автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Неразрушающий сравнительный метод и интерполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности
Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Калинин, Александр Николаевич
ВВЕДЕНИЕ .у.;,.
РАЗДЕЛ I. НЕ РАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (ОБЗОР).
1.1. Относительные неразрушакицие методы.
1.2. Абсолютные неразрушающие методы.
1.3. Сравнительные неразрушающие методы.
1.4. Выводы к- разделу 1.
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И АНАЛИЗ НОВОГО
НЕРАЗРУШАДЩТО СРАВНИТЕЛЬНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ 1ЕШОПРОВОДШСТИ НА ОСНОВЕ ДВУХТОЧЕЧНОГО 30ВДИР0-ВАКИЙ ПОВЕРХНОСТИ.'.
2.1. Тепловая модель системы исследуемый образец - два разнотемпературных цилиндрических зонда.
2.2. Эле к тро тепловая аналогия системы.
2.3. Обоснование и расчет оптимальных параметров системы.'.
2.4. Анализ условий адекватности изотропного образца полупространству.
2.5. Выводы к разделу 2.
РАЗДЕЛ 3. ПОГРЕШНОСТИ МЕТОДА.
3.1. Основные источники и составляющие погрешности метода.
3.2. Анализ погрешностей, обусловленных непостоянством параметров системы.
3.3. Анализ погрешностей, обусловленных неадекватноЬтью образца полупространству.
3.4. Оценка погрешности определения градуировочной д характеристики и последующих измерений.
3.5. Оценка погрешностей измерения дифференциальным методом.
3.6. Выводы к разделу 3.
РАЗДЕЛ 4. ЭКСПЕРИМЕНТAJIЬНЬЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА.
4.1. Схемы и средства практической реализации метода.
4.2. Исследование и анализ градуировочной характеристики.
4.3. Экспериментальные исследования случайных погрешностей.,
4.4. Экспериментальные исследования источников систематических погрешностей.
4.5. Выводы к разделу 4.
Введение 1994 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Калинин, Александр Николаевич
Разнообразие веществ и материалов, форм и условий их существования, а также многообразие теплофизических характеристик, требований к температуре и точности, вызвали к жизни большое многообразие методов их экспериментального определения ( 1-22] .
Из теплофизических характеристик чаще всего, согласно запросам научных и промышленных организаций, интерес представляют теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость. При этом благодаря наличию функциональной связи между этими характеристиками, а также вследствие того, что подавляющее большинство тепловых процессов рассматриваются стационарными, наибольшее число запросов касается теплопроводности.' Это обусловлено еще и тем, что теплопроводность наиболее чувствительна тс химическому составу и структуре материала и изменяется в очень широких пределах.
К числу наиболее эффективных методов и средств экспериментального определения теплопроводности могут быть отнесены нераз-рушающие методы и средства, позволяющие осуществлять измерения без отбора проб исследуемого материала и без внедрения измерительных преобразователей. С их помощью имеется возможность получать информацию о теплопроводности при максимальном сохранении естественной структуры материала. Кроме того., с помощью неразру-шающих методов может быть достигнута наиболее высокая производительность измерений, так как они не требуют подготовки из исследуемых часто труднообрабатываемых материалов образцов заданной геометрии. Помимо этого такие методы и средства позволяют сохранять в целостности исследуемые объекты, которыми могут быть готовые изделия [23, 24] .
Высокая потребность в неразрушающих и высокопроизводительных методах и средствах измерения теплопроводности наблюдается во
- о многих областях науки и техники. Примерами могут служить авиаци
Ф онная и космическая техника, теплоэнергетика, холодильная и криогенная техника, где измерения теплопроводности конструкционных или теплозащитных материалов необходимы для расчетов и периодического контроля тепловых режимов летательных аппаратов, энергетических, холодильных и криогенных установок.
В геологии и геофизике такие методы и средства необходимы для осуществления проводимых в последнее время массовых измерений теплопроводности образцов горных пород, например, кернов скважин при исследованиях теплового поля литосферы Земли и осуществления геотермических методов разведки полезных ископаемых. В горном деле - образцов пород шахт с целью прогнозирования теплового режима в горных выработках.
В геофизических исследованиях потребность в неразрушающих методах и приборах измерения теплопроводности обусловлена еще и тем, что в ряде случаев требуется сохранить образцы горных пород в их первоначальном виде, в частности, для последующего комплекса исследований 1« других физико-химических свойств. Таковыми, например, являются уникальные глубинные образцы пород кернов сверхглубоких скважин.
В области строительной физики такие методы необходимы для осуществления массовых измерений теплопроводности образцов грунтов оснований дорог и сооружений, в частности, в зоне вечной мерзлоты, проводимых с целью прогнозирования и обеспечения устойчивого их теплового режима; для измерений теплопроводности строительных материалов, в том числе непосредственно в конструкциях и фрагментах сооружений с целью расчета и анализа теплопотерь, » через ограждающие конструкции.
Неразрушающие методы измерения теплопроводности имеют пря
• мой выход в производство, в частности, для решения задач технологического контроля материалов и изделий, когда теплофизические ф характеристики являются нормируемыми параметрами. Из материалов, в технологии производства которых уже имеется потребность в контроле теплопроводности, могут быть названы строительные, теплоизоляционные и композиционные материалы - композиты, объем произ-' водства которых постоянно растет.
Преимущества неразрушающих методов особенно наглядно проявляются при исследованиях химически активных, в частности, легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ и материалов. Использо
• вание неразрушающих методов взамен традиционных применительно к таким материалам позволяет исключить сложные для этих материалов операции, связанные с изготовлением образцов заданной формы и их монтажом в калориметрические устройства. Кроме того неразрушаю-щие методы позволяют осуществлять дистанционные измерения, исключающие прямой контакт оператора с исследуемым материалом.
С ростом объема измерений теплопроводности возрастает потребность в метрологическом обеспечении этого вида измерений, в том числе в высокоточных и высокопроизводительных методах и средствах передачи единицы теплопроводности от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений. Для решения таких задач перспективны также неразрушающие методы. Например, компарирование образцовых-мер теплопроводности с использованием таких методов открывает возможность повысить не только производительность, но и точность компарирования, а, следовательно, точность аттестации или поверки мер теплопроводности. Одним из существенных факторов повышения точности при этом является исключение влияния на результаты компарирования различия форм и размеров сравниваемых мер, неизбежно присутствующих при компарировании традиционными (разрушающими) методами. Кроме того имеется возможность
I уменьшить влияние структурных изменений материалов сравниваемых мер, которые имеют место для ряда материалов при их механической обработке в процессе изготовления образцов применительно к используемым в настоящее время методам и средствам. В дополнение к этому неразрушающие методы компарирования позволят передавать единицу теплопроводности мерам разной геометрии.
Из неразрушающих методов измерений теплопроводности наиболее эффективными следует считать сравнительные методы. В таких методах, благодаря использованию принципа сравнения (сопоставления данных опыта с данными таких же опытов на материалах с известной теплопроводностью), исключается основной для неразрушающих методов источник систематических погрешностей, а именно погрешности из-за несоответствия (неадекватности) экспериментальной и теоретической моделей метода, достижение которого или учет погрешностей из-за такого несоответствия в неразрушающих методах наиболее затруднен. Не. меньшим достоинством сравнительных методов, допус- -кающих такое несоответствие, является возможность создания на их основе средств с экономичными эксплуатационными показателями -- простых, надежных, долговечных и высокопроизводительных, а также применимых для широкого класса материалов.
Развитие сравнительных неразрушающих методов измерения теплопроводности сдерживалось недостатком или полным отсутствием в отдельных диапазонах мер этого свойства. В настоящее время благодаря работам по метрологическому обеспечению этого вида измерений, проводимых в ведущих метрологических организациях страны (НПО "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева", НПО "ВНИИФТРИ") положение изменилось. Функционируют государственные поверочные схемы и эталоны единицы теплопроводности твердых тел в различных диапазонах температур. В наличии имеется определенная номенклатура мер теплопроводности, которая постоянно расширяется Г25-321 . То есть-возникли все необходимые предпосылки для исследований, разработки и широкого использования сравнительных неразрушающих методов и средств измерения теплопроводности.
Общий обзор методов и средств измерения теплопроводности показал, что основная их часть расчитаны на образцы правильной геометрической формы (см. Приложение i). Поэтому такие методы классифицированы (рис. I) как "разрушающие" и "с отбором проб" £l-55J . Такими же являются методы и средства, применяемые в метрологической практике для сличения мер теплопроводности твердых тел при их аттестации и поверке [26-32, 52-55J . К "разрушающим" отнесены такие методы, расчитанные .на образцы произвольной геометрии, однако предусматривающие внедрение преобразователей [5] . При этом выявлено значительное число исследований и разработок,' направленных на создание "неразрушающих" методов и средств определения теплофизических характеристик, в том числе теплопроводности, основанных на тепловом зондировании поверхности и расчитанных на образцы или объекты произвольной геометрической формы [47, 56-91],
Анализ этой части методов, включая зарубежные, показал, что их метрологические и эксплуатационные возможности по ряду показателей не отвечают современным требованиям (таблица I). В первую очередь недостаточны диапазон (0,03 * 10 Вт/(м.К) вместо.требуемого (0,02 * 500 Вт/(м«Ю) и точность измерений (основная погрешность 5 - 10 % вместо требуемой I - 3 %), Остается значительным время одного измерения (5 -г 30 мин. вместо 1*5 мин.). Ограничен диапазон применимости методов по классам материалов, по номенклатуре и типоразмерам исследуемых образцов. Например, с их помощью затруднены измерения на тонкослойных образцах толщиной менее 5 мм и на тонких пленках (толщиной до 0,01 мм). Не гарантирована точность измерений на образцах, имеющих сколь-нибудь значительную кривизну поверхности. За редким исключением они не применимы одновременно к твердым и легко деформируемым, например, волокнистым
Рис.1. Схема классификации методов и средств измерения теплопроводности твердых тел
Таблица I. Уровни неразрушающих методов и средств измерения теплопроводности твердых тел п/п
Показатели
Требуемые
Достигаемые уровни уровни Отечественных разработок Приборов зарубежных фирм Авторской разработки
0,02*500 0,03*10 " о-;ш*го 0,03*100 из 5*10 5*10 1,5*7 5 5*30 5*30 3*5
0,5 ¿0,5 0,5*0,9
1*15 1*5 8, И* 13 1*5 8, II, 13 1*15
1*3 I I, 2 1*3 абсолют., относит. нестац. абсолют., относит., стац., нестац. сравнит., о«ац. переносные и носимые приборы эксперимент, установки 56-68, 73-76 переносные приборы с вспомог. обор. [69-72, 89-91Л переносный прибор С94-100: ЮЗ, 10Й, 109, 133, 134, 137i
1. Диапазон измерений, Вт/(м.К)
2. Основная погрешность, %
3. Время измерения, мин.
4. Скважность измерений, ^ У изм. ' ^ цикла )
5. Применимость по классам материалов и условиям изм. )
6. Применимость подобластям техники )
7. Используемый метод и тепловой режим
8. Уровень приборного воплощения
9. Источники
I - твердые; 2 - деформируемые; 3 - однородные; 4 - дисперсные; 5 - ячеистые; б - волокнистые; 7 - порошковые; 8 - объемные;
9 - тонкослойные; 10 - пленочные; II - без увлажнения;
12 - влагесодержащие; 13 - изотропные; 14 - анизотропные;
10 - без прямого контакта оператора с материалом. I - в научных исследованиях; 2 - при сертификационных испытаниях и технологическом контроле; 3 - в метрологической практике. и порошковым материалам, а также одновременно к изотропным и ани
4 зотропным, в том числе пленочным материалам. Не позволяют они определять теплопроводность дисперсных материалов в условиях полного насыщения водой или другими флюидами, в том числе таких специфических материалов, как живых биологических тканей. С помощью известных методов затруднены дистанционные измерения в условиях, исключающих прямой контакт оператора с исследуемым материалом. Вследствие низких метрологических характеристик и недостаточной проработки ни "один из известных неразрушающих методов не нашел применения в метрологической практике. Важным недостатком известных неразрушающих методов является и то, что на их основе затруднено создание переносных или носимых приборов. Из-за этого все выявленные отечественные разработки для неразрушающего контроля теплопроводности больше напоминают экспериментальные установки. Немногочисленные зарубежные приборы этого назначения также требуют громоздкого дополнительного оборудования и в первую очередь средства термостатирования образцов. •
Таким образом повышение точности, производительности и расширение диапазона измерений теплопроводности с помощью неразрушающих методов; расширение диапазона применимоети-неразрушающих методов по классам материалов, по номенклатуре и типоразмерам исследуемых образцов, а также использование неразрушающих методов в метрологической практике при передаче размера единицы теплопроводности твердых тел от эталонов к образцовым и рабочим средствам измерений является актуальной задачей метрологии и измерительной техники в области теплофизических измерений.
Целью настоящей работы является разработка нового неразрушающего сравнительного метода измерения теплопроводности, основанного на двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух разнотемпературных цилиндрических зондов, и создание на его основе интерполяционного прибора, градуируемого по набору образцовых мер теплопроводности, обеспечивающего повышение точности, производительности и расширение диапазона измерений, и применимого для массовых прямых измерений тегоюправод-ности широкого класса материалов в широком диапазоне типоразмеров исследуемых образцов, а также для компарирования мер теплопроводности разной формы и размеров при передаче размера единицы теплопроводности твердых тел от рабочего эталона образцовым мерам методом сличения.
9 Для достижения поставленной цели автору было необходимо:
- провести обзор .и анализ существующих неразрушающих методов и средств измерения теплопроводности и их метрологических и эксплуатационных возможностей;
- изучить теоретически и экспериментально закономерности теплового взаимодействия зонда-стержня с образцом-полупространством через точечный контакт на поверхности и установить перспективность их использования для неразрушающих измерений теплопроводности;
- предложить новый неразрушающий сравнительный метод измерения теплопроводности, основанный на двухточечном тепловом зондировании поверхности образца с помощью двух разнотемпературных зондов с регистрацией установившейся разности температур между зондами и сопоставлении методом предварительной градуировки с данными измерений на мерах теплопроводности;
- разработать математическую модель предложенного метода с учетом всех основных факторов, в том числе с использованием электротепловой аналогии и с учетом термического сопротивления контактов;
- провести теоретически анализ закономерностей изменения
Ф абсолютной и относительной чувствительностей метода и "выработать алгоритм выбора оптимальных теплофизических и геометрических па* раметров;
- провести теоретический анализ условий адекватности исследуемого образца полупространству в задачах с локальными источниками (стоками) тепла на поверхности и обосновать оптимальные параметры взаимного расположения зондов и образца;
- провести теоретический анализ характера растекания (отекания) тепла от локального источника (стока) в однородном анизотропном (ортотропном) полупространстве; получить аналитические зависимости и расчетные соотношения, а также разработать методику определения на~основе предложенного метода и полученных соотношений главных составляющих тензора теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных (адекватных полупространству по всем трем направлениям) образцов;
- провести анализ характера растекания (отекания) тепла от локального источника (стока) в составном анизотропном полупространстве; получить аналитические зависимости и расчетные соотношения, а также разработать-методики определения на основе предложенного метода и полученных соотношений нормальной и тангенциальной составляющих тензора теплопроводности ориентированных тон-кослоиных и пленочных материалов, а таске теплопроводности тонких покрытий;
- провести теоретический анализ и оценку основных источников и составляющих погрешностей предложенного сравнительного метода в разных вариантах его реализации и применения, в том числе в режиме прямых измерений и измерений дифференциальным, методом;
- разработать схемы практической реализации метода и коне-трукцию теплового ■ блока-зонда, а также осуществить на основе полученных соотношений расчет оптимальных его физико-геометрических
1 параметров применительно к измерениям теплопроводности в широком диапазоне (0,03 * 100 Вт/(м*Ю);
- разработать методику и провести комплекс экспериментальных исследований созданного метода и его метрологических и,эксплуатационных возможностей, в том числе экспериментальную проверку полученных исходных зависимостей и соотношений, исследование закономерностей распределения и изменения случайных-и систематических погрешностей, а также экспериментальное исследование и подтверждение эффективности метода и прибора применительно к некоторым специфическим классам материалов и к сличению мер теплопроводности в метрологической практике;
- разработать методику и осуществить измерение с помощью со-, зданного прибора величины термического сопротивления точечных контактов.
Рассмотрение этих вопросов определяет содержание и структуру настоящей работы.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей теплового взаимодействия двух разнотемпера-турных цилиндрических зондов с образцом через контакты малого радиуса в установившемся тепловом режиме разработан новый, неразру-шающий сравнительный метод измерения теплопроводности тел произвольной геометрической формы и на его основе создан новый интерполяционный прибор, градуируемый с помощью набора образцовых мер теплопроводности и применимый в качестве рабочего средства для массовых прямых неразрушающих измерений теплопроводности широкого класса материалов в широком диапазоне теплопроводности и типоразмеров исследуемых образцов, а также в качестве образцового прибора для скоростного сличения образцовых мер теплопроводности разной формы и размеров при их аттестации и поверке в метрологической практике;
- разработаны и экспериментально исследованы новые методики измерения с помощью созданного прибора теплопроводности анизотропных материалов, в том числе всех трех главных составляющих тензора теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных образцов; нормальной и тангенциальной составляющих тензора теплопроводности ориентированных тонкослойных и пленочных материалов, а также теплопроводности тонких покрытий;
- разработана, экспериментально исследована и внедрена в практику метрологических работ новая методика передачи размера единицы теплопроводности твердых тел от рабочего эталона образцовым мерам на основе использования созданного неразрушающего метода и прибора.
Автор защищает: .
- теоретические и экспериментальные исследования неразрушающего сравнительного метода измерения теплопроводности твердых тел на основе двухточечного теплового зондирования поверхности с помощью двух разнотемпературных цилиндрических зондов;
- тебретические и экспериментальные исследования погрешностей разработанного метода на основе предложенной методики предварительной градуировки экспериментальной модели с помощью набора мер теплопроводности и аппроксимации данных градуировки аналитической зависимостью, найденной из физических соображений;
-результаты разработки нового интерполяционного прибора для неразрушающих экспресс-измерений теплопроводности, твердых тел произвольной геометрической формы на основе созданного неразру-шающего сравнительного метода с двухточечным зондированием поверхности; ,
- теоретические и экспериментальные исследования по распространению и обобщению созданных метода и прибора на тонкослойные материалы и на материалы, обладающие анизотропией теплопровод
4 ности.
Работа выполнялась на основании "Комплексной научно-технической программы развития тегаюфизического приборостроения на 1977-1990 годы", общегосударственной программы "Сибирь" (п.5Л "Метрологическое обеспечение народного хозяйства Сибири") и в соответствии с .тематическими планами работ СНИИМ в области измерений тепловых величин и их метрологического обеспечения.
Источниками работы служили НИР по договору № 238/81
Разработка и метрологическая аттестация аппаратуры для экспресс-измерений теплопроводности резиноподобных материалов неразру-шающим методом" (п/я Р-6462); НИР по договору № 244/81 "Разработка и исследование компаратора теплопроводности и средств его метрологического обеспечения применительно к измерениям теплопроводности образцов пород сверхглубоких скважин" (ВНИИЯГГ);
НИР по договору № 507/90 "Разработка методики и аппаратуры не-разрушающего измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов" (Московский электродный завод); НИР по договорам № 516/90 и № 605/91 "Разработка, метрологическая аттестация и поставка прибора для неразрушающих экспресс-измерений теплопроводности горных пород" (ИГиГ, ИЗК СО РАН), а также договоры о научно-техническом сотрудничестве с Институтом геологии и геофизики и Институтом физико-технических проблем Севера СО РАН.' Часть исследований проведена в порядке выполнения метрологических работ с рабочим эталоном единицы теплопроводности твердых тел ВЭТ 59-2-83, ученым хранителем которого автор яё'ляётся.
Заключение диссертация на тему "Неразрушающий сравнительный метод и интерполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности"
3.5. Выводы к Приложению 3
I. Экспериментально исследована и показана применимость метода к некоторым специфическим классам материалов, отличающихся структурой и физико-механическими свойствами: горным породам и строительным материалам, включая пористые и при насыщении их водой; легко деформируемым резиноподобным материалам; вспененным и ^ волокнистым теплоизоляторам. Применительно к горным породам исследована и аттестована специальная мера теплопроводности из белого мрамора, нашедшая широкое применение в совокупности с методом в геофизических исследованиях.
2. Экспериментально исследованы и подтверждены выеденные теоретически закономерности и полученные соотношения, описывающие взаимодействие зондов, как локальных источников теш-ау с однородным и составным образцом-полупространством, в том числе обладающем анизотропией теплопроводности.
Показаны дополнительные возможности разработанного неразруша-ющего сравнительного метода по его использованию применительно к изотропным и анизотропным тонкослойным материалам с возможностью определения нормальной и тангенциальной составляющих тензора теплопроводности таких материалов; к тонкослойным покрытиям; к орто-тропным объемным материалам с одновременным определением всех трех главных составляющих тензора теплопроводности этих материалов.
Экспериментально подтверждены работоспособность и эффективность предложенных способов определения теплопроводности анизотропных тонкослойных и объемных материалов, а также тонких покрытий на основе разработанного метода с двухточечным зондированием поверхности образца.
3. Экспериментально исследована и установлена применимость и эффективность разработанного неразрушающего метода и интерполяционного прибора на его основе для сличения однотипных мер теплопроводности твердых тел при их аттестации или периодической поверке методом сличения при комнатной температуре. Экспериментально показана возможность и подтверждена эффективность использования метода для взаимного сличения разнотипных мер в широком диапазоне теп* лопроводности (0,03 -г 100 Вт/(м»Ю).
4. На основании данных определения статических характеристик приборов, реализующих метод, показана возможность о осуществлено экспериментальное определение величины контактного термического сопротивления (КТС) для случая теплопередачи через круговой контакт между стержнем и поверхностью"образца-полупространства. Полученное среднее из результатов двух независимых опытов значение
КТС равно 1,1*10"^ м^.К/Вт в случае с контактной смазкой, и л ?
I,7-10" м .К/Вт - в случае без контактной смазки. Эти значения соответствуют обработке контактирующих поверхностей не хуже V 9 и контактному давлению около 0,1 МПа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования теплового взаимодействия в системе - исследуемый образец, имитирующий .полупространство, и два разнотемпературных цилиндрических зо-цца, примыкающие к поверхности образца, с учетом контактного термического сопротивления и теплообмена зондов с окружающей средой. Исследования положены в основу физической модели нового неразруша-ющего метода измерения теплопроводности твердых тел произвольной
• геометрической формы и созданного нового прибора для массовых измерений теплопроводности широкого класса материалов.
2. Установлены закономерности теплового взаимодействия тел в системе и получены аналитические зависимости и соотношения, связывающие теплопроводность образца с разностью температур зондов и их теплофизическими, геометрическими и теплообменными параметрами. Выработан алгоритм оптимальности системы, обеспечивающий максимальную чувствительность разности температур зондов к изменениям теплопроводности образца и минимальную - к изменениям теплообменных параметров, в том числе контактного сопротивления.
3. Исследованы источники случайных и систематических погрещностей измерений теплопроводности на основе моделирования такой системы и закономерности-их изменения.
4. Изучены закономерности изменения тепловой проводимости плоского образца, имитирующего неограниченную пластину,три действии локальных источников тепла на поверхности., в том числе при наличии анизотропии теплопроводности образца-пластиШГ а* также тепловой проводимости образца-полупространства, обладающего анизотропией теплопроводности по всем трем направлениям. Получены зависимости и соотношения, позволяющие на основе моделирования такой систеф мы неразрушающим методом определять все три главные составляющие тензора теплопроводности анизотропных (ортотропных) объемных материалов, нормальную и тангенциальную составляющие теплопроводности
• ТОНКОСЛОЙНЫ* анизотропных^материалов, а также теплопроводности тонких покрытий.
5. Предложен и исследован неразрушающий сравнительный метод измерения теплопроводности на основе физической модели, включающей' зонды с разной температурой, находящихся, в тепловомко.нтакте с поверхностью образца. Проведены экспериментальные исследования применимости метода в широком интервале значений теплопроводности для ряда материалов (дисперсных горных пород и строительных материалов,
• теплоизоляторов, деформируемых резиноподобных материалов, металлов, стекол, керамики, пластмасс).
6. Создан на основе этого метода новый прибор для измерения теплопроводности твердых материалов неразрушающим методом в диапазоне 0,03 -г 100 Вт/(м*К). Погрешность измерений 1,5 * 3 % в диапазоне 0,2 + 2,5 Вт/(м-К), 3-5 % в диапазонах 0,03 4- 0,2 и 2,5 *
4- 15 Вт/(м*К) и 5-7 % в диапазоне 15 4 100 Вт/(м«К). Время одного измерения 3-5 мин. Скважность измерений не менее 0,5. Результаты исследований показали применимость метода и прибора для измерений теплопроводности твердых и деформируемых, волокнистых и сыпучих материалов; изотропных и анизотропных тонкослойных материалов, а
• также ортотропных объемных образцов. Разработка метода и прибора, а также способов определения теплопроводности тонкослойных и анизотропных материалов выполнены на основе четырех авторских свидетельств на изобретения.
7. Созданный прибор аттестован в качестве образцового и включен в региональную поверочную схему"Ййя средств измерений теплопроводности для применения в режиме компаратора при передаче размера единицы'теплопроводности от рабочего эталона образцовым мерам методом сличения. Приборы внедрены также для исследований тепло
I проводности образцов пород Кольской сверхглубокой скважины
ВНИИЯГГ, г.Москва); образцов пород недр Сибири при изучении геотермических методов разведки полезных ископаемых (ИГиГ СОАН СССР, г.Новосибирск; ИЗК СОАН СССР, г.Иркутск); строительных материалов, применяемых в-условиях Севера, и образцов грунтов зоны вечной мерзлоты (ИФТНС СОАН СССР, г.Якутск).
XüU —
-
Похожие работы
- Неразрушающий сравнительный метод и интерполяционный прибор для экспресс-измерений теплопроводности твердых тел на основе двухточечного зондирования поверхности
- Методы и средства теплофизического контроля керамических изделий электротехнического назначения
- Метод измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов на основе интегральной формы уравнения Фурье
- Определение теплофизических характеристик материалов теплозащитных покрытий средствами неразрушающего контроля
- Создание комплекса аппаратуры государственного первичного эталона единицы теплопроводности и системы передачи размера единицы в диапазоне от 0,02 до 0,2 Вт/(м.К)
-
- Приборы и методы измерения по видам измерений
- Приборы и методы измерения времени
- Приборы навигации
- Приборы и методы измерения тепловых величин
- Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин
- Акустические приборы и системы
- Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
- Радиоизмерительные приборы
- Электронно-оптические и ионно-оптические аналитические и структурно-аналитические приборы
- Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы
- Хроматография и хроматографические приборы
- Электрохимические приборы
- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
- Технология приборостроения
- Метрология и метрологическое обеспечение
- Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)
- Приборы, системы и изделия медицинского назначения
- Приборы и методы преобразования изображений и звука