Микроволновый способ определения теплофизических характеристик многослойных конструкций и изделий
MICROWAVE METHOD FOR DETERMINING THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF MULTILAYER STRUCTURES AND PRODUCTS

Предлагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик (ТФХ) материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение точности определения искомых ТФХ многослойных конструкций и изделий.
и
1
2
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 τ, 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 x и x 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.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
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 нагрева
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 формуле
где
0
Зная информацию о частоте электромагнитного излучения абсолютной магнитной проницаемости μ, 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 глубину
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.
1
2
1
2
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  Нагрев исследуемых наружных слоев осуществляют по плоскости, перпендикулярной внешней поверхности пластины верхнего слоя и уходящей внутрь на не более двух третьих ее толщины (см. фиг. 3). Затем при помощи бесконтактных датчиков инфракрасного диапазона («ТЕМП 3.3») измеряют значение избыточной температуры в точках контроля x и x. Ширина линии микроволнового воздействия задается в диапазоне 1,5-2 мм, а значение длины задается на порядок больше расстояния от этой линии до точек контроля x и x, для исключения влияния концевых эффектов, обусловленных ограниченностью длины линии теплового воздействия на температурное поле, и составляет не менее 0,08-0,1 м. Имея информацию о значениях избыточных температур в контролируемых точках в заданный момент времени, искомые ТФХ определяют на основе следующих рассуждений.
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.]
ρ
ρ
где b=Q/c - тепловая активность исследуемого тела, Q - удельная мощность, выделяемая на единицу площади плоскости теплового воздействия, c - теплоемкость исследуемого тела, a - температуропроводность, τ - время, х - координата.
1
2
*
Температурное поле в контролируемых точках x и x в заданный момент времени τ после теплового воздействия описывают системой уравнений:
После несложных математических преобразований получают формулу для определения коэффициента температуропроводности в виде
ρ
На основании формулы (5), используя известное соотношение λ=а⋅c, получают формулу для определения теплопроводности:
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.
0
Имея информацию об абсолютной магнитной проницаемости μ, 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.
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.
Например, для прогрева на 0,003 м красного кирпича необходимая частота излучения составляет 456 ГГц.
x
Нагрев осуществляют до тех пор, пока пока на противоположной поверхности конструкции появится тепловой поток q, при этом измеряют величину теплового потока.
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 как
Отсюда температура в плоскости 2 (см. фиг. 5) определяется из соотношения
По аналогии, температура в плоскости 3 (см. фиг. 5) определяется из соотношения
т.е.
Используя эти выражения, перепад температуры на внутреннем слое конструкции определяется выражением
Из выражения (12) искомый коэффициент теплопроводности внутреннего слоя конструкции определяется соотношением
2
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 R слоя материала и во времени τ при использовании модели полупространства и имеющей вид:
x
2
Имея информацию о λ и q и используя известные подробные таблицы для определения функции кратного интеграла вероятности erfc z, численным методом из представленного выше выражения легко определить искомый коэффициент температуропроводности a.
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.
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.
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.