СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА АКТИВНЫМ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
METHOD OF DETERMINING THERMAL CONDUCTIVITY OF SOLID BODY BY ACTIVE METHOD OF HEAT NON-DESTRUCTIVE TESTING

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности плоских однослойных конструкций. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике при проведении тепловых испытаний однородных и неоднородных строительных объектов, теплопроводных и теплоизоляционных материалов.
Способ включает бесконтактное одностороннее неразрушающее тепловое воздействие на исследуемое твердое тело с помощью источника инфракрасного излучения, аналитическое установление момента наступления стационарного теплового режима твердого тела, регистрацию температурных полей лицевой и задней поверхностей твердого тела с помощью бесконтактного измерителя температуры, нахождение тепломером плотности теплового потока, идущего в направлении к лицевой поверхности твердого тела от источника инфракрасного излучения, экспериментально-расчетное определение коэффициента теплопроводности твердого тела по уравнению теплопроводности для плоской пластины при стационарном тепловом режиме.
Известен способ определения теплопроводности строительных материалов и изделий, заключающийся в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца. По данным измерений плотности теплового потока и разности температур противоположных лицевых граней находят термическое сопротивление образца. Коэффициент теплопроводности рассчитывают как отношение толщины образца к разности термических сопротивлений образца и пространств между лицевыми гранями образца и рабочими поверхностями плит прибора [ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. - Взамен ГОСТ 7076-87; Введ. 01.04.2000. - М., 2000 - 12 с.].
К недостаткам рассмотренного способа следует отнести трудности, связанные с учетом термических сопротивлений, возникающих в местах контакта образца с поверхностями нагревателя и холодильника. Требуемое число образцов составляет не менее пяти, их форма и размеры должны соответствовать геометрическим параметрам поверхностей плит измерительного устройства. Кроме того, датчики температур, расположенные на рабочих поверхностях плит нагревателя и холодильника, измеряют температуру образца локально, частично описывая тепловое состояние поверхностей исследуемого тела, что является недопустимым при изучении теплопроводности неоднородных конструкций.
Известен способ теплового неразрушающего контроля теплофизических характеристик твердых материалов, включающий в себя многократное импульсное тепловое воздействие на теплоизолированную поверхность исследуемого материала и регистрацию частоты следования тепловых импульсов, подаваемых в моменты наступления заданных соотношений температур в двух контрольных точках поверхности тела. Для реализации рассматриваемого способа твердый материал выполнен в форме круга, где в центре и на окружности закреплены термодатчики, регистрирующие температуру тела при его импульсном нагревании. По одной из заявленных формул рассчитывают коэффициент теплопроводности твердого материала [Патент РФ 2184954, кл. G01N 25/18, 2002].
Недостатком данного способа является сложность исполнения теплофизического эксперимента в виду его нестационарности. Основная трудность возникает в регистрации моментов наступления заданных соотношений температур в двух контрольных точках материала по причине непрерывного изменения температурного поля. Дополнительно усложняет способ этап обработки полученных результатов, включающий расчет числа подаваемых импульсов, частоты их следования и т.п., а также само уравнение, которое является нетривиальным по своей форме.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, который включает измерение температуры и плотности теплового потока на исследуемой поверхности ограждающей конструкции здания посредством установки датчиков измерения температуры на внутреннюю и наружную поверхности ограждающей конструкции здания и датчика измерения теплового потока - на ее наружную поверхность. Данные измерений заносятся в электронный блок памяти, затем по известным математическим зависимостям определяют комплекс теплофизических характеристик ограждающей конструкции здания, к которым также относится коэффициент теплопроводности [Патент РФ 2421711, кл. G01N 25/00, 2011].
Недостатком данного способа является локальное нахождение температур поверхностей строительного материала, которое ограничивает область применения способа только для изучения однородных строительных конструкций. Процесс определения теплопроводности ограждающей конструкции здания происходит в реальных условиях, которые по своей сути являются неуправляемыми и непостоянными. Это может привести к грубым погрешностям в исследовании теплопроводных свойств материала. Кроме того, реальная конструкция имеет соответствующие габариты, которые технически усложняют организацию и проведение наблюдений, а также могут нарушить синхронность самих измерений. Недостаточно проработаны условия и время выхода твердого строительного материала на стационарный тепловой режим с максимальной плотностью теплового потока и постоянными температурами поверхностей.
Целью изобретения является повышение точности и упрощение измерений коэффициента теплопроводности твердого тела активным методом теплового неразрушающего контроля при стационарном тепловом режиме, расширение границ его применения на исследование теплопроводных свойств неоднородных однослойных конструкций.
Поставленная цель достигается тем, что формирование требуемого теплового режима твердого тела осуществляют бесконтактным односторонним неразрушающим тепловым воздействием на поверхность последнего с помощью источника инфракрасного излучения в лабораторно-экспериментальных условиях. Момент наступления стационарного теплового режима твердого тела устанавливают аналитическим методом. При достижении стационарного теплового режима температурные поля поверхностей твердого тела одновременно регистрируют с помощью бесконтактного измерителя температуры и зеркального отражателя, в поле зрения которого попадает задняя поверхность твердого тела. Плотность теплового потока, идущего в направлении к лицевой поверхности твердого тела от источника инфракрасного излучения, фиксируют тепломером, установленным на лицевой поверхности исследуемого твердого тела. Экспериментально-расчетное определение коэффициента теплопроводности твердого тела производят в зоне стационарного теплового режима по уравнению теплопроводности для плоской пластины.
На фиг.1 показана принципиальная схема реализации способа.
На фиг.2 показана реализация заявленного способа определения теплопроводности твердого тела на примере силикатного кирпича.
На фиг.3 показаны некоторые результаты бесконтактного одностороннего неразрушающего теплового контроля температурных полей лицевой и задней поверхностей силикатного кирпича.
Источник инфракрасного излучения 1 зафиксирован на вращающемся механизме с углом поворота 90° (фиг.1). Исследуемое твердое тело 2 в форме параллелепипеда толщиной δ расположено на расстоянии h от источника инфракрасного излучения 1 при условии h≤5δ. Центральная ось излучателя 1 и твердого тела 2 совпадают. На лицевой поверхности твердого тела 2 при x=0 закреплен преобразователь плотности теплового потока 3, подключенный к измерителю плотности теплового потока (далее ИПТП) тепломера (условно не показан). Последний регистрирует плотность теплового потока q, идущего от источника инфракрасного излучения 1. Зеркальный отражатель 4 с углом вращения 180° установлен в таком положении, при котором задняя поверхность твердого тела 2 с координатой x=δ полностью попадает в его поле зрения. Для локализации лучистого теплообмена между объектами окружающей среды и задней поверхностью твердого тела 2 на расстоянии s от последнего размещен светопоглощающий экран 5 при условии s≤10δ. По центру на расстоянии от источника инфракрасного излучения 1 на штативе (условно не показан) закреплен бесконтактный измеритель температуры 6, в обзор которого попадает как лицевая сторона, так и отражение задней поверхности твердого тела 2 от зеркального отражателя 4.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом.
Источник инфракрасного излучения 1 проецирует на лицевую поверхность твердого тела 2 при x=0 поток электромагнитного излучения, где он преобразуется во внутреннюю энергию. Последнее приводит к бесконтактному нагреву лицевой поверхности твердого тела 2 во времени. Градиент температур, возникший по направлению вдоль оси 0Х вследствие неравномерного распределения температур в твердом теле 2, формирует достаточное условие для движения потока теплоты теплопроводностью сквозь твердое тело 2 к его задней поверхности при x=δ. Величину плотности теплового потока q регистрирует преобразователь плотности теплового потока 3, который передает сигнал на компьютер через ИПТП тепломера (условно не показаны). Зеркальный отражатель 4 с помощью отраженного теплового излучения отображает температурное поле задней поверхности твердого тела 2. Часть инфракрасного излучения от нагретого твердого тела 2 поступает на поверхность светопоглощающего экрана 5 без последующих отражений. При установлении стационарного теплового режима в твердом теле 2 благодаря вращательному механизму источник инфракрасного излучения 1 поворачивают на 90° в горизонтальное положение. С помощью бесконтактного измерителя температуры 6, установленного на штативе (условно не показан), производят одновременную съемку температурного поля лицевой и задней поверхностей твердого тела 2.
Если начальный момент времени принять равным нулю, то время, за которое твердое тело 2 выйдет на стационарный режим, вычисляют по формуле:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>δ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mi>a</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а
где δ - толщина твердого тела 2;  - температуропроводность твердого тела 2.
0
δ
Пусть t и t - средние значения температур поверхностей или отдельных участков твердого тела 2 соответственно в координатах x=0 и x=δ при установившемся тепловом режиме с момента времени τ. Тогда для определения коэффициента теплопроводности твердого тела 2 может быть использовано уравнение теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме:
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><mi>δ</mi></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mi>δ</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где q - плотность теплового потока на лицевой поверхности твердого тела 2 при x=0 по данным ИПТП; δ - толщина твердого тела 2.
Достоинством предложенного способа является бесконтактное нахождение температурных полей поверхностей твердого тела, при помощи которых возможно определение теплопроводности, как отдельных элементов, так и всей конструкции в целом, независимо от величины теплотехнической однородности последней. Условия эксперимента не зависят от внешних факторов окружающей среды и полностью определяются режимом теплообмена между источником инфракрасного излучения и твердым телом. Бесконтактный измеритель температуры и зеркальный отражатель, в поле зрения которого попадает задняя поверхность твердого тела, позволяют одновременно оценивать температурное состояние обеих поверхностей твердого тела, что повышает точность проводимых измерений. Аналитическое выражение для установления начального момента стационарного теплового режима твердого тела (1) имеет простой математический вид, что позволяет сэкономить до минимума время проведения замеров и обеспечить высокую надежность полученных экспериментальных результатов.
Пример конкретной реализации способа.
a
-7
2
Определим коэффициент теплопроводности твердого тела 2 на примере 3-пустотного силикатного кирпича марки M150 (ГОСТ 379-95) толщиной δ=0,120 м (фиг.2). Температуропроводность силикатного кирпича 2 равна =5,3·10 м/с. В качестве источника инфракрасного излучения 1 использован электрический инфракрасный излучатель марки Эколайн 10R суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии h=0,6 м от лицевой поверхности исследуемого объекта 2. На лицевой поверхности кирпича 2 закреплен преобразователь плотности теплового потока 3 ПТП-0,25, подключенный к измерителю плотности теплового потока ИПП-2. Зеркальный отражатель 4 из обычного стекла закреплен на деревянном кронштейне. На расстоянии s=1,2 м от задней поверхности силикатного кирпича 2 расположен черный экран 5.
По формуле (1) начало стационарного теплового режима для силикатного кирпича 2 τ=27170 с (по результатам эксперимента τ'=30000 с; среднее изменение температур лицевой и задней поверхностей силикатного кирпича 2 на интервале времени [τ; τ'] с в соответствии с показаниями термопар ТХА при погрешности измерений ±2,5°C составило 0,3°C, что можно считать стационарным режимом).
После наступления стационарного теплового режима с помощью тепловизора SDS HotFind-D получены термограммы поверхностей силикатного кирпича 2, которые впоследствии обработаны в прикладном программном обеспечении SATReport2009 при следующих параметрах: температура и относительная влажность воздуха соответственно 25,9°C и 15%; среднее расстояние от фокусирующего кольца тепловизора до поверхности исследуемого объекта 2 2,3 м; излучательная способность поверхности силикатного кирпича 2 0,91, зеркального отражателя 4 (стекла) 0,91. Некоторые результаты тепловизионной съемки представлены на фиг.3.
В таблице приведены результаты определения коэффициента теплопроводности силикатного кирпича 2, согласно выражению (2).
Таблица
Коэффициент теплопроводности силикатного кирпича
№ п/п
q, Вт/м<sup>2</sup>
δ, м
t<sub>0</sub>, °C
t<sub>δ</sub>, °C
λ, Вт/(м·°C)
1
387
0,120
98,8
39,9
0,788
2
97,5
40,2
0,810
3
94,1
41,1
0,876
Среднее значение, Вт/(м·°C)
0,825
Результаты измерений (таблица) показали, что относительное отклонение коэффициента теплопроводности силикатного кирпича марки М150 (ГОСТ 379-95) от нормативного значения (СП 23-101-2004) равно 5,2%. По способу, предложенному в патенте РФ 2421711, кл. G01N 25/00, 2011, полученный результат расходится с нормативной величиной на 31%.