СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF COMPLEX OF THERMAL CHARACTERISTICS OF SOLID BUILDING MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к теплофизическим измерениям.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящий в измерении температуры и плотности теплового потока на исследуемой поверхности и определении теплофизических характеристик по соответствующим теоретическим зависимостям, при этом в качестве исследуемой поверхности используют ограждающую конструкцию здания, измерение температуры осуществляют посредством установки датчиков на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции здания и датчика измерения теплового потока на наружной ее поверхности с занесением данных измерений в электронный блок памяти (см. описание изобретения к патенту РФ №2421711, МПК G01N 25/00, публикация 20.06.2011).
Недостатком известного устройства является то, что применение данного способа возможно только на ограждающей конструкции здания за счет измерения температур и теплового потока в течение 24 часов по периоду колебания температур на наружной поверхности ограждения.
Кроме того, требуется экранировать датчики измерения температуры и теплового потока для увеличения точности измерений.
Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения подводом тепла к ее поверхности, измерении температуры и плотности теплового потока на этой же поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, при этом исследуемый образец помещают в цилиндрическую камеру экспериментальной установки, предварительно нагретой до температуры 80-100°C, измеряют изменение во времени температур ребра и середины грани исследуемой призмы соответственно в паре точек сечения призмы, определяют наступление упорядоченного теплового режима в исследуемой призме и определяют коэффициент температуропроводности и объемную теплоемкость исследуемого образца (см. описание изобретения к патенту РФ №2263901, МПК G01N 25/18, публикация 10.11.2005).
Недостатком этого известного способа, принятого за прототип, является то, что экспериментально определяются только две характеристики исследуемого материала, остальные характеристики нужно рассчитывать.
Определение теплофизических характеристик невозможно на образцах других форм и размеров.
Также требуется охлаждение исследуемого образца.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей.
Техническая задача достигается тем, что по 1 пункту в способе неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящем в нагреве исследуемого образца в виде призмы прямоугольного сечения подводом тепла к ее поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, измерении во времени температуры середины грани исследуемой призмы, исследуемый образец помещают между плоским нагревателем и охлаждают снизу холодильником, со всех сторон закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, выявляют температурную волну на поверхности исследуемого материала со стороны нагревателя, в электронном блоке управления таймером задают время наблюдения, с помощью пульта управления на кнопках устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца, заносят значения температуры нагревателя, холодильника и плотности стационарного теплового потока в блок памяти электронного блока управления, используя их для определения в вычислительном устройстве электронного блока управления значений коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления, причем значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на указанной поверхности образца, заносят в ЭВМ и используют совместно с полученными в вычислительном устройстве электронного блока управления данными для определения искомых теплофизических характеристик;
при этом по 2 пункту устройство для осуществления способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, состоящее из нагревателя, питающегося от сети переменного тока и обеспечивающего практически симметричный нагрев исследуемого образца в виде призмы квадратного сечения, термопары для измерения температуры середины грани образца, ЭВМ, включает холодильник для охлаждения исследуемого образца снизу с встроенным датчиком теплового потока для определения стационарного теплового потока, который, как и нагреватель, подключен к электрической сети и к электронному блоку управления, связанному также с термопарами для измерения и корректировки температуры нагревателя и холодильника, а также дополнительную термопару, установленную на середину грани исследуемого образца со стороны нагревателя для фиксации температурной волны на поверхности исследуемого материала со стороны нагревателя, связанную с ЭВМ, причем электронный блок управления состоит из пульта управления на кнопках, которые включают или выключают установку, задают нужную температуру нагревателя и холодильника, толщину исследуемого образца, таймера, отсчитывающего время наблюдения, дисплея для отображения информации, блока памяти для занесения показаний температур нагревателя и холодильника, толщины исследуемого образца, времени проведения эксперимента, значений стационарного теплового потока, значений коэффициента теплопроводности, термического сопротивления, вычислительного устройства, рассчитывающего по полученному экспериментальному значению стационарного теплового потока и заданным значениям температуры нагревателя и холодильника коэффициент теплопроводности и термического сопротивления, значения которых используются совместно с данными температуры, полученными дополнительной термопарой, установленной на середину грани исследуемого образца со стороны нагревателя, для определения искомых теплофизических характеристик в ЭВМ.
Это позволяет расширить функциональные возможности заявляемого изобретения.
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг.1 приведено устройство для осуществления способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов;
на фиг.2 приведен график температурной волны исследуемого материала.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - плоский нагреватель;
2 - холодильник;
3 - датчик теплового потока;
4 - электронный блок управления;
5 - электрическая сеть;
6 - пульт управления на кнопках;
7 - исследуемый образец;
8 - дисплей;
9 - блок памяти;
10 - вычислительное устройство;
11 - термопара нагревателя;
12 - термопара холодильника;
13 - дополнительная термопара;
14 - герметические крышки;
15 - таймер;
16 - ЭВМ.
Сущность способа заключается в следующем. Исследуемый образец в форме призмы квадратного сечения с размерами 250×250×(5…45) мм помещают в устройство, схема которого приведена на фиг.1. Конструкция устройства состоит из плоского нагревателя 1 и холодильника 2, с встроенным датчиком теплового потока 3, которые подключены к электронному блоку управления 4 и к электрической сети 5. В электронный блок 4 входят пульт управления на кнопках 6, которые включают или выключают устройство, задают нужную температуру нагревателя 1, холодильника 2, толщину исследуемого образца 7, дисплей 8 для отображения информации, блок памяти 9, вычислительное устройство 10, которое по полученному экспериментальному значению теплового потока, заданным значениям температур нагревателя 1 и холодильника 2 вычисляет коэффициент теплопроводности и коэффициент термического сопротивления по известным формулам.
Измерение температуры нагревателя 1 и холодильника 2 осуществляется термопарами 11 и 12 соответственно, которые подключены к электронному блоку управления 4.
Измерение температуры исследуемого образца осуществляется с помощью дополнительной термопары 13, установленной на середину поверхности образца 7 со стороны нагревателя 1, для выявления температурной волны, образовывающейся до наступления стационарного режима.
После помещения исследуемого образца 7 в устройство между нагревателем 1 и холодильником 2 торцы образца 7 со всех сторон закрываются герметическими крышками 14 для стабилизации температуры и теплового потока, с помощью пульта управлении на кнопках 6 устанавливают температуру нагревателя 1 в интервале 20…45°C, температуру холодильника 2 в интервале 5…15°C, толщину образца в интервале 5…45 мм и затем включают устройство. По истечении времени, отсчитанного таймером 15, вычислительное устройство рассчитывает коэффициент теплопроводности и коэффициент термического сопротивления.
Искомые теплофизические характеристики рассчитываются в ЭВМ 16 с помощью известных формул по данным, полученным в вычислительном устройстве 9 и дополнительной термопарой 13.
Способ осуществляется следующим образом.
Помещают исследуемый образец в устройство для осуществления способа, определяют в нем коэффициент теплопроводности, коэффициент термического сопротивления, плотность стационарного теплового потока, выявляют температурную волну на поверхности исследуемого материала со стороны нагревателя. Используя полученные экспериментальные данные, по известным формулам определяют искомые теплофизические характеристики строительных материалов.
Устройство работает следующим образом.
На середину грани исследуемого образца устанавливается дополнительная термопара со стороны нагревателя. Помещают образец в устройство для осуществления способа между нагревателем и холодильником, торцы закрываются герметическими крышками. В электронном блоке управления с помощью пульта управления на кнопках устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца и включают устройство. Температуры нагревателя, холодильника, стационарный тепловой поток заносят в блок памяти. Температуру на поверхности образца заносят в ЭВМ. По окончании времени, отсчитанного таймером, устройство выключается. Вычислительное устройство по известным формулам рассчитывает коэффициент теплопроводности и коэффициент термического сопротивления. На ЭВМ рассчитывают комплекс теплофизических характеристик.
Пример конкретного исполнения
На середину грани исследуемого образца - фторопласта - установили дополнительную термопару со стороны нагревателя. Поместили фторопласт в устройство для осуществления способа неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов между нагревателем и холодильником, торцы закрыли герметическими крышками. В электронном блоке управления с помощью пульта управления на кнопках установили температуру нагревателя 30°C, температуру холодильника 15°C, толщину образца 30 мм и включили устройство. Далее нагреватель начинает нагреваться до заданной температуры, холодильник охлаждаться до заданной температуры. Электронный блок управления контролирует заданные температуры нагревателя и холодильника и поддерживает их с точностью ±0,1°C до тех пор, пока тепловой поток, проходящий через испытываемый образец, не стабилизируется.
В дальнейшем наблюдение за тепловым потоком осуществляется автоматически, таймер в электронном блоке управления отсчитывает время наблюдения, по истечении которого производится запись показаний в блок памяти и автоматическое вычисление определяемых значений коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления.
Одновременно после включения устройства производили запись температуры на поверхности фторопласта со стороны нагревателя с интервалом 1…3 мин и заносили значения в ЭВМ. Запись показаний производили до наступления стационарного режима.
Значения коэффициента теплопроводности и коэффициента термического сопротивления рассчитывали вычислительным устройством по известным формулам. Коэффициент теплопроводности вычисляли по формуле:
2
н
х
где q - плотность стационарного теплового потока, проходящего через испытываемый образец, равна 100 Вт/м; δ - толщина образца, равна 30 мм; Т - температура нагревателя, равна 30°C; Т - температура холодильника, равна 15°C.
Коэффициент термического сопротивления вычисляли по формуле:
Для того чтобы определить объемную теплоемкость и температуропроводность исследуемого образца, выявили температурную волну на поверхности образца, которая образуется до наступления стационарного режима, когда температура поверхности перестает изменяться во времени и становится постоянной. До наступления стационарного режима температуры поверхности сопряжения образца и нагревателя будут разные. Поэтому для нахождения температуры поверхности образца со стороны нагревателя на его поверхность установили дополнительную термопару для измерения температуры от начала нагрева до наступления стационарного режима.
Далее по известным формулам автоматически вычислили объемную теплоемкость на ЭВМ:
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>q</mi><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mi>п</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>100</mn></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>25</mn></mrow>
п
max
min
п
max
min
где
- тепловая активность плоского образца,
; q - плотность стационарного теплового потока, равна 100; ϑ=0,5(T-T) - амплитуда колебаний температурной полуволны, ϑ=0,5(25-17)=4; z - время измерения температуры со стороны нагревателя до наступления стационарного режима, равно 2400 с; λ - коэффициент теплопроводности, равен 0,20; T - максимальная температура поверхности плоского образца со стороны нагревателя, равна 25°C; T - минимальная температура поверхности плоского образца со стороны нагревателя, равна 17°C; при этом коэффициент температуропроводности определили по формуле:
Результаты экспериментального исследования теплофизических свойств фторопласта приведены в таблице.
Время τ, мин
Температура плоского образца T, °C
Толщина плоского образца δ, м
Тепловой поток q, Вт/м<sup>2</sup>
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(мК)
Объемная теплоемкость сρ, кДж/(м<sup>3</sup>К)
Коэффициент температуропроводности <i>а</i>, м<sup>2</sup>/с
Плотность образца ρ, кг/м<sup>3</sup>
1
17
0,03
100
0,20
1194
0,17·10<sup>-6</sup>
2222,2
2
17,7
3
18,2
4
18,6
5
18,9
6
19,2
7
19,5
8
19,7
9
19,8
10
20
11
20,3
12
20,4
13
20,5
14
20,6
15
20,7
16
20,9
17
21,2
18
21,4
19
21,7
20
21,8
21
22
22
22,2
23
22,3
24
22,4
25
22,6
26
22,8
27
22,9
28
23
29
23,2
30
23,4
31
23,7
32
23,9
33
24,1
34
24,3
35
24,4
36
24,6
37
24,7
38
24,8
39
24,9
40
25,0
3
3
-6
2
Из таблицы видно, что минимальная температура поверхности фторопласта равна 17°C, а максимальная температура поверхности фторопласта равна 25°C. Плотность стационарного теплового потока составила 100 Вт/мК. Коэффициент теплопроводности равен 0,20 Вт/(мК), объемная теплоемкость - 1194·10, Дж/(мК), коэффициент температуропроводности - 0,17·10 м/с.
В соответствии с табличными данными температуры поверхности со стороны нагревателя исследуемого образца строили график температурной волны исследуемого материала до наступления стационарного режима.
На фиг.2 приведен график температурной волны исследуемого материала. Максимальное значение температуры достигается через 40 мин и равняется 25°C. Минимальное значение температуры равно 17°C. После 40 минут температура поверхности образца перестала изменяться и стала постоянной.
Заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности.