СПОСОБ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОДНОРОДНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1. Способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, в соответствии с которым:
- задают случайную и систематическую погрешности определения теплопроводности материалов,
- 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,
- устанавливают размеры пятна нагрева, производимого источником нагрева на поверхности образца, мощность источника нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры, расположенного на поверхности каждого исследуемого образца по линии перемещения пятна нагрева позади него, минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, при этом источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры неподвижны относительно друг друга, и максимально возможную постоянную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры 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,
- определяют распределение начальной температуры на поверхности каждого эталонного образца,
- осуществляют нагрев поверхностей эталонных образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности эталонных образцов вдоль прямой линии с постоянной скоростью,
- после нагрева определяют распределение температуры на поверхности каждого эталонного образца на участке регистрации избыточной температуры,
- 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,
- после нагрева определяют распределение температуры на поверхности каждого исследуемого образца на участке регистрации температуры, расположенном на поверхности каждого исследуемого образца по линии перемещения пятна нагрева позади него,
- вычисляют избыточные температуры нагрева исследуемых образцов по разности измеренных значений температуры поверхности образцов после нагрева и начальной температуры,
- по изменениям избыточной температуры нагрева исследуемых образцов вдоль всей линии движения пятна нагрева и перемещения блока регистрации избыточной температуры с учетом распределения начальной температуры вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры осуществляют характеристику 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.
2. Способ по п. 1, в соответствии с которым теплопроводность однородных участков исследуемых образцов определяют 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 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.
3. Способ по п. 1, в соответствии с которым мощность источника нагрева для нагрева поверхности исследуемых образцов устанавливают отличной от мощности источника нагрева для нагрева поверхности эталонных образцов,
4. Способ по п. 1, в соответствии с которым подбирают по меньшей мере два эталонных образца с известной теплопроводностью, при этом теплопроводность одного эталонного образца выше, а теплопроводность второго эталонного образца ниже, чем теплопроводность исследуемого образца материала.
5. Способ по п. 1, в соответствии с которым перед проведением измерений эталонные и исследуемые образцы размещают таким образом, чтобы колебания положения нагреваемой поверхности образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений не превышали заранее установленной допустимой величины.
6. Способ по п. 1, в соответствии с которым предварительно устанавливают зависимость погрешности определения избыточной температуры нагрева эталонных и исследуемых образцов и связанных с нею погрешности характеристики неоднородности и погрешности определения теплопроводности образцов материалов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, в процессе измерений осуществляют регистрацию величины колебаний положения нагреваемой поверхности эталонных и исследуемых образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а после завершения определения избыточной температуры нагрева образцов вносят в результаты определения избыточной температуры нагрева поправку в соответствии с установленными зависимостями погрешности регистрации температуры эталонных и исследуемых образцов и погрешности определения теплопроводности образцов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры.
7. Способ по п. 1, в соответствии с которым перед измерениями устанавливают источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры относительно поверхности эталонных и исследуемых образцов таким образом, чтобы в процессе измерений относительное изменение температуры нагрева образцов, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, не превышало заранее заданной величины.
8. Способ по п. 1, в соответствии с которым в процессе нагрева поверхности образцов регистрируют колебания мощности источника нагрева относительно заранее установленного ее значения и фиксируют места положения пятна нагрева на поверхности эталонных и исследуемых образцов, которым эти колебания мощности источника нагрева соответствуют, а после завершения нагрева вносят поправки в определенные значения избыточной температуры нагрева вдоль образцов, соответствующие зарегистрированным колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
9. Способ характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, в соответствии с которым:
- задают случайную и систематическую погрешности определения теплопроводности материалов,
- 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,
- устанавливают размеры пятна нагрева, производимого источником нагрева на поверхности образца, мощность источника нагрева, размеры участка регистрации избыточной температуры, расположенного на поверхности каждого исследуемого образца по линии перемещения пятна нагрева позади него, минимально возможное расстояние между пятном нагрева и участком регистрации избыточной температуры, при этом источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры неподвижны относительно друг друга, и максимально возможную постоянную скорость движения друг относительно друга образцов, источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры 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,
- определяют распределение начальной температуры на поверхности каждого эталонного образца,
- осуществляют нагрев поверхностей исследуемых и эталонных образцов пятном нагрева, формируемым источником нагрева и движущимся по поверхности исследуемых и эталонных образцов вдоль прямой линии с постоянной скоростью,
- после нагрева определяют распределение температуры на поверхности каждого образца на участке регистрации температуры,
- вычисляют избыточные температуры нагрева исследуемых образцов по разности измеренных значений температуры поверхности образцов после нагрева и начальной температуры,
- по изменениям избыточной температуры нагрева исследуемых образцов вдоль всей линии движения пятна нагрева и перемещения блока регистрации избыточной температуры с учетом распределения начальной температуры вдоль линии движения блока регистрации избыточной температуры осуществляют характеристику 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.
10. Способ по п. 9, в соответствии с которым теплопроводность однородных участков исследуемых образцов определяют по формуле:
эm0k
где Т - начальная температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталонного образца вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры,
эmk
Т - температура поверхности эталонного образца на k-м участке эталона вдоль линии движения пятна нагрева и блока регистрации избыточной температуры после нагрева,
эmk
эm0k
(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
Т - 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
(Т-Т) - 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.
11. Способ по п. 9, в соответствии с которым мощность источника нагрева для нагрева поверхности исследуемых образцов устанавливают отличной от мощности источника нагрева для нагрева поверхности эталонных образцов.
12. Способ по п. 9, в соответствии с которым перед проведением измерений эталонные и исследуемые образцы размещают таким образом, чтобы колебания положения нагреваемой поверхности образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений не превышали заранее установленной допустимой величины.
13. Способ по п. 9, в соответствии с которым предварительно устанавливают зависимость погрешности определения избыточной температуры нагрева эталонных и исследуемых образцов и связанных с нею погрешности характеристики неоднородности и погрешности определения теплопроводности образцов материалов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, в процессе измерений осуществляют регистрацию величины колебаний положения нагреваемой поверхности эталонных и исследуемых образцов и ее отдельных участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, а после завершения определения избыточной температуры нагрева образцов вносят в результаты определения избыточной температуры нагрева поправку в соответствии с установленными зависимостями погрешности регистрации температуры эталонных и исследуемых образцов и погрешности определения теплопроводности образцов от величины колебаний положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры.
14. Способ по п. 9, в соответствии с которым перед измерениями устанавливают источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры относительно поверхностей эталонных и исследуемых образцов таким образом, чтобы в процессе измерений относительное изменение температуры нагрева образцов, обусловленное колебаниями нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры, не превышало заранее заданной величины.
15. Способ по п. 9, в соответствии с которым 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 эталонных и исследуемых образцов, которым эти колебания мощности источника нагрева соответствуют, а после завершения нагрева вносят поправки в определенные значения избыточной температуры нагрева вдоль образцов, соответствующие зарегистрированным колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым зарегистрированные колебания мощности нагрева соответствуют.
16. Устройство для характеристики неоднородности и определения теплопроводности материалов, 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,
- блок регистрации избыточной температуры, содержащий по меньшей мере один датчик температуры, причем платформа для размещения образцов, источник нагрева и блок регистрации избыточной температуры установлены с возможностью перемещения друг относительно друга, а 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.
- 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.
17. Устройство по п. 16, в котором блок регистрации избыточной температуры содержит 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.
18. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее узел регулировки положения нагреваемой поверхности образцов относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры.
19. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее узел регистрации величины колебания положения нагреваемой поверхности образцов и отдельных ее участков относительно источника нагрева и блока регистрации избыточной температуры в процессе измерений и узел коррекции результатов регистрации температуры поверхности образцов после нагрева.
20. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее 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 поверхности образцов после завершения нагрева в соответствии с зарегистрированными колебаниям мощности источника нагрева для тех участков поверхности образцов, которым соответствуют зарегистрированные колебания мощности нагрева.