автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Интегральный метод измерения теплопроводности и прибор контроля качества изделий сложной формы

НОВОМОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РХТУ им. Д.И. Менделеева МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

На правах рукоп

БАССАМ ТАУФИК МОХАММЕД МАХМУД ДВИКАТ

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ПРИБОР КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

05.11.13 - Приборы и методы контроля окружающей среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

12 т да

Москва 2008

003457265

Работа выполнена в Новомосковском институте Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева и в Московском государственном университете инженерной экологии.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Беляев Юрий Иванович

Научный консультант доктор технических наук

Латышенко Константин Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шаталов Александр Леонидович кандидат технических наук Гольцев Юрий Тихонович

Ведущая организация - Новомосковский филиал Университета Российской академии образования.

Защита диссертации состоится 25 декабря 2008 года в 14.00 в аудитории В-26 на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 24 ноября 2008 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета

канд.техн. наук, доцент

Н.В. Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Для производства электронной аппаратуры, а также лазерной техники, космических летательных аппаратов и т.п. нужны материалы, которые, кроме всего, способны эффективно отводить тепло из зон нагрева, т.е. обладающие высокой теплопроводностью.

Существующие методы обеспечивают измерение теплопроводности в однородных материалов в диапазоне от 0,02 до 20 Вт/м-К достаточно больших образцов. Они не позволяют производить измерения образцов малых размеров, например, дисков диаметром 5 мм и толщиной от 0,5 до 2 мм, многочисленных композиционных, полимерных, металлических, углеродных материалов, а также металлокерамики.

В связи с этим является актуальным создание метода оперативного неразрушающего метода контроля теплопроводности твёрдых тел сложной формы и разработка на этой основе прибора контроля качества теплопроводящих материалов.

Объектом исследования в данной работе явился интегральный метод измерения теплопроводности твёрдых тел сложной формы и устройство контроля качества различных материалов.

Целью работы является решение важной для повышения качества продукции научно-технической задачи - исследование интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел и разработка на этой основе прибора контроля качества изделий сложной формы.

Задачи работы. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка и исследование математической модели измерения теплопроводности изделий сложной формы.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей интегрального метода измерения теплопроводности.

3. Разработка прибора для измерения теплопроводности изделий.

4. Исследование метрологических характеристик разработанного прибора.

Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы: метод математического моделирования, инструментальный метод исследования особенностей протекания теплофизического эксперимента в твёрдых материалах, методы экспериментального исследования метрологических характеристик прибора качества материалов.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в разработке интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел сложной геометрической формы.

В результате проделанной работы впервые:

- разработан интегральный метод измерения теплопроводности твёрдых материалов, увеличивающий диапазон измерений теплопроводности до 400 Вт/м-К, за счёт регистрации температурного поля при импульсном нагреве образца и компьютерном управлении процессом нагрева и охлаждения образца, а также использовании специализированного программного обеспечения, основанного на преобразовании уравнения Фурье в интегральной форме;

- на базе интегральной формы уравнения Фурье получена математическая модель, позволяющая использовать его для определения теплопроводности изделий сложной формы;

- выявлены основные составляющие погрешности метода измерения (термические сопротивления, возникающие в месте контакта образца с термочувствительными элементами и нагревателем; боковые потери тепла с образца; потери тепла, обусловленные неполным охлаждением образца) и проведена их оценка;

- проведены экспериментальные исследования метода, подтвердившие теоретическую модель.

- разработан алгоритм управления процессом нагрева и охлаждения образца.

Практическая ценность работы. Использование результатов теоретических и экспериментальных позволило расширить круг задач аналитического контроля и разработать средство контроля, обладающее улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Результаты работы могут широко применятся в исследовании свойств материалов, создании материалов с новыми свойствами, а

также использоваться как средства контроля качества промышленных изделий, строительных и металлоконструкций.

Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы использованы Московским институтом теплотехники, НПП Исток при создании прибора контроля качества твёрдых материалов КИТ-02Ц.

Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах и научно-исследовательской практике Новомосковского института РХТУ.

Достоверность работы. Разработанный метод и средство измерений были проверены экспериментально.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Воронеж, 2006 и IX н.-т. конференции молодых учёных НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 2007.

Публикации. Сущность диссертации представлена в семи публикациях, в том числе одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК. В части публикаций, подготовленных в соавторстве, основные идеи теоретических разработок принадлежат автору и научному руководителю работы. Практическая проверка изложенных в диссертации идей, их коррекция, техническая и программная реализация принадлежат автору настоящей работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 108 страниц, в том числе 87 страниц основного текста, 42 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает в себя 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и значимость работы, сформулированы её цель и задачи, решённые в данной работе, раскрыты научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассматриваются основные методы и средства измерения теплопроводности твёрдых материалов.

Для определения коэффициента теплопроводности X твёрдых материалов используют различные методы. Среди них: стационарные, квазистационарные, импульсные, нестационарные, метод монотонного нагрева, метод Кольрауша, метод плоской пластины или сферы, метод радиального теплового потока, метод, основанный на использовании переменных тепловых потоков, метод лазерной вспышки, метод горячей проволоки, косвенные методы вычисления теплопроводности по измеренным параметрам и многие другие.

Следует отметить, что при проведении теплофизического эксперимента в силу определённой ограниченности инструментальной базы далеко не всегда удаётся измерить коэффициент теплопроводности образцов сложной геометрической формы и обеспечить достоверность показаний в связи с неоднородностью материала и большими теплофизическими потерями.

Во второй главе предложен интегральный метод измерения теплопроводности твёрдых тел. Метод интегрального преобразования уравнения Фурье относится к нестационарным методам определения теплофизических свойств различных материалов и основан на экспериментальном нахождении температурного поля в теле заданной формы и известных размеров.

Для прямоугольной пластины передача тепла подчиняется уравнению линейной теплопроводности

(1)

81 дх

Пусть измерена разность температур на границах интервала [О, Ц и{О, 0 - и(Ь, Г) = Ам(0 и количество теплоты, поступающее в пластину

11-Т

за время измерения Т, 0(0, 0 = (3(0, () |(=0.

Тогда расчётная формула для определения коэффициента теплопроводности может быть получена многократным интегрированием (1) по х и Л После преобразования получаем

Наложим условие совпадения температурного поля пластины в моменты / = 0 и / = Г, т.е.

Тогда, введя калибровочный коэффициент к, определяемый измерением эталонных образцов, и с учётом (2) из (3) получим коэффициент теплопроводности X

Расчёт теплопроводности по (4) требует, чтобы тепловой поток через пластину был равномерным. Так как зачастую необходимо измерять образцы различных размеров и формы (пластины, диски и т.п.), то в формуле (4) нельзя напрямую использовать значение ширины образца. Его необходимо заменить параметром геометрической формы /^(и'), который учитывал бы влияние геометрии образца на результаты измерений. В ходе проведённых исследований было установлено, что параметр зависит только от размеров и формы образца и не зависит от его теплопроводности.

Заменив в уравнении (4) м> на ^(У), получим

и(х, 0) = и(х, Т).

(3)

(4)

о

11-Т

х =

т

(5)

о

Уравнение (5) позволяет вычислить коэффициент теплопроводности образцов с любыми геометрическими параметрами.

Для измерения теплопроводности тонкого диска (рис. 1) используем уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах, которое после ряда преобразований примет следующий вид

дыр,0 13 ди(г,0ч

Л

Рис. 1. Схема измерения теплопроводности диска

Перенеся г в левую часть и проинтегрировав выражение по г, а затем по времени с учётом и(г0, /) = 0(0, и(Д, 0 = 0О, и и(г0, 0) = м(г0, 7) получим расчётную формулу для нахождения коэффициента теплопроводности

г01п-£(Г)

2 =

(7)

Аналогично получаем расчётную формулу для нахождения коэффициента теплопроводности полубесконечного тела (рис. 2)

))~оМ

Рис. 2. Схема измерения теплопроводности полубесконечного тела

В результате мы получили формулы для определения коэффициента теплопроводности образцов различной формы.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование погрешностей интегрального метода измерения теплопроводности. В результате исследования было выявлено, что основными источниками погрешностей при измерении тепловодности являются: термические сопротивления, возникающие в месте контакта образца с термочувствительными элементами и нагревателем; боковые потери тепла с образца; потери тепла, обусловленные неполным охлаждением образца.

Очевидно, что контактные термические сопротивления (КТС) приводят к занижению величины разности температур А1{т) по длине

образца и, соответственно, её интегрального значения й - |д

о

В этом случае относительная погрешность определения теплопроводности дюс равна

->ктс

м

LQ

(9)

Экспериментально было установлено, что охлаждение образца до начальной температуры позволяет снизить погрешность 8КТС в £ раз

1

Т - -у/т

(10)

График зависимости £ ) представлен на рис. 3.

1в 16

12 1Q 8 6

toiA^.

О О.Ч 0,2 О.З 0,5 О,6 0,7 Q.& 0„<Э Л

Рис. 3. Зависимость погрешности измерения S, обусловленная

КТС

При оценке погрешности, обусловленной утечками тепла с боковых поверхностей образца, процесс распределения тепла в

образце (рис. 4) подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности

С= -V-2 =Я ^ / - [ — де(х, т) + -д7(х, г)]. (11)

а ах г И

Тогда погрешность определения теплопроводности, обусловленная потерями тепла в воздухе дв и подложке ¿т, равна

кт 1 х

2(1 + —) с ^дв(х, т)с1х

г в О О О __/пч

=-Щ-' (12)

Т I X

т |дх (х, т)с1х

3 = о-9_о-. (13)

1x10,

/ 2 А .<^(0,1) / \ -нЬ-'/

\ /у.-

/

_с

Рис. 4. К выводу оценки погрешности, обусловленной боковыми

потерями тепла:

1 - образец; 2 - поверхность контакта образца с ТЭП (пятачковой дифференциальной термопарой); X - расстояние между спаями ТЭП; I; - ширина поверхности контакта пятачка с образцом; к - толщина; дт( т) - плотность теплового потока в основании ТЭП

В результате приходим к следующей оценке

я /ЛКГяХГ-л/^оТ) (14)

Вследствие того, что данные составляющие погрешности определения X являются коррелированными, то результирующая погрешность, обусловленная утечками теплоты из образца в воздух и основание термопар, равна их сумме, т.е. ё„ = 8е + Зт.

К тепловым потерям нагревателя относится также теплота, аккумулированная нагревателем, и теплота, теряемая нагревателем в воздух и подложку.

Относительная погрешность измерения обусловленная

потерями теплоты от нагревателя в воздушную прослойку и подложку, равна

я _ ^йг(О.Г)

н

2-^ Ш(0,г)<#, (15)

где (2т(0, Т) - удельное количество теплоты, теряемое нагревателем через поверхность контакта с подложкой за время измерения.

г

Принимая во внимание допущение расчетную

о

формулу для определения погрешности коэффициента теплопроводности и результирующее количество теплоты, прошедшее через основание ТЭП за время измерения, получим

|— т Р?— аЦ2-'>■-}

2 Ян \ат 4тн

где Ьн, /я - соответственно ширина и длина нагревателя; 1К - длина зоны контакта нагревателя с подложкой; <2я ~~ количество теплоты, выделяемое нагревателем; Хт, ат - соответственно теплопроводность и температуропроводность подложки; Г„(тя) - температура подложки в момент отключения нагревателя.

Очевидно, что для уменьшения <5е необходимо стремиться к уменьшению отношения /? = и ширины нагревателя Ьн.

Из формулы (16) следует, что выходной сигнал прибора контроля теплопроводности обратно пропорционален толщине образца.

Очевидно, что основным конструктивным параметром ячейки, влияющим на погрешность, является расстояние Ь между спаями дифференциальной термопары. На основании результатов исследований (рис. 5) можно сделать следующие рекомендации по выбору расстояния Ь между спаями ТЭП (между торцевыми поверхностями нагревателя и теплоприёмника).

Рис. 5. Зависимость обратной величины выходного сигнала от Л,Ь при различном расстоянии £ между спаями: О - медь; Д-никель; 0-молибден; *-цинк

Если выполняется условие Я/г > 30-10""3 Вт/К, то при /г = 0,1 - 2 мм Ь = 5-7 мм, а при /г = 2- 3мм£ = 8-13 мм.

В этом случае погрешность измерения коэффициента теплопроводности не будет превышать 5 %.

В четвертой главе проведена экспериментальная проверка разработанного на основании интегрального метода теплопроводности прибора контроля качества теплоизоляционных материалов теплопроводности КИТ-02Ц.

КИТ-02Ц является малогабаритным измерительным модулем, подсоединяемым к ПК через ШВ-интерфейс. Прибор предназначен для измерения теплопроводности композиционных образцов из металлов, металлокерамики и других материалов в диапазоне от 20 до 400 Вт/м-К с погрешностью, не превышающей 6 %.

Компьютерный измеритель теплопроводности состоит из трёх функциональных узлов (рис. 6) и включает в себя: теплоизмерительную ячейку, адаптер связи этой ячейки с компьютером в комплекте с термопарой (электронный блок), специализированное программное обеспечение.

Рис. 6. Прибор КИТ-02Ц

Принцип действия прибора основан на импульсном нагреве образца электрическим нагревателем и отводом выделившейся теплоты в теплоприёмник. С помощью дифференциальной термопары измеряется разность температур на образце, далее

электронный блок преобразует сигналы, а специализированное программное обеспечение КИТ-02Ц осуществляет управление теплофизическим экспериментом и производит обработку поступившей информации.

Для экспериментальной проверки пригодности прибора КИТ-02Ц были проведены серии измерений теплопроводности ряда образцов: пенопласт, дерево, стекло и оргстекло размером 10x10x5 мм. Для анализа полученных результатов измерений построим график зависимости показаний прибора от теплопроводности (рис. 7).

о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Теплопроводность

Рис. 7. График зависимости показаний прибора от теплопроводности

Из графика следует, что значения, полученные при исследовании, отличаются от калибровочной кривой. Из этого следует, что необходимо доработать прибор, т.е. при помощи конструкторских изменений уменьшить тепловые потери в ячейке.

Для исследования композиционных образцов были использованы образцы медь-титан с разным содержанием обоих компонентов, алюминий-цинк с разными размерами.

1. Разработан и исследован метод измерения теплопроводности твёрдых тел сложной формы на основе интегрального уравнения Фурье, который позволяет увеличить диапазон измерений теплопроводности материалов.

л 1,4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

№

2. Экспериментальная проверка полностью подтвердила адекватность интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел и его преимущества при использовании в приборе контроля качества изделий сложной формы.

3. Выявлены основные составляющие погрешности метода измерения: термические сопротивления, возникающие в месте контакта образца с термочувствительными элементами и нагревателем; боковые потери тепла с образца; потери тепла, обусловленные неполным охлаждением образца. Проведена их оценка, величина методической погрешности составила 6 %.

4. Разработан алгоритм управления процессом импульсного нагрева и охлаждения образца материала.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан прибор контроля теплопроводности материалов сложной геометрической формы КИТ-02Ц с диапазоном измерений 20 -400 Вт/м-К и погрешностью 6 %.

Содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Беляев Ю.И., Вент Д.П., Вепренцева О.Н., Двикат Бассам Быстродействующий измеритель теплоёмкости системы КБ Теплофон//«Приборы», № 8 (48), 2007. - с. 20 - 23.

2. Беляев Ю.И., Вепренцева О.Н., Двикат Бассам Широкодиапазонный нестационарный метод измерения теплопроводности. В кн. Труды Новомосковского института РХТУ, Новомосковский институт Новомосковск, 2006. - с. 86 - 87.

3. Беляев Ю.И., Вепренцева О.Н., Двикат Бассам Исследование коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов. XIX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях». Сб. трудов, т. 4. Воронеж, 2006. - с. 157.

4. Беляев Ю.И., Вепренцева Ö.H., Гринюк A.C., Двикат Бассам Создание быстродействующего измерителя теплоёмкости БИТ-01Ц. Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика, т. 9, часть 1, 2006.-с. 81-82.

5. Беляев Ю.И., Вент Д.П., Вепренцева О.Н., Двикат Бассам Теплофизические приборы системы КБ «Теплофон». Создание быстродействующего измерителя теплоёмкости БИТ-01Ц. Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика, т. 10, 2007. - с. 47 - 49.

6. Беляев Ю.И., Вепренцева О.Н., Гринюк A.C., Двикат Бассам Методика расчета калибровочных коэффициентов уравнения измерителя теплопроводности КИТ-02Ц. Тез. докл. IX н.-т. конф.

Введение

Глава 1. Методы измерения теплопроводности твердых материалов

1.1. Общие сведения о методах

1.2. Стационарные методы измерения теплопроводности

1.2.1. Методы трубы

1.2.2. Сравнительный стационарный метод

1.2.3. Абсолютный стационарный метод

1.3. Нестационарные методы измерения теплопроводности

1.3.1. Метод тонкой пластины

1.3.2. Метод монотонного нагрева

1.4. Сравнительный метод

1.5. Метод линейного изменения температуры

1.6. Метод лазерной вспышки

1.7. Метод горячей и пересеченной проволоки

1.8. Метод плоского слоя

1.9. Выводы 39 2. Разработка интегрального метода измерения теплопроводности твердых материалов

2.1. Интегральное преобразование уравнения Фурье

2.1.1. Измерение теплопроводности плоских образцов (пластин)

2.1.2. Измерение теплопроводности цилиндрических образцов (диски)

2.1.3. Измерение теплопроводности полубесконечного тела

2.2. Применение метода для определения удельной теплоемкости твердых материалов

2.3. Выводы

Глава 3. Экспериментальное исследование интегрального метода измерения теплопроводности твердых материалов

3.1. Исследование погрешностей измерения Л твердых материалов.

3.1.1. Влияние контактных термических сопротивлений

3.1.2. Влияние боковых потерь тепла

3.1.3. Оценка погрешности определения погрешности теплоты.

3.1.4. Оценка погрешности, обусловленная неполным охланедением образца

3.1.5. Экспериментальное исследование влияние КТС на измерение значение теплопроводности

3.1.6. Экспериментальное исследование влияния толщины образца на измеренное значение Л

3.2. Выводы

Глава 4. Компьютерный измеритель теплопроводности КИТ — 02Ц

4.1. Возможности интегрального метода измерения теплопроводности

4.2. Состав теплоизмерительного комплекса прибора КИТ-02Ц.

4.2.1. Конструкция теплоизмерительной ячейки

4.2.2. Адаптер связи теплоизмерительной ячейки с компьютером

4.2.3. Специализированное программное обеспечение

4.1.4. Методика управления теплофизическим экспериментом на примере прибора КИТ-02Ц

4.3. Испытание прибора на образцах с различными теплофизическими характеристиками

4.3.1Измерение теплопроводности теплоизоляционных образцов

4.3.2.Измерение теплопроводности композиционных образцов

4.4. Исследование метрологических характеристик прибора 93 4.4.1. Методика калибровки прибора

4.5. Выводы 95 Заключение 96 Литература

Современная научно-техническая революция — крупнейший качественный скачок в познании человечеством природы и использовании ее законов в производстве. Она охватывает одновременно науку, технику, их взаимоотношения между собой и с производством, поэтому достижения в науке быстро находят практическое применение.

На сегодняшний день промышленность выпускает широкую номенклатуру изделий электронной техники, в том числе, большие и сверхбольшие интегральные схемы, микропроцессоры, микроконтроллеры и микро ЭВМ, применение которых позволяет создать эффективную, малогабаритную, экономичную и надёжную электронную аппаратуру.

Для производства электронной аппаратуры, а также лазерной техники, космических летательных аппаратов и т.п. нужны материалы, которые, кроме всего, способны эффективно отводить тепло из зон нагрева, т.е. обладать высокой теплопроводностью.

Существующие методы обеспечивают измерения теплопроводности в однородных материалов в диапазоне 0,02 — 20 Вт/м-К образцов достаточно большого геометрического размера. Они не позволяют производить измерения образцов малых размеров, например, диски 5 мм и толщиной 0,5 + 2 мм, характерных изделий нанотехнологий, измерения теплопроводности многочисленных композиционных, полимерных, металлических, углеродных материалов, а также металлокерамики.

Необходимо отметить, что определение теплофизических характеристик материалов с теплопроводностью л > 20 Вт/м-К на образцах толщиной менее 5 мм для существующих методов недоступно.

Поэтому требуется новый оперативный неразрушающий метод контроля теплопроводности, на базе которого можно создать устройство, способное контролировать данный теплофизический параметр для образцов различной конфигурации и физических и геометрических параметров.

Целью работы является решение важной для повышения качества продукции научно-технической задачи — исследование интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел и разработка на этой основе прибора контроля качества изделий сложной формы.

Задачи работы. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработка и исследование математической модели измерения теплопроводности изделий сложной формы.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование погрешностей интегрального метода измерения теплопроводности.

3. Разработка прибора для измерения теплопроводности изделий.

4. Исследование метрологических характеристик разработанного прибора.

Методы исследования

В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы метод математического моделирования, инструментальный метод исследования особенностей протекания теплофизического эксперимента в твёрдых материалах, методы экспериментального исследования метрологических характеристик прибора качества материалов. Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в разработке интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел сложной геометрической формы. В результате проделанной работы впервые: разработан интегральный метод измерения теплопроводности твёрдых материалов, увеличивающий диапазон измерений теплопроводности до 400 Вт/м-К, за счёт регистрации температурного поля при импульсном нагреве образца и компьютерном управлении процессом нагрева и охлаждения образца, а также использовании специализированного программного обеспечения, основанного на преобразовании уравнения Фурье к интегральной форме; на базе интегральной формы уравнения Фурье получена математическая модель, позволяющая использовать его для определения теплопроводности изделий сложной формы; выявлены основные составляющие погрешности метода измерения (термические сопротивления, возникающие в месте контакта образца с термочувствительными элементами и нагревателем; боковые потери тепла с образца; потери тепла, обусловленные неполным охлаждением образца) и проведена их оценка; проведены экспериментальные исследования метода, подтвердившие теоретическую модель. разработан алгоритм управления процессом нагрева и охлаждения образца.

Практическая ценность. Использование результатов теоретических и экспериментальных позволило расширить круг задач аналитического контроля и разработать средство контроля, обладающее улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Результаты работы могут широко применятся в исследовании свойств материалов, создании материалов с новыми свойствами, а также использоваться как средства контроля качества промышленных изделий, строительных и металлоконструкций.

Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы использованы Московским институтом теплотехники, НПП Исток при создании прибора контроля качества твёрдых материалов КИТ-02Ц.

Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах и научно-исследовательской практике Новомосковского института РХТУ.

Достоверность работы. Разработанный метод и средство измерений были проверены экспериментально.

Автор выносит на защиту.

Методику управления теплофизическим экспериментом при измерении теплопроводности образцов из теплоизоляционных и композиционных материалов с различными геометрическими параметрами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Воронеж, 2006 и IX н.-т. конференции молодых учёных НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 2007.

Публикации. Сущность диссертации представлена в 7 публикациях, в том числе одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК. В части публикаций, подготовленных в соавторстве, основные идеи теоретических разработок принадлежат автору и научному руководителю работы. Практическая проверка изложенных в диссертации идей, их коррекция, техническая и программная реализация принадлежат автору настоящей работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 108 страниц, в том числе 87 страниц основного текста, 42 рисунка и 2 таблицы. Список литературы включает в себя 120 наименований.

4.5 Выводы

На основании проведенных теоретических и эксперементальных исследований был разработан компьютерный измеритель теплопроводности КИТ-02Ц. Он основанный на интегральном методе измерения теплопроводности, является малогабаритным измерительным модулем, подсоединяемым к ПК через USB-интерфейс. Прибор предназначен для измерения теплопроводности композиционных образцов из металлов, металлокерамики и других материалов в диапазоне от 0,01 до 400 Вт/м-К.

Малые габариты прибора и использование широко распространенного интерфейса USB, а также точность и быстрота измерения делают измеритель теплопроводности КИТ-02Ц удобным для организации полевых измерений, требующих высокою степень мобильности. Контроль за измерением осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения.

Испытание прибора на образцах с различными теплофизическими характеристиками показали, что прибор КИТ-02Ц пригоден для измерения теплопроводности теплоизоляционных и композиционных материалов.

Расчёт калибровочных коэффициентов, позволил уменьшить погрешность измерений, что позволило увеличить точность измерений на измерителе теплопроводности КИТ-02Ц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан и исследован метод измерения теплопроводности твёрдых тел сложной формы на основе интегрального уравнения Фурье, который позволяет увеличить диапазон измерений теплопроводности материалов.

2. Экспериментальная проверка полностью подтвердила адекватность интегрального метода измерения теплопроводности твёрдых тел и его преимущества при использовании в приборе контроля качества изделий сложной формы.

3. Выявлены основные составляющие погрешности метода измерения: термические сопротивления, возникающие в месте контакта образца с термочувствительными элементами и нагревателем; боковые потери тепла с образца; потери тепла, обусловленные неполным охлаждением образца. Проведена их оценка, величина методической погрешности составила 6 %.

4. Разработан алгоритм управления процессом импульсного нагрева и охлаждения образца материала.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан прибор контроля теплопроводности материалов сложной геометрической формы КИТ-02Ц с диапазоном измерений 20 - 400 Вт/м-К и погрешностью 6 %.

1. Беляев ЮЛ., Гринюк А.С., Двикат Бассам. Создание быстродействующего измерителя теплоемкости БИТ 01Ц,.Вестник МАСИ. Информатика, экология, экономика, том 9, часть 1, 2006. С. 81 - 82.

2. Беляев Ю.И., Двикат Бассам. Исследование коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов. Сб. тр. XIX. Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Том. Воронеж 2006.— с. 15 7.

3. Беляев ЮЛ., Гринюк А.В. Быстродействующий метод измерения теплоемкости. Сб. тр. XX Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММГГ 20). Т. 7. Ярославль. 2007. - с. 41 - 43.

4. Беляев ЮЛ., Гринюк A3. Применение быстродействующего измерителя теплоемкости. Сб. тр. XX Междун. научн. конф. "Математические методы в технике и технологиях" (ММГГ 20). Т. 7. Ярославль. 2007. - с.43 - 44.

5. Беляев Ю.И., Гринюк А.В. Экспресс метод измерения теплоемкости. Сб. науч. тр. «XXI. Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии» МКХТ 2007 Москва Т. 12007 с. 24 - 26.

6. Беляев ЮЛ., Вент Д.П. Двикат Бассам. Быстродействующий измеритель теплоемкости системы КБ Теплофон Журнал «Приборы», № 8 (48), 2007. с.20—23.

7. Беляев Ю.И., Вент Д.П., Двикат Бассам. Теплофизические приборы системы КБ «Теплофон».Весгник МАСИ. Информатика, экология, экономика, том 10 с.47 -49.

8. Курепин В.В., Платунов Е.С., Белов Е.А. Энтальпийный термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов // Промышленная теплотехника. 1982. № 4. с. 78.

9. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. M.-JL: Госэнергоиздат, 1958. 414 с.

10. Азизов A.M. Информационные системы контроля параметров технологических процессов. Л.гХимия, 1983. —328 с.

11. Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. Л.: Энергия, 1975. 256 с.

12. Азимов Р.К. Измерительные преобразователи с тепловыми распределенными параметрами. М.:Энергия, 1977. 80 с.

13. Александровский С.В. Прикладные методы теории теплопроводности и влагопроводности бетона. М.: Компания спутник, 2001. 186 с.

14. Алиев М.И., Гусейнов Р.Э., Араслян Д.Г. Прибор для измерения температуропроводности твердых тел методом светового импульса // ИЗВ. АН Аз. ССР. Серия физико технических и математических наук. 1979. № 3. -с. 77.

15. Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена. М.: Изд. МЭИ, 2000. -242 с.

16. Андреев А.А. Автоматические показывающие, самопишущие и регулирующие приборы. Л., Машиностроение, 1973. 286 с.

17. Афанасьев В.Н., Тартаковский Д.Ф. Имитационная модель датчика температуры для измерительных информационных систем // Теоретические и прикладные исследования в области систем измерений. Львов: Виша школа, 1987.-с. 81-85.

18. А.с. 1481656 СССР, МКИ G 01 N 25/18. Способ бесконтактного контроля теплофизических характеристик материалов / Т.И. Чернышова, В.Н. Чернышов. № 4244740/31 25. Заявл. 3.05.87. Опубл.23.05.89, Бюл. № 19.

19. А.с. 1385787 СССР, МКИ G 01 N 25/18. Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик и устройство для его осуществления / Т.И. Чернышова, В.Н. Чернышов. № 3856534/25. Заявл. 2.01.85. Опубл. 1.12.87.

20. А.с. 1377695 СССР, МКИ G 01 N 25/18. Способ неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Т.И. Чернышова, В.Н. Чернышов, В.А. Попов. № 4055693/31 25. Заявл. 14.04.86. Опубл. 29.02.88, Бюл. № 8.

21. А.с. 1402892 СССР, МКИ G 01 N 25/18. Способ неразрушающето контроля теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления / Т.И. Чернышова, В.Н. Чернышов. № 4129719/31 — 25. Заявл. 26.06.86. Опубл. 15.06.88, Бюл. № 22.

22. Бабенко Ю.И. Определение переменного коэффициента температуропроводности // ИФЖ. 1975. Т. 29, № 2. с. 341 — 344.

23. Банников А.И., Наумов Ю.Н., Мацык С.В. Трехканальный корректор динамической погрешности термопар // • Измерительная техника. 1978. № 12.-с. 47-48.

24. Баранов В.М., Кудрявцев Е.М., Самохвалов А.И. Ультразвуковой метод определения температуропроводности материалов // ИФЖ. 1976. Т. 30, № 6. -с. 965.

25. Баталов B.C. Одновременное определение теплофизических параметров твердофазовых веществ // ИФЖ. 1982. Т. 42, № 6. — с. 1026 — 1027.

26. Белов Е.А., Соколов Г.Я., Платунов Е.С. Цифровой экспресс -измеритель теплоограждающих конструкций с прямым отсчётом // Промышленная теплотехника. 1986. № 4. — с. 756 760.

27. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности: В 2 ч. М.: Высшая школа, 1982. 671 с.

28. Береговой В.А. Теплофизические свойства композиционных материалов для защиты от радиации: Автореф. дис. канд. техн. наук. Пенза. 1997.-18 с.

29. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса: Пер. с англ. М.: Химия, 1974. 688 с.

30. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. — 766 с.

31. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.—JL: Госэнергоиздат, 1962. 330 с.

32. Блохин Ю.Н., Олекс А.О. // Приборы и системы управления. 1989. № 1. — с. 14-15.

33. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979.

34. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Стройиздат. 1982.

35. Богуславский Л.Д. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1990.

36. Бойков Г.П., Видии Ю.В., Фокин В.М. Определение теплофизических свойств строительных материалов. Красноярск: Изд во Красноярского университета. 1992. — 172 с.

37. Бойков Г.П., Видии Ю.В., Журавлев В.Н. Основы тепломассообмена. Красноярск, 2000. — 272 с.

38. Бровкин JI.A. Определение коэффициента температуропроводности при квазистационарном режиме // Заводская лаборатория. 1961. Т. 27, № 5. — с. 578-581.

39. Бровкин JI.A., Девочкина С.И. Температурное поле шара с переменными физическими свойствами при граничных условиях третьего рода //Изв. вузов. Энергетика. 1971. № И.

40. Бровкин B.JI. Частное решение уравнения теплопроводности для определения теплофизических коэффициентов // Изв. вузов. Энергетика. 1980. № 11.-с. 120.

41. Бувин Н.П. Экспериментальное исследование динамических, характеристик термоприемников //Приборостроение. I960. № 10. с. 1 - 4.

42. Бувин Н.П. Исследование динамических свойств промышленных термоприемников // Теплоэнергетика. 1960. № 11. с. 49 - 54.

43. Буравой С.Е., Платунов Е.С. Установка для измерения истинной теплоемкости жаростойких материалов в режиме охлаждения // Теплофизика высоких температур. 1966. Т. 4. № 3. — с. 459 462.

44. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами: Справочное пособие. М.: Наука, 1979. 224 с.

45. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. М.: Машиностроение, 1991. 240 с.

46. Варганов И.С., Геращенко О.А. Тепловой метод неразрушающего контроля с помощью датчика теплового потока // Промышленная теплотехника. 1987. №4.-с. 77-80.

47. Васильев Л.Л., Фрайман Ю.Е. Теплофизические свойства плохих проводников тепла. Минск: Наука и техника, 1967. 172 с.

48. Волохов Г.М. Определение коэффициента температуропроводности при реализации комбинированных граничных условий // ИФЖ. 1966. Т. 11. № 5.-с. 582-586.

49. Волькенштейн B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия, 1971. — 145 с.

50. Видин Ю.В. Инженерные методы расчётов процессов теплопереноса. Красноярск, 1974. 144 с.

51. Видин Ю.В., Иванов В.В. Расчёт температурных полей в твердых телах, нагреваемых конвекцией и радиацией одновременно. Красноярск, 1965. -95 с.

52. Видин Ю.В., Воронков Г.В., Кондратьев Е.А. Законы распределения тепла в телах конечных размеров и их приложение к нагреву суммарным тепловым потоком // Теплофизика высоких температур. 1969. № 4. — с. 795.

53. Вик, Эзикши. Квазистационарное распределение температуры в периодически контактирующих стержнях конечной длины // Теплопередача // Труды американского общества инженеров механиков. 1981. № 1. —с. 149.

54. Власов В.В. Автоматические устройства для определения теплофизических характеристик твердых материалов. М.: Машиностроение, 1977.-с. 168.

55. Гаврилов Р.Н., Никифоров Н.Д. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушения естественной структуры // ИФЖ. 1983. № 6. с. 1023 - 1024.

56. Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий // Докторская диссертация. НИИСФ. М., 2000.

57. Геращенко О.А. Основы теплометрии. Киев: Наукова думка, 1971. — 192 с.

58. Геращенко О.А. Современное состояние теплометрии в СССР // ИФЖ. 1990. Т. 59, № 3. с. 516- 522.

59. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. Температурные измерения: Справочник. Киев: Наукова думка, 1984. 496 с.

60. Геращенко О.А., Гриценко Т.Г. Теплометрический метод определения комплекса теплофизических свойств вещества при гармоническом теплопоточном воздействии // Теплофизика и теплотехника. Киев: Наукова думка, 1979. Вып. 36. с. 19 - 22.

61. ГОСТ 8.009-72 Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

62. ГОСТ 8.157-75 Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы температурные практические.

63. ГОСТ 11.004-74 Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения.

64. ГОСТ 23789-79 Метод испытаний.

65. ГОСТ 310.4-81 Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.

66. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 287 с.

67. Гусева Л.И. Комплексные исследования теплофизических характеристик теплоизоляционно теплозащитных материалов длительного и многоразового применения: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1981. — 20 с.

68. А.с. СССР № 293209. Данилов Н.Д. Способ определения теплофизических характеристик материалов.

69. А.с. СССР 1267176. БИ. 1986. № 40. / М.Е. Гуревич, Л.В. Гурьянов, Ю.П. Золотаренко, Ю.Н. Коваль / Датчик теплового потока

70. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и 2 преобразования. М.: Наука, 1971. - 288 с.

71. Динамика теплообмена комбинированного тепломера / Н.А. Ярышев, Т.В. Смирнова, Н.Н. Заровская, Г.А. Васильев // Измерительная техника. 1990. №2.-с. 15- 16.

72. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М.—JI.: Госстройиздат, 1963. — 204 с.

73. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Д.: Энергия, 1974, — 264 с.

74. Дульнев Г.Н., Сигалов А.В. Температуропроводность неоднородных систем // ИФЖ. 1980. Т. 39. № 5. с. 859.

75. Дульнев Г.Н., Лукьянов Г.Н. Комплекс методик, программ и аппаратуры для автоматизации теплофизических исследований // ИФЖ. 1981. Т. 40. №4.-с. 717.

76. Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с.

77. Загребин Л.Д. Импульсный метод измерения теплофизических свойств металлов с использованием лазерного нагрева: Автореф. дис. канд. техн. наук. Свердловск, 1982. 23 с.

78. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. 108 с.

79. Заровная Н.Н., Ярышев Н.А. Влияние локального нагрева на температуру поверхности тела // Известия вузов. Приборостроение. 1981. Т. 23. № 11.-с. 87-92.

80. Заровная Н.Н., Ярышев Н.А. Анализ локальных тепловых возмущений в полупрозрачных объектах // Теплообмен-УП. Минск: Наука и техника, 1984. с. 58 - 62.

81. Зинченко Л.А., Садиков И.Н., Фандеев Е.И. Исследование пневмотермометрического метода измерения температуры движущихся лент // Известия вузов. Энергетика. 1975. № 9. — с. 134 — 138.

82. Золотухин А.В., Клименко B.C., Сииицкий Н.Е. Комплексная автоматическая калориметрическая установка для измерения тепловых свойств твердых веществ // Промышленная теплотехника. 1983. Т. 5. № 2. — с. 91 96.

83. Егоров Б.Н., Килессо B.C. Комплексное определение теплофизических свойств твердых материалов импульсно адиабатическим методом // Теплофизические свойства твердых тел. Киев: Наукова думка. 1971. -с. 65-71.

84. Елисеев В.Н., Воротников В.И., Товстоног В.А. Оценка погрешности измерения поверхностной температуры полупрозрачного материала контактным датчиком // Известия вузов. Машиностроение. 1981. с. 77 — 81.

85. Елисеев В.Н., Соловов В. А. Теоретическое и экспериментальноеисследование погрешности измерения температур термопарами в теплоизоляционных материалах // Инженерно физический журнал. 1983. Т. 45. № 5. - с. 737 - 742.

86. Елисеев В.Н., Соловов В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование погрешности измерения температур термопарами в теплоизоляционных материалах // ИФЖ. 1983. № 5. с. 737 - 742.

87. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

88. Иванова А.Г., Тартаковский Д-Ф. Метод определения динамических свойств поверхностных термоприемников // Метрология. 1975. Вып. 1. — с. 50 — 58.

89. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. с. 140.

90. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.-488 с.и

91. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений М.: Наука, 1970. 109 с.

92. Кайданов А.И. Влияние токоведущих проводников на точность измерения температур с помощью измерительных термисторов // Известия вузов. Приборостроение. 1970. Т. 13. № 10. с. 81 - 86.

93. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. -487 с.

94. Кельтнер, Бек Дж. Погрешности измерения температур поверхностей // Теплопередача. 1983, Т. 105. № 2. с. 98 - 106.

95. Ковальков В.П. Метод определения коэффициента температуропроводности при нагревании или охлаждении тел простой формы в случае произвольных краевых условий // Заводская лаборатория. 1975. Т. 41. № З.-с. 295.

96. Козлов В.П., Липовцев В.Н., Писарик Г.П. Аналитические основы неразрушающих способов комплексного определения теплофизических характеристик материалов // Промышленная теплотехника. 1987. № 2. с. 96 — 102.

97. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. 227 с.

98. Коздоба Л.А., Круковский П.Г. Методы решения обратных задач теплопереноса. Киев: Наукова думка, 1982. 360 с.

99. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 с.

100. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. Л.: Машгиз, 1957. 240 с.

101. Контрольно измерительные приборы и средства автоматизации. Каталог продукции компании ОВЕН, 2003 г. - 152 с.

102. Короткое П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. Л.: Машиностроение, 1974. — 224 с.

103. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.: Мир, 1975.- 312 с.

104. Краев О.А. Простой метод измерения температуропроводности теплоизоляторов // Теплоэнергетика. 1958. № 4. — с. 81 — 82.

105. Крейт О., Блек У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983. 256 с.

106. Кржжижановский Р.Е. Теплопроводность и электропроводность металлов и сплавов. М.: Металургия, 1967. 285 с.

107. Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам. М.: Энергия, 1978. — 215 с.

108. Куинн Т. Температура: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 448 с.

109. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1983. 424 с.

110. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: Энергия, 1979. — 96 с.

111. Куритнык Й.П., Бурханов Г.С., Стаднык Б.И. Материалы высокотемпературной термометрии. М.: Металлургия, 1986. — 208 с.

112. Курепин В.В., Козин В.М., Левочкин Ю.В. Приборы для теплофизических измерений с прямым отсчётом // Промышленная теплотехника. 1982. Т. 4. № 3. — с. 91.

113. Курепин В.В., Петров Г.С., Карпов В.Г. Промышленные теплофизические приборы первого поколения // Промышленная теплотехника. 1981. Т. 3.№ 1. — с. 29-31.

114. Курепин В.В., Платунов Е.С. Приборы для исследования температуропроводности и теплоемкости в режиме монотонного разогрева // Изв. вузов. Приборостроение. 1966. Т. 9. с. 127 — 130.

115. Курепин В.В., Дикалов А.И. Определение теплофизических характеристик методом мгновенного теплового импульса при учете влияния контактных термических сопротивлений // ИФЖ. 1981. Т. 40. № 6. с. 1046.

116. Курепин В.В., Калинин В.А. Скоростной метод определения коэффициента теплопроводности и температуропроводности твердых тел II Изв. Северо Кавказского научного центра высшей школы. Естественные науки. 1979. №2.-с. 24.J1. A \1

117. Беляев Ю.И., Двикат Бассам, Гринюк AJB. Приборы неразрушающего теппофизического контроля. Тез. докл. IX н. т. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. Ч. П. Новомосковск. Новомосковский институт. 2007- с. 101.