СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ НЕОДНОРОДНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINATION OF HEAT CONDUCTIVITY AND TEMPERATURE CONDUCTIVITY OF NON-UNIFORM MATERIAL

Изобретение относится к области изучения физических свойств неоднородных материалов и может быть использовано для анализа текстуры, структуры, пористости, теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости геоматериалов, строительных и других природных и промышленных материалов в различных областях науки и техники.
1
1
0
0
2
Известны способ и устройство для определения теплопроводности и температуропроводности, описанные в статье Popov, Yu., Bayuk, I., Parshin, A., Miklashevskiy, D., Novikov, S., Chekhonin, E. New methods and instruments for determination of reservoir thermal properties. Proceedings, Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California, January 30 - February 1, 2012, SGP-TR-194. В известном устройстве первый датчик регистрирует температуру нагреваемой поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии нагрева на расстоянии X от движущегося пятна нагрева, создаваемого источником нагрева. Второй датчик температуры расположен на таком же расстоянии X от пятна нагрева вдоль линии нагрева и на расстоянии У от линии нагрева и регистрирует температуру на поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии, параллельной линии движения пятна нагрева и отстоящей от нее на расстояние У. Третий датчик фиксирует начальную температуру образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью вдоль линии нагрева и располагается по линии движения пятна нагрева перед пятном нагрева на произвольном расстоянии X от него.
1
1
1
1
Данный способ и реализующее его устройство имеют такие недостатки, как необходимость возврата блока с источником нагрева и датчиками температуры в исходное положение для проведения следующего измерения, при этом во время возврата блока с источником нагрева и датчиками температуры в исходное положение не производится никаких измерений, что приводит к непроизводительным затратам времени. Кроме того, за один цикл измерений, включающий сканирование образцов материалов в прямом направлении и возврат блока с источником нагрева и датчиками температуры в исходное положение, невозможны измерения теплопроводности для слоев образца с разной толщиной и шириной, т.е. невозможно определение теплопроводности для слоев разной толщины и ширины в неоднородном образце, что важно для характеристки неоднородности изучаемых образцов. Невозможно также получение высокодетализированных с высокой пространственной разрешающей способностью профилей распределения теплопроводности вдоль линии сканирования. Это связано с тем, что проведение таких высокодетализированных измерений требует максимального уменьшения расстояния X между датчиками температуры нагрева поверхности образца и пятном нагрева, что приводит к недопустимому уменьшению толщины изучаемого слоя неоднородного образца и соответствующему уменьшению исследуемого объема неоднородного образца. Кроме этого, значительное уменьшение расстояния X приводит к снижению точности измерений теплопроводности и температуропроводности из-за того, что реальное пятно нагрева не может уже рассматриваться как точечный источник нагрева, положенный в основу теоретической модели измерений теплопроводности и температуропроводности данным методом. Далее, при значительном уменьшении расстояния X температура нагрева в области ее регистрации вторым датчиком становится столь низкой, что второй датчик будет регистрировать ее с недопустимым соотношением сигнал - шум, что приведет практически к потере возможности доброкачественных измерений температуропроводности. Кроме того, максимальное уменьшение расстояния X между датчиками температуры нагрева поверхности образца и пятном нагрева приводит к значительному уменьшению температуры, регистрируемой вторым датчиком температуры, а это приводит к возникновению чрезмерно большой погрешности измерений температуропроводности и, как следствие, потере возможности проводить доброкачественные измерения температуропроводности. Недостатком известного способа является также то, что измерения теплопроводности и температуропроводности и регистрация неоднородности образца неоднородного материала осуществляются только по одной линии сканирования, что ухудшает качество информации о степени, характере и пространственном распределении неоднородности материала и качество данных о его теплопроводности и температуропроводности.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является обеспечение определения теплопроводности и температуропроводности неоднородных материалов с разной глубиной и шириной слоев измерений и одновременное обеспечение регистрации распределения неоднородности в образцах неоднородных материалов с высокой пространственной разрешающей способностью, а также возможность измерений теплопроводности и регистрации распределения неоднородности вдоль дополнительной линии сканирования.
В соответствии с предлагаемым способом определения теплопроводности и температуропроводности неоднородного материала осуществляют нагрев поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью пятном нагрева, имеющим первоначальный размер и создаваемым источником нагрева с первоначальной мощностью, движущимся вдоль поверхности образца неоднородного материала по прямой линии с постоянной первоначальной скоростью. Регистрируют температуру нагреваемой поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью на первом расстоянии от движущегося пятна нагрева по линии перемещения пятна нагрева позади него посредством первого датчика температуры, движущегося по линии перемещения пятна нагрева со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева. Регистрируют температуру поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии, параллельной линии перемещения пятна нагрева и отстоящей от линии перемещения пятна нагрева на второе расстояние, посредством второго датчика, движущегося по линии, параллельной линии перемещения пятна нагрева, со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева. Посредством третьего датчика, движущегося по линии перемещения пятна нагрева со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева, регистрируют начальную температуру поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии нагрева перед пятном нагрева. После завершения регистрации температуры поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью, обеспечивающей измерения для слоя образца неоднородного материала с первоначальными глубиной и шириной, изменяют направление движения пятна нагрева и датчиков температуры относительно образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью на противоположное. Осуществляют нагрев поверхности образца неоднородного материала пятном нагрева, имеющим размер, отличный от первоначального, и создаваемым источником нагрева с мощностью, отличной от первоначальной, движущимся вдоль поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по прямой линии в обратном направлении с постоянной скоростью, отличной от первоначальной и не допускающей перегрева и/или разрушения образца неоднородного образца. Посредством третьего датчика температуры, движущегося по линии перемещения пятна нагрева в обратном направлении со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева, регистрируют температуру нагреваемой поверхности образца неоднородного материала, при этом расстояние между третьим датчиком температуры и пятном нагрева устанавливают таким, чтобы обеспечивались измерения для слоя образца неоднородного материала с глубиной и шириной, отличными от первоначальных. Посредством первого датчика, движущегося по линии перемещения пятна нагрева в обратном направлении со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева, регистрируют начальную температуру поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью вдоль линии нагрева перед пятном нагрева на первом расстоянии от него. После окончания измерений по результатам регистрации температур датчиками температуры при движении в прямом и обратном направлениях и данным о теплопроводности и температуропроводности образцов с известными теплопроводностью и температуропроводностью определяют распределение теплопроводности и температуропроводности образца неоднородного материала вдоль линии нагрева в разных по глубине и ширине слоях образца.
Предпочтительно расстояние между третьим датчиком температуры и пятном нагрева устанавливают таким образом, чтобы одновременно обеспечивались задаваемая точность измерений и наиболее высокая из достижимых пространственная разрешающая возможность при регистрации неоднородности образца вдоль линии измерений по профилю теплопроводости.
Расстояние между третьим датчиком температуры и пятном нагрева может быть установлено предварительно перед началом нагрева и измерений или перед началом нагрева и измерений, осуществляемых при движении в обратном направлении.
Предпочтительно нагрев поверхности образца неоднородного материала пятном нагрева, движущимся вдоль поверхности образца по прямой линии в обратном направлении, осуществляют по линии, параллельной первоначальной линии нагрева.
Устройство для реализации предлагаемого способа определения теплопроводности и температуропроводности неоднородного материала содержит установленные с возможностью перемещения источник нагрева для создания пятна нагрева на поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью, а также первый, второй и третий датчики для регистрации температуры. Первый и третий датчики температуры расположены по разные стороны от источника нагрева таким образом, чтобы регистрировать температуру поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии перемещния пятна нагрева на разных расстояниях от него. Второй датчик расположен таким образом, чтобы регистрировать температуру поверхности образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии, параллельной линии перемещения пятна нагрева. Устройство также содержит узел для изменения размеров пятна нагрева, узел для изменения скорости движения пятна нагрева, узел для изменения мощности источника нагрева, узел для регулировки расстояния между третьим датчиком температуры и пятном нагрева и узел для смещения линии нагрева.
В качестве источника нагрева может быть использован лазер. Дополнительно в состав устройства может входить блок фокусировки излучения лазера с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
В качестве источника нагрева может быть использована также электрическая лампа. В таком случае может быть необходимым включение в состав устройства блока фокусировки излучения электрической лампы с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
Возможен вариант реализации технического решения, при котором источником нагрева является электрическая лампа, имеющая встроенное устройство для фокусировки оптического излучения с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
Возможен также вариант устройства, при котором источником нагрева является струя горячего газа, выходящая из наконечника, обеспечивающего необходимые размеры и форму пятна нагрева.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства.
Сущность предлагаемых способа и устройства для определения теплопроводности и температуропроводности неоднородных материалов с разной глубиной измерений и регистрации неоднородности неоднородных материалов (горных пород и др.) с высокой пространственной разрешающей способностью заключается в следующем.
Как показано на фиг.1, устройство для определения теплопроводности и температуропроводности содержит источник 1 нагрева, первый датчик 2, второй датчик 3 и третий датчик 4, предназначенные для регистрации температуры на поверхности образца 5 неоднородного материала. Устройство также содержит узел 8 для изменения скорости движения источника 1 нагрева и датчиков 2, 3 и 4, узел 9 для изменения мощности источника 1 нагрева, узел 10 для изменения размеров пятна 6 нагрева и узел 11 для смещения линии нагрева при движении в обратном направлении на заранее задаваемую величину.
Осуществляют нагрев поверхности образца 5 неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью (на чертеже не показаны) пятном 6 нагрева, имеющим первоначальный рамзер и создаваемым источником 1 нагрева с первоначальной мощностью, движущимся вдоль поверхности образца 5 по первоначальной прямой линии 7 с постоянной первоначальной скоростью.
1
1
1
2
0
0
2
Первый датчик 2 регистрирует температуру T нагреваемой поверхности образца 5 неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью на первом расстоянии X от движущегося пятна 6 нагрева, создаваемого источником 1 нагрева. Второй датчик 3 расположен на таком же расстоянии X от пятна 6 нагрева по первоначальной линии 7 нагрева и регистрирует температуру T на поверхности образца 5 неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью по линии, параллельной линии движения пятна 6 нагрева и отстоящей от нее на расстоянии У Третий датчик 4 фиксирует начальную температуру T образца 5 вдоль линии 7 нагрева и располагается по линии перемещения пятна 6 нагрева перед пятном 6 нагрева на втором расстоянии X от него.
Согласно предлагаемому техническому решению, возврат источника нагрева и датчиков температуры в исходное положение используют для обратного сканирования с дополнительными измерениями теплопроводности образца и регистрацией неоднородности образца. Для этого устанавливают такое расстояние между третьим датчиком температуры и пятном нагрева, которое вместе со значениями скорости, мощности и размеров пятна нагрева обеспечит требуемые глубину и ширину слоя измерений теплопроводности при обратном движении, отличные от глубины и ширины слоя измерений теплопроводности при прямом движении. При этом при обратном сканировании начальные температуры вдоль линии перемещения пятна 6 нагрева определяют при помощи первого датчика 2, а для регистрации температуры нагрева для измерений теплопроводности при обратном сканировании предлагается использовать третий датчик 4. Необходимое расстояние между третьим датчиком 4 и пятном 6 нагрева можно устанавливать как после завершения прямого движения пятна нагрева и датчиков температуры, так и до начала прямого движения. Поскольку первый датчик 2 и третий датчик 4 расположены на разных расстояниях от пятна 6 нагрева и движение в прямом и обратном направлениях осуществляется с разными скоростями, обеспечивается разная глубина и ширина слоя измерений для образца 5 при прямом и обратном сканировании.
Перед обратным сканированием изменяют скорость движения источника 1 нагрева и датчиков 2, 3 и 4 до заранее заданной величины с помощью узла 8, посредством узла 10 до заранее заданной величины изменяют размеры пятна 6 нагрева, посредством узла 9 изменяют полезную мощность источника 1 нагрева в пятне нагрева и устанавливают их такими, чтобы при измерениях теплопроводности при обратном сканировании одновременно обеспечивались задаваемая точность измерений теплопроводности, не допускался перегрев и/или разрушение образца 5 и обеспечивалась глубина и ширина слоев измерений теплопроводности, отличная от глубины и ширины слоев измерений при прямом сканировании. В состав устройства входит также узел 12, предназначенный для регулировки расстояния между третьим датчиком температуры и пятном нагрева таким образом, чтобы одновременно обеспечивались наиболее высокая из достижимых пространственная разрешающая возможность при регистрации неоднородности образца по профилю теплопроводности и глубина и ширина слоев измерений теплопроводности, отличная от глубины и ширины слоев измерений при прямом сканировании.
В качестве источника нагрева 1 может быть использован лазер. Дополнительно в состав устройства может входить блок фокусировки излучения лазера с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
В качестве источника нагрева 1 может быть использована также электрическая лампа. В таком случае может быть необходимым включение в состав устройства блока фокусировки излучения электрической лампы с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
Возможен вариант реализации технического решения, при котором источником нагрева 1 является электрическая лампа, имеющая встроенное устройство для фокусировки оптического излучения с целью придания пятну нагрева необходимых формы и размеров.
Возможен также вариант устройства, при котором источником нагрева 1 является струя горячего газа, выходящая из наконечника, обеспечивающего необходимые размеры и форму пятна нагрева.
-6
2
-6
2
-6
2
1
0
2
2
В качестве примера может быть рассмотрен случай, когда необходимо измерить теплопроводность и температуропроводность неоднородного образца горной породы - песчаника длиной 100 мм, шириной 80 мм и толщиной 40 мм. В качестве образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью используют образец технического стекла марки KB с теплопроводностью 1,35 Вт/(м·К) и температуропроводностью 0,83·10 м/с длиной 70 мм, шириной 60 мм и толщиной 40 мм и образец белого мрамора с теплопроводностью 3,15 Вт/(м·К) и температуропроводностью 1,42·10 м/с длиной 70 мм, шириной 60 мм и толщиной 40 мм. В качестве источника тепла 1 используют лазер непрерывного действия марки ИЛГН-703 с регулируемой полезной мощностью в пятне нагрева от 0,05 до 10 Вт и регулируемым диаметром пятна нагрева в диапазоне 1-8 мм. В качестве бесконтактных инфракрасных датчиков температуры 2, 3 и 4 используют три инфракрасных радиометра типа «Кельвин» с полем зрения 1,5×1,5 мм. По одной наибольшей поверхности образцов песчаника, технического стекла и мрамора покрывают тонким слоем черной эмали толщиной 20-30 мкм для придания этим поверхностям одинаковых оптических характеристик - коэффициентов поглощения и излучения, что необходимо для одинаковой мощности нагрева всех образцов и одинаковой точности регистрации температуры по инфракрасному излучению поверхности для всех образцов. Образец песчаника вместе с образцом технического стекла и образцом белого мрамора устанавливают последовательно в ряд на подвижной платформе для последующего их нагрева подвижным пятном нагрева. Устанавливают расстояние X=30 мм между пятном нагрева и каждым полем зрения радиометров 2 и 3 вдоль линии нагрева, расстояние У=6 мм между полем зрения радиометра 3 и линией нагрева, диаметр пятна нагрева 4 мм и такую мощность лазера, чтобы полезная мощность в пятне нагрева составила 1, 5 Вт. Расстояние X между полем зрения радиометра 4 и пятном нагрева вдоль линии нагрева устанавливают равным 5 мм, что не настолько мало, чтобы привести к попаданию отраженного от поверхности образцов излучения лазера в поле зрения радиометра 4, что приводит к сильному искажению результатов измерений температуры, и в тоже время минимально для обеспечения предельно возможной в данном случае пространственной разрешающей способности для регистрации неоднородности образца песчаника при движении платформы с нагревом образцов в обратном направлении. Расстояние X=5 мм обеспечит также намного меньшую глубину и ширину слоя измерений теплопроводности при обратном движении платформы по сравнению с прямым движением платформы. После этого приводят в движение платформу со всеми образцами перед лазером и радиометрами так, чтобы пятно нагрева и поля зрения радиометров двигались с постоянной скоростью 3 мм/с последовательно относительно всех образцов. При движении осуществляют нагрев поверхности образцов при постоянной полезной мощности 1,5 Вт в пятне нагрева. В процессе нагрева датчиком температуры 4 регистрируют начальную температуру образцов впереди пятна нагрева, и датчиками температуры 2 и 3 регистрируют температуру нагрева вдоль линии нагрева и параллельной линии позади пятна нагрева. После завершения нагрева образцов и регистрации их начальных температур, температур нагрева и, как результат, избыточных температур нагрева при помощи известных соотношений, приведенных в статье Popov, Yu., Bayuk, I., Parshin, A., Miklashevskiy, D., Novikov, S., Chekhonin, E. New methods and instruments for determination of reservoir thermal properties. Proceedings, Thirty-Seventh Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California, January 30 - February 1, 2012, SGP-TR-194, по температурам нагрева, зарегистрированным при помощи датчиков 2, 3 и 4, и известным теплопроводности и температуропроводности двух образцов, установленных последовательно с образцом песчаника, определяют значения теплопроводности и температуропроводности песчаника в точках линии вдоль образца песчаника, которые оказываются изменяющимися в диапазоне 1,4…3,1 Вт/(м·К) для теплопроводности и (0,9…1,5)·10 м/с для температуропроводности вследствие неоднородности образца песчаника. При помощи узла 8 увеличивают скорость обратного движения платформы до 8 мм/с, чтобы дополнительно значительно - в несколько раз - уменьшить глубину и ширину слоя измерений при обратном движении платформы. После этого при помощи узла 11 перемещают образец песчаника на платформе так, чтобы будущая линия нагрева при обратном движении сместилась на 10 мм параллельно линии нагрева при прямом движении, чтобы обеспечить оценку неоднородности образца песчаника вдоль новой линии движения пятна нагрева. Для сохранения точности измерений теплопроводности и температуропроводности при помощи узла 10 уменьшают диаметр пятна нагрева до 1 мм и при помощи узла 9 уменьшают до 0,2 Вт мощность лазера во избежание перегрева образцов в центре пятна нагрева вследствие повышения концентрации энергии в пятне нагрева. После этого приводят в движение в обратном направлении платформу со всеми образцами перед лазером и радиометрами, которая будет двигаться с заданной скоростью 8 мм/с относительно пятна нагрева и полей зрения радиометров, при этом линия нагрева будет двигаться по образца песчаника в 10 мм в стороне от линии нагрева при прямом движении платформы. В процессе нагрева при обратном движении датчиком температуры 2 регистрируют начальную температуру образцов впереди пятна нагрева и датчиком температуры 4 регистрируют температуру нагрева вдоль линии нагрева. После завершения нагрева образцов и регистрации их температур нагрева при движении платформы в обратном направлении при помощи тех же известных соотношений по избыточной температуре, зарегистрированной при помощи датчиков 2 и 4, и известным теплопроводности и температуропроводности двух образцов, установленных последовательно с образцом песчаника, определяют значения теплопроводности песчаника в точках линии обратного движения пятна нагрева вдоль образца песчаника, которые для линии нагрева при обратном движении находятся уже в ином диапазоне - 1,8…2,5 Вт/(м·К), что позволяет сделать вывод о неоднородности образца песчаника не только вдоль линии нагрева при прямом движении, но и в других направлениях по образцу песчаника.
2
2
Расстояние X между датчиком 4 и пятном нагрева перед движением пятна нагрева и датчиков в прямом направлении относительно образца и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью может быть установлено равным 30 мм, а равным 5 мм это расстояние X устанавливают после прекращения движения в прямом направлении для того, чтобы обеспечить новые толщину и ширину изучаемого слоя образца неоднородного материала и максимально достижимую пространственную разрешающую способность при регистрации неоднородности образца при сканировании в обратном направлении. После этого начинают движение пятна нагрева и датчиков температуры в обратном направлении относительно образца неоднородного материала и образцов с известной теплопроводностью и температуропроводностью.