СПОСОБ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОДНОРОДНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DESCRIPTION OF NON-HOMOGENEITY AND DETERMINATION OF HEAT CONDUCTIVITY OF MATERIALS (VERSIONS)  AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области изучения теплофизических свойств материалов, а именно - характеристике неоднородности и определению теплопроводности материалов. Характеристика неоднородности заключается в получении информации о степени и характере неоднородности твердых, слабоконсолидированных или рыхлых материалов, теплофизические свойства которых изменяются в пределах объема изучаемого образца, в определении границ и выделении участков, отличающихся один от другого по своим теплофизическим свойствам.
К исследуемым материалам могут, например, относиться промышленные материалы, рыхлые, слабоконсолидированные и твердые образцы горных пород, минералы, буровой шлам. Данные, полученные в результате применения этого изобретения, могут быть использованы, например, в нефтедобывающей и горнодобывающей отраслях промышленности для анализа неоднородности горных пород в резервуарах и пластах, прогноза неоднородности горных пород по другим физическим свойствам, моделирования тепло- и массопереноса, интерпретации данных термометрии, определения плотности теплового потока, изучения корреляционных связей теплопроводности с другими физическими свойствами, разработки и оптимизации технологий и методов повышения нефтеотдачи пластов, определения насыщенности горных пород, оценки содержания керогена и органического вещества в горных породах, прогноза пористости, трещиноватости и геометрии порового пространства, оценки анизотропии теплопроводности, температуропроводности и других физических свойств.
Из уровня техники известен способ бесконтактного определения теплопроводности материалов (патент РФ №2211446, кл. G01N 25/18, 2003 г.), включающий перемещение двух термоприемников и источника энергии над исследуемым образцом без воздействия на него источника энергии, измерения первым термоприемником температуры на поверхности исследуемого образца и синхронные измерения температуры окружающей среды. После этого по полученным результатам определяют коэффициент, равный произведению коэффициентов степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку. Далее исследуемый образец подвергают воздействию тепловыми импульсами от точечного подвижного источника энергии, при этом в ходе нагрева регистрируют температуру образца. При помощи известного соотношения по результатам измерений температуры определяют теплопроводность образца.
Данный способ не позволяет получать информацию о степени и характере неоднородности исследуемого образца, и, кроме того, способ обладает недостаточно высокой точностью определения теплопроводности исследуемых материалов из-за чрезмерно приближенного определения площади участка теплоотвода с поверхности исследуемых материалов.
Известен также способ бесконтактного определения теплопроводности материалов (патент РФ №2153664, кл. G01N 25/18, 1999 г.), заключающийся в нагреве поверхностей образцов исследуемых материалов при движении друг относительно друга платформы с образцами и блока нагрева, регистрации начальной температуры и температуры нагрева образцов исследуемых материалов, определения предельных избыточных температур образцов исследуемых материалов, после чего по результатам регистрации предельных избыточных температур рассчитывают искомую величину теплопроводности.
Указанному способу присуще отсутствие возможности обеспечить высокую пространственную разрешающую способность при оценке степени и характера неоднородности исследуемых материалов при одновременном обеспечении достаточно высокой точности определения теплопроводности исследуемого материала. Это связано с тем, что, во-первых, в известном способе не определены условия реализации способа, при которых одновременно достигаются наилучшая пространственная разрешающая способность характеристики неоднородности материалов и возможность определения теплопроводности с задаваемой допустимой погрешностью измерений, так как отсутствует алгоритм выбора параметров режима измерений для оптимального сочетания регистрации неоднородности и определения теплопроводности. Во-вторых, в процессе измерений необходимо регистрировать предельную температуру нагрева, которая не может быть достигнута на участках материалов, характеризующихся высокой степенью неоднородности. В-третьих, случайные колебания мощности нагрева могут не позволить обеспечивать требуемую точность определения теплопроводности и достоверную характеристику неоднородности исследуемых материалов. В-четвертых, колебания положения нагреваемой поверхности образцов материалов относительно источника нагрева и узла регистрации начальной и избыточной температуры при непараллельности оптических осей оптического нагревателя и оптического регистратора температуры могут вносить неконтролируемую погрешность в результаты измерений избыточной температуры, что приводит к недопустимым погрешностям в результатах характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов. Данный недостаток проявляется в случаях, когда нагрев исследуемых материалов и регистрация избыточной температуры нагреваемой поверхности исследуемых материалов осуществляются оптическим путем, что в настоящее время является практически единственным условием реализации способа. В таком случае при небольших расстояниях (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) между пятном нагрева и участком регистрации температуры нагретой поверхности позади пятна нагрева отсутствует возможность обеспечения параллельности оптических осей источника нагрева (лазера или электрической лампы) и оптического регистратора температуры нагрева образца исследуемого материала. Это приводит к тому, что колебания положения нагреваемой поверхности образцов материалов относительно источника нагрева и узла регистрации начальной и избыточной температуры приводят к изменениям расстояния между пятном нагрева и участком регистрации температуры нагретой поверхности позади пятна нагрева, что вызывает существенные колебания избыточной температуры нагрева поверхности образцов исследуемых материалов, приводящие к недопустимому искажению результатов характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов.
Для реализации способа, описанного в патенте РФ №2153664, используется устройство, содержащее платформу для размещения исследуемых образцов и эталонов с известной теплопроводностью и блок нагрева-регистрации, включающий датчик температуры и источник нагрева образцов в виде лампы, лазера или конвективного источника нагрева. Данному устройству также присущи недостатки, отмеченные выше для соответствующего способа характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов.
Предлагаемый способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов обеспечивает возможность характеристики неоднородности материалов с высокой пространственной разрешающей способностью, а также обеспечивает детальную регистрацию распределения избыточной температуры и теплопроводности в каждом образце материала одновременно с обеспечением заданной точности определения теплопроводности.
Предлагаемый способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов включает в себя следующие этапы.
В процессе предварительной подготовки к измерениям, предусматривающим определение начальной температуры образцов, нагрев поверхностей образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся вдоль поверхности образцов по прямой линии с постоянной скоростью, и определение избыточной температуры нагрева образцов материалов на участке регистрации избыточной температуры на поверхности образцов при помощи блока регистрации избыточной температуры, включающего по меньшей мере один датчик температуры, и движущегося по линии движения пятна нагрева со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева, задают случайную и систематическую погрешности определения теплопроводности материалов и устанавливают минимально возможную величину постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, при которой температурная разрешающая способность блока регистрации избыточной температуры по своей величине не превышает значения, соответствующего заданной случайной погрешности определения теплопроводности материалов. Далее устанавливают минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, максимально возможную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а также размеры пятна нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры и мощность источника нагрева таким образом, чтобы одновременно обеспечивались высокая пространственная разрешающая способность характеристики неоднородности материалов, заданные случайная и систематическая погрешности определения теплопроводности материалов и нагрев поверхности образцов материалов до уровня, не превышающего максимально допустимую температуру нагрева материалов.
Далее подбирают по меньшей мере один эталонный образец с известной теплопроводностью, исходя из предполагаемой величины теплопроводности исследуемых образцов. Размещают по меньшей мере один эталонный образец вдоль линии перемещения источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры и определяют распределение начальной температуры на поверхности каждого эталонного образца с известной теплопроводностью. Затем осуществляют нагрев поверхности каждого эталонного образца пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности эталонного образца вдоль прямой линии с постоянной скоростью. После нагрева определяют распределение температуры поверхности каждого эталонного образца на участке регистрации избыточной температуры, расположенном на поверхности каждого эталонного образца по линии перемещения пятна нагрева позади него.
Затем определяют распределение начальной температуры на поверхности каждого исследуемого образца.
Осуществляют нагрев поверхностей исследуемых образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности исследуемых образцов вдоль прямой линии с постоянной скоростью, и после нагрева определяют распределение температуры нагретой поверхности каждого исследуемого образца путем регистрации температуры нагретой поверхности на участке регистрации избыточной температуры.
Вычисляют избыточные температуры нагрева исследуемых образцов по разности измеренных значений температуры поверхности образцов после нагрева и начальной температуры.
По изменениям избыточной температуры исследуемых образцов вдоль всей линии движения пятна нагрева и перемещения блока регистрации избыточной температуры с учетом распределения начальной температуры исследуемых образцов вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры осуществляют характеристику вида и степени неоднородности и границ неоднородных участков исследуемых образцов.
Теплопроводность однородных участков исследуемых образцов определяют расчетным путем, используя при этом зарегистрированные значения избыточных температур, соответствующих данным однородным участкам исследуемых образцов.
Теплопроводность однородных участков исследуемых образцов может быть определена по формуле:
где K - постоянная величина, установленная по результатам определения распределения начальной температуры и температуры после нагрева на поверхности по меньшей мере одного эталонного образца,
0i
T - начальная температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева,
i
T - температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
i
0i
T-T - избыточная температура нагрева исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
N - общее число участков поверхности исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева, на которых определяется начальная температура поверхности и избыточная температура нагрева исследуемого образца.
Согласно второму варианту реализации изобретения в процессе предварительной подготовки к измерения, задают случайную и систематическую погрешности определения теплопроводности материалов и устанавливают минимально возможную величину постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, при которой температурная разрешающая способность блока регистрации избыточной температуры по своей величине не превышает значения, соответствующего заданной случайной погрешности определения теплопроводности материалов. Устанавливают также минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, максимально возможную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а также размеры пятна нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры и мощность источника нагрева таким образом, чтобы одновременно обеспечивались высокая пространственная разрешающая способность характеристики неоднородности материалов, заданные случайная и систематическая погрешности определения теплопроводности материалов и нагрев поверхности образцов материалов до уровня, не превышающего максимально допустимую температуру нагрева материалов.
Подбирают по меньшей мере один эталонный образец с известной теплопроводностью исходя из предполагаемой величины теплопроводности исследуемого образца и размещают по меньшей мере один эталонный образец последовательно с по меньшей мере одним исследуемым образцом вдоль линии перемещения источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры. Определяют распределение начальной температуры на поверхности каждого эталонного образца и на поверхности каждого исследуемого образца и осуществляют нагрев поверхностей эталонных образцов и исследуемых образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности эталонных образцов и исследуемых образцов вдоль прямой линии с постоянной скоростью.
После нагрева определяют распределение температуры нагретой поверхности эталонного образца и каждого исследуемого образца путем регистрации температуры нагретой поверхности на участке регистрации избыточной температуры, расположенном на поверхности каждого эталонного образца и исследуемого образца по линии перемещения пятна нагрева позади него и движущемся вдоль нагреваемой поверхности каждого эталонного образца и исследуемого образца со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева.
Вычисляют избыточные температуры нагрева эталонных и исследуемых образцов по разности измеренных значений температуры поверхности образцов после нагрева и начальной температуры.
По изменениям избыточной температуры исследуемых образцов вдоль всей линии движения пятна нагрева и перемещения блока регистрации избыточной температуры с учетом распределения начальной температуры эталонных образцов и исследуемых образцов вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры осуществляют характеристику вида и степени неоднородности и границ неоднородных участков исследуемых образцов.
Теплопроводность однородных участков исследуемых образцов определяют расчетным путем, используя при этом зарегистрированные значения избыточных температур, соответствующих данным однородным участкам исследуемых образцов.
Теплопроводность однородных участков исследуемых образцов может быть определена по формуле:
эт0k
где T - начальная температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
этk
Т - температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталона вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры после нагрева,
этk
эт0k
Т-Т - избыточная температура нагрева поверхности эталонного образца,
1
N - общее число участков поверхности эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры, на которых регистрируется начальная и избыточная температура эталонного образца,
0i
Т - начальная температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
i
T - температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры после нагрева,
i
0i
T-T - избыточная температура нагрева однородного участка исследуемого образца материала,
N - общее число участков поверхности исследуемого образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры, на которых регистрируется начальная и избыточная температура исследуемого образца материала.
Характеристика уровней начальной температуры поверхности образцов и температуры поверхности образцов после нагрева, уровня избыточной температуры нагрева и оценка отношения избыточных температур нагрева эталонных образцов и исследуемых образцов материалов могут быть осуществлены посредством регистрации электрических сигналов, соответствующих начальной температуре поверхности и температуре эталонных образцов и исследуемых образцов материалов после нагрева, и оценке отношения электрических сигналов, соответствующих избыточным температурам поверхности и температуре эталонных образцов и исследуемых образцов материалов после нагрева.
Для варианта, предусматривающего поочередное размещение эталонных и исследуемых образцов вдоль линии перемещения источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, возможно установление мощности источника нагрева для нагрева исследуемых образцов, отличной от мощности источника нагрева для нагрева эталонных образцов.
В другом варианте реализации способа возможно использование по меньшей мере двух эталонных образцов с известными значениями теплопроводности, при этом эталонные образцы выбирают так, чтобы теплопроводность одного эталонного образца была выше, а теплопроводность другого эталонного образца ниже, чем теплопроводность исследуемого образца материала.
В другом варианте реализации способа перед началом измерений эталонные и исследуемые образцы могут быть установлены таким образом, чтобы колебания положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и узла регистрации избыточной температуры в процессе измерений не превышали установленной допустимой величины.
В другом варианте реализации способа перед проведением измерений определяют зависимости погрешности определения избыточной температуры эталонных и исследуемых образцов и погрешности определения теплопроводности исследуемых образцов материалов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и узла регистрации избыточной температуры. Затем в процессе измерений регистрируют величину колебаний положения нагреваемой поверхности эталонных и исследуемых образцов и отдельных участков нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и узла регистрации избыточной температуры. После завершения определения избыточной температуры нагрева вносят в результаты определения избыточной температуры эталонных и исследуемых образцов поправку в соответствии с установленными зависимостями погрешности определения избыточной температуры, и погрешности определения теплопроводности исследуемых образцов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и узла регистрации избыточной температуры.
Еще в одном варианте реализации предлагаемого способа перед началом измерений устанавливают источник нагрева и узел регистрации избыточной температуры относительно поверхностей эталонных и исследуемых образцов таким образом, чтобы в процессе измерений изменение избыточной температуры, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и узла регистрации избыточной температуры, не превышало заранее заданной величины.
Еще в одном варианте предлагаемого способа в процессе нагрева эталонных и исследуемых образцов регистрируют колебания мощности источника нагрева относительно заранее установленного ее значения и фиксируют места положения пятна нагрева на поверхности образцов, которым эти колебания мощности источника нагрева соответствуют. После завершения нагрева вносят поправки в зарегистрированные значения температуры нагрева вдоль образцов, соответствующие зарегистрированным колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
Для реализации вышеописанного способа предлагается устройство, содержащее платформу для размещения эталонных образцов с известной теплопроводностью и/или исследуемых образцов материалов, источник нагрева, формирующий пятно нагрева на поверхности эталонных и исследуемых образцов, и блок регистрации избыточной температуры, содержащий по меньшей мере один датчик температуры. Платформа для размещения образцов, источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры установлены с возможностью перемещения друг относительно друга, причем источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры расположены друг относительно друга с возможностью движения один за другим вдоль линии перемещения пятна нагрева по поверхности образцов.
Устройство содержит также блок регулировки постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, блок регулировки температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры, блок регулировки расстояния между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, блок регулировки скорости движения друг относительно друга платформы для размещения образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, блок регулировки размеров пятна нагрева, блок регулировки размеров участка регистрации избыточной температуры, блок регулировки мощности источника нагрева и блок регистрации уровня мощности источника нагрева.
Блок регистрации избыточной температуры может содержать два отдельных датчика температуры - датчик для измерения начальной температуры поверхности образцов и датчик для измерения температуры поверхности образцов после нагрева, при этом источник нагрева расположен между датчиком для измерения начальной температуры поверхности образцов и датчиком для измерения температуры поверхности образцов после нагрева.
Устройство может дополнительно содержать узел регулировки положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры.
В другом варианте реализации предлагаемого способа в состав устройства может быть дополнительно включен узел регистрации величины колебания положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений. Узел регулировки положения нагреваемой поверхности образцов и узел регистрации величины колебания положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков могут быть совмещены в одном узле.
В другом варианте реализации предлагаемого способа устройство может дополнительно содержать узел коррекции результатов регистрации избыточной температуры нагреваемой поверхности образцов.
Еще в одном варианте реализации предлагаемого способа в состав устройства могут дополнительно входить узел регистрации колебаний мощности источника нагрева, узел регистрации мест положения пятна нагрева в процессе нагрева образцов, которым эти колебания мощности соответствуют, и узел коррекции зарегистрированных значений температуры нагрева после завершения нагрева образцов в соответствии с зарегистрированными колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым соответствуют зарегистрированные колебания мощности нагрева.
Существо предлагаемого способа иллюстрируется на фиг. 1, где показано схематическое расположение нагреваемой поверхности образцов материалов и/или эталонных образцов с известными значениями теплопроводности относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры при характеристике неоднородности и определении теплопроводности материалов, на фиг. 2, где показана функциональная схема устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, и на фиг. 3, где приведены результаты определения избыточной температуры и теплопроводности вдоль линии движения пятна нагрева на одном и том же образце, полученные при помощи предлагаемого способа и способа, известного из уровня техники.
В соответствии с фиг. 2 устройство для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов содержит платформу 1 для размещения эталонных и/или исследуемых образцов с известными значениями теплопроводности 2, источник нагрева 3, блок 4 регистрации избыточной температуры, содержащий два датчика. Платформа 1, источник 3 нагрева и блок 4 регистрации избыточной температуры установлены с возможностью перемещения друг относительно друга. Источник 3 нагрева и блок 4 регистрации избыточной температуры расположены друг относительно друга с возможностью движения один за другим вдоль линии перемещения участка регистрации избыточной температуры по поверхности образцов.
В состав устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов входит также блок 5 регулировки постоянной времени блока 4 регистрации избыточной температуры, блок 6 регулировки температурной разрешающей способности блока 4 регистрации избыточной температуры, блок 7 регулировки расстояния между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, блок 8 регулировки скорости движения друг относительно друга платформы 1 с образцами 2, источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры. В состав устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов включают также блок 9 регулировки размеров пятна нагрева, блок 10 регулировки размеров участков регистрации избыточной температуры, блок 11 регулировки мощности источника нагрева и блок 12 регистрации уровня мощности источника нагрева.
В другом варианте реализации предлагаемого способа устройство для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов может дополнительно содержать узел 13 регулировки положения нагреваемой поверхности образцов 2, обеспечивающий выравнивание положения поверхностей образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры с ограничением величин колебаний положения поверхностей образцов в пределах допустимой величины. Данный узел выполняется так, что он обеспечивает такое выравнивание положения поверхностей образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры, что колебания положения нагреваемой поверхности образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры в процессе измерений не превышают заранее заданной величины.
В состав устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов также может дополнительно входить узел 14 регистрации величины колебания положения нагреваемой поверхности образцов 2 и отдельных ее участков относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры в процессе измерений. Узел 13 регулировки положения нагреваемой поверхности образцов 2 и узел 14 регистрации величины колебания положения нагреваемой поверхности образцов 2 и отдельных ее участков могут быть совмещены в одном узле.
Еще один вариант предлагаемого устройства отличается тем, что в состав устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов включают узел 15 коррекции результатов регистрации избыточной температуры нагреваемой поверхности образцов 2, который используют для учета поправки, определенной в соответствии с установленными зависимостями погрешности регистрации температуры нагрева образцов 2 и погрешности определения теплопроводности образцов 2 от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры.
Предлагается также вариант устройства для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, при котором в состав устройства включают узел 16 регистрации колебаний мощности источника 3 нагрева. Узел 16 регистрации колебаний мощности регистрирует колебания мощности источника 3 нагрева в процессе нагрева поверхности образцов 2 относительно заранее установленного ее значения. Устройство также содержит узел 17 регистрации мест положения пятна нагрева в процессе нагрева образцов 2, которым эти колебания мощности соответствуют. Кроме того, в состав устройства включают также узел 18 коррекции зарегистрированных значений температуры поверхности образцов 2 после завершения нагрева в соответствии с зарегистрированными колебаниями мощности источника 3 нагрева для тех участков поверхности образцов 2, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
Предлагаемый способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов обеспечивает существенно более детальную регистрацию распределения избыточной температуры для каждого образца одновременно с обеспечением заданной точности измерений теплопроводности. Это достигается за счет того, что в процессе подготовки к измерениям устанавливают необходимую совокупность параметров режима измерений, которая должна обеспечить одновременное выполнение следующих требований: во-первых, измерения теплопроводности с задаваемыми допустимыми случайной и систематической погрешностями, и, во-вторых, обеспечение максимально высокой пространственной разрешающей способности в условиях задаваемых случайной и систематической погрешностей определения теплопроводности. В соответствии с предлагаемым способом задают случайную и систематическую погрешности теплопроводности материалов. Далее, устанавливают минимально возможную величину постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, при которой температурная разрешающая способность блока регистрации избыточной температуры по своей величине не превышала бы значения, соответствующего задаваемой требуемой случайной и систематической погрешностей определения теплопроводности материалов. Постоянная времени, характеризующая инерционность блока регистрации избыточной температуры, и температурная разрешающая способность блока регистрации избыточной температуры являются взаимосвязанными величинами. Они связаны таким образом, что уменьшение постоянной времени приводит к возрастанию по величине (ухудшению) температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры и, наоборот, увеличение постоянной времени приводит к уменьшению по величине (улучшению) температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры. Уменьшение постоянной времени улучшает пространственную разрешающую способность характеристики неоднородности материалов, так как позволяет более четко выделять границы зон неоднородности и делает возможным выделять участки неоднородности материалов с малой протяженностью вдоль поверхности материалов, а уменьшение по величине (улучшение) температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры уменьшает случайную погрешность определения теплопроводности материалов. В связи с этим с целью обеспечения максимально высокого пространственного разрешения для характеристики неоднородности материалов максимально уменьшают постоянную времени блока регистрации избыточной температуры, но лишь до того минимально возможного ее значения, которое обеспечивает величину температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры на уровне, соответствующем заданному допустимому уровню случайной погрешности определения теплопроводности материалов. Задание минимально допустимой постоянной времени и максимально допустимой по своей величине температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры является одним из ключевых этапов для обеспечения одновременно высокой пространственной разрешающей способности характеристики неоднородности материалов одновременно вместе с обеспечением необходимого качества определения теплопроводности.
Далее устанавливают минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, максимально возможную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а также размеры пятна нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры и мощность источника нагрева таким образом, чтобы одновременно обеспечивались высокая пространственная разрешающая способность характеристики неоднородности материалов, заданные случайная и систематическая погрешности определения теплопроводности материалов и нагрев поверхности образцов материалов до уровня, не превышающего максимально допустимую температуру нагрева материалов. При выборе этих параметров режима измерений учитывают, что уменьшение расстояния между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры и увеличение скорости движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры приводят к улучшению пространственной разрешающей способности характеристики неоднородности материалов, но при чрезмерном уменьшении расстояния между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры и чрезмерном увеличении скорости движения друг относительно друга с одной стороны исследуемых образцов, а с другой стороны источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры систематическая погрешность определения теплопроводности материалов может стать выше требуемого допустимого ее уровня (патент РФ №2153664, кл. G01N 25/18, 1999 г.). Уменьшение размеров пятна нагрева приводит к улучшению пространственной разрешающей способности характеристики неоднородности материалов и понижению систематической погрешности определения теплопроводности материалов, но приводит также к повышению концентрации энергии нагрева, что может вызвать перегрев материала до температуры выше ее максимально допустимого уровня, а необходимое в таком случае уменьшение мощности источника нагрева может привести к повышению случайной погрешности определения теплопроводности материалов выше ее заданного допустимого уровня (патент РФ №2153664, кл. G01N 25/18, 1999 г.). Уменьшение размеров участка регистрации избыточной температуры приводит к понижению систематической погрешности определения теплопроводности, но одновременно понижает температурную разрешающую способность блока регистрации избыточной температуры, что вызывает повышение случайной погрешности определения теплопроводности материалов и может привести к повышению случайной погрешности определения теплопроводности материалов до уровня выше ее заданного допустимого значения (патент РФ №2153664, кл. G01N 25/18, 1999 г.). Повышение мощности источника нагрева способствует уменьшению случайной погрешности определения теплопроводности материалов, но чрезмерное увеличение мощности источника нагрева приведет к перегреву поверхности материала выше максимально допустимой температуры.
Подбирают по меньшей мере один эталонный образец с известной теплопроводностью, исходя из предполагаемой величины теплопроводности исследуемых образцов и размещают его вдоль линии перемещения источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
Определяют распределение начальной температуры на поверхности по меньшей мере одного эталонного образца с известной теплопроводностью и осуществляют нагрев поверхности эталонного образца пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности эталонного образца вдоль прямой линии с постоянной скоростью. После нагрева определяют распределение температуры нагретой поверхности каждого исследуемого образца путем регистрации температуры нагретой поверхности на участке регистрации избыточной температуры, расположенном на поверхности каждого исследуемого образца по линии перемещения пятна нагрева позади него и движущемся вдоль нагреваемой поверхности исследуемого образца со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева.
эт
эт
эт
Далее проводят измерения в отношении исследуемых образцов материалов, сохраняя такие параметры режима измерений, как расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, размеры пятна нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры и мощность источника нагрева, такими же, какими они были выбраны для измерений на эталонном образце с известной теплопроводностью. Возможен вариант измерений на исследуемых образцах материалов, когда устанавливают мощность нагрева поверхности исследуемых образцов материалов q другой, чем мощность нагрева q эталонного образца. В таком случае определяют соотношение мощностей нагрева q/q и все значения избыточной температуры нагрева образца материала, зарегистрированные при измерениях на образце материала, умножают на коэффициент q/q.
При необходимости повышения точности определения теплопроводности материалов можно уменьшить систематическую ошибку определения теплопроводности материалов, подобрав и включив в предварительные измерения не один эталон с известной теплопроводностью, а серию - два и более - эталонов с известной теплопроводностью, выбрав их так, чтобы их теплопроводность была максимально близка к теплопроводности образца материала, но при этом теплопроводность одного эталона была несколько выше, а теплопроводность другого эталона была несколько ниже, чем теплопроводность образца материала.
Далее, в процессе измерений определяют распределение начальной температуры на поверхности исследуемых образцов, в пределах каждого образца вдоль линии движения узла регистрации избыточной температуры. После нагрева также определяют распределение температуры поверхности исследуемых образцов позади пятна нагрева в пределах каждого образца вдоль линии движения пятна нагрева. Определение распределения начальной температуры поверхности образцов и распределения температуры поверхности образцов после нагрева осуществляют при помощи блока регистрации избыточной температуры. Участок регистрации температуры на нагреваемой поверхности исследуемых образцов движется позади пятна нагрева вдоль поверхности образцов по линии движения пятна нагрева со скоростью, равной скорости движения пятна нагрева. Определение распределения начальной температуры поверхности исследуемых образцов в пределах каждого образца позволяет учесть колебания начальной температуры вдоль исследуемого образца при определении избыточной температуры нагрева образцов, что повышает точность характеристики неоднородности и точность определения теплопроводности материалов.
Избыточные температуры нагрева исследуемых образцов определяют по разности измеренных значений температуры поверхности образцов после нагрева и начальной температуры поверхности.
Для определения теплопроводности образцов материалов могут быть использованы как результаты регистрации уровней начальной температуры поверхности образцов и температуры поверхности образцов после нагрева, уровня избыточной температуры нагрева и оценка отношения избыточных температур нагрева эталонных образцов и исследуемых образцов материалов, так и результаты регистрации электрических сигналов, соответствующих начальной температуре поверхности и температуре эталонных образцов и исследуемых образцов материалов после нагрева, и оценки отношения электрических сигналов, соответствующих избыточным температурам поверхности эталонных образцов и исследуемых образцов материалов после нагрева.
Характеристику вида и степени неоднородности и границ неоднородных участков исследуемых образцов осуществляют по виду и степени изменений избыточной температуры по всей линии движения пятна нагрева с учетом распределения начальной температуры поверхности исследуемых образцов материалов вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры.
Теплопроводность однородных участков исследуемых образцов материалов определяют по избыточным температурам на однородных участках исследуемых образцов с учетом распределения начальной температуры в пределах всего образца материала по формуле (I):
,
где K - постоянная величина, установленная по результатам определения распределения начальной температуры и температуры после нагрева на поверхности по меньшей мере одного эталонного образца,
0i
T - начальная температура поверхности исследуемого образца на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева,
i
T - температура поверхности исследуемого образца на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
i
0i
T-T - избыточная температура нагрева исследуемого образца на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
N - общее число участков поверхности исследуемого образца вдоль линии движения пятна нагрева, на которых определяется начальная температура и избыточная температура нагрева исследуемого образца
Величину K определяют при подготовительных операциях следующим образом.
i
0i
эт
Согласно работе Попов Ю.А, Семенов В.Г., Коростелев В.М. и Березин В.В «Бесконтактное определение теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла». Изв. Ак. Наук СССР, Физика Земли, 1983, вып. 7, стр. 86-93, предельная избыточная температура T-T нагрева эталонного образца с известной теплопроводностью λ при постоянной начальной температуре поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью определяется соотношением
эт
где Т - предельная температура поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью после нагрева,
0эт
Т - начальная температура поверхности эталонного образца,
q - мощность источника нагрева в пятне нагрева, передаваемая нагреваемому эталонному образцу,
x - расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры нагрева поверхности эталонного образца.
Если начальная температура поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью вдоль линии движения пятна нагрева непостоянна, то предельную избыточную температуру эталонного образца согласно предлагаемому способу определяют в процессе измерений на эталоне с известной теплопроводностью как
, где
0этk
N - начальная температура поверхности на k-м участке эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева,
этk
T - температура поверхности на k-м участке эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
эт
N - общее число участков поверхности эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева, на которых регистрируется начальная температура и температура нагрева эталонного образца.
эт
Тогда, согласно (3), предельная избыточная температура нагрева эталонного образца с известной теплопроводностью λ при непостоянной начальной температуре поверхности эталонного образца определяется соотношением
0
Согласно работе Попов Ю.А, Семенов В.Г., Коростелева В.М. и Березин В.В, «Бесконтактное определение теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла». Изв. Ак. Наук СССР, Физика Земли, 1983, вып. 7, стр. 86-93, предельная избыточная температура Т-Т нагрева однородного участка исследуемого образца материала с теплопроводностью λ при постоянной начальной температуре поверхности образца материала определяется соотношением
0
где Т - начальная температура поверхности исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева,
i
T - температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке образца вдоль линии движения пятна нагрева после нагрева,
q - мощность источника нагрева в пятне нагрева, передаваемая нагреваемому исследуемому образцу материала.
Если начальная температура поверхности исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева непостоянна, то предельную избыточную температуру однородного участка исследуемого образца материала определяют в процессе измерений, согласно предлагаемому способу, как . Тогда, согласно (5), предельная избыточная температура нагрева однородного участка исследуемого образца материала с теплопроводностью λ при непостоянной начальной температуре поверхности образца материала определяется соотношением
При постоянной мощности источника нагрева в пятне нагрева и постоянном расстоянии между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры нагрева поверхности образца материала теплопроводность однородного участка образца материала при постоянной начальной температуре поверхности однородного участка образца материала можно определить при помощи формулы, вытекающей из соотношения (5):
При постоянной мощности источника нагрева в пятне нагрева и постоянном расстоянии между пятном нагрева и участком регистрации температуры нагрева поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью и образца материала теплопроводность однородного участка образца материала при непостоянной начальной температуре поверхности однородного участка образца материала можно определить при помощи формулы, вытекающей из соотношения (6):
Комбинацию q/2πx=K определяют по результатам предварительных измерений не менее чем на одном эталонном образце с известной теплопроводностью из соотношений (3) или (4) и используют далее в обоих случаях определения теплопроводности однородных участков образцов материалов - как при постоянной начальной температуре поверхности однородных участков образцов материалов по формуле (7), так и при непостоянной температуре поверхности однородных участков образцов материалов по формуле (8).
При постоянной начальной температуре поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью определяют величину К по формуле, следующей из соотношения (3):
При непостоянной начальной температуре поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью определяют величину K по формуле, следующей из соотношения (4):
Из соотношений (7) и (9) следует формула, при помощи которой определяют теплопроводность однородного участка образца материала в случае постоянной начальной температуры поверхности однородного участка образца материала:
Из соотношений (8) и (10) следует формула (1), при помощи которой определяют теплопроводность однородного участка образца материала в случае непостоянной начальной температуры поверхности однородного участка исследуемого образца материала:
.
эт
Если при измерениях на образцах материалов устанавливают мощность нагрева исследуемых образцов материалов q другой, чем была установлена мощность нагрева q при измерениях на эталонных образцах с известной теплопроводностью, то в случае постоянной начальной температуры поверхности однородного участка образца материала теплопроводность материала определяют по формуле
а в случае непостоянной начальной температуры поверхности однородного участка образца материала теплопроводность материала определяют по формуле
Возможен вариант характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, когда лишь однажды проводят предварительные измерения с использованием одного или более эталонного образца с известной теплопроводностью, а затем осуществляют характеристику неоднородности и определения теплопроводности материалов без предварительных измерений на эталонных образцах. В таком случае фиксируют величину мощности нагрева, применяемую для измерений на каждом эталонном образце. При характеристике неоднородности и определении теплопроводности материала устанавливают мощность нагрева, использовавшуюся при предварительных измерениях для одного из эталонных образцов, например, которая наиболее близка к теплопроводности образца материала. В таком случае при определении теплопроводности образца материала по расчетной формуле (1) при постоянной начальной температуре однородного участка образца материала или при определении теплопроводности образца материала по расчетной формуле (11) при непостоянной начальной температуре однородного участка образца материала используют величину параметра К, которая была определена при измерениях именно на этом эталоне с известной теплопроводностью.
эт
эт
Если при измерениях на образцах материалов устанавливают мощность нагрева образцов материалов q другой, чем была установлена мощность нагрева q при измерениях на эталоне с известной теплопроводностью, то как в случае измерений с постоянной начальной температурой образца материала, так и в случае измерений с непостоянной начальной температурой образца материала все результаты регистрации избыточной температуры нагреваемой поверхности образца материала или электрического сигнала, соответствующего избыточной температуре нагреваемой поверхности образца материала, умножают на коэффициент q/q.
Возможен вариант реализации изобретения, когда один или более эталонных образцов и исследуемые образцы размещают на платформе одновременно. В этом случае точно так же в процессе предварительной подготовки к измерениям задают случайную и систематическую погрешности определения теплопроводности материалов и устанавливают минимально возможную величину постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, при которой температурная разрешающая способность блока регистрации избыточной температуры по своей величине не превышает значения, соответствующего заданной случайной погрешности определения теплопроводности материалов. Устанавливают минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, максимально возможную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а также размеры пятна нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры и мощность источника нагрева таким образом, чтобы одновременно обеспечивались высокая пространственная разрешающая способность характеристики неоднородности материалов, заданные случайная и систематическая погрешности определения теплопроводности материалов и нагрев поверхности образцов материалов до уровня, не превышающего максимально допустимую температуру нагрева материалов.
Подбирают по меньшей мере один эталонный образец с известной теплопроводностью исходя из предполагаемой величины теплопроводности исследуемого образца и размещают по меньшей мере один эталонный образец последовательно с по меньшей мере одним исследуемым образцом вдоль линии перемещения источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры нагрева. Определяют распределение начальной температуры на поверхности по меньшей мере одного эталонного образца и на поверхности каждого исследуемого образца и осуществляют нагрев поверхности по меньшей мере одного эталонного образца и поверхностей исследуемых образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности по меньшей мере одного эталонного образца и каждого исследуемого образца вдоль прямой линии с постоянной скоростью. После нагрева определяют распределение температуры поверхности по меньшей мере одного эталонного образца и каждого исследуемого образца на участках регистрации избыточной температуры, расположенных на поверхности по меньшей мере одного эталонного образца и исследуемых образцов по линии перемещения пятна нагрева позади него. Вычисляют избыточные температуры нагрева исследуемых и эталонных образцов. По изменениям избыточной температуры исследуемых образцов вдоль всей линии движения пятна нагрева и перемещения блока регистрации избыточной температуры с учетом распределения начальной температуры исследуемых образцов вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры осуществляют характеристику вида и степени неоднородности неоднородных участков исследуемых образцов и определение границ неоднородных участков исследуемых образцов, а теплопроводность однородных участков исследуемых образцов определяют по формуле:
эт0k
где T - начальная температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
этk
T - температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталона вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры после нагрева,
этk
эт0k
T-T - избыточная температура нагрева поверхности эталонного образца,
1
N - общее число участков поверхности эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры, на которых регистрируется начальная и избыточная температура эталонного образца,
0i
T - начальная температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
i
T - температура поверхности исследуемого образца материала на i-м участке исследуемого образца материала вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры после нагрева,
i
0i
T-T - избыточная температура нагрева однородного участка исследуемого образца материала,
N - общее число участков поверхности исследуемого образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры, на которых регистрируется начальная и избыточная температура исследуемого образца материала.
Для обоих предлагаемых вариантов осуществления предлагаемого способа перед началом измерений эталонные и исследуемые образцы могут быть установлены исходя из задаваемой допустимой погрешности регистрации температуры нагрева образцов и задаваемой допустимой погрешности определения теплопроводности исследуемых образцов материалов. Для этого устанавливают допустимые колебания Δz положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных участков нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений. Связь параметра Δz с другими параметрами режима измерений может быть установлена, например, согласно следующей зависимости (Фиг. 1):
0
0
0
где x - расстояние между центром пятна нагрева и центром участка регистрации избыточной температуры,  - задаваемое допустимое относительное изменение избыточной температуры Т-Т образцов, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений, Δ(T-T) - абсолютное изменение избыточной температуры T-T образцов, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений, α - угол падения пучка энергии от источника нагрева на нагреваемую поверхность образцов, β - угол между осью потока излучения нагретой поверхности образцов, попадающего в блок регистрации температуры, и нормалью к нагретой поверхности образцов.
Предлагаемый способ может также предусматривать определение в процессе предварительной подготовки к измерениям зависимости погрешности регистрации температуры нагрева образцов и связанных с нею погрешности характеристики неоднородности и погрешности определения теплопроводности исследуемых образцов материалов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных участков нагреваемой поверхности относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры. Зависимость погрешности регистрации температуры нагрева образцов, определяющая и связанную с ней погрешность характеристики неоднородности, от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных участков нагреваемой поверхности относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры может быть определена, например, соотношением
следующим из формулы (15).
Как следует из формулы (16), случайные колебания положения нагреваемой поверхности эталонных образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений приводят к случайным изменениям избыточной температуры нагрева эталонных образцов. Согласно формулам (9) и (10), относительные колебания избыточной температуры эталонных образцов приводят к таким же по величине относительным погрешностям определения величины параметра K. Эти погрешности, согласно формулам (1) и (11)-(13), приведут к таким же по величине погрешностям определения теплопроводности образцов материалов. Поэтому контроль величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений позволяет корректировать результаты определения параметра K или результаты определения теплопроводности образцов материалов, исключая данную погрешность из результатов определения параметра K или из результатов определения теплопроводности образцов материалов.
Как следует из формулы (16), случайные колебания положения нагреваемой поверхности образцов материалов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений приводят к случайным изменениям избыточной температуры нагрева образцов материалов. Согласно формулам (1), (2), (7), (8), (11)-(14), относительные колебания избыточной температуры образцов материалов приводят к таким же по величине относительным погрешностям определения теплопроводности образцов материалов. Поэтому контроль величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений позволяет корректировать результаты определения теплопроводности образцов материалов, исключая данную погрешность из результатов определения теплопроводности образцов материалов.
Для того, чтобы исключить погрешность характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, возникающую при колебаниях положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных участков нагреваемой поверхности относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, в процессе измерений регистрируют величину колебаний положения нагреваемой поверхности и отдельных участков нагреваемой поверхности относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры. После завершения регистрации температуры нагрева поверхности образцов вносят в результаты регистрации температуры поправку в соответствии с зависимостями погрешности регистрации температуры нагрева, образцов и погрешности определения теплопроводности образцов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации начальной и избыточной температуры.
0
Предлагаемый способ может быть дополнен тем, что в процессе подготовки к измерениям устанавливают источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры относительно поверхности образцов таким образом, чтобы в процессе измерений относительное изменение δT избыточной температуры образцов, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений, не превышало, например, заранее заданной величины (δT). Для выполнения данного требования необходим выбор параметров Δz, x и углов α и β таким образом, чтобы выполнялось условие
Еще в одном варианте предлагаемого способа в процессе нагрева образцов регистрируют колебания мощности источника нагрева и места положения пятна нагрева на поверхности образцов, которым колебания мощности источника нагрева соответствуют. Из формулы (4) следует, что колебания мощности источника нагрева приводят к погрешностям определения избыточной температуры, которые приводят к погрешности характеристики неоднородности и определения теплопроводности образцов материалов. Для устранения или уменьшения этих погрешностей после завершения нагрева образцов в результаты регистрации распределения избыточной температуры вносят соответствующие поправки в зарегистрированные значения температуры и теплопроводности вдоль образцов, соответствующие зарегистрированным колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
Реализация одного из вариантов осуществления предлагаемого способа характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов посредством предлагаемого устройства может быть проиллюстрирована на следующем примере.
На платформе 1 размещают исследуемые образцы 2 материалов, например, два образца полноразмерного керна песчаника. Узел 13 предназначен для выравнивания положения поверхностей образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры с ограничениями колебаний положения поверхностей исследуемых образцов 2 в пределах допустимой величины, определенной, например, по формуле (14). Узел 13, например, может быть выполнен в виде однокоординатного стола. Однокоординатный стол оснащен автоматическим приводом с микрометром, что обеспечивает такое выравнивание положения поверхностей исследуемых образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры, что колебания Δz положения нагреваемой поверхности исследуемых образцов относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры в процессе измерений не превышают ±5 мкм.
Источник 3 нагрева представляет собой бесконтактный источник нагрева, например - диодный лазер, работающий на длине волны 970 нм. Блок 4 регистрации избыточной температуры нагрева исполнен в виде двух бесконтактных датчиков температуры - радиометров, работающих в инфра-красном спектральном диапазоне, один из которых является датчиком для измерения начальной температуры поверхности образцов, а другой - для измерения температуры поверхности образцов после нагрева, причем источник 3 нагрева расположен между датчиками.
Платформа 1 с образцами 2, источником 3 нагрева и блоком 4 регистрации избыточной температуры установлены с возможностью перемещения друг относительно друга. Источник 3 нагрева и блок 4 регистрации избыточной температуры нагрева расположены друг относительно друга с возможностью движения один за другим вдоль линии перемещения участка регистрации температуры по поверхности образцов.
В процессе подготовительной настройки устройства задаются случайной погрешностью определения теплопроводности материалов, например, в 1,5% и систематической погрешностью определения теплопроводности материалов, например, в 5% для обеспечения наилучшей пространственной разрешающей способности. Учитывают требование не допускать перегрева образцов материалов до избыточной температуры выше 30°C, что соответствует области в пятне нагрева. Оптимизацию параметров режима измерений проводят исходя из данных сформулированных требований. При оптимизации параметров учитывают, что улучшению пространственной разрешающей способности характеристики неоднородности материалов способствуют уменьшение постоянной времени блока регистрации избыточной температуры, улучшение (уменьшение по величине) температурной разрешающей способности блока регистрации избыточной температуры, увеличение скорости движения пятна нагрева и участка регистрации избыточной температуры нагрева, уменьшение размеров пятна нагрева и размеров участка регистрации избыточной температуры. При выборе мощности источника нагрева учитывают, что повышение мощности снижает случайную погрешность измерений теплопроводности материалов, улучшает возможности выделения малых по своим размерам и контрасту теплопроводности зон неоднородности материалов, но при выборе мощности источника нагрева учитывают также то, что избыточная температура нагрева материалов связана со скоростью движения пятна нагрева и участка регистрации избыточной температуры нагрева, расстоянием между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, размерами пятна нагрева, прогнозируемыми теплопроводностью и температуропроводностью изучаемых материалов. В результате в рассматриваемом примере путем теоретических оценок и их экспериментальной проверки были выбраны постоянная времени блока 4 регистрации избыточной температуры 0,2 с, температурная разрешающая способность блока 4 регистрации избыточной температуры 0,1°C, скорость движения пятна нагрева и участка регистрации избыточной температуры нагрева 3 мм/с, расстояние между центром пятна нагрева и центром участка регистрации избыточной температуры 2 мм, диаметр пятна нагрева 0,6 мм, размеры участка регистрации избыточной температуры 1×1 мм, мощность источника нагрева 0,2 Вт.
В процессе измерений определяют распределение начальной температуры в пределах эталонного образца с известной теплопроводностью и каждого исследуемого образца вдоль линии движения блока 4 регистрации избыточной температуры. Осуществляют нагрев поверхностей эталонного образца и исследуемых образцов материалов пятном нагрева, формируемым источником 3 нагрева, и после нагрева регистрируют распределение температуры поверхности образцов 2, в том числе и на тех участках, где температура нагрева не достигла своего предельного значения, при этом учитывают распределение начальной температуры поверхности образцов вдоль линии движения участка регистрации избыточной температуры. Одновременно, в процессе измерений узлом 14 осуществляется регистрация величины колебаний положения нагреваемой поверхности эталонного и исследуемых образцов 2 материалов и отдельных участков нагреваемой поверхности образцов 2 относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры. Кроме того, в процессе измерений узлом 16 осуществляется регистрация колебаний мощности источника 3 нагрева в процессе нагрева образцов 2. Узел 17 регистрирует места положения пятна нагрева в процессе нагрева образцов 2 материалов, которым эти колебания мощности соответствуют.
После завершения регистрации температуры нагрева поверхности эталонного и исследуемых образцов 2 при помощи узла 15 осуществляют коррекцию результатов регистрации температуры поверхности образцов 2 с учетом поправки, определенной в соответствии с установленными зависимостями погрешности регистрации температуры образцов 2 и погрешности определения теплопроводности образцов 2 от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника 3 нагрева и блока 4 регистрации избыточной температуры. Кроме того, при помощи узла 18 проводят коррекцию зарегистрированных значений температуры нагрева после завершения нагрева эталонного и исследуемых образцов 2 в соответствии с зарегистрированными колебаниями мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов 2, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
По результатам нагрева поверхности эталонного образца с известной теплопроводностью и регистрации уровня избыточной температуры нагреваемой поверхности эталонного образца устанавливают значение постоянной величины K. Далее, по разности измеренной температуры поверхности после нагрева и измеренной ранее начальной температуры определяют избыточные температуры нагрева исследуемых образцов, после чего определяют теплопроводность однородных участков исследуемых образцов 2 по предельным избыточным температурам на однородных участках образцов 2 с учетом результатов регистрации распределения начальной температуры и температуры нагрева в пределах каждого образца по формуле (1).
Результаты проверки работоспособности заявленного технического решения в сравнении с устройством, описанным в патенте РФ 2153664, приведены на Фиг. 3 для двух образцов неоднородных материалов - горных пород, в качестве которых были выбраны образцы песчаника.
На Фиг. 3 сплошной линией и точечной линией показаны два последовательных измерения избыточной температуры вдоль линии движения пятна нагрева на одном и том же образце, полученные при помощи известного способа и предлагаемого способа характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов и реализующего его устройства, при этом пунктирная кривая (с) относится к известному способу. Высокая воспроизводимость результатов измерений предлагаемого устройства подтверждается при помощи двух профилей (а) and (б) избыточной температуры вдоль линии движения пятна нагрева и перемещения участка регистрации температуры, полученных при двух последовательных независимых измерениях. Установленное при этом среднеквадратичное значение температурного шума не превышает 0.1 K. Из Фиг. 3 следует также то, что наблюдаются и устойчиво повторяются вариации избыточной температуры вдоль образца материала в областях длиной от 0,5 мм и более на образце материала, при этом эти вариации избыточной температуры выше установленного значения среднеквадратичного значения температурного шума регистрации температуры более, чем в 15 раз, что свидетельствует о том, что данные вариации избыточной температуры действительно характеризуют неоднородность образцов материалов. Пунктирной линией (с) на Фиг. 3 отражены результаты характеристики неоднородности того же образца песчаника, но при измерениях известным способом, т.е. при параметрах режима измерений, выбранных без учета требований, сформулированных при описании предлагаемого способа характеристики неоднородности образцов и определения теплопроводности. Сравнение распределений избыточной температуры, полученных известным и предлагаемым способами и приведенных на Фиг. 3, показывает, что предлагаемый способ обеспечивает намного более детальную и достоверную характеристику неоднородности образцов материалов. Пунктирной линией (д) на Фиг. 3 показано распределение значений теплопроводности вдоль образца, полученное предлагаемым способом. Пунктирной линией (е) на Фиг. 3 отражены результаты характеристики неоднородности того же образца песчаника, но при измерениях, выполненных при параметрах режима измерений, выбранных без учета требований, сформулированных при описании предлагаемого способа характеристики неоднородности образцов.
Вместе с тем следует также отметить то, что на однородных участках значения теплопроводности, посчитанные по результатам измерений предлагаемого устройства и устройства по патенту РФ 2153664, практически совпадают, что свидетельствует о том, что предлагаемый способ обеспечивает практически такое же качество определения теплопроводности, как и известный способ. Анализ погрешностей определения теплопроводности для выбранных параметров режима характеристики неоднородности образцов и определения теплопроводности материалов проводился на наборе из 5 эталонов с известной теплопроводностью в диапазоне теплопроводности, осадочных горных пород - 1…7 Вт/(м·K). Анализ погрешностей во всем диапазоне теплопроводности 1…7 Вт/(м·K), показал, что случайная погрешность определения теплопроводности не превышает 1,5%, а систематическая погрешность не превышает 5%, что соответствует ранее сформулированным требованиям. Таким образом, задавшись случайной погрешностью определения теплопроводности материалов в 1,5% и систематической погрешностью определения теплопроводности материалов в 5%, удалось обеспечить характеристику неоднородности для выбранных образцов с высокой пространственной разрешающей способностью - не хуже 0,5 мм. Это означает возможность выделения на уровне шумов областей образцов неоднородных материалов с линейным размером от 0,5 мм и более, отличающихся по своей теплопроводности от смежных областей образцов неоднородных материалов, чего не мог обеспечить известный способ.
Таким образом, данные на Фиг. 3 показывают, что предлагаемый способ обеспечивает решение поставленной технической задачи, а именно - расширение функциональных возможностей, повышение точности и расширение области применения способа характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов.