СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR NONDESTRUCTIVE INSPECTION OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL MATERIALS AND ARTICLES

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано при определении таких теплофизических характеристик строительных материалов и изделий, как коэффициенты тепло- и температуропроводности.
Известен способ [3] для определения теплофизических характеристик твердых материалов (авт. св. СССР N 1770871, кл. G01N 25/18, 1992 г., бюл. N 39), заключающийся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, в которой действует локальный источник тепла постоянной мощности, подводят тепло, измеряют температуру нагревателя, а искомые теплофизические характеристики вычисляют по формулам, приведенным в описании. Этот способ обеспечивает возможность неразрушающего определения теплофизических свойств - теплопроводности и температуропроводности. Однако точность определения теплофизических свойств недостаточна вследствие субъективности графической обработки экспериментальных данных, применения для определения теплофизических свойств закономерности развития температурного поля системы эталон - исследуемый материал, которое основано только на действии сферического источника тепла постоянной мощности, неучета конечности размеров образца и эталонного тела, недостаточности контроля за ходом термостатирования при подготовке к испытаниям.
За прототип взят способ комплексного определения теплофизических свойств материалов [пат. 2167412 РФ, МПК G01N 25/18]. Исследуемое тело приводят в тепловой контакт с эталонным телом по плоскости, в которой находится локальный нагреватель, измеряют разность температур между нагревателем и точкой плоскости контакта исследуемого и эталонного тел, расположенной на определенном расстоянии, до тех пор, когда эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины. Через равные промежутки времени измеряют разность температур, на каждом шаге измерения контролируют величину динамического параметра, испытания заканчивают при превышении контролируемым динамическим параметром заданного значения и определяют теплофизические свойства. Основным недостатком способа-прототипа является зависимость точности получаемых результатов от шероховатости поверхности исследуемого тела и теплоемкости нагревателя. Также недостатком следует считать сложные математические вычисления.
Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение точности и оперативности определения искомых ТФХ строительных материалов и изделий.
Поставленная техническая задача достигается тем, что на поверхность исследуемого твердого строительного материала воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона с частотой не менее 10 ГГц, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела, измеряют тепловой поток с поверхности круговой области, имея информацию о мощности генератора СВЧ-излучения, воздействующего на исследуемый объект, искомые теплофизические характеристики (ТФХ) определяют по математическим соотношениям, полученным на основании модельных представлений физических процессов, происходящих в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность высокочастотным электромагнитным полем.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Электромагнитная волна, попадающая в диэлектрик с потерями, которыми являются традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и т.д.), ослабляется в направлении распространения. Поэтому для определения мощности теплового воздействия, участвующего в формировании контролируемого температурного поля, рассчитывают глубину проникновения поля плоской волны в материал с потерями, используя выражение для удельной мощности рассеивания в диэлектрике, приведенное в работе [Пюшнер. Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. - М.: Энергия, 1968. - 312 с.]:
где E - напряженность переменного электрического поля; f - частота излучения; ε - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала.
Из теории распространения электромагнитных волн микроволнового диапазона известно, что электромагнитная волна в диэлектрике ослабляется в направлении распространения в соответствии с зависимостью:
где α - коэффициент затухания, определяемый по формуле:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>ε</mi><mo>"</mo></msup></mrow><mrow><mi>λ</mi><msqrt><mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow><mo>"</mo></msubsup></mrow>
где λ - длина волны,
- действительная и мнимая составляющие диэлектрической проницаемости смеси (вода + исследуемый материал).
Анализ соотношений (1) и (2) показал, что глубина проникновения электромагнитного поля СВЧ-диапазона, а следовательно, и скорость рассеяния (потерь) по глубине диэлектрика в наибольшей степени зависит от частоты СВЧ-излучения. На Фиг. 1 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 традиционные строительные материалы, например пенобетон, известной влажности. На основании проведенных расчетов и полученных результатов (графиков) можно сделать вывод, что при воздействии на исследуемые строительные материалы электромагнитным излучением СВЧ-диапазона в виде круга с частотой не менее 10 ГГц практически вся тепловая мощность выделяется в поверхностном слое глубиной около 2 мм, т.е в объеме исследуемого материала в виде диска толщиной 2…3 мм.
Поскольку для достоверного определения ТФХ исследуемых строительных материалов необходимо их прогревать на глубину не менее чем на 5-10 см., то для определения температурного поля в исследуемых объектах при воздействии на их поверхность СВЧ-излучения через круг заданного радиуса можно перейти к теплофизической модели (см. Фиг. 2), состоящей из полуограниченного в тепловом отношении тела, нагреваемого диском через круглую область на поверхности удельным тепловым потоком мощностью q(τ). При этом поверхность вне круга теплоизолирована.
Для определения распределения температуры в любой точке полуограниченного тела в любой момент времени τ необходимо решить следующую систему дифференциальных уравнений:
для области 0≤х≤Rн, z≥0; τ>0;
для области ∝>х>Rн; z>0, τ>0.
Начальные и граничные условия для системы (4) и (5) имеют следующий вид:
0
а
где Т- начальная температура исследуемого объекта, λ,  - тепло- и температуропроводность.
Применяя методы интегральных преобразований Фурье и Лапласа в системе (4) и (5) и используя начальные и граничные условия (6-12), получим решение для температурного поля на поверхности исследуемого тела (х=0) для полуограниченного тела z≥0 в следующем виде:
<mrow><mi>b</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><msqrt><mi>a</mi></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow>
где
- коэффициент тепловой активности тела, ierfc(z) - интеграл вероятности (функция ошибок Гаусса),
- удельный тепловой поток через круг радиуса Rн, S - площадь крута. Pн=P-Pnom, где Pnom - тепловой поток с поверхности круга в окружающую среду (тепловые потери), измеряется ваттметром марки РСЕ IR-10, P - мощность СВЧ-генератора.
Из уравнения (13) при z=0 можно получить выражение для определения температурного поля в следующем виде:
<mrow><mi>i</mi><mi>e</mi><mi>r</mi><mi>f</mi><mi>c</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msqrt><mi>π</mi></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
так как
.
После несложных математических преобразований зависимости (14) и при условии малых значений времени τ, получим формулу для определения тепловой активности исследуемого объекта:
Для определения коэффициента температуропроводности из соотношения (14) выведем функцию вероятности:
Преобразуем функцию вероятности следующим образом:
где
Для функции ierfc(x) существуют подробные таблицы, согласно которым по вычисленному значению правой части выражения (17) легко можно найти значение числа Fo. Тогда из выражения (18) искомый коэффициент температуропроводности определяем по соотношению:
Искомая теплопроводность определяется из известного в работе [5] соотношения:
Устройство, реализующее предлагаемый способ, представлено на Фиг. 3.
На поверхность исследуемого строительного материала или изделия воздействуют электромагнитным полем СВЧ-диапазона, подаваемого через рупорную антенну 1, соединенную с СВЧ-генератором 2 волноводом 3, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела 4 через круговую область 5. При этом расстояние от рупорной антенны 1 СВЧ-генератора 2 подобрано так, чтобы минимизировать рассеивание электромагнитных волн в окружающую среду. Остальную поверхность исследуемого объекта 4 теплоизолируют от окружающей среды. После начала воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона измеряют избыточную температуру в центре круга бесконтактным датчиком инфракрасного диапазона 6. Тепловой поток с поверхности круга замеряют с помощью ваттметра 7. Полученные данные с бесконтактного датчика 6, ваттметра 7 и СВЧ-генератора 2 поступают на коммутатор 8, затем на нормирующий прецизионный усилитель 9 и через аналого-цифровой преобразователь 10 поступают на микропроцессор 11. Микропроцессор 11 соединен с СВЧ-генератором 1 через порт ввода-вывода 12 и цифро-аналоговый преобразователь 13. Используя полученную измерительную информацию, в микропроцессоре 11 определяются искомые ТФХ по алгоритмам, построенным на основе аналитических соотношений, описывающих тепловые процессы в исследуемых объектах. Данные эксперимента могут быть вызваны оператором на индикатор 14.
Для подтверждения работоспособности вышеизложенного метода были произведены эксперименты на строительных материалах - красный кирпич, керамзитный бетон. Нагрев образцов осуществлялся при температуре окружающей среды 21°C.
В таблицах 1 и 2 приведены данные экспериментов соответственно для красного кирпича и керамзитного бетона.
Основным преимуществом разработанного метода является неразрушающий бесконтактный контроль теплофизических характеристик материалов, что позволяет получать данные о исследуемых объектах с большой оперативностью и точностью.
Кроме того, использование бесконтактного СВЧ-нагрева исследуемого объекта позволяет получить результаты, независимые от коэффициента степени черноты, шероховатости исследуемых объектов, что исключает дополнительную погрешность в полученных результатах.
Нагрев происходит на поверхности материала без применения каких-либо нагревательных элементов (в роли нагревателя выступает часть исследуемого материала), что исключает зависимость от собственной теплоемкости нагревателя, искажающей температурное поле в исследуемых материалах, и повышает точность полученных результатов.
Следует также считать достоинством достаточно простые математические вычисления и возможность доступной реализации данного метода в строительной отрасли.
Таким образом, разработанный способ определения теплофизических характеристик строительных материалов имеет существенное преимущество в точности определения теплофизических характеристик перед известными способами указанного назначения, что, несомненно, позволит использовать его в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности.