16.3. Методы экспериментального определения теплофизических характеристик объектов

Основными теплофизическими характеристиками (ТФХ) объектов являются теплоемкость с [Дж/(кг•К)], теплопроводность T (Вт/(м • К)) и температуропроводность  (/с). В общем случае ТФХ зависят от температуры, давления. Для твердых материалов ТФХ могут считаться однопараметрическими функциями температуры, а в узком диапазоне температур - постоянными. В настоящее время нет универсальных теоретических моделей, позволяющих рассчитывать ТФХ реальных материалов исходя из особенностей их строения, поэтому основным методом определения ТФХ является экспериментальный.

ТФХ функционально связаны между собой через объемную плотность  (кг/см3) соотношением  = с. Теоретической основой их определения является феноменологическая теория теплопроводности.

Методы измерения ТФХ основаны на анализе температурного отклика объекта Т (х, у, z, t) на тепловое воздействие в специально оговариваемых условиях. Теория теплопроводности позволяет аналитически определять эту функцию, по крайней мере для тел простой формы, если ТФХ остаются неизменными в условиях опыта. Здесь х, у, z, - декартовы координаты; t - время.

Однако для упрощения вычислений стремятся использовать внутренние обратные задачи теплопроводности, приводящие к явным аналитическим выражениям для , , с, независимо связывающими их с тепловым воздействием, температурным полем и геометрией образца. В частности, можно обеспечить условие одномерности температурного поля T(г, t), где г - радиус-вектор.

Таким образом, теоретическую основу реальных методов измерения ТФХ составляют аналитические закономерности одномерных плоских, цилиндрических и сферических тепловых и температурных полей в образцах типа пластины, цилиндра, шара.

Вид функции T(r, t) существенно зависит от вида теплового воздействия на объект. Обычно применяют такие воздействия, как импульсное, изотермическое, с помощью источников постоянной мощности или их комбинации. Для этих воздействий имеются строгие аналитические решения, они легко реализуются на практике.

Количественная оценка ТФХ и теплового состояния, в частности ограждающих строительных конструкции, является достаточно сложным решением обратной задачи, связанной главным образом с расчетным и экспериментальным определением основной количественной характеристики - сопротивления теплопередаче:

где RCT = d/т - термическое сопротивление; d - толщина ограждающей конструкции (стены); T - коэффициент теплопроводности изолирующего материала; в и н - коэффициенты теплообмена (теплоотдачи) внутренней и наружной поверхностей, с учетом конвективной и лучистой компонент, определяемые экспериментально с помощью датчиков теплового потока.

Термическое сопротивление реальных объектов (ограждающих конструкций) равно:

где Tпв и Тн в - температура воздуха внутри помещения и снаружи, Tн. ст - наружная температура стены.

Трудность в получении точных значений сопротивления теплопередаче RCJ обусловлена нестационарным характером реального теплообмена в зданиях (из-за сквозных и восходящих воздушных потоков) и другими источниками помех.

По приведенным выше формулам, с учетом качественно измеренных в и н, численное значение RCT можно определить с погрешностью не более ± 15 %, что вполне приемлемо для практических расчетов.

Приборы контроля ТФХ подразделяются в зависимости от методов измерения, а также от характерного размера образца (обычно он в 10 ... 100 раз должен превышать стандартный размер элементов структуры исследуемого вещества), его агрегатного состояния (твердое тело, газ, жидкость), от температурного диапазона измерения и диапазона измерения измеряемой величины. Размеры образцов обычно выбираются примерно 5 ... 10 мм для мелкодисперсных материалов (характерный размер структурных элементов ≤ 0,1 мм) и 50 ... 100 мм для сред с более крупными элементами.

Наиболее распространены приборы для измерения ТФХ в диапазоне нормальных температур (300 ± 50 К), однако выпускаются и средства измерения ТФХ при высоких и низких температурах, в условиях вакуума или при больших давлениях.

Тепловое воздействие от источника нагрева передается образцу за счет конвективного, контактного или лучистого теплообмена. При нагреве электрическим током образец совмещается с источником.

На поверхности образца или внутри его, а также в элементах нагрева и других устройствах размещаются датчики температуры или теплового потока (тепломеры). Образец в совокупности с перечисленными блоками составляет квазиизотермическую теплоизмерительную ячейку. Уровень температуры ячейки и закон его изменения во времени обеспечиваются устройством задания режима; содержащими изотермические оболочки с нагревателями, теплообменники, тепловую изоляцию. Оно обеспечивает также охлаждение ячейки после опыта. В качестве датчиков температур используются термопары или терморезисторы. Тепломеры применяются термоэлектрические, энтальпийные и т.п. Для приведения образца в контакт с пробным элементом используются блоки обеспечения контакта (механические, электромеханические и т.п.).

Для экспрессных измерений ТФХ применяют метод, основанный на сравнении с ТФХ стандартных образцов.

В схеме стандартного -калориметра для измерений в диапазоне = 0,04 ... 80 Вт/(м • К) образец-пластину и контактирующий с ним тепломер обычно помещают между двумя массивными металлическими блоками с одинаковой теплоемкостью и окружают теплоизоляцией. Верхний блок нагревают на 5 ... 10 К больше нижнего. В образце после некоторой выдержки устанавливается почти стационарный тепловой поток в соответствии с перепадом температур в металлических блоках и суммарным тепловым сопротивлением образца и тепломера. В опыте измеряют перепад температур на образце (T0) и тепломере (TT). Теплопроводность расчитывают по формуле

где h - толщина образца; s - площадь тепломера; Кт - эффективная тепловая проводимость тепломера; Кт = Q/TT, определяется непосредственно в тепловом блоке с помощью образцовых мер теплопроводности из оргстекла, кварца или стали.

В схеме нестандартного -калориметра переходный тепловой процесс используется для одновременного измерения теплоемкости. Для неразрушающего контроля теплоемкости (в диапазоне  = 0,04 ... 2 Вт/(м • К)) и температуропроводности (в диапазоне  = (0,8 ... 10) /с)) создан прибор, принцип действия которого основан на закономерностях изменения нестационарной теплопроводности при изотермическом нагреве образца массивным металлическим зондом. В эксперименте определяют либо поток тепла от зонда к изделию с помощью градиентного тепломера, либо малое изменение температуры зонда (с погрешностью до 0,001 К), контактирующего с образцом, при использовании энтальпийного тепломера. В обоих случаях регистрируют первоначальный перегрев Т  10 К зонда относительно изделия с помощью термопарного датчика. Конструктивно прибор состоит из двух блоков - термоизмерительного и электронного. Термоизмерительный блок расположен в корпусе, перемещающемся до соприкосновения зонда с объектом относительно трех игольчатых опор, накладываемых на объект (в этих же опорах смонтированы датчики перегрева зонда). Рабочая площадка, контактирующая с объектом, имеет диаметр контактного пятна 1,3 или 10 мм. В электронном блоке размещены системы автоматического регулирования температуры (САРТ) зонда и обработки информации с индикатором. Время измерений составляет 3 ... 10 мин, погрешность 7 %. Калибровка (поверка) прибора производится с помощью образцовых мер А, и а, изготовленных из стекла, стали или кварца. Прибор может эффективно применяться при экспресс- контроле ТФХ теплоизоляции, различных строительных материалов, горных пород, других объектов.

Приборы с оптическим импульсным нагревом отличаются бесконтактностью, дистанционностью, производительностью, возможностью испытания образцов в вакууме, атмосфере инертного газа, при различных дополнительных воздействиях. Основные объекты - керамика, композиты, полимеры, металлы и сплавы, тепло- изоляторы и т.д.

Чаще всего метод реализуют с помощью импульсного лазера (метод лазерной вспышки, МЛВ). МЛВ применим при следующих допущениях: образец теплоизолирован, длительность импульса вспышки Тв Тт, где Тт - характерное время распространения теплового импульса в материале образца, распределения энергии по сечению лазерного пучка и коэффициента поглощения по поверхности образца однородны, образец однороден (гомогенен) и не меняет своих ТФХ в диапазоне температур нагрева.

Тогда температуропроводность   0,14 t0.5, где ;l - толщина образца; t0.5- время достижения обратной стороны образца температуры, равной Т = 0,5 Тmax

Импульсный лазер генерирует импульс излучения длительностью с и энергией Еп = 3 ... 6 Дж. Обычно применяют лазер на рубине (= 0,69 мкм). Часть излучения направляют на фотодиод, сигнал с которого поступает в блок измерения энергии импульса и в блок генератора синхроимпульсов, связанного с контролером. Образец обычно помещают в полости электрической печи для адиабатизации и нагрева при широкотемпературных исследованиях материалов.

Термодатчик представляет собой ИК-пирометр или специальную термопару, привариваемую к образцу с помощью серебряных или других паст. Вместо лазера в подобных установках иногда применяют ксеноновую лампу-вспышку.

Для метрологического обеспечения теплофизических измерений применяют наборы рабочих эталонов (РЭ) и образцовых мер (ОМ), которые охватывают теплопроводности твердых тел в диапазоне температур. ОМ, аттестованные по теплопроводности и удельной теплоемкости, применяют и для проверки приборов измерения температуропроводности, с использованием соотношения  = с.

3. Коэффициенты теплопроводности наиболее часто используемых материалов

По теплопроводности и удельной теплоемкости ат­тестованы стандартные образцы из оптического кварца КВ, стекла ТФ-1 и ЛК-5, стали 12Х18Н10Т.

В табл. 4 приведены ТФХ ряда материалов.

Структура и элементная база систем теплового контроля

Обобщенная функциональная схема автоматической системы ТНК показана на рис. 3. Контроль с помощью этой системы осуществляется следующим способом.

Рис. 3. Обобщенная функциональная схема автоматической системы активного теплового неразрушающего контроля:

1 - источник теплового возбуждения; 2 - объект контроля;

3 - дефектоотметчик; 4 - сканирующее устройство; 5 - оптическая система и приемник излучения; 6 - устройство выбора оптимального времени регистрации температуры; 7 - электронный блок; 8 – ЭВМ

Контролируемый объект 2 подвергается воздейст­вию со стороны источника теплового возбуждения (ИТВ) 1. Нагретая поверхность объекта становится ис­точником инфракрасного излучения, поступающего в оптическую систему и на приемник излучения 5. Скани­рующее устройство 4 перемещает нагреватель I с посто­янной скоростью вдоль контролируемой поверхности, а также непрерывно обследует заданную траекторию. Блок 6 автоматически подбирает оптимальное время регист­рации температуры для каждого типа контролируемого изделия в зависимости от ТФХ материала и времени на­грева. Электронный блок 7 непосредственно управляет устройством 4, блоком 6, дефектоответчиком 3, отмечает контур дефекта на поверхности контролируемого объек­та. Для обработки результатов контроля в состав АС АТНК входит ЭВМ 8.

В качестве ИТВ можно использовать различные ти­пы нагревателей (например, инфракрасные кварцевые галогенные лампы, когерентные излучатели (лазеры), индукционные нагреватели, воздушные струи и т.п.). Достоверность АТНК в немалой степени зависит от ИТВ, нагревающего поверхность контролируемого объ­екта до температуры, превышающей температуру окру­жающей среды на 5 ... 100 К. Основными параметрами ИТВ являются плотность теплового потока, равномер­ность нагрева и размеры зоны нагрева. Для обнаружения дефектов малых размеров ИТВ должны отличаться вы­сокой равномерностью нагрева, так как неравномерно нагретые участки могут быть классифицированы как ложные дефекты. При 2 %-ной чувствительности тепло­вого контроля неравномерность нагрева не должна пре­вышать 2 К при уровне нагрева 100 К.

Оптические системы собирают и фокусируют поток лучистой энергии на чувствительном элементе приемни­ка излучения. Они могут быть выполнены в виде зер­кального или линзового объектива. Зеркальные объекти­вы используются при предъявлении высоких требований к чувствительности, а линзовые - при необходимости высокого геометрического разрешения. Чаще использу­ются зеркальные объективы. В зависимости от размеров, конструкции контролируемых объектов могут приме­няться телеоптические, микроскопические и нормальные объективы. Основными параметрами объективов явля­ются фокусное расстояние, диаметр, угловое поле, раз­решающая способность. Для доступа к труднодоступным объектам контроля используют зеркальные или волокни­стые световоды.

Главным элементом оптической системы АС АТНК является приемник излучения, который преобразует ин­фракрасное излучение в электрический сигнал.

Сканирующее устройство перемещает с постоянной скоростью оптическую ось системы по одной или двум взаимно перпендикулярным координатам. В зависимости от конструкции оптико-механического сканирующего устройства траектория сканирования может быть спи­ральной, розеточной, прямоугольной и др. Можно ис­пользовать сканирующие устройства на основе колеб­лющихся плоских зеркал, вращающихся зеркальных призм, барабанов, пирамид, преломляющих клиньев. Важным параметром сканирующего устройства является количество строк, просматриваемых в единицу времени. От прилегания просматриваемых строк друг к другу за­висит качество получаемой тепловой картины объекта, а от времени нахождения визируемого участка объекта контроля в мгновенном поле зрения прибора - ее ин­формативность.

К числу наиболее важных параметров сканирующих устройств можно отнести максимальный угол сканиро­вания, частоту вращения барабана или качания зеркала, размеры пятна сканирования.

Анализ результатов теоретических расчетов и экс­периментальных исследований показывает, что сущест­вует оптимальное время регистрации температуры после окончания нагрева, которое зависит от времени нагрева объекта и от глубины залегания дефекта, поэтому при его изменении возможен послойный контроль объекта и выявление дефектов на различной глубине. Для досто­верного обнаружения дефекта необходимо выбирать та­кое время регистрации, при котором температурный контраст над дефектом с наименьшей глубиной залега­ния превышал бы разрешающую способность в 3 ... 4 раза.

Электронный блок определяет уровень порогового сигнала и подавляет помехи, возникающие в процессе контроля. Помехи могут быть вызваны следующими причинами: неравномерный нагрев объекта контроля вдоль траектории сканирования, изменение расстояния от нагревателя до поверхности контролируемого объек­та, случайные изменения ТФХ объекта, изменение напряжения питания и т.п. Случайные помехи можно по­давлять фильтрованием суммарного сигнала и выделе­нием полезного сигнала, вызванного дефектом.

Дефектоотметчик должен иметь достаточно про­стую конструкцию и малую инерционность для разметки контура дефекта с высокой скоростью и перемещения синхронно со сканирующим устройством. Наличие дефектоотметчика позволяет оперативно оценивать обна­руженный дефект.

Наличие ЭВМ позволяет накапливать, хранить и документировать данные контроля, реализовывать слож­ные алгоритмы определения геометрических характери­стик дефектов, определять координаты и площадь де­фектов.

Лекция 16