При этом измеряют значение частоты F1 и значение избыточной температуры Т(R2) в точке контроля, расположенной на расстоянии R2 от центра пятна нагрева. Затем фокусируют термоприемники 3, 4, 5 в центр пятна нагрева 0 и начинают их перемещение. Причем термоприемник 4 перемещают по оси x в сторону отставания от источника тепла 2; термоприемник 3 - по оси y; термоприемник 5 - по оси x в сторону опережения источника тепла 2.
При движении термоприемниками 3, 4 и 5 фиксируют избыточную температуру поверхности TF1(x)i и TF1(y)j соответственно по осям x и y. Перемещение осуществляют до тех пор, пока избыточная температура, измеренная термоприемниками 3, 4 и 5, не станет меньше или равной чувствительности измерительной аппаратуры о. При этом фиксируют расстояния R1x1, R2x1, R3y1 (рис. 2). После этого термоприемники возвращают в исходное положение.
Затем, увеличив заданное значение избыточной температуры Тзад в два раза, повторяют вышеописанные процедуры измерения. В результате определяют значение параметра F2, при котором выполняется вышеуказанное соотношение контролируемых избыточных температур, избыточные температуры поверхности TF2(x)i и TF2(y)j соответственно по осям x и y, а также расстояния R1x2, R2x2, R3y2. А искомые теплофизические свойства определяют по зависимостям, полученным на основании следующих рассуждений.
В процессе бесконтактного теплового воздействия на поверхность исследуемого объекта от подвижного источника тепла с нее в окружающую среду происходят тепловые потери. Эти потери происходят за счет неполного поглощения тепловой энергии источника тепла поверхностью исследуемого объекта, а также вследствие конвективного и лучистого теплообмена поверхности исследуемого тела с окружающей средой. Кроме того, часть тепла поглощается окружающей средой при прохождении через нее излучения от источника тепла до объекта исследования в результате молекулярного поглощения и рассеяния на частицах пыли и воды, содержащихся в окружающей среде (атмосфере).
В работах Чернышова В.Н., Сысоева Э.В. показано, что распределение температуры в полубесконечном в тепловом отношении теле при действии на него подвижного точечного источника тепла с учетом тепловых потерь с поверхности тела в окружающую среду определяется следующей зависимостью:
, (1)
где - коэффициент излучения поверхности нагретого тела (степень черноты); - прозрачность окружающей среды; qит - мощность точечного источника тепла, [Вт]; qк - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена, [Вт]; qл - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена, [Вт]; a и - коэффициенты соответственно температуропроводности и теплопроводности исследуемого объекта, [м2/с] и [Вт/м2К]; V - скорость движения источника тепла относительно исследуемого тела, [м/с]; R - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры; x - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R от него, на линию движения источника тепла, [м].
На основании выражения (1) измеряемое значение избыточной предельной температуры в точке, перемещающейся вслед за источником тепла по линии его движения и отстающей от него на расстоянии R1 при частоте следования тепловых импульсов F1, будет определяться следующей зависимостью:
, (2)
где R1 - расстояние между центром пятна нагрева и точкой измерения температуры, [м]; qк1 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F1, [Вт]; qл1 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F1, [Вт]; k = - коэффициент, учитывающий значения степени черноты поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, разделяющей поверхность исследуемого образца и измерительную головку; F1 - частота следования тепловых импульсов от источника тепла (лазера), [Гц]; имп - длительность одного теплового импульса, [с].
При нагреве поверхности исследуемого тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура в точке, перемещающейся со скоростью источника V и находящейся на расстоянии R2 от него, определяется зависимостью:
, (3)
где x2 - расстояние между центром пятна нагрева и проекцией точки, расположенной на расстоянии R2 от него, на линию движения источника тепла, [м].
Так как из условия эксперимента ТF1(R1)=Тзад, то после несложных математических преобразований выражений (2) и (3), получают формулу для расчета температуропроводности в следующем виде:
, (4)
При увеличении частоты следования тепловых импульсов источника тепла с F1 до F2 мощность теплового воздействия на исследуемый объект увеличивается в n=F2/F1 раз. Значение избыточной предельной температуры в точке R1 при частоте следования тепловых импульсов источника тепла F2 будет определяться следующей зависимостью:
, (5)
где qк2 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F2, [Вт]; qл2 - потери тепловой мощности в окружающую среду за счет лучистого теплообмена при частоте следования тепловых импульсов F2, [Вт]; F2 - частота следования тепловых импульсов от источника тепла (лазера), [Гц]; имп - длительность одного теплового импульса, [с].
В работе показано как изменяются тепловые потери за счет конвективного qк и лучистого qл теплообмена. Установлено, что при увеличении мощности теплового воздействия qит в n раз по сравнению с начальной мощностью, определяем, что потери за счет конвективного и лучистого теплообмена зависят от площади теплоотдающей поверхности и от значений удельных тепловых потоков конвективного и лучистого теплообмена.
Граница температурного поля на поверхности исследуемого объекта представляет собой изотерму, имеющую форму неправильного эллипса, состоящего из двух правильных полуэллипсов (рис. 2). Поэтому площадь теплоотдающей поверхности определяется по формуле: S =S1+S2, где S1, S2 - площади полуэлипсов граничной изотермы температурного поля.
Таким образом, при увеличении мощности теплового воздействия в n раз площадь теплоотдающей поверхности исследуемого объекта увеличивается в SF2/SF1, где SF1 и SF2 - площади теплоотдающей поверхности при частоте следования тепловых импульсов соответственно F1 и F2.
S1=0,5?р? R1x • R3y, (6)
S2=0,5?р? R3y • R2x, (7)
S = 0,5•р• R3y(R1x + R2x), (8)
Проанализировав, как изменяются удельные тепловые потоки конвективного и лучистого теплообмена при увеличении мощности теплового воздействия в n раз было установлено что, при увеличении мощности источника qит в n раз по сравнению с начальной мощностью qит потери тепловой мощности за счет конвективного и лучистого теплообмена увеличиваются в раз, где и - средние избыточные температуры поверхности нагретого тела при частоте следования тепловых импульсов соответственно F1 и F2.
Рис. 2 - Температурные поля в исследуемом изделии при воздействии точечного подвижного источника тепла
С учетом вышеизложенного выражение (5) можно записать в следующем виде:
, (9)
а выражение (2) в виде:
, (10)
В условиях отсутствия априорной информации о значениях коэффициента излучения поверхности исследуемого образца и прозрачности окружающей среды этими параметрами обычно пренебрегают. Поэтому значение измеренной термоприемником температуры T на поверхности исследуемого объекта оказывается заниженным.
Для устранения этого недостатка и повышения точности результатов измерения вводится поправочный коэффициент k, для нахождения которого используется имитатор АЧТ который представляет собой замкнутую область с небольшим отверстием для выхода излучения, степень черноты которого равна 1.
Перед началом теплового воздействия на исследуемый объект можно считать, что его температура практически равна температуре окружающей среды, а следовательно и температуре имитатора АЧТ. Таким образом, зная вид функции f(T) используемого термоприемника и температуру АЧТ можно определить коэффициент k, по следующему выражению:
k = f(T)/ f(Tачт), (11)
где T - где температура на поверхности исследуемого объекта, измеренная термоприемником; Tачт - где температура имитатора АЧТ, измеренная этим же термоприемником.
С учетом вышесказанного и принимая во внимание условие равенства TF2(R1)=2Тзад, получена формула для расчета теплопроводности в следующем виде:
, (12)
где средние избыточные температуры и определяют исходя из показаний термоприемников 3, 4 и 5 по следующим выражениям:
, (13)
. (14)
Таким образом, определив коэффициент k, частоты F1 и F2 следования тепловых импульсов, избыточную температуру T(R2) и радиусы R1x, R2x, R3y, определяющие площадь теплоотдающей поверхности при частотах F1 и F2, средние избыточные температуры поверхности нагретого тела при тех же частотах F1 и F2, а так же зная длительность имп одного теплового импульса и мощность qит источника тепла, скорость V его движения над поверхностью исследуемого тела, по формулам (4) и (12) определяются искомые теплофизические свойства.
В третьей главе дано описание микропроцессорной системы, реализующей разработанный метод НК ТФС твердых материалов, схема которой представлена на рисунке 3.
Основным блоком разработанной ИИС является микропроцессорный контроллер 8 с цифровым индикатором 9 и клавиатурой 10. К микропроцессорному контроллеру 8 через его порты (адаптеры ввода-вывода) подключены также оптический затвор 7 источника тепла, датчик положения 11, 12, 13 термоприемника 3, 4, 5 соответственно относительно точечного источника тепла 2, управляющий вход электронного ключа 19, информационный вход которого подключен к выходу термоприемника 4, а выход ключа соединен с первым входом вычитающего устройства 20. Второй вход вычитающего устройства 20 соединен с выходами термоприемников 3 и 5, а выход вычитающего устройства через усилитель мощности 21 подключен к цепи питания реверсивным двигателем 22, выход которого в свою очередь соединен с механизмом перемещения 23 термоприемника 4 относительно теплового источника 2 по оси х.
Перемещение всего информационного зонда ИИС, включающей точечный источник тепла 2 и термоприемники 3, 4, 5, над поверхностью исследуемых изделий с заданной скоростью v осуществляется двигателем постоянного тока 16 через механизм перемещения 17, который кинематически связан с измерительным зондом. Управление работой двигателя 16 осуществляется микропроцессорным контроллером 5 через блок питания 15 и блок управления двигателем 14.
Работа измерительной системы осуществляется следующим образом. Вначале ИИС с клавиатуры 9 приводится в исходное состояние, при котором электронный ключ 19 закрыт, источник питания 18 лазера и источник питания 16 двигателя 16 перемещения измерительного зонда системы выключены. Затем по команде с микропроцессорного контроллера 8 термоприемником 4 измеряется температура АЧТ 6 исследуемого образца 1 и данные записываются в ОЗУ микропроцессорного контроллера.
Рис. 3 - Микропроцессорная система бесконтактного НК ТФС твердых материалов и готовых изделий
Далее включают источник питания лазера 18 и оптический затвор 7 с начальной минимальной частотой Fmin модуляции лазерного луча и начинают перемещение измерительной головки над исследуемым изделием с постоянной скоростью V, величина которой берется такой, чтобы при выбранной частоте Fmin в точке контроля R1 появлялась избыточная температура T(R1), уровень которой выше чувствительности термоприемника о. Затем постепенно увеличивают частоту F прерывания лазерного луча.
Изменение частоты F подачи тепловых импульсов от источника тепла осуществляют до тех пор, пока измеряемая в точке контроля R1 избыточная температура ТR1(Fi) станет равной заданному значению температуры Тзад.
При этом измеряют значение частоты F1 и значение избыточной температуры Т(R2) в точке контроля, расположенной на расстоянии R2 от центра пятна нагрева.
Затем фокусируют термоприемники 3, 4, 5 в центр пятна нагрева 0 и начинают их перемещение с помощью механизма перемещения 23. Причем термоприемник 4 перемещают по оси x в сторону отставания от источника тепла 2; термоприемник 3 - по оси y; термоприемник 5 - по оси x в сторону опережения источника тепла 2.
При движении термоприемниками 3, 4 и 5 через заданное расстояние ? фиксируют избыточную температуру поверхности TF1(x)i и TF1(y)j соответственно по осям x и y. Перемещение осуществляют до тех пор, пока избыточная температура, измеренная термоприемниками 3, 4 и 5, не станет меньше или равной чувствительности измерительной аппаратуры о. При этом датчиками положения 11, 12, 13 фиксируют расстояния R1x1, R2x1, R3y1. После этого механизм перемещения 23 возвращает термоприемники в исходное положение.
Затем по команде с микропроцессорного контроллера 8 увеличивается значение заданной температуры Тзад в два раза и повторяется по вышеописанному алгоритму работа соответствующих блоков ИИС.
Полученные значения ТФС хранятся в ПЗУ микропроцессорного контроллера 8 и могут быть вызваны в любое время после окончания теплофизического эксперимента на цифровой индикатор 9 оператором с клавиатуры 10.
Основным преимуществом разработанной микропроцессорной ИИС бесконтактного НК ТФС перед известными системами данного назначения является адаптивное введение поправочного коэффициента, учитывающего влияние степени черноты исследуемого образца и прозрачности окружающей среды, а также определение размера геометрических размеров области нагрева поверхности исследуемых изделий, что позволяет более точно определить во сколько раз увеличились потери тепла в окружающую среду при увеличении мощности теплового воздействия от точечного источника тепла.