Устройство для измерения температуропроводности тонких пластин термографическим методом

Полезная модель относится к бесконтактным методам определения теплофизических характеристик твердых тел, в частности коэффициента температуропроводности и теплопроводности. Полезная модель может быть использована для теплового контроля изделий в авиакосмической, машиностроительной и энергетической промышленности.
Известно устройство для определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме (патент RU №2502989, МПК G01N 25/18, 12.07.2012). Устройство содержит источники инфракрасного излучения, осуществляющего воздействие на переднюю лицевую поверхность твердого тела. Система термопреобразователей служит для регистрации температурного поля твердого тела в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом. По экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела. По результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела.
Основным недостатком технического решения является невозможность измерения компонент тензора температуропроводности в направлениях, перпендикулярных основному потоку нагрева. Также контактный характер регистрации температурного поля при сравнительно большой постоянной времени (более долей секунды) не позволяет применять его для измерений на тонких и высокотеплопроводных материалах, где тепловые процессы протекают в течение долей секунды.
Известно устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел, описанное в способе бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов (патент RU 2251098, МПК G01N 25/18, опубл. 27.04.2005). Способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках
поверхности образца и температуру окружающей среды. По полученным результатам определяют поправочный коэффициент. Затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени в заданных точках измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности. Продолжают нагрев, и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.
В известном устройстве измеряют в двух точках (в заявляемом - усредняют по радиусам), функцию ошибок считают линейной функцией, пятно нагрева считают бесконечно малым, т.е. известное устройство не обеспечивает необходимую точность измерений. Известное устройство является более сложным в реализации из-за погрешности при выполнении линейных измерений, требует для определения образцы больших размеров. Следует отметить сложность системы, основанной на применении двух термоприемников.
Известно устройство для определения температуропроводности материала из описания технического решения под названием: «Способ определения температуропроводности и система для его реализации» [Патент Китая № CN 103884737, МПК G01N 25/18, Опубл. 25.06.2014]. Известное техническое решение содержит электронно-вычислительное устройство, которое подключено к бесконтактному датчику температуры и импульсному тепловому источнику, который соединен оптоволоконным кабелем с коллиматором, снабженным оптической системой и расположенным напротив бесконтактного датчика температуры с противоположной стороны объекта исследования. Также система содержит вакуумную камеру и установленный в ней кронштейн для установки объекта исследования.
Известная система позволяет повысить точность определения коэффициента температуропроводности за счет более точного измерения температуры объекта исследования производимого в вакуумной среде.
Недостатком данной системы является наличие вакуумной камеры ограничивающей мобильность системы по отношению к объектам исследования в виде стационарных конструкций (конструкций, нарушение целостности которых невозможно), а также ограничения по отношению к объектам исследования, имеющим сложную конфигурацию и превышающим габариты вакуумной камеры.
Известно устройство для бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел (патент РФ №2549549, МПК G01N 25/18, G01J 5/60, 2015). Устройство содержит плоский оптический нагреватель, перед которым расположена оптически непрозрачная маска в виде прямоугольных полос, и тепловизор. Плоский оптический нагреватель и тепловизор подключены к компьютеру. Устройство дополнительно содержит оптический объектив, расположенный между оптически непрозрачной маской и оптически непрозрачной шторкой с устройством управления, подключенным к компьютеру. Оптически непрозрачная шторка расположена между оптическим объективом и исследуемым объектом и выполнена с возможностью открытия и последующего перекрытия, сфокусированного оптическим объективом теплового излучения плоского оптического нагревателя.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции системы нагрева, размещаемой на одной стороне объекта исследований и тепловизором, помещенным над противоположной стенкой объекта; большая продолжительность процесса тестирования из-за необходимости выведения нагревателя на рабочий режим и последующее экспонирование через управляемую компьютеров шторку; недостаточная точность определения температуропроводности и теплопроводности при разнотолщинности объекта исследований или при непараллельности нагревателя и стенки объекта. Недостатком такого устройства является также недостаточная точность при измерении теплофизических свойств тонких (1-2 мм) пластин.
Анализ известных систем для определения температуропроводности материала позволяет сделать вывод, что известный уровень техники не
обеспечивает создания системы, позволяющей с высокой точностью определять значение температуропроводности материала, не снижая при этом ее мобильности.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел - коэффициентов температуропроводности и теплопроводности по пат. РФ № 2701881, МПК G01N 25/18 , G01J 5/60, опубл.: 02.10.2019, бюл. № 28. Устройство содержит подключенные к компьютеру нагреватель и тепловизор, обеспечивающие создание нестационарной тепловой картины внешним «точечным» источником энергии на площадке размером порядка 1 мм2, которая регистрируется на доступной поверхности тепловизором как система концентрических круговых изотерм. Радиальная симметричность концентрических круговых изотерм определяется их измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Данное устройство выбрано в качестве прототипа, так как она имеет наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемым устройством.
Задачей полезной модели является создание мобильной системы позволяющей с высокой точностью определять значение температуропроводности материала.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является разработка простого устройства для экспресс-инспекции и определения ряда теплофизических свойств тестируемых материалов (в частности, коэффициентов температуро- и теплопроводности) путем создания нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуропроводности тонких пластин термографическим методом содержит монтажную платформу, на которой закреплены тепловизор, лазерный нагреватель, оба с возможностью подключения к компьютеру, и держатель для образцов, согласно полезной модели держатель для образцов закреплен в средней части монтажной платформы, на противоположных сторонах платформы параллельно ее продольной оси закреплены в виде разнесенных по ширине платформы стержней направляющие, на которые установлены снабженные приводом перемещения столы, на одном из которых установлен тепловизор, а на втором – лазерный нагреватель, перед которым со стороны держателя для образцов на направляющих закреплен рассеиватель лазерного луча. Рассеиватель лазерного луча может быть выполнен в виде узла расфокусировки излучения (с использованием отрицательной линзы) для увеличения площади лазерного пятна до размеров плоского фронта. Это обеспечивает возможность определять температуропроводность как в режиме точечного нагрева по концентрическим изотермам, так и при равномерном плоском нагреве.
Держатель для образцов может быть выполнен в виде плоской кассеты из двух пластин для размещения в ней образцов с зазором не менее 1 мм и снабжен окном, превышающим поле зрение тепловизора, и прижимным устройством для фиксации образца к плоскости пластины, находящейся со стороны тепловизора, при этом на верхней и боковых сторонах кассеты выполнены щели. Это позволяет упростить установку образцов для изменения и эффективно отводить избыточное тепло.
Лазерный нагреватель может быть размещен в двух положениях, формирующих два режима нагрева: точечный нагрев (сфокусированным на поверхности образца лазерным излучением) и нагрев плоским фронтом, при этом в режиме точечного нагрева лазерный нагреватель развернут так, чтобы лазерное излучение не попадало в объектив тепловизора, а при формировании нагрева плоским фронтом совместно с рассеивателем область плоского фронта должна быть больше 25 мм.
Направляющие стола тепловизора обеспечивают его перемещение в диапазоне L от 35 мм до 250 мм вдоль оси, перпендикулярной поверхности образца, при этом расстояние L отсчитывается от поверхности образца до объектива тепловизора.
Стол тепловизора может быть снабжен фиксаторами его перемещения в положениях L1 35 мм, 125 мм и 250 мм с обеспечением поля зрения на образце 20×15, 68×50 и 135×107 мм соответственно.
Признаки: Направляющие стола тепловизора обеспечивают перемещение тепловизора в диапазоне L от 35 мм до 250 мм вдоль оси и снабжение стола фиксаторами этих положений создают удобство при работе, исключают грубые ошибки при установке объекта.
Выполнение рассеивателя лазерного луча в виде узла расфокусировки излучения (с использованием отрицательной линзы) обеспечивают возможность измерения температуропроводности, как в режиме точечного нагрева по концентрическим изотермам, так и при равномерном плоском нагреве, что позволяет реализовать две методики измерения температуропроводности.
Возможность определения радиальной симметричности концентрических круговых изотерм измерением в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет получить дополнительную информацию об анизотропности тестируемого материала.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию “новизна”.
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций устройств для измерения температуропроводности с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности и надежности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию “промышленная применимость”.
На представленных графических материалах изображено:
На фиг. 1 - устройство для бесконтактного определения теплофизических свойств твердых тел (аксонометрия);
На фиг. 2 - схема устройства (вид сбоку), на которой показаны
1 - монтажная платформа;
2 - тепловизор COX CG640 с объективом 20 мм;
3 - лазерный нагреватель;
4 - рассеиватель - узел для расфокусировки лазерного луча;
5 - держатель образцов;
6 - направляющая;
7 - опора направляющей;
8 - стол;
9 - каретка;
10 - привод ШВП с ручкой;
11 - фиксатор промежуточных положений.
Методика проведения исследований.
Изначально размещенный в держателе образцов исследуемый материал находится в тепловом равновесии с окружающей средой. Затем объект нагревают локальным источником энергии. Тепловизионная камера регистрирует нестационарное тепловое поле с противоположной от нагревателя стороны (фиг. 1). Затем используют методику определения температуропроводности согласно способу, описанному в патенте №2701775 «Способ определения кинетических теплофизических свойств твердых материалов», для пластин толщиной до 3 мм.
Полезная модель обеспечивает достижение технического результата – создание простого устройства для экспресс-инспекции и определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов (в частности, коэффициенты температуропроводности и теплопроводности) путем создания нестационарного температурного поля, регистрируемого тепловизором на наружной поверхности исследуемого материала.