоскости контакта поверхности исследуемого слоя и датчика теплового потока, и используя измеренные значения температуры и теплового потока, пронизывающего все три слоя конструкции, а также ранее полученные значения теплофизических характеристик наружных слоев, при помощи математических зависимостей, описывающих перепад температур в каждом из трех слоев, определяют искомые теплофизические характеристики внутреннего слоя исследуемой конструкции.The technical problem posed is achieved by the fact that the thermal effect on the surface of the investigated three-layer structure is carried out by an electromagnetic field of microwave radiation, and to determine the thermophysical characteristics of the outer layers at the beginning, having information about the thickness of the outer layers of the three-layer structure, the dielectric constant of the materials of these layers and using the known relation for determining the attenuation of power (losses) in the direction of propagation of the electromagnetic wave of microwave radiation in the dielectric, determine by calculation the frequency of the electromagnetic wave of the microwave range, at which no more than two-thirds of the thickness of each of the outer layers of the structure will be exposed to heat, heating the outer surfaces of the investigated product is carried out by impulse action of a high-frequency magnetic field with the found frequency for a given time interval τ and , in this case, electromagnetic radiation is focused by a lens made of radio-transparent material using an orno-lens antenna with the narrowest radiation pattern in a line of specified dimensions, heating the studied outer layers along a plane perpendicular to the outer surface of the upper layer plate and extending inward by no more than two-thirds of its thickness, measure the excess temperature on the surface of each of the outer layers in two points located, respectively, at distances x 1 and x 2 from the line of electromagnetic microwave action, and using the information obtained about the temperature measurements and the power of the microwave action, according to the obtained mathematical dependences, the thermophysical characteristics of the outer layers of the structure are determined, and to determine the thermophysical characteristics of the inner layer at the beginning , having information about the dielectric constant of the materials of the outer layer and using the known relation to determine the power attenuation in the direction of propagation of the electromagnetic wave of microwave radiation in a dielectric with losses, the frequencies are determined by calculation for an electromagnetic wave of the microwave range, in which no more than 2-3 mm of the outer layer will be exposed to the thermal effect, the thermal effect is carried out through the circular region by the electromagnetic effect of the microwave range with the found frequency, the temperature in the center of the microwave heating circle is measured with a contactless sensor, and the thermal heat losses from the surface of the circle into the environment are measured, heat is supplied through the circular region until a heat flux appears on the opposite side of the thermal effect of the three-layer structure, the value of the steady-state heat flux and the temperature in the plane of contact of the surface of the investigated layer are measured by the heat flux sensor and a heat flux sensor, and using the measured values of temperature and heat flux penetrating all three layers of the structure, as well as previously obtained values of the thermophysical characteristics of the outer layers, using mathematical dependences describing ne The temperature drop in each of the three layers determines the desired thermophysical characteristics of the inner layer of the structure under study.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.
Известно, что при попадании в диэлектрик с потерями, электромагнитная волна ослабляется в направлении распространения. Имея информацию о мощности генератора Р, глубине проникновения электромагнитной волны z, коэффициенте затухания α, определяют мощность, выделяемую с площади плоскости нагреваIt is known that when it enters a dielectric with losses, an electromagnetic wave is attenuated in the direction of propagation. Having information about the power of the generator P, the depth of penetration of the electromagnetic wave z, the attenuation coefficient α, the power released from the area of the heating plane is determined
где 
Для определения удельной мощности g рассчитывают площадь тепловыделяющей плоскости как произведение длины линии теплового воздействия l на глубину проникновения электромагнитного поля (см. фиг. 1). Удельная мощность g определяют по формулеTo determine the specific power g, the area of the heat-generating plane is calculated as the product of the length of the thermal effect line l by the depth of penetration of the electromagnetic field (see Fig. 1). Specific power g is determined by the formula
где 
Зная информацию о частоте электромагнитного излучения абсолютной магнитной проницаемости μ0, относительной магнитной проницаемости и удельной диэлектрической проводимости γ исследуемого материала, можно определить глубину проникновения электромагнитной волны в исследуемый материал 
После несложных математических преобразований получают формулу для нахождения частоты электромагнитного излучения, пронизывающего исследуемый материал на заданную глубинуAfter simple mathematical transformations, a formula is obtained for finding the frequency of electromagnetic radiation penetrating the material under study to a given depth
Зависимость глубины проникновения от частоты СВЧ-излучения для красного и силикатного кирпича представлена на фиг.2. Так, для прогрева на 0,03 м красного кирпича необходимая частота излучения составляет 4,562 ГГц, для той же глубины силикатного кирпича - 4,945 ГГц.The dependence of the penetration depth on the frequency of microwave radiation for red and silicate bricks is shown in Fig. 2. So, for heating a red brick to 0.03 m, the required radiation frequency is 4.562 GHz, for the same depth of silicate brick - 4.945 GHz.
На каждую из наружных поверхностей полубесконечной в тепловом отношении многослойной конструкции (см. фиг. 3) воздействуют сфокусированным в линию линзой из радиопрозрачного материала одиночным тепловым импульсом СВЧ-диапазона длительностью 5-7 секунд с найденной частотой 
Для описания температурного поля в исследуемом верхнем слое конструкции при воздействии тепловым импульсом по плоскости (см. фиг. 3) применяют математическое соотношение в виде [см., например, Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высш. шк., 1967. - 599 с.]To describe the temperature field in the investigated upper layer of the structure when exposed to a thermal pulse on a plane (see Fig. 3), a mathematical relationship is used in the form [see, for example, A.V. Lykov. Heat conduction theory. M .: Higher. shk., 1967. - 599 p.]
где b=Q/cρ - тепловая активность исследуемого тела, Q - удельная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости теплового воздействия, cρ - теплоемкость исследуемого тела, a - температуропроводность, τ - время, х - координата.where b = Q / c ρ is the thermal activity of the investigated body, Q is the specific power released per unit area of the plane of the thermal effect, c ρ is the heat capacity of the investigated body, a is the thermal diffusivity, τ is the time, x is the coordinate.
Температурное поле в контролируемых точках x1 и x2 в заданный момент времени τ* после теплового воздействия описывают системой уравнений:The temperature field at the controlled points x 1 and x 2 at a given time τ * after thermal exposure is described by the system of equations:
После несложных математических преобразований получают формулу для определения коэффициента температуропроводности в видеAfter simple mathematical transformations, a formula is obtained for determining the thermal diffusivity in the form
На основании формулы (5), используя известное соотношение λ=а⋅cρ, получают формулу для определения теплопроводности:Based on formula (5), using the well-known relation λ = a⋅c ρ , a formula is obtained for determining the thermal conductivity:
Для определения ТФХ материалов внутреннего слоя конструкции тепловое воздействие осуществляют на поверхности наружного слоя через круговую область. Диаметр круговой области берется не менее 0,05-0,07 м. На фиг. 4 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 исследуемые материалы.To determine the TFH of the materials of the inner layer of the structure, the thermal effect is carried out on the surface of the outer layer through the circular region. The diameter of the circular area is taken at least 0.05-0.07 m. In FIG. 4 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 depends on the frequency of radiation of the microwave generator when exposed to the materials under study.
Имея информацию об абсолютной магнитной проницаемости μ0, относительной магнитной проницаемости μ, удельной диэлектрической проводимости γ исследуемого материала и задавшись глубиной проникновения z равной 2-3 мм, используя формулу (4), определяют рабочую частоту f генератора, при которой тепловому воздействию будет подвергаться приповерхностный слой заданной толщины, выполняющий роль нагревателя.Having information about the absolute magnetic permeability μ 0 , relative magnetic permeability μ, specific dielectric conductivity γ of the test material and setting the penetration depth z equal to 2-3 mm, using formula (4), the operating frequency f of the generator is determined at which the near-surface a layer of a given thickness that acts as a heater.
На основании проведенных расчетов и полученных результатов, можно сделать вывод, что при воздействии на исследуемые материалы электромагнитным излучением СВЧ-диапазона с частотой около 400 ГГц излучаемой антенной с диаграммой направленности игольчатого типа (одинаковые ширина диаграммы направленности по азимуту и углу места), которая формирует на поверхности материала зону (существенную) нагрева в виде круга, практически вся тепловая мощность выделяется в приповерхностном слое глубиной около 0,003 м, т.е. в объеме исследуемого материала в виде диска толщиной около 0,003 м.Based on the calculations and the results obtained, it can be concluded that when the materials under study are exposed to electromagnetic radiation of the microwave range with a frequency of about 400 GHz emitted by an antenna with a needle-type radiation pattern (the same width of the radiation pattern in azimuth and elevation), which forms on the surface of the material is a zone of (significant) heating in the form of a circle; practically all the heat power is released in the near-surface layer with a depth of about 0.003 m, i.e. in the volume of the investigated material in the form of a disk with a thickness of about 0.003 m.
Например, для прогрева на 0,003 м красного кирпича необходимая частота излучения составляет 456 ГГц.For example, to warm a red brick to 0.003 m, the required radiation frequency is 456 GHz.
Нагрев осуществляют до тех пор, пока пока на противоположной поверхности конструкции появится тепловой поток qx, при этом измеряют величину теплового потока.Heating is carried out until a heat flux q x appears on the opposite surface of the structure, while the value of the heat flux is measured.
Перепад температур в первом слое конструкции в соответствии с [см., например, Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М: Высш. шк., 1984. - 247 с.] определяется какThe temperature difference in the first layer of the structure in accordance with [see, for example, GN Dulnev. Heat and mass transfer in electronic equipment. M: Higher. shk., 1984. - 247 p.] is defined as
Отсюда температура в плоскости 2 (см. фиг. 5) определяется из соотношенияHence, the temperature in plane 2 (see Fig. 5) is determined from the relation
По аналогии, температура в плоскости 3 (см. фиг. 5) определяется из соотношенияBy analogy, the temperature in plane 3 (see Fig. 5) is determined from the relation
Используя эти выражения, перепад температуры на внутреннем слое конструкции определяется выражениемUsing these expressions, the temperature difference across the inner layer of the structure is determined by the expression
Из выражения (12) искомый коэффициент теплопроводности внутреннего слоя конструкции определяется соотношениемFrom expression (12), the sought coefficient of thermal conductivity of the inner layer of the structure is determined by the relation
Для определения коэффициента температуропроводности внутреннего слоя конструкции используем аналитическое решение [см., например, Козлов В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопорводности / под ред. А.Г. Шашкова. - Мн.: Наука и техника, 1986. - 392 c.], описывающее распределение температуры по толщине R2 слоя материала и во времени τ при использовании модели полупространства и имеющей вид:To determine the coefficient of thermal diffusivity of the inner layer of the structure, we use an analytical solution [see, for example, V.P. Kozlov. Two-Dimensional Axisymmetric Nonstationary Problems of Heat Conduction, Ed. A.G. Shashkova. - Minsk: Nauka i tekhnika, 1986. - 392 p.], Describing the temperature distribution over the thickness R 2 of the material layer and in time τ when using the half-space model and having the form:
Имея информацию о λ и qx и используя известные подробные таблицы для определения функции кратного интеграла вероятности erfc z, численным методом из представленного выше выражения легко определить искомый коэффициент температуропроводности a2.Having information about λ and q x and using the well-known detailed tables to determine the function of the multiple integral of the probability erfc z, it is easy to numerically determine the desired thermal diffusivity a 2 from the expression presented above.
Для проверки работоспособности предложенного микроволнового способа определения теплофизических характеристик многослойных конструкций и изделий были проведены эксперименты на трехслойном изделии, первый наружный слой которого выполнен из красного кирпича толщиной 50 мм, второй наружный слой выполнен из силикатного кирпича толщиной 50 мм, а внутренний слой из рипора, толщиной 20 мм. Данные эксперимента для наружных слоев приведены в таблице 1, а для внутреннего слоя - в таблице 2.To test the performance of the proposed microwave method for determining the thermophysical characteristics of multilayer structures and products, experiments were carried out on a three-layer product, the first outer layer of which is made of red brick 50 mm thick, the second outer layer is made of silicate brick 50 mm thick, and the inner layer is made of a ripor with a thickness 20 mm. The experimental data for the outer layers are shown in Table 1, and for the inner layer - in Table 2.
Преимуществом заявляемого технического решения по сравнению со способом-прототипом является более оперативное определение ТФХ наружных слоев за счет быстрого прогрева наружного слоя одиночным тепловым импульсом СВЧ-диапазона. Кроме того, при определении ТФХ наружных слоев исключена возможность прогрева наружного слоя насквозь за счет прогрева исследуемого слоя на необходимую заранее рассчитанную глубину равную 2/3 толщины слоя, таким образом, в нахождении ТФХ наружных слоев не будут принимать участия ТФХ внутреннего слоя, что повышает точность предложенного метода. Еще одним преимуществом является более простая реализация способа, не требующая передвижения источника тепла и термоприемников с постоянной скоростью над поверхностью исследуемого объекта, задание и поддержание постоянным расстояния между источником тепла и термоприемниками в процессе их движения.The advantage of the proposed technical solution in comparison with the prototype method is a faster determination of the TPC of the outer layers due to the rapid heating of the outer layer by a single thermal pulse of the microwave range. In addition, when determining the TPC of the outer layers, the possibility of heating the outer layer through and through is excluded due to the heating of the investigated layer to the required pre-calculated depth equal to 2/3 of the layer thickness, thus, the TPC of the inner layer will not take part in finding the TPC of the outer layers, which increases the accuracy the proposed method. Another advantage is a simpler implementation of the method, which does not require movement of the heat source and thermal detectors at a constant speed over the surface of the object under study, setting and maintaining a constant distance between the heat source and thermal detectors during their movement.
Кроме того, при определении теплофизических характеристик внутреннего слоя нагрев электромагнитной энергией СВЧ-диапазона исключает влияние на результаты измерений собственной теплоемкости нагревателя, контактного термосопротивления между нагревателем и исследуемым объектом, степени прижатия нагревателя к объекту и шероховатости поверхности исследуемых объектов, что также повышает точность предложенного способа.In addition, when determining the thermophysical characteristics of the inner layer, heating by electromagnetic energy of the microwave range excludes the influence on the measurement results of the intrinsic heat capacity of the heater, the contact thermal resistance between the heater and the object under study, the degree of pressing the heater against the object and the surface roughness of the objects under study, which also increases the accuracy of the proposed method.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124454A RU2744606C1 (en) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124454A RU2744606C1 (en) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2744606C1 true RU2744606C1 (en) | 2021-03-11 |
Family
ID=74874298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020124454A RU2744606C1 (en) | 2020-07-23 | 2020-07-23 | Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2744606C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2140070C1 (en) * | 1998-02-26 | 1999-10-20 | Научно-информационный центр проблем интеллектуальной собственности | Process determining thermal and physical characteristics of construction materials in multilayer structures without breakdown of their integrity |
| RU2245538C1 (en) * | 2003-05-05 | 2005-01-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Nondestructive control method for thermal and physical properties of building materials for multilayer building structure erection |
| RU2287807C1 (en) * | 2005-03-09 | 2006-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method for determining thermo-physical properties of multi-layered building structures and products |
| JP2010169649A (en) * | 2008-12-25 | 2010-08-05 | Toray Eng Co Ltd | Method and device for inspecting defect of conductive film |
| 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 |
-
2020
- 2020-07-23 RU RU2020124454A patent/RU2744606C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2140070C1 (en) * | 1998-02-26 | 1999-10-20 | Научно-информационный центр проблем интеллектуальной собственности | Process determining thermal and physical characteristics of construction materials in multilayer structures without breakdown of their integrity |
| RU2245538C1 (en) * | 2003-05-05 | 2005-01-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Nondestructive control method for thermal and physical properties of building materials for multilayer building structure erection |
| RU2287807C1 (en) * | 2005-03-09 | 2006-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method for determining thermo-physical properties of multi-layered building structures and products |
| JP2010169649A (en) * | 2008-12-25 | 2010-08-05 | Toray Eng Co Ltd | Method and device for inspecting defect of conductive film |
| 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 |
|---|---|---|
| Wadley et al. | Ultrasonic measurement of internal temperature distribution | |
| CN109324079B (en) | Material thermal expansion coefficient measuring method based on ultrasound | |
| Sun | Quantitative three-dimensional imaging of heterogeneous materials by thermal tomography | |
| Kosugi et al. | Accuracy evaluation of surface temperature profiling by a laser ultrasonic method | |
| RU2744606C1 (en) | Microwave method for determining thermophysical characteristics of multilayer structures and products | |
| RU2497105C1 (en) | Method for nondestructive testing of thermal characteristics of building materials and items | |
| Aoki et al. | Feasibility study on ultrasonic in-situ measurement of friction surface temperature | |
| RU2287807C1 (en) | Method for determining thermo-physical properties of multi-layered building structures and products | |
| RU2399911C2 (en) | Method of determining thermal and physical characteristics of construction materials (versions) | |
| RU2327148C1 (en) | Method of non-destructive testing of thermal properties of multilayered constructional structures | |
| RU2245538C1 (en) | Nondestructive control method for thermal and physical properties of building materials for multilayer building structure erection | |
| CN109470772A (en) | A kind of non-destructive measuring method of the internal heat resource intensity size and location based on ultrasound | |
| RU2251098C1 (en) | Method of contact-free nondestructive testing of thermal- physical properties of materials | |
| RU2698947C1 (en) | Method for nondestructive inspection of thermophysical characteristics of construction materials and articles | |
| RU2478939C1 (en) | Method of measuring thermal diffusivity of heat-insulating materials by regular third kind mode technique | |
| Mordasov et al. | Microwave Method for Determining The Thermophysical Characteristics of Multilayer Building Structures and Products | |
| Riegert et al. | Potential and limitations of eddy current lockin-thermography | |
| Chernyshova et al. | Microwave adaptive method for non-destructive testing of thermophysical characteristics of building materials and products | |
| Ihara et al. | Ultrasonic thermometry for temperature profiling of heated materials | |
| Mordasov et al. | Nondestructive method of thermophysical properties monitoring and its implementing system using microwave heating | |
| RU2140070C1 (en) | Process determining thermal and physical characteristics of construction materials in multilayer structures without breakdown of their integrity | |
| Kazys et al. | Online profiling of nonplanar objects by high-resolution air-coupled ultrasonic distance measurements | |
| RU2801079C1 (en) | Method for determining a complex of thermal, acoustic and mechanical properties of solid materials | |
| Drewniak et al. | Errors resulting from finite beamwidth and sample dimensions in the determination of the ultrasonic absorption coefficient | |
| RU2570596C1 (en) | Method of non-destructive testing of thermophysical characteristics of construction materials and products |